JPH08250755A - 太陽電池 - Google Patents
太陽電池Info
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- JPH08250755A JPH08250755A JP7055764A JP5576495A JPH08250755A JP H08250755 A JPH08250755 A JP H08250755A JP 7055764 A JP7055764 A JP 7055764A JP 5576495 A JP5576495 A JP 5576495A JP H08250755 A JPH08250755 A JP H08250755A
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- Japan
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- energy
- electron trap
- solar cell
- band
- semiconductor
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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
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 太陽電池に関し，電子トラップにより高効率
にエネルギー変換することを目的とする。 【構成】 半導体太陽電池において，空乏層中にエネル
ギーバンドギャップ内のエネルギー準位で電子トラップ
を導入し，その電子トラップを介した２段階光励起によ
り半導体のエネルギーバンドギャップのエネルギーより
小さいエネルギーの波長光により起電力を発生し，エネ
ルギーバンドギャップのエネルギーより小さいエネルギ
ーの波長光およびエネルギーバンドギャップより大きい
エネルギーの波長光により起電力を発生する構成を持
つ。
にエネルギー変換することを目的とする。 【構成】 半導体太陽電池において，空乏層中にエネル
ギーバンドギャップ内のエネルギー準位で電子トラップ
を導入し，その電子トラップを介した２段階光励起によ
り半導体のエネルギーバンドギャップのエネルギーより
小さいエネルギーの波長光により起電力を発生し，エネ
ルギーバンドギャップのエネルギーより小さいエネルギ
ーの波長光およびエネルギーバンドギャップより大きい
エネルギーの波長光により起電力を発生する構成を持
つ。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，高効率の太陽電池に関
する。太陽電池のエネルギー変換効率を向上させるため
に様々な改良がなされてきた。半導体太陽電池のエネル
ギー変換効率を向上させるためには太陽光を広範囲に利
用する必要がある。そのため，バンドギャップの異なる
半導体を重ね合わせ，広範囲の太陽光スペクトルを利用
できるようにする等の様々な検討がなされてきた。
する。太陽電池のエネルギー変換効率を向上させるため
に様々な改良がなされてきた。半導体太陽電池のエネル
ギー変換効率を向上させるためには太陽光を広範囲に利
用する必要がある。そのため，バンドギャップの異なる
半導体を重ね合わせ，広範囲の太陽光スペクトルを利用
できるようにする等の様々な検討がなされてきた。
【０００２】本発明は電子トラップの導入により長波長
光をも有効に起電力に作用できるようにした高効率の太
陽電池に関するものである。
光をも有効に起電力に作用できるようにした高効率の太
陽電池に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】１９９２年には中国の半導体研究所のJi
anming Li 等により, 結晶シリコンに水素イオンを注入
して結晶欠陥を導入し，欠陥が作る電子トラップを介し
た2 段階光励起により, 太陽電池の効率を向上させるこ
とができると報告された（Jianming Li et al., "35 %
efficient nonconcentrating novel sillicon solar ce
ll" , Applied Physics Letters,60,(May,1992), 224
0)。
anming Li 等により, 結晶シリコンに水素イオンを注入
して結晶欠陥を導入し，欠陥が作る電子トラップを介し
た2 段階光励起により, 太陽電池の効率を向上させるこ
とができると報告された（Jianming Li et al., "35 %
efficient nonconcentrating novel sillicon solar ce
ll" , Applied Physics Letters,60,(May,1992), 224
0)。
【０００４】この報告に関しては，１９９３年に，Ｃ．
Summonte et al., "Spectral behavior of solar cells
based on the "junction near local defect layer" d
esign " ,Applied Physics Letters,63,(August,1993),
785) 等で疑問が提出されたが，真偽はともかくとし
て，電子トラップをバンドギャップ中に導入して太陽電
池の効率を向上させる試みがなされている。
Summonte et al., "Spectral behavior of solar cells
