JPH10144940A - 薄膜光電変換装置 - Google Patents
薄膜光電変換装置Info
- Publication number
- JPH10144940A JPH10144940A JP8296416A JP29641696A JPH10144940A JP H10144940 A JPH10144940 A JP H10144940A JP 8296416 A JP8296416 A JP 8296416A JP 29641696 A JP29641696 A JP 29641696A JP H10144940 A JPH10144940 A JP H10144940A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photoelectric conversion
- refractive index
- conversion layer
- layer
- thin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- 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
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
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】 １５００ｎｍの波長における屈折率が
３．７以上である大きな屈折率を持つ多結晶シリコンを
含む薄膜光電変換材料を用いることにより、光閉じ込め
効果を顕著なものとし、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、薄膜光電変換装置にお
いて大きな短絡電流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。
提供する。 【解決手段】 １５００ｎｍの波長における屈折率が
３．７以上である大きな屈折率を持つ多結晶シリコンを
含む薄膜光電変換材料を用いることにより、光閉じ込め
効果を顕著なものとし、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、薄膜光電変換装置にお
いて大きな短絡電流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。
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、多結晶シリコン薄膜光電
変換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、多結晶シリコン薄膜光電
変換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変換材料に関する
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。薄膜光電変換装置のとしてより、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変換材
料が望まれている。
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。薄膜光電変換装置のとしてより、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変換材
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変換材料が開発さ
れている。しかし、光電変換材料が薄膜である場合、光
の波長が長いほど光電変換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。光吸収を増加させる方法として表面及び裏面に凹凸
構造を形成することで、界面での光散乱を増大させ光電
変換層内での実効的な光学長を増大する事ができる。理
想的な光閉じ込め構造を形成した場合の光閉じ込め率は
光電変換層の屈折率をｎとすると１−１／ｎ2となる事
が知られている。すなわち、さらに光閉じ込め率を改善
し光吸収量を増大するには光電変換層内での実屈折率ｎ
が大きいものが望ましい。
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変換材料が開発さ
れている。しかし、光電変換材料が薄膜である場合、光
の波長が長いほど光電変換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。光吸収を増加させる方法として表面及び裏面に凹凸
構造を形成することで、界面での光散乱を増大させ光電
変換層内での実効的な光学長を増大する事ができる。理
想的な光閉じ込め構造を形成した場合の光閉じ込め率は
光電変換層の屈折率をｎとすると１−１／ｎ2となる事
が知られている。すなわち、さらに光閉じ込め率を改善
し光吸収量を増大するには光電変換層内での実屈折率ｎ
