JPH10117006A - 薄膜光電変換装置 - Google Patents
薄膜光電変換装置Info
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光吸収効率の改善された薄膜光電変換装置を
提供する。 【解決手段】 薄膜光電変換装置は、多結晶光電変換層
（４）とその１主面を覆う金属薄膜（３）とを含み、多
結晶光電変換層（４）は０．５〜２０μｍの範囲内の平
均厚さを有し、多結晶光電変換層（４）の両主面の少な
くとも一方は表面テクスチャ構造を有し、そのテクスチ
ャ構造は多結晶光電変換層（４）の厚さの１／２より小
さくかつ実質的に０．０５〜３μｍの範囲内の高低差を
有する微細な凹凸を含んでいる。
提供する。 【解決手段】 薄膜光電変換装置は、多結晶光電変換層
（４）とその１主面を覆う金属薄膜（３）とを含み、多
結晶光電変換層（４）は０．５〜２０μｍの範囲内の平
均厚さを有し、多結晶光電変換層（４）の両主面の少な
くとも一方は表面テクスチャ構造を有し、そのテクスチ
ャ構造は多結晶光電変換層（４）の厚さの１／２より小
さくかつ実質的に０．０５〜３μｍの範囲内の高低差を
有する微細な凹凸を含んでいる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜光電変換装置の
変換効率の改善に関し、特に、多結晶薄膜光電層内にお
ける光電変換効率の改善に関するものである。
変換効率の改善に関し、特に、多結晶薄膜光電層内にお
ける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において十分な光吸収
が生ぜず、光電変換量が光電変換層の膜厚によって制限
されることになる。したがって、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薄膜光電変換装置が望
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において十分な光吸収
が生ぜず、光電変換量が光電変換層の膜厚によって制限
されることになる。したがって、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薄膜光電変換装置が望
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
の光吸収が膜厚によって制限されてしまい、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
の光吸収が膜厚によって制限されてしまい、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、光電変換層
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薄膜光電
変換装置を提供することを目的としている。
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薄膜光電
変換装置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】本発明による薄膜光電変
換装置は、第１と第２の主面を有しかつ実質的に多結晶
の光電変換層と、その第２の主面を覆う金属薄膜とを含
み；多結晶光電変換層は実質的に多結晶シリコン薄膜か
らなりかつ０．５〜２０μｍの範囲内の平均厚さを有
し；多結晶光電変換層の少なくとも第１の主面は表面テ
クスチャ構造を有し、そのテクスチャ構造は多結晶光電
変換層の平均厚さの１／２より小さくかつ実質的に０．
０５〜３μｍの範囲内の高低差を有する微細な凹凸を含
むことを特徴としている。
換装置は、第１と第２の主面を有しかつ実質的に多結晶
の光電変換層と、その第２の主面を覆う金属薄膜とを含
み；多結晶光電変換層は実質的に多結晶シリコン薄膜か
らなりかつ０．５〜２０μｍの範囲内の平均厚さを有
し；多結晶光電変換層の少なくとも第１の主面は表面テ
クスチャ構造を有し、そのテクスチャ構造は多結晶光電
変換層の平均厚さの１／２より小さくかつ実質的に０．
０５〜３μｍの範囲内の高低差を有する微細な凹凸を含
むことを特徴としている。
【０００６】なお、多結晶光電変換層に含まれる多くの
結晶粒の＜１１０＞方向は、多結晶光電変換層の厚さ方
向に対してずれ角が１５度以下の範囲内でほぼ平行であ
ることが好ましい。
結晶粒の＜１１０＞方向は、多結晶光電変換層の厚さ方
向に対してずれ角が１５度以下の範囲内でほぼ平行であ
ることが好ましい。
【０００７】また、多結晶光電変換層の第２の主面も表
面テクスチャ構造を有し、そのテクスチャ構造は多結晶
光電変換層の厚さの１／２より小さくかつ実質的に０．
０５〜３μｍの範囲内の高低差を有する微細な凹凸を含
むことが好ましい。
面テクスチャ構造を有し、そのテクスチャ構造は多結晶
光電変換層の厚さの１／２より小さくかつ実質的に０．
０５〜３μｍの範囲内の高低差を有する微細な凹凸を含
むことが好ましい。
【０００８】さらに、多結晶光電変換層は体積結晶化分
率８０％以上の多結晶シリコンであって、その水素含有
率が０．１原子％以上で３０原子％以下であることが好