based on the "junction near local defect layer" d
esign " ,Applied Physics Letters,63,(August,1993),
785) 等で疑問が提出されたが，真偽はともかくとし
て，電子トラップをバンドギャップ中に導入して太陽電
池の効率を向上させる試みがなされている。
【０００５】しかし，１９９２年の前述の論文に対して
異例の反論が提出されたことからもわかるように，電子
トラップを導入することにより太陽電池の効率を向上さ
せること自体に疑問も持たれていた。
異例の反論が提出されたことからもわかるように，電子
トラップを導入することにより太陽電池の効率を向上さ
せること自体に疑問も持たれていた。
【０００６】このように電子トラップの導入により太陽
電池の効率を向上させることに対する効果の有無が議論
される根本的原因は，電子トラップの導入に関し，ある
種の条件が必要であるとの認識がいままでの報告では示
されてなく，そのために有効に電子トラップを導入する
ための条件が欠如していたことにあると考えられる。
電池の効率を向上させることに対する効果の有無が議論
される根本的原因は，電子トラップの導入に関し，ある
種の条件が必要であるとの認識がいままでの報告では示
されてなく，そのために有効に電子トラップを導入する
ための条件が欠如していたことにあると考えられる。
【０００７】例えば，上記のJianming Li 等の報告では
その図１に示されるように，欠陥による電子トラップの
位置を，ｐｎ接合の近傍でその外側に設定している。ま
た，１９９３年には，オーストラリア国，ニューサウス
ウエールズ大学のＭ．Ｊ Ｋｅｅｖｅｒｓ等は結晶シリ
コン太陽電池に深いトラップ準位を持つインジウムを導
入し，その準位を介する電子の２段階励起により，太陽
電池の効率を向上させる可能性を理論的に検討している
（M.J.Keevers and M.A. Green, "Efficiencyimproveme
nts of silicon solar cells by the impurity photovo
ltaic effect", Proceeding of 23rd IEEE Photovoltai
c Specialist Conference, 1993, p140 ) 。しかし，こ
の報告は，その図３にも明確に示されるように，電子ト
ラップを結晶全体に導入することを想定したものであ
る。
その図１に示されるように，欠陥による電子トラップの
位置を，ｐｎ接合の近傍でその外側に設定している。ま
た，１９９３年には，オーストラリア国，ニューサウス
ウエールズ大学のＭ．Ｊ Ｋｅｅｖｅｒｓ等は結晶シリ
コン太陽電池に深いトラップ準位を持つインジウムを導
入し，その準位を介する電子の２段階励起により，太陽
電池の効率を向上させる可能性を理論的に検討している
（M.J.Keevers and M.A. Green, "Efficiencyimproveme
nts of silicon solar cells by the impurity photovo
ltaic effect", Proceeding of 23rd IEEE Photovoltai
c Specialist Conference, 1993, p140 ) 。しかし，こ
の報告は，その図３にも明確に示されるように，電子ト
ラップを結晶全体に導入することを想定したものであ
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は，電子ト
ラップの導入によりエネルギー変換効率を向上させるた
めには，本明細書に開示するように電子トラップを空乏
層中にのみ空間的に限定する必要があり，そのように限
定的に導入することによってのみ効果を生じることを今
回見出した。しかし，従来の報告は，電子トラップの導
入位置と効率の関係については提案されてなく，電子ト
ラップの導入により十分な効果が得られてなかった。
ラップの導入によりエネルギー変換効率を向上させるた
めには，本明細書に開示するように電子トラップを空乏
層中にのみ空間的に限定する必要があり，そのように限
定的に導入することによってのみ効果を生じることを今
回見出した。しかし，従来の報告は，電子トラップの導
入位置と効率の関係については提案されてなく，電子ト
ラップの導入により十分な効果が得られてなかった。
【０００９】本発明は，電子トラップの導入により高効
率にエネルギー変換できる太陽電池を提供することを目
的とする。
率にエネルギー変換できる太陽電池を提供することを目
的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は， 電子トラ
ップの導入されるべき空間的位置， 電子トラップの
エネルギーレベルについて有効な条件を求め，太陽電池
の効率を向上させるようにした。
ップの導入されるべき空間的位置， 電子トラップの
エネルギーレベルについて有効な条件を求め，太陽電池
の効率を向上させるようにした。
【００１１】即ち，本発明は，半導体太陽電池において
空乏層中にエネルギーバンドギャップ内のエネルギー準
位で電子トラップを導入し，その電子トラップを介した
２段階光励起により半導体のエネルギーバンドギャップ
のエネルギーより小さいエネルギーの波長光により起電
力を発生し，エネルギーバンドギャップのエネルギーよ
り小さいエネルギーの該波長光およびエネルギーバンド
ギャップのエネルギーより大きいエネルギーの波長光に
