JPH09307130A - 薄膜光電材料およびそれを含む薄膜型光電変換装置 - Google Patents
薄膜光電材料およびそれを含む薄膜型光電変換装置Info
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- JPH09307130A JPH09307130A JP8146821A JP14682196A JPH09307130A JP H09307130 A JPH09307130 A JP H09307130A JP 8146821 A JP8146821 A JP 8146821A JP 14682196 A JP14682196 A JP 14682196A JP H09307130 A JPH09307130 A JP H09307130A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
(57)【要約】
【課題】 量子効率の改善された薄膜光電材料および薄
膜型光電変換装置を提供する。 【解決手段】 薄膜光電材料または薄膜型光電変換装置
は光電変換層（３，３Ｂ，３Ｃ）を含み、光電変換層
（３，３Ｂ，３Ｃ）は、その受光面側表面において微細
な凹凸（３Ｓ１）を含み、その微細な凹凸（３Ｓ１）を
形成する微小な斜面の多くはシリコン結晶の｛１００｝
面に対応しており、または、その背面側においてアモル
ファスシリコン層（３Ａ）と接し、そのアモルファスシ
リコン層との界面において微小な凹凸（３Ｓ２）が形成
されていることを特徴としている。
膜型光電変換装置を提供する。 【解決手段】 薄膜光電材料または薄膜型光電変換装置
は光電変換層（３，３Ｂ，３Ｃ）を含み、光電変換層
（３，３Ｂ，３Ｃ）は、その受光面側表面において微細
な凹凸（３Ｓ１）を含み、その微細な凹凸（３Ｓ１）を
形成する微小な斜面の多くはシリコン結晶の｛１００｝
面に対応しており、または、その背面側においてアモル
ファスシリコン層（３Ａ）と接し、そのアモルファスシ
リコン層との界面において微小な凹凸（３Ｓ２）が形成
されていることを特徴としている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜型光電変換装置
の変換効率の改善に関し、特に、薄膜光電材料の光電変
換効率の改善に関するものである。
の変換効率の改善に関し、特に、薄膜光電材料の光電変
換効率の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光電変換装置用の光電材料に関する重要
な因子として、有効波長感度領域の広さ，光吸収係数の
大きさ，キャリア移動度の大きさ，少数キャリアの寿命
の長さなどがある。これらのいずれもが光電変換装置の
高効率化において重要な物性パラメータであるが、特
に、薄膜型光電変換装置においては吸収係数の大きさが
重要な因子となる。すなわち、光電変換層が薄膜である
とき、吸収係数の小さな長波長領域では十分な光吸収が
生ぜず、光電変換量が光電変換層の膜厚で制限されるこ
とになる。薄膜型光電変換装置の代表的なものとしてア
モルファスシリコン系太陽電池があり、アモルファス光
電材料は可視光領域での吸収係数が大きいので、５００
ｎｍ以下の膜厚のアモルファス光電材料で１５ｍＡ／ｃ
ｍ2 以上の短絡電流を実現している。しかし、アモルフ
ァスシリコンはその有効感度波長領域が８００ｎｍ程度
の波長までであるので、さらに長波長の光に感度を有し
かつ高い吸収係数を兼ね備えた光電材料が望まれてい
る。
な因子として、有効波長感度領域の広さ，光吸収係数の
大きさ，キャリア移動度の大きさ，少数キャリアの寿命
の長さなどがある。これらのいずれもが光電変換装置の
高効率化において重要な物性パラメータであるが、特
に、薄膜型光電変換装置においては吸収係数の大きさが
重要な因子となる。すなわち、光電変換層が薄膜である
とき、吸収係数の小さな長波長領域では十分な光吸収が
生ぜず、光電変換量が光電変換層の膜厚で制限されるこ
とになる。薄膜型光電変換装置の代表的なものとしてア
モルファスシリコン系太陽電池があり、アモルファス光
電材料は可視光領域での吸収係数が大きいので、５００
ｎｍ以下の膜厚のアモルファス光電材料で１５ｍＡ／ｃ
ｍ2 以上の短絡電流を実現している。しかし、アモルフ
ァスシリコンはその有効感度波長領域が８００ｎｍ程度
の波長までであるので、さらに長波長の光に感度を有し
かつ高い吸収係数を兼ね備えた光電材料が望まれてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】近年、薄膜多結晶シリ
コン太陽電池に代表的に用いられているように、幅広い
波長領域の光に感度を有する薄膜光電材料が開発されて
いる。しかし、光電材料が薄膜である場合、光の波長が
長いほど光電材料の吸収係数が減少するので、薄膜全体
の光吸収量が膜厚によって限定されてしまい、全感度波
長領域における有効な光電変換が困難となる。
コン太陽電池に代表的に用いられているように、幅広い
波長領域の光に感度を有する薄膜光電材料が開発されて
いる。しかし、光電材料が薄膜である場合、光の波長が
長いほど光電材料の吸収係数が減少するので、薄膜全体
の光吸収量が膜厚によって限定されてしまい、全感度波
長領域における有効な光電変換が困難となる。
【０００４】かかる事情に鑑み、本発明は、光電材料内
に入射した光が外部に逃げにくい光散乱構造を形成する
ことによって、大きな光電流を発生させ得る光電材料を
提供することを目的としている。
に入射した光が外部に逃げにくい光散乱構造を形成する
ことによって、大きな光電流を発生させ得る光電材料を
提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の１つの態様によ
る薄膜光電材料は、多結晶シリコンの下地層と、その下
地層上に形成された多結晶シリコンの光電変換層とを含