ましい。
率８０％以上の多結晶シリコンであって、その水素含有
率が０．１原子％以上で３０原子％以下であることが好
ましい。
【０００９】さらに、多結晶光電変換層の第２の主面を
覆う金属薄膜のうち、少なくとも多結晶光電変換層に対
面する面はＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，ＡｌおよびＰｔから選択
された１つまたはそれを含む合金によって形成されてい
ることが好ましい。
覆う金属薄膜のうち、少なくとも多結晶光電変換層に対
面する面はＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，ＡｌおよびＰｔから選択
された１つまたはそれを含む合金によって形成されてい
ることが好ましい。
【００１０】さらに、金属薄膜と多結晶光電変換層との
間に、０．０５〜０．１５μｍの範囲内の厚さを有する
透明導電性または透光性半導体のバッファ層が介在させ
られていることが好ましい。
間に、０．０５〜０．１５μｍの範囲内の厚さを有する
透明導電性または透光性半導体のバッファ層が介在させ
られていることが好ましい。
【００１１】さらに、薄膜光電変換装置は、多結晶光電
変換層の第１の主面上に堆積させられた実質的にアモル
ファスのシリコン薄膜からなるアモルファス光電変換層
をさらに含んでもよい。
変換層の第１の主面上に堆積させられた実質的にアモル
ファスのシリコン薄膜からなるアモルファス光電変換層
をさらに含んでもよい。
【００１２】
【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変換装置が模式的な断面図で概
略的に図解されている。この薄膜光電変換装置は、ガラ
ス基板１上に順次積層された下地導電層２，金属反射層
３，多結晶光電変換層４，および透明導電層５を含んで
いる。
施の形態による薄膜光電変換装置が模式的な断面図で概
略的に図解されている。この薄膜光電変換装置は、ガラ
ス基板１上に順次積層された下地導電層２，金属反射層
３，多結晶光電変換層４，および透明導電層５を含んで
いる。
【００１３】下地導電層２としては、たとえば５００℃
以上の温度において熱ＣＶＤ法を用いて、高濃度にリン
がドープされたｎ+ 型多結晶シリコン層をガラス基板１
上に堆積することができる。このとき、熱ＣＶＤ条件
（温度，圧力，反応ガス流量等）を適切に調節すること
によって、下地導電層２の自由表面２Ｓに微細な凹凸を
含むテクスチャ構造を形成することができる。これらの
凹凸は、たとえば０．０５〜３μｍの範囲内の高低差で
形成し得る。
以上の温度において熱ＣＶＤ法を用いて、高濃度にリン
がドープされたｎ+ 型多結晶シリコン層をガラス基板１
上に堆積することができる。このとき、熱ＣＶＤ条件
（温度，圧力，反応ガス流量等）を適切に調節すること
によって、下地導電層２の自由表面２Ｓに微細な凹凸を
含むテクスチャ構造を形成することができる。これらの
凹凸は、たとえば０．０５〜３μｍの範囲内の高低差で
形成し得る。
【００１４】金属反射層３はスパッタリング法によって
形成することができ、たとえばＡｇターゲットを用い
て、０．１〜５０ｍＴｏｒｒの圧力のＡｒガス中でＲＦ
（高周波）放電を利用して形成することができる。な
お、ターゲットとしては、Ａｇの他にＡｕ，Ｃｕ，Ａｌ
もしくはＰｔまたはそれらの少なくともいずれかを含む
合金をも用いることができる。形成される金属反射層３
の自由表面３Ｓは、下地導電層２との界面２Ｓに対応し
た微細な凹凸を含む。
形成することができ、たとえばＡｇターゲットを用い
て、０．１〜５０ｍＴｏｒｒの圧力のＡｒガス中でＲＦ
（高周波）放電を利用して形成することができる。な
お、ターゲットとしては、Ａｇの他にＡｕ，Ｃｕ，Ａｌ
もしくはＰｔまたはそれらの少なくともいずれかを含む
合金をも用いることができる。形成される金属反射層３
の自由表面３Ｓは、下地導電層２との界面２Ｓに対応し
た微細な凹凸を含む。
【００１５】実質的に多結晶の光電変換層４は、プラズ
マＣＶＤ法によって形成され得る。ここで、「実質的に
多結晶」とは、完全な多結晶体を意味するのみならず、
少量のアモルファスを含む多結晶体をも含むことを意味
している。たとえば、光電変換層４は、体積結晶化分率
８０％以上の多結晶シリコンで形成され得る。多結晶光
電変換層４として、ｎ型層４ｎ，ｉ型層４ｉ，およびｐ
型層４ｐが順次堆積される。プラズマＣＶＤ条件として
は、たとえば、０．０１〜５Ｔｏｒｒの圧力と５０〜５
５０℃の温度の範囲を利用することができる。また、ｎ
型層４ｎは、たとえばホスフィン，シラン，および水素
を含む混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成
され得る。次に、実質的に真性の半導体であるｉ型層４
ｉは、導電型不純物を含まないシランガスと水素との混
合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって堆積される。
さらにｐ型半導体層４ｐは、ジボラン，シラン，および
水素を含む混合ガスを用いるプラズマＣＶＤ法によって
堆積される。