より起電力を発生するようにした。
空乏層中にエネルギーバンドギャップ内のエネルギー準
位で電子トラップを導入し，その電子トラップを介した
２段階光励起により半導体のエネルギーバンドギャップ
のエネルギーより小さいエネルギーの波長光により起電
力を発生し，エネルギーバンドギャップのエネルギーよ
り小さいエネルギーの該波長光およびエネルギーバンド
ギャップのエネルギーより大きいエネルギーの波長光に
より起電力を発生するようにした。
【００１２】図１は本発明の原理図である。図１ (a)は
太陽電池のｐｎ接合のエネルギーバンド構造であり，本
発明の電子トラップの空間的配置を示す図である。
太陽電池のｐｎ接合のエネルギーバンド構造であり，本
発明の電子トラップの空間的配置を示す図である。
【００１３】図１ (a)において，１はｐ型領域である。
２はｎ型領域である。
２はｎ型領域である。
【００１４】３はｐｎ接合の空乏層である。１１はｐ型
領域の伝導帯である。１２はｐ型領域の価電子帯であ
る。
領域の伝導帯である。１２はｐ型領域の価電子帯であ
る。
【００１５】１３はエネルギーバンドギャップである。
２１はｎ型領域の伝導帯である。２２はｎ型領域の価電
子帯である。
２１はｎ型領域の伝導帯である。２２はｎ型領域の価電
子帯である。
【００１６】２３はエネルギーバンドギャップである。
２５は電子トラップである。本発明は，図１ (a)，図１
(b)に示すように空乏層３の中にのみ空間的に限定して
エネルギーバンドギャップ１３内のエネルギー準位で電
子トラップ２５を導入し，その電子トラップを介した２
段階光励起により半導体のエネルギーバンドギャップの
エネルギーより小さいエネルギーの長波長光を発電に寄
与させるようにしたものである。
２５は電子トラップである。本発明は，図１ (a)，図１
(b)に示すように空乏層３の中にのみ空間的に限定して
エネルギーバンドギャップ１３内のエネルギー準位で電
子トラップ２５を導入し，その電子トラップを介した２
段階光励起により半導体のエネルギーバンドギャップの
エネルギーより小さいエネルギーの長波長光を発電に寄
与させるようにしたものである。
【００１７】図１ (b)はｐ−ｉ−ｎ型太陽電池のエネル
ギーバンドモデルである。図１ (b)は説明を簡単にする
ために電子トラップが一つのエネルギー準位を持つ場合
を例として示す。
ギーバンドモデルである。図１ (b)は説明を簡単にする
ために電子トラップが一つのエネルギー準位を持つ場合
を例として示す。
【００１８】図１ (b)において，Ｅc は伝導帯の底のエ
ネルギー準位である。Ｅv は価電子帯の上面のエネルギ
ー準位である。
ネルギー準位である。Ｅv は価電子帯の上面のエネルギ
ー準位である。
【００１９】Ｅt は電子トラップのエネルギー準位であ
る。Ｅg はバンドギャップのエネルギーである。１は電
子が電子トラップから伝導帯に熱励起される過程を表
す。
る。Ｅg はバンドギャップのエネルギーである。１は電
子が電子トラップから伝導帯に熱励起される過程を表
す。
【００２０】２は伝導帯にある電子が電子トラップに捕
獲されて落ち込む過程を表す。３は価電子帯にある電子
が電子トラップまで熱励起される過程を表す。４は電子
トラップにある電子が価電子帯に落ち込む過程を表す。
獲されて落ち込む過程を表す。３は価電子帯にある電子
が電子トラップまで熱励起される過程を表す。４は電子
トラップにある電子が価電子帯に落ち込む過程を表す。
【００２１】５は価電子帯にある電子が光により直接伝
導帯まで励起される過程を表す。６は価電子帯にある電
子が光により電子トラップまで励起される過程を表す。
７は電子トラップにある電子が光により伝導帯まで励起
される過程を表す。
導帯まで励起される過程を表す。６は価電子帯にある電
子が光により電子トラップまで励起される過程を表す。
７は電子トラップにある電子が光により伝導帯まで励起
される過程を表す。
【００２２】従来の太陽電池では電子トラップがなかっ
たので，伝導帯から価電子帯への過程５による光励起で
しか起電力を生じなかったので，太陽光線のうち（Ｅc
−Ｅ v ）以上のエネルギーを持つ光のみしか利用されて
いなかった。しかし，本発明では，伝導帯から価電子帯
への過程６により一度電子トラップまで光励起された
後，過程７により伝導帯に光励起される２段階光励起に
よる電子も発電に寄与するので，従来利用されていなか
った（Ｅc −Ｅv ）以下のエネルギーの太陽光も新たに
利用できるようになる。そのため，本発明によれば太陽
エネルギーの電気への変化効率を向上させることができ
る。
たので，伝導帯から価電子帯への過程５による光励起で
しか起電力を生じなかったので，太陽光線のうち（Ｅc
−Ｅ v ）以上のエネルギーを持つ光のみしか利用されて
いなかった。しかし，本発明では，伝導帯から価電子帯
への過程６により一度電子トラップまで光励起された
後，過程７により伝導帯に光励起される２段階光励起に
よる電子も発電に寄与するので，従来利用されていなか
った（Ｅc −Ｅv ）以下のエネルギーの太陽光も新たに
利用できるようになる。そのため，本発明によれば太陽
エネルギーの電気への変化効率を向上させることができ
る。
【００２３】
〔実施例１〕本発明のように新たに電子トラップを導入
することにより，光励起の過程も追加されるが，例え
ば，伝導帯の電子と価電子帯の正孔が電子トラップにお
いて再結合することにも関与する。そのため，電子トラ
ップの導入により太陽電池の効率を向上させるために
は，再結合の過程より過程６，７による２段階励起の確