み、下地層と光電変換層との界面は実質的に平面であっ
て光電変換層の自由表面は微細な凹凸を含む表面テクス
チャ構造を有し、光電変換層に含まれる結晶粒の多くは
前述の界面の法線にほぼ平行な＜１１０＞方向を有し、
表面テクスチャ構造の微小な凹凸を形成する微小な斜面
の多くは｛１００｝面に対応していることを特徴として
いる。
る薄膜光電材料は、多結晶シリコンの下地層と、その下
地層上に形成された多結晶シリコンの光電変換層とを含
み、下地層と光電変換層との界面は実質的に平面であっ
て光電変換層の自由表面は微細な凹凸を含む表面テクス
チャ構造を有し、光電変換層に含まれる結晶粒の多くは
前述の界面の法線にほぼ平行な＜１１０＞方向を有し、
表面テクスチャ構造の微小な凹凸を形成する微小な斜面
の多くは｛１００｝面に対応していることを特徴として
いる。
【０００６】本発明のもう１つの態様による薄膜光電材
料は、アモルファスシリコン層と、そのアモルファスシ
リコン層と接する多結晶シリコンの光電変換層とを含
み、アモルファスシリコン層と光電変換層との界面は微
細な凹凸を含んでいることを特徴としている。
料は、アモルファスシリコン層と、そのアモルファスシ
リコン層と接する多結晶シリコンの光電変換層とを含
み、アモルファスシリコン層と光電変換層との界面は微
細な凹凸を含んでいることを特徴としている。
【０００７】本発明のさらに他の態様による薄膜型光電
変換装置は、順次積層された多結晶シリコンの電極層，
実質的に真正半導体の多結晶シリコンの光電変換層，導
電型の多結晶シリコン層および透明電極層を含み、多結
晶シリコンの電極層と光電変換層との間の第１の界面は
実質的に平面であり、光電変換層と導電型結晶シリコン
層との間の第２の界面は微小な凹凸を含み、光電変換層
に含まれる結晶粒の多くは第１の界面の法線にほぼ平行
な＜１１０＞方向を有し、第２の界面の微小な凹凸を形
成する微小な斜面の多くは光電変換層に含まれる結晶の
｛１００｝面に対応していることを特徴としている。
変換装置は、順次積層された多結晶シリコンの電極層，
実質的に真正半導体の多結晶シリコンの光電変換層，導
電型の多結晶シリコン層および透明電極層を含み、多結
晶シリコンの電極層と光電変換層との間の第１の界面は
実質的に平面であり、光電変換層と導電型結晶シリコン
層との間の第２の界面は微小な凹凸を含み、光電変換層
に含まれる結晶粒の多くは第１の界面の法線にほぼ平行
な＜１１０＞方向を有し、第２の界面の微小な凹凸を形
成する微小な斜面の多くは光電変換層に含まれる結晶の
｛１００｝面に対応していることを特徴としている。
【０００８】本発明のさらに他の態様による薄膜型光電
変換装置は、順次積層された多結晶シリコンの電極層，
アモルファスシリコン層，実質的に真正半導体の多結晶
シリコンの光電変換層，導電型の多結晶シリコン層およ
び透明電極層を含み、多結晶シリコンの電極層とアモル
ファスシリコン層との間の第１の界面は実質的に平面で
あり、アモルファスシリコン層と光電変換層との間の第
２の界面は微小な凹凸を含んでいることを特徴としてい
る。
変換装置は、順次積層された多結晶シリコンの電極層，
アモルファスシリコン層，実質的に真正半導体の多結晶
シリコンの光電変換層，導電型の多結晶シリコン層およ
び透明電極層を含み、多結晶シリコンの電極層とアモル
ファスシリコン層との間の第１の界面は実質的に平面で
あり、アモルファスシリコン層と光電変換層との間の第
２の界面は微小な凹凸を含んでいることを特徴としてい
る。
【０００９】本発明のさらに他の態様による薄膜型光電
変換装置は、順次積層された多結晶シリコンの電極層，
アモルファスシリコン層，実質的に真正半導体の多結晶
シリコンの光電変換層，導電型の多結晶シリコン層およ
び透明電極層を含み、多結晶シリコンの電極層とアモル
ファスシリコン層との間の第１の界面は実質的に平面で
あり、アモルファスシリコン層と光電変換層との間の第
２の界面は微小な凹凸を含み、光電変換層と導電型多結
晶シリコン層との間の第３の界面も微小な凹凸を含んで
いることを特徴としている。
変換装置は、順次積層された多結晶シリコンの電極層，
アモルファスシリコン層，実質的に真正半導体の多結晶
シリコンの光電変換層，導電型の多結晶シリコン層およ
び透明電極層を含み、多結晶シリコンの電極層とアモル
ファスシリコン層との間の第１の界面は実質的に平面で
あり、アモルファスシリコン層と光電変換層との間の第
２の界面は微小な凹凸を含み、光電変換層と導電型多結
晶シリコン層との間の第３の界面も微小な凹凸を含んで
いることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１において、本発明の１つの実
施の形態による薄膜光電材料が模式的な断面図で概略的
に図解されている。この薄膜光電材料は、ガラス基板１
上に順次積層された下地層２および光電変換層３を含ん
でいる。
施の形態による薄膜光電材料が模式的な断面図で概略的
に図解されている。この薄膜光電材料は、ガラス基板１
上に順次積層された下地層２および光電変換層３を含ん
でいる。
【００１１】下地層２は、たとえばプラズマＣＶＤ法を
用いて高濃度にボロンがドープされたｐ+ 型アモルファ
スシリコン層をガラス基板１上に形成し、そのアモルフ
ァスシリコン層をエキシマレーザを用いたアニール処理
で多結晶化することによって形成され得る。このように
形成された下地層２に含まれる結晶粒の多くは、ガラス
基板の表面１Ｓに対する法線にほぼ平行な＜１１１＞方
向を有している。
用いて高濃度にボロンがドープされたｐ+ 型アモルファ
スシリコン層をガラス基板１上に形成し、そのアモルフ
ァスシリコン層をエキシマレーザを用いたアニール処理
で多結晶化することによって形成され得る。このように
形成された下地層２に含まれる結晶粒の多くは、ガラス
基板の表面１Ｓに対する法線にほぼ平行な＜１１１＞方
向を有している。
【００１２】光電変換層３も、プラズマＣＶＤ法によっ