が大きいものが望ましい。
【０００４】かかる事情に鑑み、本発明は、光電変換材
料の内に入射した光が外部に逃げにくい高屈折率を有す
る光電変換層を形成することによって大きな光電流を発
生させ得る光電変換装置を提供することを目的としてい
る。
料の内に入射した光が外部に逃げにくい高屈折率を有す
る光電変換層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】本発明による高屈折率薄
膜光電変換層は多結晶シリコンと１２００ｎｍ以上の波
長で顕著な固有吸収を持たない半導体との混合から成
り、結果として１５００ｎｍでの屈折率が３．５である
通常シリコン以上の大きな実屈折率を持つことを特徴と
する。例えば、２００℃でプラズマＣＶＤによって製膜
された、本発明によるシリコンと水素を含有する多結晶
シリコン膜は１５００ｎｍの波長で約３．９の実屈折率
を有する。また、シリコンと水素、フッ素を含有する。
この屈折率は膜中の水素量とシリコン内への水素の結合
状態により変化するが高屈折率を有する光電変換層には
好ましくは水素が０．１原子％〜３０原子％、さらに好
ましくは０．５原子％〜５原子％含まれる。
膜光電変換層は多結晶シリコンと１２００ｎｍ以上の波
長で顕著な固有吸収を持たない半導体との混合から成
り、結果として１５００ｎｍでの屈折率が３．５である
通常シリコン以上の大きな実屈折率を持つことを特徴と
する。例えば、２００℃でプラズマＣＶＤによって製膜
された、本発明によるシリコンと水素を含有する多結晶
シリコン膜は１５００ｎｍの波長で約３．９の実屈折率
を有する。また、シリコンと水素、フッ素を含有する。
この屈折率は膜中の水素量とシリコン内への水素の結合
状態により変化するが高屈折率を有する光電変換層には
好ましくは水素が０．１原子％〜３０原子％、さらに好
ましくは０．５原子％〜５原子％含まれる。
【０００６】本発明の一つの態様による薄膜光電変換装
置は、順次積層された高反射金属層、ｎ型またはｐ型導
電型の多結晶シリコン層、実質的に真性半導体の結晶シ
リコンを含む高屈折率の光電変換層，ｐ型またはｎ型導
電型の多結晶シリコン層および透明電極層を含み、金属
層の各界面は実質的に平面であり、金属層と光電変換層
との間の第１の界面は微少な凹凸を含み、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＞方向を有することを特
徴としている。
置は、順次積層された高反射金属層、ｎ型またはｐ型導
電型の多結晶シリコン層、実質的に真性半導体の結晶シ
リコンを含む高屈折率の光電変換層，ｐ型またはｎ型導
電型の多結晶シリコン層および透明電極層を含み、金属
層の各界面は実質的に平面であり、金属層と光電変換層
との間の第１の界面は微少な凹凸を含み、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＞方向を有することを特
徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の１つの実施の形態による
薄膜光電変換材料は不明瞭な結晶粒界を特徴とした多結
晶のシリコン相が膜全体へ分布している。結晶シリコン
の微小化に伴う量子サイズ効果は静的な誘電率に影響を
与えるため、結晶シリコンのサイズと水素含有量は長波
長側での実屈折率の増大に反映されると考えられる。
薄膜光電変換材料は不明瞭な結晶粒界を特徴とした多結
晶のシリコン相が膜全体へ分布している。結晶シリコン
の微小化に伴う量子サイズ効果は静的な誘電率に影響を
与えるため、結晶シリコンのサイズと水素含有量は長波
長側での実屈折率の増大に反映されると考えられる。
【０００８】さらに、マトリクスとして高い屈折率を有
するゲルマニウムなどを使用することで結果として長波
長側で高い屈折率を持つ光電変換層が形成できる。
するゲルマニウムなどを使用することで結果として長波
長側で高い屈折率を持つ光電変換層が形成できる。
【０００９】図１は本発明における光電変換層の反射特
性を示した。断面の顕微鏡写真から見積もられる膜厚を
元に、１０００ｎｍ以上の波長域の透過率のピーク位置
から求めた屈折率は４．０〜４．３であり同波長域での
結晶シリコンの屈折率３．５より一割以上の屈折率増大
が認められた。
性を示した。断面の顕微鏡写真から見積もられる膜厚を
元に、１０００ｎｍ以上の波長域の透過率のピーク位置
から求めた屈折率は４．０〜４．３であり同波長域での
結晶シリコンの屈折率３．５より一割以上の屈折率増大
が認められた。
【００１０】図２は光電変換層を太陽電池に用いて得ら
れた分光感度特性を示した。曲線１は屈折率増大を行っ
たもの曲線２は屈折率増大が顕著でないものである。こ
の太陽電池は、たとえばガラス基板上に金属電極を形成
し導電型シリコン層で挟まれた、２００度の低温でプラ
ズマＣＶＤ法により光電変換層を形成することによって
作製できる。金属反射層は、たとえばＡｇターゲットを
用い０．１〜５０ｍＴｏｒｒの圧力の下でのＡｒガスの