マＣＶＤ法によって形成され得る。ここで、「実質的に
多結晶」とは、完全な多結晶体を意味するのみならず、
少量のアモルファスを含む多結晶体をも含むことを意味
している。たとえば、光電変換層４は、体積結晶化分率
８０％以上の多結晶シリコンで形成され得る。多結晶光
電変換層４として、ｎ型層４ｎ，ｉ型層４ｉ，およびｐ
型層４ｐが順次堆積される。プラズマＣＶＤ条件として
は、たとえば、０．０１〜５Ｔｏｒｒの圧力と５０〜５
５０℃の温度の範囲を利用することができる。また、ｎ
型層４ｎは、たとえばホスフィン，シラン，および水素
を含む混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって形成
され得る。次に、実質的に真性の半導体であるｉ型層４
ｉは、導電型不純物を含まないシランガスと水素との混
合ガスを用いたプラズマＣＶＤ法によって堆積される。
さらにｐ型半導体層４ｐは、ジボラン，シラン，および
水素を含む混合ガスを用いるプラズマＣＶＤ法によって
堆積される。
【００１６】このように形成された多結晶光電変換層４
に含まれる多くの結晶粒の＜１１０＞方向は、その光電
変換層の厚さ方向に対してずれ角が約１５度以下の範囲
内でほぼ平行になっている。
に含まれる多くの結晶粒の＜１１０＞方向は、その光電
変換層の厚さ方向に対してずれ角が約１５度以下の範囲
内でほぼ平行になっている。
【００１７】多結晶光電変換層４は約０．５〜２０μｍ
の範囲内の平均厚さに成長させられ、その自由表面４Ｓ
は微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有している。
これらの凹凸４Ｓは、Ｖ字状の溝または角錐を含み、光
電変換層４の平均厚さの１／２より小さな範囲内で約
０．０５〜３μｍの高低差を有している。
の範囲内の平均厚さに成長させられ、その自由表面４Ｓ
は微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を有している。
これらの凹凸４Ｓは、Ｖ字状の溝または角錐を含み、光
電変換層４の平均厚さの１／２より小さな範囲内で約
０．０５〜３μｍの高低差を有している。
【００１８】多結晶光電変換層４上には、さらに、たと
えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）のような透明導電性
酸化物（ＴＣＯ）層５が透明電極として形成される。
えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）のような透明導電性
酸化物（ＴＣＯ）層５が透明電極として形成される。
【００１９】図１に示されているような多結晶光電変換
層４においては、光が凹凸表面４Ｓで屈折して斜め入射
し、さらに界面３Ｓと凹凸表面４Ｓ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。界面４Ｓにおける凹凸の密度
や高低差は多結晶光電変換層４のプラズマＣＶＤ条件
（温度，圧力，ガス流量，高周波電力等）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４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、長波長の光を多結晶光電変換層４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。
層４においては、光が凹凸表面４Ｓで屈折して斜め入射
し、さらに界面３Ｓと凹凸表面４Ｓ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。界面４Ｓにおける凹凸の密度
や高低差は多結晶光電変換層４のプラズマＣＶＤ条件
（温度，圧力，ガス流量，高周波電力等）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４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、長波長の光を多結晶光電変換層４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。
【００２０】ここで、光が空気側から固体媒質に入射す
る場合、光はその波長に近いサイズの表面凹凸構造との
強い相互作用によって大きな散乱効果を生じる。シリコ
ンのように高い屈折率ｎを有する媒質内では伝播する光
の波長が１／ｎとなるので、光電変換層４の内部から界
面３Ｓまたは凹凸表面４Ｓに到達した光がそこで強く散
乱されて再び光電変換層４内に閉じ込められるための凹
凸のサイズとして、空気中での光の波長を１／ｎ倍した
ものに相当する範囲が好ましい。したがって、界面３Ｓ
および凹凸表面４Ｓにおける高低差は０．０８〜１μｍ
の範囲内にあることがより好ましい。
る場合、光はその波長に近いサイズの表面凹凸構造との
強い相互作用によって大きな散乱効果を生じる。シリコ
ンのように高い屈折率ｎを有する媒質内では伝播する光
の波長が１／ｎとなるので、光電変換層４の内部から界
面３Ｓまたは凹凸表面４Ｓに到達した光がそこで強く散
乱されて再び光電変換層４内に閉じ込められるための凹