率の方を大きくする必要がある。
することにより，光励起の過程も追加されるが，例え
ば，伝導帯の電子と価電子帯の正孔が電子トラップにお
いて再結合することにも関与する。そのため，電子トラ
ップの導入により太陽電池の効率を向上させるために
は，再結合の過程より過程６，７による２段階励起の確
率の方を大きくする必要がある。
【００２４】この再結合の確率は， 伝導帯の電子密度ｎ，価電子帯の正孔密度ｐが大き
くなると増大する。 電子トラップのエネルギーＥtがバンドギャップ中
央，つまり（Ｅc ＋Ｅv ）／２付近で最大となる。
くなると増大する。 電子トラップのエネルギーＥtがバンドギャップ中
央，つまり（Ｅc ＋Ｅv ）／２付近で最大となる。
【００２５】つまり，ｎを一定にするとＥtがバンドギ
ャップ中央からある値だけ離れていれば，再結合によっ
て失われる確率より過程６，７による２段階励起の確率
の方を大きくすることも可能となり，結果として，電子
トラップの導入により太陽電池の効率の向上を計ること
ができる。
ャップ中央からある値だけ離れていれば，再結合によっ
て失われる確率より過程６，７による２段階励起の確率
の方を大きくすることも可能となり，結果として，電子
トラップの導入により太陽電池の効率の向上を計ること
ができる。
【００２６】そこで，電子トラップレベルと電子の遷移
確率について考察する（図２を参照する）。図２は本発
明の電子トラップを導入する位置の実施例を示す図であ
る。
確率について考察する（図２を参照する）。図２は本発
明の電子トラップを導入する位置の実施例を示す図であ
る。
【００２７】図２ (a)は電子の遷移確率の説明図であ
る。図２ (b)はシミュレーションにより求めた再結合帯
を示す。図２ (a)において，ｒa は電子が伝導帯から電
子トラップに再結合する確率である。
る。図２ (b)はシミュレーションにより求めた再結合帯
を示す。図２ (a)において，ｒa は電子が伝導帯から電
子トラップに再結合する確率である。
【００２８】ｒb は電子トラップから伝導帯への電子が
熱的に励起される遷移確率である。ｒc は電子が電子ト
ラップから価電子帯へ再結合する確率である。ｒd は電
子が価電子帯から電子トラップに熱的に励起される遷移
確率である。
熱的に励起される遷移確率である。ｒc は電子が電子ト
ラップから価電子帯へ再結合する確率である。ｒd は電
子が価電子帯から電子トラップに熱的に励起される遷移
確率である。
【００２９】以下における記号の意味は次の通りであ
る。Ｎt は電子トラップの密度である。Ｅtは電子トラ
ップのエネルギー準位である。
る。Ｎt は電子トラップの密度である。Ｅtは電子トラ
ップのエネルギー準位である。
【００３０】ｆは電子が電子トラップを専有する確率で
ある。σは電子トラップが電子を捕獲する時の断面積で
ある。ｖは電子の運動速度である。
ある。σは電子トラップが電子を捕獲する時の断面積で
ある。ｖは電子の運動速度である。
【００３１】ｅn は電子トラップから伝導帯に電子が熱
放出される率（＝単位時間に単位体積当たり熱放出され
る電子の数）である。ｅp は価電子帯から電子トラップ
に電子が熱励起される率（＝電子トラップのホールが価
電子帯に熱励起される率＝単位時間に単位体積当たり価
電子帯からトラップに熱励起される電子の数）である。
放出される率（＝単位時間に単位体積当たり熱放出され
る電子の数）である。ｅp は価電子帯から電子トラップ
に電子が熱励起される率（＝電子トラップのホールが価
電子帯に熱励起される率＝単位時間に単位体積当たり価
電子帯からトラップに熱励起される電子の数）である。
【００３２】以上に対して次の式が成立する。 ｒa ＝ｖσｎＮt （１−ｆ） (1) ｒb ＝ｅn Ｎt ｆ (2) ｒc ＝ｖσｐＮt ｆ (3) ｒd ＝ｅp Ｎt （１−ｆ） (4) さらに，ＧL1を太陽光線により電子が価電子帯から電子
トラップに光励起される率（＝単位時間に単位体積当た
り光励起される電子数）とする。
トラップに光励起される率（＝単位時間に単位体積当た
り光励起される電子数）とする。
【００３３】ＧL2を電子が電子トラップから伝導帯に光
励起される率とする。ｇL1を価電子帯の電子が電子トラ
ップに光励起される確率とする。ｇL2を電子トラップに
ある電子が伝導帯に光励起される確率とする。
励起される率とする。ｇL1を価電子帯の電子が電子トラ
ップに光励起される確率とする。ｇL2を電子トラップに
ある電子が伝導帯に光励起される確率とする。
【００３４】この時， ＧL1＝ｇL1Ｎt （１−ｆ） (5) ＧL2＝ｇL2Ｎt ｆ (6) である。ＧL2は，太陽光線の照射下ではアモルファスシ
リコンの場合，約１０（１／秒）から５０（１／秒）の
値である。
リコンの場合，約１０（１／秒）から５０（１／秒）の
値である。
【００３５】そこで，ＮC を伝導帯での実行状態密度と
する。Ｎv を価電子帯での実行状態密度とする。
する。Ｎv を価電子帯での実行状態密度とする。
【００３６】Ｅc を伝導帯の底のエネルギーとする（前
述）。Ｅv を価電子帯の上面のエネルギーとする（前
述）。電子の専有確率ｆは近似的に次の式で表される。
述）。Ｅv を価電子帯の上面のエネルギーとする（前
述）。電子の専有確率ｆは近似的に次の式で表される。
【００３７】
【数１】
【００３８】ここで，Ｇnet を太陽光線により電子が電
子トラップを介して価電子帯に光励起される正味の率と
する。
子トラップを介して価電子帯に光励起される正味の率と
する。
【００３９】ＧL を太陽光線により電子が価電子帯から