て形成され得る。光電変換層３は、たとえば０．１〜
０．５Ｔｏｒｒの圧力と５００〜６５０℃の温度の下
で、導電型不純物を含まないシランガスと水素との混合
ガスを用いて堆積される。したがって、光電変換層３
は、実質的に真正の半導体として形成される。このよう
に形成された光電変換層３に含まれる結晶粒の多くは下
地層２から上方に延びる柱状晶の形態を示し、下地層２
との界面２Ｓに対する法線にほぼ平行な＜１１０＞方向
を有している。
て形成され得る。光電変換層３は、たとえば０．１〜
０．５Ｔｏｒｒの圧力と５００〜６５０℃の温度の下
で、導電型不純物を含まないシランガスと水素との混合
ガスを用いて堆積される。したがって、光電変換層３
は、実質的に真正の半導体として形成される。このよう
に形成された光電変換層３に含まれる結晶粒の多くは下
地層２から上方に延びる柱状晶の形態を示し、下地層２
との界面２Ｓに対する法線にほぼ平行な＜１１０＞方向
を有している。
【００１３】光電変換層３は約２〜５０μｍの範囲内の
厚さに成長させられ、その自由表面は微細な凹凸３Ｓ１
を含む表面テクスチャ構造を有している。これらの凹凸
３Ｓ１は、Ｖ字状の溝または角錐を含み、光電変換層３
の厚さより小さな範囲内で約０．２〜３μｍの高低さを
有している。さらに、凹凸３Ｓ１を形成する微細な斜面
の多くは、光電変換層３に含まれる結晶粒の｛１００｝
面に対応している。
厚さに成長させられ、その自由表面は微細な凹凸３Ｓ１
を含む表面テクスチャ構造を有している。これらの凹凸
３Ｓ１は、Ｖ字状の溝または角錐を含み、光電変換層３
の厚さより小さな範囲内で約０．２〜３μｍの高低さを
有している。さらに、凹凸３Ｓ１を形成する微細な斜面
の多くは、光電変換層３に含まれる結晶粒の｛１００｝
面に対応している。
【００１４】図２は、図１に示されているような光電変
換層３の一例を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真で
あり、下部の白い線分は５００ｎｍの長さを表してい
る。このＴＥＭ写真において、＜１１０＞方向に延びる
柱状晶と表面の凹凸３Ｓ１とが観察され得る。また、こ
のＴＥＭ写真からわかるように、光電変換層３に含まれ
る柱状晶の＜１１０＞方向は、下地との界面２Ｓに対す
る法線に関して約１５度以下のずれ角を有している。
換層３の一例を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真で
あり、下部の白い線分は５００ｎｍの長さを表してい
る。このＴＥＭ写真において、＜１１０＞方向に延びる
柱状晶と表面の凹凸３Ｓ１とが観察され得る。また、こ
のＴＥＭ写真からわかるように、光電変換層３に含まれ
る柱状晶の＜１１０＞方向は、下地との界面２Ｓに対す
る法線に関して約１５度以下のずれ角を有している。
【００１５】図１に示されているような光電変換層３に
おいては、光が凹凸表面３Ｓ１で屈折して斜め入射し、
さらに界面２Ｓと凹凸表面３Ｓ１との間で多重反射を起
こすので、実効光学長が増大し、薄膜でありながら大き
な光吸収量が得られる。
おいては、光が凹凸表面３Ｓ１で屈折して斜め入射し、
さらに界面２Ｓと凹凸表面３Ｓ１との間で多重反射を起
こすので、実効光学長が増大し、薄膜でありながら大き
な光吸収量が得られる。
【００１６】凹凸３Ｓ１の密度や高低差は光電変換層３
の形成条件の調節によって制御することができ、これに
より、光電変換層３内で優先的に散乱される光の波長を
選択することも可能である。すなわち、長波長の光を光
電変換層３内で優先的に散乱させることにより、特に長
波長の光に関する光吸収量を増大させることができる。
の形成条件の調節によって制御することができ、これに
より、光電変換層３内で優先的に散乱される光の波長を
選択することも可能である。すなわち、長波長の光を光
電変換層３内で優先的に散乱させることにより、特に長
波長の光に関する光吸収量を増大させることができる。
【００１７】図３は、図１に示されているような微細な
凹凸３Ｓ１を含む表面テクスチャ構造が光電変換層の特
性に及ぼす影響を示すグラフである。このグラフにおい
て、横軸は吸収係数の逆数である吸収長（μｍ）を表わ
し、縦軸は量子効率の逆数を表している。白丸印は表面
テクスチャ構造を有する光電変換層Ａを含む光電変換装
置に関する測定値を表わし、白角印は表面テクスチャ構
造を有しない光電変換層Ｂを含む光電変換装置に関する
測定値を表している。これらの光電変換層ＡとＢは、い
ずれも９μｍの厚さを有している。
凹凸３Ｓ１を含む表面テクスチャ構造が光電変換層の特
性に及ぼす影響を示すグラフである。このグラフにおい
て、横軸は吸収係数の逆数である吸収長（μｍ）を表わ
し、縦軸は量子効率の逆数を表している。白丸印は表面
テクスチャ構造を有する光電変換層Ａを含む光電変換装
置に関する測定値を表わし、白角印は表面テクスチャ構
造を有しない光電変換層Ｂを含む光電変換装置に関する
測定値を表している。これらの光電変換層ＡとＢは、い
ずれも９μｍの厚さを有している。
【００１８】図３において、光電変換層ＡとＢの実効光
学長は、それぞれグラフ中の実線と破線の直線の傾きか
ら求めることができる。得られた実効光学長は、表面テ
クスチャを有しない光電変換層Ｂに関しては４６μｍで
あるのに対して、表面テクスチャを有する光電変換層Ａ
に関しては１００μｍに増大している。すなわち、表面
テクスチャを有する光電変換層Ａの実効光学長は、実際
の膜厚の約１１倍に増大している。さらに、光電変換層
ＡとＢの赤外光に関する量子効率は、それぞれグラフ中
の実線と破線の直線が吸収長０の位置で示す量子効率の
逆数として求められる。得られた赤外光効率は表面テク
スチャを有しない光電変換層Ｂに関して４．３％である
のに対して、表面テクスチャを有する光電変換層Ａに関
しては８．４％に増大している。
学長は、それぞれグラフ中の実線と破線の直線の傾きか