凸のサイズとして、空気中での光の波長を１／ｎ倍した
ものに相当する範囲が好ましい。したがって、界面３Ｓ
および凹凸表面４Ｓにおける高低差は０．０８〜１μｍ
の範囲内にあることがより好ましい。
【００２１】また、多結晶シリコン薄膜の厚さがたとえ
ば２μｍの場合、入射光のうちで、そのシリコン薄膜の
裏面まで到達してその裏面と表面との間の多重反射で閉
じ込められる光は約５００ｎｍ以上の波長を有するもの
である。他方、シリコンに吸収されて光電変換に実質的
な寄与し得る光の波長は長波長側で約１０００ｎｍまで
である。ここで、５００〜１０００ｎｍの波長域ではシ
リコン膜の屈折率ｎは約３．５であるので、光散乱が強
くなるための表面テクスチャのさらに好ましい凹凸サイ
ズは、その波長を１／ｎ倍したものの約７５〜１７５％
の範囲であって、すなわち０．１〜０．５μｍの範囲が
最も好ましい。
ば２μｍの場合、入射光のうちで、そのシリコン薄膜の
裏面まで到達してその裏面と表面との間の多重反射で閉
じ込められる光は約５００ｎｍ以上の波長を有するもの
である。他方、シリコンに吸収されて光電変換に実質的
な寄与し得る光の波長は長波長側で約１０００ｎｍまで
である。ここで、５００〜１０００ｎｍの波長域ではシ
リコン膜の屈折率ｎは約３．５であるので、光散乱が強
くなるための表面テクスチャのさらに好ましい凹凸サイ
ズは、その波長を１／ｎ倍したものの約７５〜１７５％
の範囲であって、すなわち０．１〜０．５μｍの範囲が
最も好ましい。
【００２２】下地導電層２として、透明導電性酸化物層
を形成することも可能である。図２は、常圧の熱ＣＶＤ
法によって５００℃のガラス基板１上に堆積したＦドー
プＳｎＯ2 の表面テクスチャ構造を示す透過型電子顕微
鏡（ＴＥＭ）写真である。図２において、下地導電層２
の凹凸表面２Ｓを明瞭に観察することができる。
を形成することも可能である。図２は、常圧の熱ＣＶＤ
法によって５００℃のガラス基板１上に堆積したＦドー
プＳｎＯ2 の表面テクスチャ構造を示す透過型電子顕微
鏡（ＴＥＭ）写真である。図２において、下地導電層２
の凹凸表面２Ｓを明瞭に観察することができる。
【００２３】図３は、図２に示されているような下地導
電層２の表面テクスチャ構造における凹凸の分布をＡＦ
Ｍ（原子間力顕微鏡）を用いて測定した結果を示すグラ
フである。このグラフにおいて、縦軸は凹凸表面の最も
突出した点を基準に定められた０レベルからの深さ（ｎ
ｍ）を表わし、横軸はその深さの位置に存在する自由表
面の相対的頻度を表わしている。この測定は、５０００
ｎｍ×５０００ｎｍの正方形の領域を縦横にプローブで
スキャンすることによって行なわれた。図３のグラフに
よれば、表面２Ｓの凹凸の平均レベルは基準の０レベル
から約１５９ｎｍの深さにあり、最も深い凹部が約３１
８ｎｍであることがわかる。
電層２の表面テクスチャ構造における凹凸の分布をＡＦ
Ｍ（原子間力顕微鏡）を用いて測定した結果を示すグラ
フである。このグラフにおいて、縦軸は凹凸表面の最も
突出した点を基準に定められた０レベルからの深さ（ｎ
ｍ）を表わし、横軸はその深さの位置に存在する自由表
面の相対的頻度を表わしている。この測定は、５０００
ｎｍ×５０００ｎｍの正方形の領域を縦横にプローブで
スキャンすることによって行なわれた。図３のグラフに
よれば、表面２Ｓの凹凸の平均レベルは基準の０レベル
から約１５９ｎｍの深さにあり、最も深い凹部が約３１
８ｎｍであることがわかる。
【００２４】図４は、図１に示されているような薄膜光
電変換装置の光学的な吸収特性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、
縦軸は吸収特性（１−Ｒ−Ｔ）を表わしている。ここ
で、Ｒは光電変換装置の拡散反射率を表わし、Ｔは透過
率を表わしている。曲線４Ａは図１に示されているよう
な薄膜光電変換装置の特性を表わし、曲線４Ｂは、図１
に類似しているが表面テクスチャ構造と金属反射層３と
を含まない薄膜光電変換装置の吸収特性を表わしてい
る。図４から明らかなように、図１に示されているよう
な光閉込め構造を有する薄膜光電変換装置においては、
近赤外領域で顕著な光吸収を生じることが理解されよ
う。
電変換装置の光学的な吸収特性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、
縦軸は吸収特性（１−Ｒ−Ｔ）を表わしている。ここ
で、Ｒは光電変換装置の拡散反射率を表わし、Ｔは透過
率を表わしている。曲線４Ａは図１に示されているよう
な薄膜光電変換装置の特性を表わし、曲線４Ｂは、図１
に類似しているが表面テクスチャ構造と金属反射層３と
を含まない薄膜光電変換装置の吸収特性を表わしてい
る。図４から明らかなように、図１に示されているよう
な光閉込め構造を有する薄膜光電変換装置においては、
近赤外領域で顕著な光吸収を生じることが理解されよ
う。
【００２５】図５は、図１に示されているような光閉込
め構造を有する薄膜光電変換装置の外部量子効率を示し
ている。すなわち、図５において横軸は光の波長（ｎ
ｍ）を表わし、縦軸は外部量子効率を表わしている。曲
線５Ａは図１に示されているような薄膜光電変換装置の
外部量子効率を表わし、曲線５Ｂは、図１に類似してい