伝導帯に光励起される率とする。この時，図２ (a)から
わかるように， Ｇnet ＝ＧL ＋ＧL2−（ｒa −ｒb ） (8) の関係がある。
伝導帯に光励起される率とする。この時，図２ (a)から
わかるように， Ｇnet ＝ＧL ＋ＧL2−（ｒa −ｒb ） (8) の関係がある。
【００４０】即ち，(8) 式の右辺のカッコ内の式は，熱
的に伝導帯の電子が電子トラップに捕獲されて再結合に
より失われる率を表している。そして，この(8) 式は価
電子帯から直に伝導帯に光励起される電子と電子トラッ
プを介して２段階光励起される電子の合計と再結合で失
われる電子の差を表している。
的に伝導帯の電子が電子トラップに捕獲されて再結合に
より失われる率を表している。そして，この(8) 式は価
電子帯から直に伝導帯に光励起される電子と電子トラッ
プを介して２段階光励起される電子の合計と再結合で失
われる電子の差を表している。
【００４１】ここで，Ｇnetの値が負になるエネルギー
の領域を「再結合帯」と定義する。上記の(1) ，(3) 式
が伝導帯での電子密度ｎ，価電子帯でのホール密度ｐの
関数であることから類推されるように，この再結合帯の
幅はｎの関数である。。
の領域を「再結合帯」と定義する。上記の(1) ，(3) 式
が伝導帯での電子密度ｎ，価電子帯でのホール密度ｐの
関数であることから類推されるように，この再結合帯の
幅はｎの関数である。。
【００４２】上記のＧnet をＥt の関数とし，伝導帯の
電子密度をパラメータとして表すと，図２ (b)のように
なる。ここで，Ｎt ＝３×１０18ｃｍ-3とし，ｇL2＝２
２（１／ｓｅｃ）（実験値），ＧL ＝７×１０20ｃｍ-3
ｓｅｃ-1（実験値），Ｎc ＝５×１０19ｃｍ-3，Ｎv＝
５×１０19ｃｍ-3，Ｅｇ＝１．７ｅｖである。
電子密度をパラメータとして表すと，図２ (b)のように
なる。ここで，Ｎt ＝３×１０18ｃｍ-3とし，ｇL2＝２
２（１／ｓｅｃ）（実験値），ＧL ＝７×１０20ｃｍ-3
ｓｅｃ-1（実験値），Ｎc ＝５×１０19ｃｍ-3，Ｎv＝
５×１０19ｃｍ-3，Ｅｇ＝１．７ｅｖである。
【００４３】ΔＥrec は再結合帯の幅である。伝導帯で
の電子密度が大きくなれば，それだけ伝導帯から熱的に
電子トラップに落ち込む電子の数が増えるから，図２
(b)に示すように再結合帯の幅も広がる。
の電子密度が大きくなれば，それだけ伝導帯から熱的に
電子トラップに落ち込む電子の数が増えるから，図２
(b)に示すように再結合帯の幅も広がる。
【００４４】図３ (a)，図３ (b)は，本発明の再結合帯
を示す。図３ (a)，図３ (b)において，３１は伝導帯で
ある。
を示す。図３ (a)，図３ (b)において，３１は伝導帯で
ある。
【００４５】３２は価電子帯である。３３はエネルギー
ギャップである。３５は電子トラップである。
ギャップである。３５は電子トラップである。
【００４６】３６は再結合帯である。本実施例は，電子
トラップを空乏層中に導入するとともに，そのエネルギ
ー準位が，再結合帯の外側であって，バンドギャップの
内部にあるようにしたものである。図３ (a)，図３ (b)
は，電子トラップを導入するそのエネルギーバンドギャ
ップ中のエネルギー準位をモデル的に示したものであ
る。
トラップを空乏層中に導入するとともに，そのエネルギ
ー準位が，再結合帯の外側であって，バンドギャップの
内部にあるようにしたものである。図３ (a)，図３ (b)
は，電子トラップを導入するそのエネルギーバンドギャ
ップ中のエネルギー準位をモデル的に示したものであ
る。
【００４７】図４は，再結合帯の幅をｇL2の関数として
表したものである。価電子帯から電子トラップに電子が
光励起される確率ｇL1がｇL2に等しい場合と，極端にｇ
L1が小さいｇL1＝ｇL2／１００の場合について再結合帯
の幅を示す。
表したものである。価電子帯から電子トラップに電子が
光励起される確率ｇL1がｇL2に等しい場合と，極端にｇ
L1が小さいｇL1＝ｇL2／１００の場合について再結合帯
の幅を示す。
【００４８】前述したように，伝導帯での電子密度が大
きくなれば，それだけ伝導帯から熱的にトラップに落ち
込む電子数が増えるから，再結合帯の幅も広がる。すな
わち，ｎがある値以上では「再結合帯」の幅はエネルギ
ーバンドギャップの幅に等しくなり，もはや価電子帯か
ら２段階光励起により伝導帯に電子を励起する電子トラ
ップは存在しなくなる。図４の場合，例えば，ｎが１０
14ｃｍ-3以上では再結合帯の幅はバンドギャップの値を
越えてしまい，電子トラップのエネルギー準位がいかな
る値であったとしても電子トラップの導入により太陽電
池の効率を向上できないことを表している。このような
比較的に電子密度が低い領域は，ｐ−ｎ型，ｐ−ｉ−ｎ
型またはショットキーバリア型太陽電池の場合には，空
乏層領域に限られる。すなわち，本発明のように，電子
トラップを導入する位置を空乏層領域に空間的に限定す
ることはこの意味において重要なことである。また，た
とえ電子トラップの導入箇所が空乏層領域に限定された
としても，その電子トラップの持つエネルギー準位が本
発明で定義した再結合帯の外になければならない。従来
の電子トラップによる太陽電池の効率の提案は，これ等
の点についてはまったく示されてなかった。
きくなれば，それだけ伝導帯から熱的にトラップに落ち
込む電子数が増えるから，再結合帯の幅も広がる。すな
わち，ｎがある値以上では「再結合帯」の幅はエネルギ
ーバンドギャップの幅に等しくなり，もはや価電子帯か