ら求めることができる。得られた実効光学長は、表面テ
クスチャを有しない光電変換層Ｂに関しては４６μｍで
あるのに対して、表面テクスチャを有する光電変換層Ａ
に関しては１００μｍに増大している。すなわち、表面
テクスチャを有する光電変換層Ａの実効光学長は、実際
の膜厚の約１１倍に増大している。さらに、光電変換層
ＡとＢの赤外光に関する量子効率は、それぞれグラフ中
の実線と破線の直線が吸収長０の位置で示す量子効率の
逆数として求められる。得られた赤外光効率は表面テク
スチャを有しない光電変換層Ｂに関して４．３％である
のに対して、表面テクスチャを有する光電変換層Ａに関
しては８．４％に増大している。
【００１９】図４は図３と類似しているが、図４におい
ては表面テクスチャ構造を有しかつ４μｍの厚さを有す
る光電変換層を含む光電変換装置Ｃに関する測定結果が
示されている。この光電変換層Ｃは、６７．４μｍの実
効光学長を有している。すなわち、光電変換層Ｃの実効
光学長は、その膜厚の１６倍以上に増大している。した
がって、図３中の光電変換層Ａと図４中の光電変換層Ｃ
との比較から、表面テクスチャは特に光電変換層の膜厚
が薄い場合に実効光学長を増大させる効果の著しいこと
がわかる。
ては表面テクスチャ構造を有しかつ４μｍの厚さを有す
る光電変換層を含む光電変換装置Ｃに関する測定結果が
示されている。この光電変換層Ｃは、６７．４μｍの実
効光学長を有している。すなわち、光電変換層Ｃの実効
光学長は、その膜厚の１６倍以上に増大している。した
がって、図３中の光電変換層Ａと図４中の光電変換層Ｃ
との比較から、表面テクスチャは特に光電変換層の膜厚
が薄い場合に実効光学長を増大させる効果の著しいこと
がわかる。
【００２０】図５（Ａ）および（Ｂ）においては、本発
明の他の実施の形態による薄膜光電材料が概略的な断面
図で図解されている。これらの薄膜光電材料は、下地層
２上に形成されたアモルファスシリコン層３Ａと光電変
換層３Ｂを含んでいる。図５における下地層２は、図１
における場合と同様に形成され得る。アモルファスシリ
コン層３Ａと光電変換層３Ｂは、たとえば０．１〜０．
５Ｔｏｒｒの圧力と２００〜４５０℃の温度の下で、導
電型不純物を含まないシランガス，水素およびＳｉＦ4
を含む混合ガスを用いて堆積される。
明の他の実施の形態による薄膜光電材料が概略的な断面
図で図解されている。これらの薄膜光電材料は、下地層
２上に形成されたアモルファスシリコン層３Ａと光電変
換層３Ｂを含んでいる。図５における下地層２は、図１
における場合と同様に形成され得る。アモルファスシリ
コン層３Ａと光電変換層３Ｂは、たとえば０．１〜０．
５Ｔｏｒｒの圧力と２００〜４５０℃の温度の下で、導
電型不純物を含まないシランガス，水素およびＳｉＦ4
を含む混合ガスを用いて堆積される。
【００２１】図５（Ａ）の場合、光電変換層３Ｂに含ま
れる結晶粒は下地層２との界面２Ｓにおいて核生成し、
その結晶粒の成長とともにアモルファスシリコン領域３
Ａが減少する。そして、隣同士の結晶粒が成長して互い
に接する位置でアモルファスシリコン領域３Ａの成長が
停止する。その結果、光電変換層３Ｂの底面には、微細
な凹凸を含む界面３Ｓ２が形成される。
れる結晶粒は下地層２との界面２Ｓにおいて核生成し、
その結晶粒の成長とともにアモルファスシリコン領域３
Ａが減少する。そして、隣同士の結晶粒が成長して互い
に接する位置でアモルファスシリコン領域３Ａの成長が
停止する。その結果、光電変換層３Ｂの底面には、微細
な凹凸を含む界面３Ｓ２が形成される。
【００２２】他方、図５（Ｂ）においては、光電変換層
３Ｂに含まれる結晶粒の核生成は、下地層２の表面２Ｓ
上ではなく、アモルファスシリコン層３Ａ内で生じてい
る。したがって、一般的には、図５（Ｂ）におけるアモ
ルファスシリコン層３Ａの平均厚さは、図５（Ａ）にお
ける場合よりも少し大きくなる。図５の場合において
も、光電変換層３Ｂ内に含まれる結晶粒は、下地層２の
表面２Ｓに対する法線にほぼ平行な＜１１０＞方向を有
している。
３Ｂに含まれる結晶粒の核生成は、下地層２の表面２Ｓ
上ではなく、アモルファスシリコン層３Ａ内で生じてい
る。したがって、一般的には、図５（Ｂ）におけるアモ
ルファスシリコン層３Ａの平均厚さは、図５（Ａ）にお
ける場合よりも少し大きくなる。図５の場合において
も、光電変換層３Ｂ内に含まれる結晶粒は、下地層２の
表面２Ｓに対する法線にほぼ平行な＜１１０＞方向を有
している。
【００２３】図６は、図５（Ｂ）に示されているような
光電変換層の一例を示すＴＥＭ写真であり、底部の白い
線分は１００ｎｍの長さを表している。このＴＥＭ写真
において、アモルファスシリコン層３Ａと光電変換層３
Ｂとの間に微小な凹凸を含む界面３Ｓ２が観察され、光
電変換層３Ｂ内には＜１１０＞方向に沿った柱状晶の多
結晶構造が観察される。
光電変換層の一例を示すＴＥＭ写真であり、底部の白い
線分は１００ｎｍの長さを表している。このＴＥＭ写真
において、アモルファスシリコン層３Ａと光電変換層３
Ｂとの間に微小な凹凸を含む界面３Ｓ２が観察され、光
電変換層３Ｂ内には＜１１０＞方向に沿った柱状晶の多
結晶構造が観察される。
【００２４】図５に示されているような光電変換層３Ｂ
においては、光電変換層３Ｂ内に入射した光が凹凸界面
３Ｓ２によって斜め反射され、さらに光電変換層３Ｂの
上側表面と凹凸界面３Ｓ２との間で多重反射を起こすの
で、実質的な光学長が増大し、薄膜でありながら大きな
光吸収量が得られる。
においては、光電変換層３Ｂ内に入射した光が凹凸界面
３Ｓ２によって斜め反射され、さらに光電変換層３Ｂの
上側表面と凹凸界面３Ｓ２との間で多重反射を起こすの
で、実質的な光学長が増大し、薄膜でありながら大きな
光吸収量が得られる。
【００２５】界面３Ｓ２に含まれる凹凸の密度や高低差
はアモルファスシリコン層３Ａと光電変換層３Ｂの形成
条件を調節することにより制御することができ、これに