るがテクスチャ構造と金属反射膜３を含まない構造を有
する光電変換装置の外部量子効率を表わしている。図５
から明らかなように、図１に示されているような光閉込
め構造を有する薄膜光電変換装置は、そのような光閉込
め構造を有しないものに比べて３６０〜１２００ｎｍの
広い波長範囲で優れた外部量子効率を示し、特に、８０
０ｎｍの長波長の光に関して約５０％の高い外部量子効
率を有している。
め構造を有する薄膜光電変換装置の外部量子効率を示し
ている。すなわち、図５において横軸は光の波長（ｎ
ｍ）を表わし、縦軸は外部量子効率を表わしている。曲
線５Ａは図１に示されているような薄膜光電変換装置の
外部量子効率を表わし、曲線５Ｂは、図１に類似してい
るがテクスチャ構造と金属反射膜３を含まない構造を有
する光電変換装置の外部量子効率を表わしている。図５
から明らかなように、図１に示されているような光閉込
め構造を有する薄膜光電変換装置は、そのような光閉込
め構造を有しないものに比べて３６０〜１２００ｎｍの
広い波長範囲で優れた外部量子効率を示し、特に、８０
０ｎｍの長波長の光に関して約５０％の高い外部量子効
率を有している。
【００２６】図６においては、表面テクスチャ構造を有
しかつ３μｍの厚さの多結晶光電変換層４を含む光電変
換装置に関する光学特性の測定結果が示されている。図
６のグラフにおいて、横軸はＳｉの吸収係数の逆数であ
る吸収長（ｎｍ）を表わし、縦軸は内部量子効率の逆数
を表わしている。このグラフに示された多結晶光電変換
層は、２６０μｍの実効光学長を有している。すなわ
ち、この多結晶光電変換層の実効光学長は、その膜厚の
１２０倍に増大している。ここで、実効光学長は、シリ
コン単結晶の吸収係数から求めた吸収長と光電変換装置
の１０００ｎｍ以上の波長範囲の内部量子効率の逆数と
を直線回帰することによって得られる直線の勾配の逆数
として求められる。
しかつ３μｍの厚さの多結晶光電変換層４を含む光電変
換装置に関する光学特性の測定結果が示されている。図
６のグラフにおいて、横軸はＳｉの吸収係数の逆数であ
る吸収長（ｎｍ）を表わし、縦軸は内部量子効率の逆数
を表わしている。このグラフに示された多結晶光電変換
層は、２６０μｍの実効光学長を有している。すなわ
ち、この多結晶光電変換層の実効光学長は、その膜厚の
１２０倍に増大している。ここで、実効光学長は、シリ
コン単結晶の吸収係数から求めた吸収長と光電変換装置
の１０００ｎｍ以上の波長範囲の内部量子効率の逆数と
を直線回帰することによって得られる直線の勾配の逆数
として求められる。
【００２７】図１の構造を有する薄膜光電変換装置の一
例として、ＴＣＯ層２上に、３００ｎｍのＡｇ薄膜３；
０．５原子％の水素を含み２μｍの厚さを有する多結晶
光電変換層４；および８０ｎｍのＩＴＯ層からなる透明
電極５が順次積層された。このように形成された光電変
換装置では、２８ｍＡの短絡電流、０．４５Ｖの開放電
圧、および９％の変換効率を得ることができた。
例として、ＴＣＯ層２上に、３００ｎｍのＡｇ薄膜３；
０．５原子％の水素を含み２μｍの厚さを有する多結晶
光電変換層４；および８０ｎｍのＩＴＯ層からなる透明
電極５が順次積層された。このように形成された光電変
換装置では、２８ｍＡの短絡電流、０．４５Ｖの開放電
圧、および９％の変換効率を得ることができた。
【００２８】なお、図１に示されているような構造を有
する薄膜光電変換装置において、プラズマＣＶＤ法で形
成された多結晶光電変換層４が０．１原子％以上で３０
原子％以下の範囲内の水素を含有するとき、０．４５Ｖ
以上の開放電圧が得られ、１原子％以上で１５原子％以
下の範囲内の水素を含むときには０．５Ｖ以上の開放端
電圧を得ることが可能である。これは、多結晶光電変換
層が水素原子を含むことによって、光電変換層内の欠陥
が低減させられ得ることによるものと考えられる。水素
原子の含有量は、２次イオン質量分析法によって評価す
ることができる。
する薄膜光電変換装置において、プラズマＣＶＤ法で形
成された多結晶光電変換層４が０．１原子％以上で３０
原子％以下の範囲内の水素を含有するとき、０．４５Ｖ
以上の開放電圧が得られ、１原子％以上で１５原子％以
下の範囲内の水素を含むときには０．５Ｖ以上の開放端
電圧を得ることが可能である。これは、多結晶光電変換
層が水素原子を含むことによって、光電変換層内の欠陥
が低減させられ得ることによるものと考えられる。水素
原子の含有量は、２次イオン質量分析法によって評価す
ることができる。
【００２９】なお、図１の薄膜光電変換装置は下地導電
層２を含んでいるが、この下地導電層２は本発明におい
て必ずしも不可欠なものではない。すなわち、ガラス基
板１上に直接Ａｇ層３を比較的厚く（約３００ｎｍ〜５
００ｎｍ）堆積すれば、下地層２がなくても、そのＡｇ
層３の表面に微細な凹凸を含む表面テクスチャを形成す
ることができる。このようなＡｇ層は、たとえば２００
〜３００℃の基板温度における真空蒸着によって形成す
ることができる。また、Ａｇ層３とガラス基板１との間
の付着性を考慮すれば、Ａｇ層３とガラス基板１との間
に約５０ｎｍ厚さのＴｉ薄膜層を挿入すればより好まし
く、そのようなＴｉ層はスパッタリングや蒸着によって