ＲＦ放電によって形成され得る。たとえば、ｎ型導電型
シリコン層は、たとえば０．０１〜５Ｔｏｒｒの圧力と
５０〜５５０℃の温度の下で、シランガスと水素とフォ
スフィンの混合ガスを用いてプラズマＣＶＤによって堆
積される。光電変換層は、たとえば０．０１〜５Ｔｏｒ
ｒの圧力と５０〜５５０℃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、光電変換層は、実質的に真性の半
導体として形成される。また、もう一方の導電型シリコ
ン層は、たとえば０．０１〜５Ｔｏｒｒの圧力と５０〜
５５０℃の温度の下で、シランガスとメタンと水素とジ
ボランの混合ガスを用いてプラズマＣＶＤによって堆積
される。このように形成された光電変換層に含まれる結
晶粒の多くは金属層から上方に延びる柱状晶の形態を示
し、基板面に対する法線にほぼ平行な＜１１０＞方向を
有している。光電変換層は約０．５〜２０μｍ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を含
む表面テクスチャ構造を有している。これらの凹凸は、
Ｖ字状の溝または角錐を含み、光電変換層の厚さより小
さな範囲内で約０．０５〜３μｍの高低さを有してい
る。本発明の光電変換層においては、光が凹凸表面で屈
折して斜め入射し、さらに金属界面と凹凸表面との間で
多重反射を起こすので、実効光学長が増大し、薄膜であ
りながら光閉じ込め効果により大きな光吸収量が得られ
る。さらに、この光電変換層は屈折率が大きいために光
閉じ込め効果が増大する。
れた分光感度特性を示した。曲線１は屈折率増大を行っ
たもの曲線２は屈折率増大が顕著でないものである。こ
の太陽電池は、たとえばガラス基板上に金属電極を形成
し導電型シリコン層で挟まれた、２００度の低温でプラ
ズマＣＶＤ法により光電変換層を形成することによって
作製できる。金属反射層は、たとえばＡｇターゲットを
用い０．１〜５０ｍＴｏｒｒの圧力の下でのＡｒガスの
ＲＦ放電によって形成され得る。たとえば、ｎ型導電型
シリコン層は、たとえば０．０１〜５Ｔｏｒｒの圧力と
５０〜５５０℃の温度の下で、シランガスと水素とフォ
スフィンの混合ガスを用いてプラズマＣＶＤによって堆
積される。光電変換層は、たとえば０．０１〜５Ｔｏｒ
ｒの圧力と５０〜５５０℃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、光電変換層は、実質的に真性の半
導体として形成される。また、もう一方の導電型シリコ
ン層は、たとえば０．０１〜５Ｔｏｒｒの圧力と５０〜
５５０℃の温度の下で、シランガスとメタンと水素とジ
ボランの混合ガスを用いてプラズマＣＶＤによって堆積
される。このように形成された光電変換層に含まれる結
晶粒の多くは金属層から上方に延びる柱状晶の形態を示
し、基板面に対する法線にほぼ平行な＜１１０＞方向を
有している。光電変換層は約０．５〜２０μｍ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を含
む表面テクスチャ構造を有している。これらの凹凸は、
Ｖ字状の溝または角錐を含み、光電変換層の厚さより小
さな範囲内で約０．０５〜３μｍの高低さを有してい
る。本発明の光電変換層においては、光が凹凸表面で屈
折して斜め入射し、さらに金属界面と凹凸表面との間で
多重反射を起こすので、実効光学長が増大し、薄膜であ
りながら光閉じ込め効果により大きな光吸収量が得られ
る。さらに、この光電変換層は屈折率が大きいために光
閉じ込め効果が増大する。
【００１１】このように、図２には屈折率が従来の３．
５程度の薄膜多結晶シリコン太陽電池（２）と本発明
（１）の特性とを比較して示しているが、同一の膜厚、
光閉じ込め構造を持つにも関わらず６００ｎｍ以上の波
長域の感度は本発明による光電変換層によるものが顕著
な感度増大を実現している。
５程度の薄膜多結晶シリコン太陽電池（２）と本発明
（１）の特性とを比較して示しているが、同一の膜厚、
光閉じ込め構造を持つにも関わらず６００ｎｍ以上の波
長域の感度は本発明による光電変換層によるものが顕著
な感度増大を実現している。
【００１２】図３には本発明の光電変換層を分光エリプ
ソメーターにより屈折率の波長特性を測定した結果を示
しているが、１５００ｎｍにおける波長で約３．８以上
の屈折率が得られていることが確認できた。屈折率は構
造に敏感で光電変換層の製膜温度を３８０℃（曲線１）
とすることで波長１１００ｎｍで４．２を、製膜温度を
４００℃（曲線２）の場合は３．８を示した。
ソメーターにより屈折率の波長特性を測定した結果を示
しているが、１５００ｎｍにおける波長で約３．８以上
の屈折率が得られていることが確認できた。屈折率は構
造に敏感で光電変換層の製膜温度を３８０℃（曲線１）
とすることで波長１１００ｎｍで４．２を、製膜温度を
４００℃（曲線２）の場合は３．８を示した。
【００１３】次いで、本発明による光電変換層を膜厚と
して４μｍ積層した光電変換装置の電流電圧特性を測定