より、光電変換層３Ｂ内で優先的に散乱される光の波長
を選択することも可能である。なお、アモルファスシリ
コン層３Ａの平均厚さもプラズマＣＶＤ条件を調節する
ことによって制御し得るが、アモルファスシリコン層３
Ａの平均厚さがあまり大きくなることは好ましくない。
なぜならば、アモルファスシリコン層３Ａは光電変換層
としては働かず、むしろ抵抗層として作用するからであ
る。
はアモルファスシリコン層３Ａと光電変換層３Ｂの形成
条件を調節することにより制御することができ、これに
より、光電変換層３Ｂ内で優先的に散乱される光の波長
を選択することも可能である。なお、アモルファスシリ
コン層３Ａの平均厚さもプラズマＣＶＤ条件を調節する
ことによって制御し得るが、アモルファスシリコン層３
Ａの平均厚さがあまり大きくなることは好ましくない。
なぜならば、アモルファスシリコン層３Ａは光電変換層
としては働かず、むしろ抵抗層として作用するからであ
る。
【００２６】図７は、図５に示されているような微細な
凹凸を含むテクスチャ界面３Ｓ２が光電変換層の特性に
及ぼす影響を示すグラフである。このグラフにおいて横
軸は光の波長（ｎｍ）を表わし、縦軸は量子効率を表わ
している。黒丸印はテクスチャ界面を有する光電変換層
Ｄを含む光電変換装置に関する測定値を表わし、白丸印
はテクスチャ界面を有しない光電変換層Ｅを含む光電変
換装置に関する測定値を表わしている。これらの光電変
換層ＤとＥは、いずれも４μｍの厚さを有している。実
線の直線は、テクスチャ界面を有しない４μｍ厚さの理
想的な材質を仮定したシリコン光電変換層に関して、計
算によって予測される量子効率を表わしている。図７内
の影付された領域からわかるように、テクスチャ界面を
有する光電変換層Ｄは、５００〜７００ｎｍの波長領域
において著しい量子効率の改善が得られ、８０％を超え
る量子効率を示す領域も存在している。すなわち、従来
の結晶シリコンの吸収係数から計算により予測される以
上の光電変換効率を得ることができる。実際に、光電変
換層Ｄを含む光電変換装置において、２３ｍＡ／ｃｍ2
の短絡電流が得られた。また、図５における凹凸界面３
Ｓ２はヘテロ界面であるので、キャリアの再結合を低減
する効果をも生じ、開放電圧の向上にも寄与することが
できる。
凹凸を含むテクスチャ界面３Ｓ２が光電変換層の特性に
及ぼす影響を示すグラフである。このグラフにおいて横
軸は光の波長（ｎｍ）を表わし、縦軸は量子効率を表わ
している。黒丸印はテクスチャ界面を有する光電変換層
Ｄを含む光電変換装置に関する測定値を表わし、白丸印
はテクスチャ界面を有しない光電変換層Ｅを含む光電変
換装置に関する測定値を表わしている。これらの光電変
換層ＤとＥは、いずれも４μｍの厚さを有している。実
線の直線は、テクスチャ界面を有しない４μｍ厚さの理
想的な材質を仮定したシリコン光電変換層に関して、計
算によって予測される量子効率を表わしている。図７内
の影付された領域からわかるように、テクスチャ界面を
有する光電変換層Ｄは、５００〜７００ｎｍの波長領域
において著しい量子効率の改善が得られ、８０％を超え
る量子効率を示す領域も存在している。すなわち、従来
の結晶シリコンの吸収係数から計算により予測される以
上の光電変換効率を得ることができる。実際に、光電変
換層Ｄを含む光電変換装置において、２３ｍＡ／ｃｍ2
の短絡電流が得られた。また、図５における凹凸界面３
Ｓ２はヘテロ界面であるので、キャリアの再結合を低減
する効果をも生じ、開放電圧の向上にも寄与することが
できる。
【００２７】図８は、本発明のさらに他の実施の形態に
よる薄膜型光電変換装置を概略的な断面図で図解してい
る。この光電変換装置は、ガラス基板１上に順次積層さ
れたｐ+ 型多結晶シリコンの電極層２，実質的に真正半
導体の多結晶シリコンの光電変換層３，ｎ+ 型の多結晶
シリコン層４，およびたとえばＩＴＯの透明電極層５を
含んでいる。すなわち、図８の薄膜型光電変換装置にお
いては、図１に示されているような光電変換層３を含ん
でいるので、特に長波長の光の吸収効率の改善とともに
高い光電変換効率が得られる。
よる薄膜型光電変換装置を概略的な断面図で図解してい
る。この光電変換装置は、ガラス基板１上に順次積層さ
れたｐ+ 型多結晶シリコンの電極層２，実質的に真正半
導体の多結晶シリコンの光電変換層３，ｎ+ 型の多結晶
シリコン層４，およびたとえばＩＴＯの透明電極層５を
含んでいる。すなわち、図８の薄膜型光電変換装置にお
いては、図１に示されているような光電変換層３を含ん
でいるので、特に長波長の光の吸収効率の改善とともに
高い光電変換効率が得られる。
【００２８】図９は、本発明のさらに他の実施の形態に
よる薄膜型光電変換装置を概略的な断面図で図解してい
る。この光電変換装置は、ガラス基板１上に順次積層さ
れたｐ+ 型多結晶シリコンの電極層２，実質的に真正半
導体のアモルファスシリコン層３Ａ，実質的に真正半導
体の多結晶シリコンの光電変換層３Ｂ，ｎ+ 型の多結晶
シリコン層４，および透明電極層５を含んでいる。すな
わち、この薄膜型光電変換装置においては、図５に示さ
れているようなアモルファスシリコン層３Ａと光電変換
層３Ｂとの間に微細な凹凸を含む界面が形成されている
ので、大きな短絡電流と高い開放電圧を得ることができ
る。
よる薄膜型光電変換装置を概略的な断面図で図解してい
る。この光電変換装置は、ガラス基板１上に順次積層さ
れたｐ+ 型多結晶シリコンの電極層２，実質的に真正半
導体のアモルファスシリコン層３Ａ，実質的に真正半導
体の多結晶シリコンの光電変換層３Ｂ，ｎ+ 型の多結晶
シリコン層４，および透明電極層５を含んでいる。すな
わち、この薄膜型光電変換装置においては、図５に示さ
れているようなアモルファスシリコン層３Ａと光電変換
層３Ｂとの間に微細な凹凸を含む界面が形成されている
ので、大きな短絡電流と高い開放電圧を得ることができ
る。
【００２９】図１０は、本発明のさらに他の実施の形態