形成することができる。
層２を含んでいるが、この下地導電層２は本発明におい
て必ずしも不可欠なものではない。すなわち、ガラス基
板１上に直接Ａｇ層３を比較的厚く（約３００ｎｍ〜５
００ｎｍ）堆積すれば、下地層２がなくても、そのＡｇ
層３の表面に微細な凹凸を含む表面テクスチャを形成す
ることができる。このようなＡｇ層は、たとえば２００
〜３００℃の基板温度における真空蒸着によって形成す
ることができる。また、Ａｇ層３とガラス基板１との間
の付着性を考慮すれば、Ａｇ層３とガラス基板１との間
に約５０ｎｍ厚さのＴｉ薄膜層を挿入すればより好まし
く、そのようなＴｉ層はスパッタリングや蒸着によって
形成することができる。
【００３０】図７は、本発明のさらに他の実施の形態に
よる薄膜光電変換装置を模式的な断面図で図解してい
る。図７の光電変換装置は図１のものに類似している
が、多結晶光電変換層４と金属反射層３との間に透明導
電層からなるバッファ層３ａが挿入されている。このバ
ッファ層３ａはキャリアの再結合を低減するように作用
し、また金属層３からの反射光を光電変換層４内に閉じ
込める効果を高めるように作用する。バッファ層３ａと
して、透明導電物質ＺｎＯ，Ｉｎ2 Ｏ3 ，ＳｎＯ2およ
びＣｄＯの少なくとも１つ、または透光性半導体物質Ｆ
ｅ2 Ｏ3 ，ＴｉＯ，ＺｎＳｅおよびＺｎＳの少なくとも
１つを用いることができる。一例として、ＴＣＯ層２上
に、３００ｎｍのＡｇ薄膜３；８０ｎｍのＺｎＯ薄膜か
らなるバッファ層３ａ；２μｍ厚さの多結晶光電変換層
４；および８０ｎｍのＩＴＯ層からなる透明電極５を順
次積層することによって、図７の構造を有する薄膜光電
変換装置が作成された。この光電変換装置では、３０ｍ
Ａの短絡電流，０．４９Ｖの開放電圧，および１１％の
変換効率を得ることができた。
よる薄膜光電変換装置を模式的な断面図で図解してい
る。図７の光電変換装置は図１のものに類似している
が、多結晶光電変換層４と金属反射層３との間に透明導
電層からなるバッファ層３ａが挿入されている。このバ
ッファ層３ａはキャリアの再結合を低減するように作用
し、また金属層３からの反射光を光電変換層４内に閉じ
込める効果を高めるように作用する。バッファ層３ａと
して、透明導電物質ＺｎＯ，Ｉｎ2 Ｏ3 ，ＳｎＯ2およ
びＣｄＯの少なくとも１つ、または透光性半導体物質Ｆ
ｅ2 Ｏ3 ，ＴｉＯ，ＺｎＳｅおよびＺｎＳの少なくとも
１つを用いることができる。一例として、ＴＣＯ層２上
に、３００ｎｍのＡｇ薄膜３；８０ｎｍのＺｎＯ薄膜か
らなるバッファ層３ａ；２μｍ厚さの多結晶光電変換層
４；および８０ｎｍのＩＴＯ層からなる透明電極５を順
次積層することによって、図７の構造を有する薄膜光電
変換装置が作成された。この光電変換装置では、３０ｍ
Ａの短絡電流，０．４９Ｖの開放電圧，および１１％の
変換効率を得ることができた。
【００３１】図８は、図７に示されているような薄膜光
電変換装置のＴＥＭ写真の一例を示しており、下部の白
い線分は２００ｎｍの長さを表わしている。図８のＴＥ
Ｍ写真においては、微細な凹凸を含む表面テクスチャ構
造のみならず、多結晶光電変換層４内において＜１１０
＞方向に延びる柱状晶が観察され得る。そして、それら
の柱状晶の＜１１０＞方向は、光電変換層の厚さ方向に
対してずれ角が約１５度以下の範囲内でほぼ平行になっ
ている。
電変換装置のＴＥＭ写真の一例を示しており、下部の白
い線分は２００ｎｍの長さを表わしている。図８のＴＥ
Ｍ写真においては、微細な凹凸を含む表面テクスチャ構
造のみならず、多結晶光電変換層４内において＜１１０
＞方向に延びる柱状晶が観察され得る。そして、それら
の柱状晶の＜１１０＞方向は、光電変換層の厚さ方向に
対してずれ角が約１５度以下の範囲内でほぼ平行になっ
ている。
【００３２】図９は、図７に示されているような薄膜光
電変換装置において、ＺｎＯのバッファ層３ａの厚さが
分光感度スペクトル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、縦軸は分光感度（Ａ／Ｗ）を表わしている。この分
光感度におけるＷは入射光のエネルギをワットで表わし
たものであり、Ａは光電変換装置から出力される電流量
をアンペアで表わしたものである。なお、下地導電層２
としてはＴｉが用いられた。曲線９Ａ，９Ｂ，９Ｃは、
それぞれ、８０ｎｍ，１０００ｎｍ，および０ｎｍの厚
さを有するＺｎＯのバッファ層３ａを含む光電変換装置
に対応している。曲線９Ａと曲線９Ｃの比較から明らか
なように、８０ｎｍの厚さを有するＺｎＯのバッファ層
３ａを含む光電変換装置は、そのようなバッファ層を含
まない光電変換装置に比べて分光感度が著しく増大して
いることがわかる。しかし、曲線９Ａと９Ｂの比較から
明らかなように、ＺｎＯバッファ層３ａの厚さが１００
０ｎｍに増大させられた場合には、８０ｎｍの厚さのＺ
ｎＯバッファ層の場合に比べて、逆に分光感度が低下す
ることがわかる。このような調査から、バッファ層３ａ
の厚さは、０．００５〜０．１５μｍの範囲内にあるこ
とが好ましい。
電変換装置において、ＺｎＯのバッファ層３ａの厚さが