ら２段階光励起により伝導帯に電子を励起する電子トラ
ップは存在しなくなる。図４の場合，例えば，ｎが１０
14ｃｍ-3以上では再結合帯の幅はバンドギャップの値を
越えてしまい，電子トラップのエネルギー準位がいかな
る値であったとしても電子トラップの導入により太陽電
池の効率を向上できないことを表している。このような
比較的に電子密度が低い領域は，ｐ−ｎ型，ｐ−ｉ−ｎ
型またはショットキーバリア型太陽電池の場合には，空
乏層領域に限られる。すなわち，本発明のように，電子
トラップを導入する位置を空乏層領域に空間的に限定す
ることはこの意味において重要なことである。また，た
とえ電子トラップの導入箇所が空乏層領域に限定された
としても，その電子トラップの持つエネルギー準位が本
発明で定義した再結合帯の外になければならない。従来
の電子トラップによる太陽電池の効率の提案は，これ等
の点についてはまったく示されてなかった。
【００４９】また，図４はｇL2の変化により再結合帯の
幅が大きくは変化しないことを示している。このことは
夕方頃や曇りの日などのように太陽光線が弱くなる結果
としてｇL2が小さくなったとしても再結合帯の幅が大き
くは変化しないことを意味している。
幅が大きくは変化しないことを示している。このことは
夕方頃や曇りの日などのように太陽光線が弱くなる結果
としてｇL2が小さくなったとしても再結合帯の幅が大き
くは変化しないことを意味している。
【００５０】図５は，バンドギャップＥｇ＝１．７ｅ
Ｖ，ｉ層の厚さが０．５μｍのｐ−ｉ−ｎ型アモルファ
ス太陽電池において，Ｅt −Ｅv ＝０．２５ｅＶのドナ
ー型電子トラップをｉ層の空乏層内に０．４μｍの幅に
導入した場合の太陽電池の電流−電圧特性を電子トラッ
プを導入しない場合と比較して示したものである（エア
マス−１，光強度１００ｍＷ／ｃｍ2 ）。電子トラップ
の密度Ｎt＝２×１０18ｃｍ-3において，電子トラップ
を導入しない時には９．８％であったエネルギー変換効
率が１７．６％に向上することが示されている。なお，
図５では示していないが，電子トラップの密度を増加さ
せると光電流はさらに増大し，太陽電池の効率は一層向
上する。
Ｖ，ｉ層の厚さが０．５μｍのｐ−ｉ−ｎ型アモルファ
ス太陽電池において，Ｅt −Ｅv ＝０．２５ｅＶのドナ
ー型電子トラップをｉ層の空乏層内に０．４μｍの幅に
導入した場合の太陽電池の電流−電圧特性を電子トラッ
プを導入しない場合と比較して示したものである（エア
マス−１，光強度１００ｍＷ／ｃｍ2 ）。電子トラップ
の密度Ｎt＝２×１０18ｃｍ-3において，電子トラップ
を導入しない時には９．８％であったエネルギー変換効
率が１７．６％に向上することが示されている。なお，
図５では示していないが，電子トラップの密度を増加さ
せると光電流はさらに増大し，太陽電池の効率は一層向
上する。
【００５１】本発明の電子トラップのエネルギー準位の
条件を満たす不純物としては，結晶シリコンおよび多結
晶シリコンを用いて作る太陽電池の場合，伝導帯のエネ
ルギーＥc の下の０．２１ｅＶに準位を作るチタン，
０．２５ｅＶに準位を作る炭素等が挙げられる。
条件を満たす不純物としては，結晶シリコンおよび多結
晶シリコンを用いて作る太陽電池の場合，伝導帯のエネ
ルギーＥc の下の０．２１ｅＶに準位を作るチタン，
０．２５ｅＶに準位を作る炭素等が挙げられる。
【００５２】図６は本発明の電子トラップにする不純物
の例であって，本発明の条件を満足することのできる不
純物とエネルギー準位の関係を示したものである。本発
明の不純物のエネルギー準位は一つだけでなく，図６の
炭素のように複数の準位を作るものでも良い。
の例であって，本発明の条件を満足することのできる不
純物とエネルギー準位の関係を示したものである。本発
明の不純物のエネルギー準位は一つだけでなく，図６の
炭素のように複数の準位を作るものでも良い。
【００５３】〔実施例２〕これらの不純物（電子トラッ
プ）の作る準位は電子を捕獲したり放出したりすること
により，一般的にはその電荷を変えるものである（例え
ば，ドナー不純物は電子を伝導帯に放出して，自身は正
に帯電する）。このように，本発明により電子トラップ
を導入した時，不純物（電子トラップ）がつくる電荷が
新たに加わることにより，その空乏層自体が変化してし
まうこともある。例えば，インジウムを導入したとする
と，それはアクセプターとして働くので，そのままでは
その部分のｐ型濃度を上げてしまうことになる。その結
果，もし空乏層のつもりでインジウムを導入した場所が
空乏層の外の領域に入ってしまうと，結果的には太陽電
池の効率を低下させることになる。
プ）の作る準位は電子を捕獲したり放出したりすること
により，一般的にはその電荷を変えるものである（例え
ば，ドナー不純物は電子を伝導帯に放出して，自身は正
に帯電する）。このように，本発明により電子トラップ
を導入した時，不純物（電子トラップ）がつくる電荷が
新たに加わることにより，その空乏層自体が変化してし
まうこともある。例えば，インジウムを導入したとする
と，それはアクセプターとして働くので，そのままでは
その部分のｐ型濃度を上げてしまうことになる。その結
果，もし空乏層のつもりでインジウムを導入した場所が
空乏層の外の領域に入ってしまうと，結果的には太陽電
池の効率を低下させることになる。
【００５４】そのために，本実施例では，２段階光励起
を起こさせる電子トラップと空乏層における同じ位置
に，電子トラップの作る空間電荷を打ち消す空間電荷を
生じ，かつ再結合帯の外であって空乏層中にエネルギー