による薄膜型光電変換装置を概略的な断面図で図解して
いる。この光電変換装置は、ガラス基板１上に順次積層
されたｐ+ 型多結晶シリコン電極層２，実質的に真正半
導体のアモルファスシリコン層３Ａ，実質的に真正半導
体の多結晶シリコンの光電変換層３Ｃ，ｎ+ 型多結晶シ
リコン層４，および透明電極層５を含んでいる。この光
電変換装置における光電変換層３Ｃは、その受光面側表
面において図１における微細な凹凸３Ｓ１に対応するテ
クスチャを有しており、さらにその底面側において図５
の場合と同様にアモルファスシリコン層３Ａとの界面に
微細な凹凸３Ｓ２を含んでいる。したがって、図１０の
薄膜型光電変換装置においては、大きな短絡電流，高い
開放電圧，および高い光電変換効率を得ることができ
る。
による薄膜型光電変換装置を概略的な断面図で図解して
いる。この光電変換装置は、ガラス基板１上に順次積層
されたｐ+ 型多結晶シリコン電極層２，実質的に真正半
導体のアモルファスシリコン層３Ａ，実質的に真正半導
体の多結晶シリコンの光電変換層３Ｃ，ｎ+ 型多結晶シ
リコン層４，および透明電極層５を含んでいる。この光
電変換装置における光電変換層３Ｃは、その受光面側表
面において図１における微細な凹凸３Ｓ１に対応するテ
クスチャを有しており、さらにその底面側において図５
の場合と同様にアモルファスシリコン層３Ａとの界面に
微細な凹凸３Ｓ２を含んでいる。したがって、図１０の
薄膜型光電変換装置においては、大きな短絡電流，高い
開放電圧，および高い光電変換効率を得ることができ
る。
【００３０】図１１は、図１０に対応して実際に作成さ
れた薄膜型光電変換装置の断面構造を表わすＴＥＭ写真
である。このＴＥＭ写真の底部における白い線分は、２
００ｎｍの長さを表わしている。
れた薄膜型光電変換装置の断面構造を表わすＴＥＭ写真
である。このＴＥＭ写真の底部における白い線分は、２
００ｎｍの長さを表わしている。
【００３１】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、光吸収
係数、特に長波長領域における光の吸収係数が改善され
た薄膜光電材料を提供することができ、その薄膜光電材
料を用いた薄膜型光電変換装置においては大きな短絡電
流，高い開放電圧が得られるとともに高い光電変換効率
を得ることができる。
係数、特に長波長領域における光の吸収係数が改善され
た薄膜光電材料を提供することができ、その薄膜光電材
料を用いた薄膜型光電変換装置においては大きな短絡電
流，高い開放電圧が得られるとともに高い光電変換効率
を得ることができる。
【図１】本発明の１つの実施の形態による薄膜光電材料
を概略的に示す断面図である。
を概略的に示す断面図である。
【図２】図１に対応する薄膜光電材料の断面組織を表わ
す顕微鏡写真図である。
す顕微鏡写真図である。
【図３】図１の薄膜光電材料における表面テクスチャ構
造が生ずる光学的効果の一例を表わすグラフである。
造が生ずる光学的効果の一例を表わすグラフである。
【図４】図１の薄膜光電変換層に含まれる表面テクスチ
ャ構造が生じる光学的効果の他の例を表わすグラフであ
る。
ャ構造が生じる光学的効果の他の例を表わすグラフであ
る。
【図５】本発明の他の実施の形態による光電変換層を概
略的に示す断面図である。
略的に示す断面図である。
【図６】図５（Ｂ）に対応する薄膜光電材料の断面組織
を表わす顕微鏡写真図である。
を表わす顕微鏡写真図である。
【図７】図５に示されているような薄膜光電材料におけ
る凹凸界面３Ｓｂの光学的効果を表わすグラフである。
る凹凸界面３Ｓｂの光学的効果を表わすグラフである。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態による薄膜型光
電変換装置を表わす概略的な断面図である。
電変換装置を表わす概略的な断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施の形態による薄膜型光
電変換装置を表わす概略的な断面図である。
電変換装置を表わす概略的な断面図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施の形態による薄膜型
光電変換装置を表わす概略的な断面図である。
光電変換装置を表わす概略的な断面図である。
【図１１】図１０に対応する薄膜型光電変換装置の断面
組織を表わす顕微鏡写真図である。
組織を表わす顕微鏡写真図である。
１ ガラス基板 ２ ｐ+ 型多結晶シリコン層 ３，３Ｂ，３Ｃ 実質的に真正半導体の光電変換層 ３Ａ 実質的に真正半導体のアモルファスシリコン層 ４ ｎ+ 型多結晶シリコン層 ５ 透明電極層
Claims (14)
- 【請求項１】 多結晶シリコンの下地層と、 前記下地層上に形成された多結晶シリコンの光電変換層
とを含み、 前記下地層と前記光電変換層との界面は実質的に平面で
あって前記光電変換層の自由表面は微細な凹凸を含む表
面テクスチャ構造を有し、 前記光電変換層に含まれる結晶粒の多くは前記界面の法
線にほぼ平行な＜１１０＞方向を有し、 前記微細な凹凸を形成する微小な斜面の多くは｛１０
０｝面に対応していることを特徴とする薄膜光電材料。 - 【請求項２】 前記凹凸はＶ字状の溝または角錐を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜光電材料。 - 【請求項３】 前記光電変換層は２〜５０μｍの範囲内
の厚さを有し、前記凹凸はその厚さより小さくかつ０．
２〜３μｍの範囲内の高低差を有していることを特徴と
する請求項１または２に記載の薄膜光電材料。 - 【請求項４】 前記表面テクスチャ構造を有する前記光
電変換層はその厚さの１５倍以上の実効光学長を有する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載