分光感度スペクトル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、縦軸は分光感度（Ａ／Ｗ）を表わしている。この分
光感度におけるＷは入射光のエネルギをワットで表わし
たものであり、Ａは光電変換装置から出力される電流量
をアンペアで表わしたものである。なお、下地導電層２
としてはＴｉが用いられた。曲線９Ａ，９Ｂ，９Ｃは、
それぞれ、８０ｎｍ，１０００ｎｍ，および０ｎｍの厚
さを有するＺｎＯのバッファ層３ａを含む光電変換装置
に対応している。曲線９Ａと曲線９Ｃの比較から明らか
なように、８０ｎｍの厚さを有するＺｎＯのバッファ層
３ａを含む光電変換装置は、そのようなバッファ層を含
まない光電変換装置に比べて分光感度が著しく増大して
いることがわかる。しかし、曲線９Ａと９Ｂの比較から
明らかなように、ＺｎＯバッファ層３ａの厚さが１００
０ｎｍに増大させられた場合には、８０ｎｍの厚さのＺ
ｎＯバッファ層の場合に比べて、逆に分光感度が低下す
ることがわかる。このような調査から、バッファ層３ａ
の厚さは、０．００５〜０．１５μｍの範囲内にあるこ
とが好ましい。
【００３３】図１０は、本発明のさらに他の実施の形態
による薄膜光電変換装置を模式的な断面図で概略的に図
解している。図１０の光電変換装置は図７のものに類似
しているが、多結晶光電変換層４と透明電極層５との間
にアモルファス光電変換層６が挿入されている。すなわ
ち、図１０の薄膜光電変換装置は、多結晶光電変換層４
上にアモルファス光電変換層６が積層されたタンデム型
の薄膜光電変換装置である。アモルファス光電変換層６
は、ｎ型のアモルファスシリコン層６ｎ，実質的に真性
のアモルファスシリコン層６ｉ，およびｐ型のアモルフ
ァスシリコン層６ｐを含んでいる。図７の光電変換装置
の場合と同様に、３００ｎｍ厚さのＡｇ薄膜の金属反射
層３；８０ｎｍ厚さのＺｎＯ薄膜のバッファ層３ａ；
０．５原子％水素を含み２μｍの厚さの多結晶光電変換
層４；０．４μｍ厚さのアモルファス光電変換層６およ
び８０ｎｍ厚さのＩＴＯ層の透明電極５を含むタンデム
型薄膜光電変換装置が作成された。
による薄膜光電変換装置を模式的な断面図で概略的に図
解している。図１０の光電変換装置は図７のものに類似
しているが、多結晶光電変換層４と透明電極層５との間
にアモルファス光電変換層６が挿入されている。すなわ
ち、図１０の薄膜光電変換装置は、多結晶光電変換層４
上にアモルファス光電変換層６が積層されたタンデム型
の薄膜光電変換装置である。アモルファス光電変換層６
は、ｎ型のアモルファスシリコン層６ｎ，実質的に真性
のアモルファスシリコン層６ｉ，およびｐ型のアモルフ
ァスシリコン層６ｐを含んでいる。図７の光電変換装置
の場合と同様に、３００ｎｍ厚さのＡｇ薄膜の金属反射
層３；８０ｎｍ厚さのＺｎＯ薄膜のバッファ層３ａ；
０．５原子％水素を含み２μｍの厚さの多結晶光電変換
層４；０．４μｍ厚さのアモルファス光電変換層６およ
び８０ｎｍ厚さのＩＴＯ層の透明電極５を含むタンデム
型薄膜光電変換装置が作成された。
【００３４】このタンデム型光電変換装置は、１３．５
ｍＡの短絡電流，１．４Ｖの開放電圧，および１３．５
％の変換効率を有していた。すなわち、図７の薄膜光電
変換装置に比べて、図１０のタンデム型薄膜光電変換装
置では短絡電流が減少するが高い開放電圧を得ることが
でき、また短波長の光をアモルファス光電変換層６で効
率よく吸収しかつ長波長の光を多結晶光電変換層４で吸
収することができるので、光電変換効率も著しく改善さ
れることがわかる。
ｍＡの短絡電流，１．４Ｖの開放電圧，および１３．５
％の変換効率を有していた。すなわち、図７の薄膜光電
変換装置に比べて、図１０のタンデム型薄膜光電変換装
置では短絡電流が減少するが高い開放電圧を得ることが
でき、また短波長の光をアモルファス光電変換層６で効
率よく吸収しかつ長波長の光を多結晶光電変換層４で吸
収することができるので、光電変換効率も著しく改善さ
れることがわかる。
【００３５】
【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吸収係数が改善された
薄膜光電変換装置を提供することができ、その薄膜光電
変換装置においては大きな短絡電流および高い開放電圧
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吸収係数が改善された
薄膜光電変換装置を提供することができ、その薄膜光電
変換装置においては大きな短絡電流および高い開放電圧
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変換
装置を概略的に示す断面図である。
装置を概略的に示す断面図である。
【図２】図１における下地導電層２の断面の結晶構造を
示す透過電子顕微鏡写真図である。
示す透過電子顕微鏡写真図である。
【図３】図２に示されているような下地導電層の表面テ
クスチャ構造における凹凸分布を表わすグラフである。
クスチャ構造における凹凸分布を表わすグラフである。
【図４】図１に示されているような薄膜光電変換装置に
おける光学的な吸収特性を示すグラフである。
おける光学的な吸収特性を示すグラフである。
【図５】図１に示されているような薄膜光電変換装置に