準位のある電子トラップを空乏層中に導入する。そのよ
うにして，電子トラップの作る空間電荷を補償すること
により電子トラップが生起する空間電荷の作る空乏層中
での電界分布が太陽電池の効率を低下させることがない
ようにし，かつ空乏層を消滅させることのないようにし
た。
を起こさせる電子トラップと空乏層における同じ位置
に，電子トラップの作る空間電荷を打ち消す空間電荷を
生じ，かつ再結合帯の外であって空乏層中にエネルギー
準位のある電子トラップを空乏層中に導入する。そのよ
うにして，電子トラップの作る空間電荷を補償すること
により電子トラップが生起する空間電荷の作る空乏層中
での電界分布が太陽電池の効率を低下させることがない
ようにし，かつ空乏層を消滅させることのないようにし
た。
【００５５】そのための具体的な電子トラップの導入
は，アモルファスシリコンを基本材料とする場合，電子
トラップを生じさせる不純物を含むガスを堆積時に原料
ガスと一緒に導入することで実現することができる。結
晶シリコン，多結晶シリコンの場合も同様に材料形成時
に導入できるが，材料を作った後に，イオン注入法，ま
たは拡散法により導入しても良い。
は，アモルファスシリコンを基本材料とする場合，電子
トラップを生じさせる不純物を含むガスを堆積時に原料
ガスと一緒に導入することで実現することができる。結
晶シリコン，多結晶シリコンの場合も同様に材料形成時
に導入できるが，材料を作った後に，イオン注入法，ま
たは拡散法により導入しても良い。
【００５６】例えば，結晶シリコンに２００ｋｅＶでイ
ンジウムを１０13ｃｍ- 2 イオン注入し，リンを７０ｋ
ｅＶで１０11ｃｍ-2イオン注入して９００°Ｃで２０分
熱処理する。
ンジウムを１０13ｃｍ- 2 イオン注入し，リンを７０ｋ
ｅＶで１０11ｃｍ-2イオン注入して９００°Ｃで２０分
熱処理する。
【００５７】上記において，半導体は，Ｓｉ，Ｇｅ等の
単体の結晶半導体，多結晶半導体，非晶質半導体，もし
くは，ＳｉＣのような周期表４族の複数の元素により構
成される半導体，あるいはＧａＡｓのような周期表３族
と５族の化合物半導体，ＣｄＴｅのような２族と４族の
化合物半導体Ｃｕ2 Ｏのような金属酸化物半導体あるい
はＣｕＩｎＳｅのような３元の化合物半導体等のどのよ
うな材料の太陽電池に対しても適用できるものである。
単体の結晶半導体，多結晶半導体，非晶質半導体，もし
くは，ＳｉＣのような周期表４族の複数の元素により構
成される半導体，あるいはＧａＡｓのような周期表３族
と５族の化合物半導体，ＣｄＴｅのような２族と４族の
化合物半導体Ｃｕ2 Ｏのような金属酸化物半導体あるい
はＣｕＩｎＳｅのような３元の化合物半導体等のどのよ
うな材料の太陽電池に対しても適用できるものである。
【００５８】また，本発明は，ＰＮ接合型太陽電池，Ｐ
ＩＮ型太陽電池，ショットキーバリヤー型太陽電池等の
どのような太陽電池に対しても適用できるものである。
ＩＮ型太陽電池，ショットキーバリヤー型太陽電池等の
どのような太陽電池に対しても適用できるものである。
【００５９】
【発明の効果】本発明によれば，電子トラップを導入す
る位置を空乏層中に限定したので太陽電池の効率を向上
させることができる。また，電子トラップのエネルギー
準位をエネルギーバンドギャップ内において，再結合帯
の外にあるようにしたので電子トラップを導入したこと
により太陽電池の効率を確実に向上させることができ
る。
る位置を空乏層中に限定したので太陽電池の効率を向上
させることができる。また，電子トラップのエネルギー
準位をエネルギーバンドギャップ内において，再結合帯
の外にあるようにしたので電子トラップを導入したこと
により太陽電池の効率を確実に向上させることができ
る。
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】本発明の電子トラップの導入する位置の実施例
を示す図である。
を示す図である。
【図３】本発明の電子トラップの導入方法の実施例を示
す図である。
す図である。
【図４】本発明の太陽電池の光励起確率ｇL2に対する再
結合帯の幅の関係を示す図である。
結合帯の幅の関係を示す図である。
【図５】本発明の太陽電池と従来の太陽電池の電流−電
圧特性の比較を示す図である。
圧特性の比較を示す図である。
【図６】本発明の電子トラップにする不純物の例を示す
図である。
図である。
１：ｐ型領域 ２：ｎ型領域 ３：空乏層 １１：ｐ型領域の伝導帯 １２：ｐ型領域の価電子帯 １３：ｐ型領域のエネルギーバンドギャップ ２１：ｐ型領域の伝導帯 ２２：ｐ型領域の価電子帯 ２３：ｐ型領域のエネルギーバンドギャップ ２５：電子トラップ
Claims (6)
- 【請求項１】 半導体太陽電池において，空乏層中に対
してエネルギーバンドギャップ内にエネルギー準位を持
つ電子トラップを導入し，該電子トラップを介した２段
階光励起により半導体のエネルギーバンドギャップのエ
ネルギーより小さいエネルギーの波長光により起電力を
発生し，エネルギーバンドギャップのエネルギーより小
さい該波長光およびエネルギーバンドギャップより大き
いエネルギーの波長光により光励起することを特徴とす
る太陽電池。 - 【請求項２】 エネルギーバンドギャップ内の帯幅であ
って，電子トラップのエネルギー準位がその帯幅の中に
ある場合には電子と正孔の電子トラップをを介する再結
合の確率の方が電子の２段階光励起の確率より大きくな
る帯幅である再結合帯に対して，電子トラップのエネル
ギー準位が該再結合帯の外側であって，バンドギャップ