の薄膜光電材料。 - 【請求項５】 前記光電変換層に含まれる結晶粒の前記
＜１１０＞方向と前記法線との間のずれ角は１５度以下
であることを特徴とする請求項１から４のいずれかの項
に記載の薄膜光電材料。 - 【請求項６】 アモルファスシリコン層と、 前記アモルファスシリコン層と接する多結晶シリコンの
光電変換層とを含み、 前記アモルファスシリコン層と前記光電変換層との界面
は微細な凹凸を含んでいることを特徴とする薄膜光電材
料。 - 【請求項７】 前記凹凸はＶ字状の溝，円錐または角錐
を含むことを特徴とする請求項６に記載の薄膜光電材
料。 - 【請求項８】 前記凹凸は５０〜５０００ｎｍの範囲内
の高低差を有していることを特徴とする請求項６または
７に記載の薄膜光電材料。 - 【請求項９】 前記光電変換層は１〜１０μｍの範囲内
の厚さを有し、波長６００ｎｍの光に関して８０％以上
の外部量子効率を有することを特徴とする請求項６から
８のいずれかの項に記載の薄膜光電材料。 - 【請求項１０】 前記アモルファスシリコン層の前記界
面に対面する他方の面は実質的に平らな面であることを
特徴とする請求項６から９のいずれかの項に記載の薄膜
光電材料。 - 【請求項１１】 前記アモルファスシリコン層の前記実
質的に平らな面に含まれる凹凸の高低差は３０ｎｍ以下
であることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜光電材
料。 - 【請求項１２】 順次積層された多結晶シリコンの電極
層，実質的に真正半導体の多結晶シリコンの光電変換
層，導電型の多結晶シリコン層および透明電極層を含
み、 前記多結晶シリコンの電極層と前記光電変換層との間の
第１の界面は実質的に平面であり、 前記光電変換層と前記導電型結晶シリコン層との間の第
２の界面は微小な凹凸を含み、 前記光電変換層に含まれる結晶粒の多くは前記第１の界
面の法線にほぼ平行な＜１１０＞方向を有し、 前記第２の界面の微小な凹凸を形成する微小な斜面の多
くは前記光電変換層に含まれる結晶の｛１００｝面に対
応していることを特徴とする薄膜型光電変換装置。 - 【請求項１３】 順次積層された多結晶シリコンの電極
層，アモルファスシリコン層，実質的に真正半導体の多
結晶シリコンの光電変換層，導電型の多結晶シリコン層
および透明電極層を含み、 前記多結晶シリコンの電極層と前記アモルファスシリコ
ン層との間の第１の界面は実質的に平面であり、 前記アモルファスシリコン層と前記光電変換層との間の
第２の界面は微小な凹凸を含んでいることを特徴とする
薄膜型光電変換装置。 - 【請求項１４】 順次積層された多結晶シリコンの電極
層，アモルファスシリコン層，実質的に真正半導体の多
結晶シリコンの光電変換層，導電型の多結晶シリコン層
および透明電極層を含み、 前記多結晶シリコンの電極層と前記アモルファスシリコ
ン層との間の第１の界面は実質的に平面であり、 前記アモルファスシリコン層と前記光電変換層との間の
第２の界面は微小な凹凸を含み、 前記光電変換層と前記導電型多結晶シリコン層との間の
第３の界面も微小な凹凸を含んでいることを特徴とする
薄膜型光電変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14682196A JP3725246B2 (ja) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | 薄膜光電材料およびそれを含む薄膜型光電変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14682196A JP3725246B2 (ja) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | 薄膜光電材料およびそれを含む薄膜型光電変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09307130A true JPH09307130A (ja) | 1997-11-28 |
| JP3725246B2 JP3725246B2 (ja) | 2005-12-07 |
Family
ID=15416298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14682196A Expired - Lifetime JP3725246B2 (ja) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | 薄膜光電材料およびそれを含む薄膜型光電変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3725246B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0940857A1 (en) * | 1997-08-21 | 1999-09-08 | Kaneka Corporation | Thin film photoelectric transducer |
| US7075052B2 (en) | 2002-10-08 | 2006-07-11 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Photoelectric conversion device |
| JP2010103511A (ja) * | 2008-09-24 | 2010-05-06 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 光電変換装置及びその作製方法 |
| JP2012513119A (ja) * | 2008-12-18 | 2012-06-07 | ファースト ソーラー インコーポレイテッド | 裏面金属コンタクトを含む光電変換装置 |