おける外部量子効率を示すグラフである。
おける外部量子効率を示すグラフである。
【図６】図１に示されているような薄膜光電変換装置に
おける光電変換層の実効光学長を求めるためのグラフで
ある。
おける光電変換層の実効光学長を求めるためのグラフで
ある。
【図７】本発明の他の実施の形態による薄膜光電変換装
置の概略的な断面図である。
置の概略的な断面図である。
【図８】図７に示されているような薄膜光電変換装置の
断面の薄膜構造を示す透過型電子顕微鏡写真図である。
断面の薄膜構造を示す透過型電子顕微鏡写真図である。
【図９】図７に示されているような薄膜光電変換装置に
おいて多結晶光電変換層と金属薄膜との間のバッファ層
が分光感度の及ぼす影響を示すグラフである。
おいて多結晶光電変換層と金属薄膜との間のバッファ層
が分光感度の及ぼす影響を示すグラフである。
【図１０】本発明のさらに他の実施の形態による薄膜光
電変換装置を示す概略的な断面図である。
電変換装置を示す概略的な断面図である。
１ ガラス基板 ２ 下地導電層 ３ 金属反射層 ３ａ 透明導電体のバッファ層 ４ 多結晶光電変換層 ５ 透明電極 ６ アモルファス光電変換層
Claims (13)
- 【請求項１】 第１と第２の主面を有しかつ実質的に多
結晶の光電変換層と、 前記第２の主面を覆う金属薄膜とを含み、 前記多結晶光電変換層は実質的に多結晶シリコン薄膜か
らなりかつ０．５〜２０μｍの範囲内の平均厚さを有
し、 少なくとも前記第１の主面は表面テクスチャ構造を有
し、そのテクスチャ構造は前記平均厚さの１／２より小
さくかつ実質的に０．０５〜３μｍの範囲内の高低差を
有する微細な凹凸を含むことを特徴とする薄膜光電変換
装置。 - 【請求項２】 前記多結晶光電変換層に含まれる多くの
結晶粒の＜１１０＞方向は前記厚さの方向に対してずれ
角が１５度以下の範囲内でほぼ平行であることを特徴と
する請求項１に記載の薄膜光電変換装置。 - 【請求項３】 前記第２の主面も表面テクスチャ構造を
有し、そのテクスチャ構造は前記平均厚さの１／２より
小さくかつ実質的に０．０５〜３μｍの範囲内の高低差
を有する微細な凹凸を含むことを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の薄膜光電変換装置。 - 【請求項４】 前記多結晶光電変換層は、体積結晶化分
率８０％以上の多結晶シリコンであって、その水素含有
量が０．１原子％以上で３０原子％以下であることを特
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
電変換装置。 - 【請求項５】 前記多結晶光電変換層は、１〜１０μｍ
の平均厚さを有し、また前記第１と第２の主面の少なく
とも一方が有する表面テクスチャ構造は、０．０８〜１
μｍの範囲内の高低差を有する微細な凹凸を含むことを
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
光電変換装置。 - 【請求項６】 前記第１と第２の主面の少なくとも一方
が有する表面テクスチャ構造は、０．１〜０．５μｍの
範囲内の高低差を有する微細な凹凸を含むことを特徴と
する請求項５に記載の薄膜光電変換装置。 - 【請求項７】 前記金属薄膜は５００〜１２００ｎｍの
範囲内の波長の光に対して高い反射率を有することを特
徴とする請求項１から６のいずれかの項に記載の薄膜光
電変換装置。 - 【請求項８】 前記金属薄膜のうち、少なくとも前記多
結晶光電変換層に対面する面はＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ
およびＰｔから選択された１つまたはそれを含む合金に
よって形成されていることを特徴とする請求項７に記載
の薄膜光電変換装置。 - 【請求項９】 前記金属薄膜と前記多結晶光電変換層と
の間に、０．００５〜０．１５μｍの範囲内の厚さを有
する透明導電性または透光性半導体のバッファ層が介在
させられていることを特徴とする請求項１から８のいず
れかの項に記載の薄膜光電変換装置。 - 【請求項１０】 前記バッファ層はＺｎＯ，Ｉｎ
2 Ｏ3 ，ＳｎＯ2 、ＺｎＳ、Ｆｅ2 Ｏ3 、ＴｉＯ、Ｚｎ
ＳおよびＺｎＳｅから選択された１つを含むことを特徴
とする請求項９に記載の薄膜光電変換装置。 - 【請求項１１】 前記表面テクスチャ構造を有する前記
多結晶光電変換層は前記平均厚さの１０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１０のいず
れかの項に記載の薄膜光電変換装置。 - 【請求項１２】 前記表面テクスチャ構造を有する前記
多結晶光電変換層は８００ｎｍの波長の光に関して５０
％以上の外部量子効率を有することを特徴とする請求項
１から１１のいずれかの項に記載の薄膜光電変換装置。 - 【請求項１３】 前記多結晶光電変換層の前記第１の主
面上に堆積された実質的にアモルファスのシリコン薄膜
からなるアモルファス光電変換層をさらに含むことを特
徴とする請求項１から１２のいずれかの項に記載の薄膜
光電変換装置。
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