の内部にあることを特徴とする請求項１に記載の太陽電
池。 - 【請求項３】 ２段階光励起を起こさせる電子トラップ
と空乏層における同じ位置に，電子トラップの作る空間
電荷を補償する他の電子トラップを導入することを特徴
とする請求項１もしくは２に記載の太陽電池。 - 【請求項４】 電子トラップの準位が１もしくは２以上
であることを特徴とする請求項１，２もしくは３に記載
の太陽電池。 - 【請求項５】 半導体が結晶シリコンまたは多結晶シリ
コンまたは非晶質シリコン等の周期表４族の単体の半導
体，および周期表４族同士の複数元素よりなる半導体，
および３族と５族による化合物半導体および２族と６族
による半導体もしくは金属酸化物半導体を含む化合物半
導体であることを特徴とする請求項１，２，３もしくは
４に記載の太陽電池。 - 【請求項６】 ＰＮ接合型太陽電池，もしくはＰＩＮ接
合型太陽電池，もしくはショットキーバリヤー型太陽電
池であることを特徴とする請求項１，２，３，４もしく
は５に記載の太陽電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7055764A JPH08250755A (ja) | 1995-03-15 | 1995-03-15 | 太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7055764A JPH08250755A (ja) | 1995-03-15 | 1995-03-15 | 太陽電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08250755A true JPH08250755A (ja) | 1996-09-27 |
Family
ID=13007929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7055764A Pending JPH08250755A (ja) | 1995-03-15 | 1995-03-15 | 太陽電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08250755A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006210567A (ja) * | 2005-01-27 | 2006-08-10 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 光起電力素子及び太陽電池 |
| JP2007503130A (ja) * | 2003-05-29 | 2007-02-15 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | 不純物に基づく導波路検出器 |
| JP2008518449A (ja) * | 2004-10-26 | 2008-05-29 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | 光起電力活性半導体材料を有する光起電力セル |
| JP2017135157A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2017135152A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2017135160A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
-
1995
- 1995-03-15 JP JP7055764A patent/JPH08250755A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007503130A (ja) * | 2003-05-29 | 2007-02-15 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | 不純物に基づく導波路検出器 |
| JP2008518449A (ja) * | 2004-10-26 | 2008-05-29 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア | 光起電力活性半導体材料を有する光起電力セル |
| JP2006210567A (ja) * | 2005-01-27 | 2006-08-10 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 光起電力素子及び太陽電池 |
| JP2017135157A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2017135152A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2017135160A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041109 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060314 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060515 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060822 |