| JP2013505597A (ja) * | 2009-09-21 | 2013-02-14 | ナノグラム・コーポレイション | 薄膜太陽電池形成のためのシリコンインク、対応の方法及び太陽電池構造 |
| JP2013065910A (ja) * | 2009-02-24 | 2013-04-11 | Hamamatsu Photonics Kk | フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ |
| US8916945B2 (en) | 2009-02-24 | 2014-12-23 | Hamamatsu Photonics K.K. | Semiconductor light-detecting element |
| US8994135B2 (en) | 2009-02-24 | 2015-03-31 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode and photodiode array |
| US9190551B2 (en) | 2009-02-24 | 2015-11-17 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode and photodiode array |
-
1996
- 1996-05-15 JP JP14682196A patent/JP3725246B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| EP0940857B1 (en) * | 1997-08-21 | 2009-11-25 | Kaneka Corporation | Thin film photoelectric transducer |
| EP2136410A1 (en) * | 1997-08-21 | 2009-12-23 | Kaneka Corporation | Thin film photoelectric converter |
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| US8872021B2 (en) | 2008-09-24 | 2014-10-28 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Photoelectric conversion device and manufacturing method thereof |
| JP2010103511A (ja) * | 2008-09-24 | 2010-05-06 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 光電変換装置及びその作製方法 |
| US9450132B2 (en) | 2008-09-24 | 2016-09-20 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Photoelectric conversion device and manufacturing method thereof |
| JP2012513119A (ja) * | 2008-12-18 | 2012-06-07 | ファースト ソーラー インコーポレイテッド | 裏面金属コンタクトを含む光電変換装置 |
| JP2013065910A (ja) * | 2009-02-24 | 2013-04-11 | Hamamatsu Photonics Kk | フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ |
| US8916945B2 (en) | 2009-02-24 | 2014-12-23 | Hamamatsu Photonics K.K. | Semiconductor light-detecting element |
| US8994135B2 (en) | 2009-02-24 | 2015-03-31 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode and photodiode array |
| US9190551B2 (en) | 2009-02-24 | 2015-11-17 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode and photodiode array |
| US9419159B2 (en) | 2009-02-24 | 2016-08-16 | Hamamatsu Photonics K.K. | Semiconductor light-detecting element |
| US9614109B2 (en) | 2009-02-24 | 2017-04-04 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode and photodiode array |
| US9972729B2 (en) | 2009-02-24 | 2018-05-15 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode and photodiode array |
| JP2013505597A (ja) * | 2009-09-21 | 2013-02-14 | ナノグラム・コーポレイション | 薄膜太陽電池形成のためのシリコンインク、対応の方法及び太陽電池構造 |
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| JP3725246B2 (ja) | 2005-12-07 |
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