した。装置はＡｇ薄膜を３００ｎｍ、ＺｎＯ薄膜を８０
ｎｍ、光電変換層４０００ｎｍ、透明電極ＩＴＯ８０ｎ
ｍと順次積層する事によって作製した。測定の結果、短
絡電流３２ｍＡ、開放端電圧０．５０ｖｏｌｔ、変換効
１１．５％を得た。
して４μｍ積層した光電変換装置の電流電圧特性を測定
した。装置はＡｇ薄膜を３００ｎｍ、ＺｎＯ薄膜を８０
ｎｍ、光電変換層４０００ｎｍ、透明電極ＩＴＯ８０ｎ
ｍと順次積層する事によって作製した。測定の結果、短
絡電流３２ｍＡ、開放端電圧０．５０ｖｏｌｔ、変換効
１１．５％を得た。
【００１４】また、本発明による光閉じ込め構造により
赤外光領域の感度が改善された薄膜多結晶シリコン太陽
電池は、可視光領域で大きな感度を有するａ−Ｓｉ太陽
電池とのスタックセルの作製にも有用である。表１は本
発明による薄膜多結晶シリコン太陽電池上に０．４厚さ
のｉ層からなるａ−Ｓｉセルを積層しタンデム型セルと
して作製した光電変換装置の電流電圧特性を示した。結
果、短絡電流１３．５ｍＡ、開放端電圧１．４２ｖｏｌ
ｔ、変換効率１４．０％を得た。
赤外光領域の感度が改善された薄膜多結晶シリコン太陽
電池は、可視光領域で大きな感度を有するａ−Ｓｉ太陽
電池とのスタックセルの作製にも有用である。表１は本
発明による薄膜多結晶シリコン太陽電池上に０．４厚さ
のｉ層からなるａ−Ｓｉセルを積層しタンデム型セルと
して作製した光電変換装置の電流電圧特性を示した。結
果、短絡電流１３．５ｍＡ、開放端電圧１．４２ｖｏｌ
ｔ、変換効率１４．０％を得た。
【００１５】
【表１】
【００１６】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、光電変
換層の屈折率を増大させることにより光閉じ込め効果を
顕著なものとし光吸収係数、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変換材料を提供するこ
とができ、その薄膜光電変換材料を用いた薄膜光電変換
装置においては大きな短絡電流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。
換層の屈折率を増大させることにより光閉じ込め効果を
顕著なものとし光吸収係数、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変換材料を提供するこ
とができ、その薄膜光電変換材料を用いた薄膜光電変換
装置においては大きな短絡電流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】本発明に関わる薄膜光電変換材料の屈折率分散
を表すグラフである。
を表すグラフである。
【図２】本発明に関わる薄膜光電変換材料を用いた光電
変換装置の光電変換能を表すグラフである。
変換装置の光電変換能を表すグラフである。
【図３】本発明に関わる薄膜光電変換材料の屈折率の分
光エリプソメトリーによる測定結果を示すグラフであ
る。
光エリプソメトリーによる測定結果を示すグラフであ
る。
Claims (3)
- 【請求項１】 １５００ｎｍの波長における屈折率が
３．７以上であり、膜厚が０．１〜２０μｍの、多結晶
シリコンを含む薄膜光電変換材料を用いた薄膜光電変換
装置。 - 【請求項２】 該薄膜光電変換材料が実質的に多結晶シ
リコンだけで構成されている請求項１に記載の薄膜光電
変換装置。 - 【請求項３】 該多結晶シリコンは膜の垂直方向に対し
て（１１０）の結晶配向を優位配向面として有し、光電
変換層表面が深さ０．０１〜１０μｍの凹凸構造を有す
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
変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8296416A JPH10144940A (ja) | 1996-11-08 | 1996-11-08 | 薄膜光電変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8296416A JPH10144940A (ja) | 1996-11-08 | 1996-11-08 | 薄膜光電変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10144940A true JPH10144940A (ja) | 1998-05-29 |
Family
ID=17833267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8296416A Pending JPH10144940A (ja) | 1996-11-08 | 1996-11-08 | 薄膜光電変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10144940A (ja) |
-
1996
- 1996-11-08 JP JP8296416A patent/JPH10144940A/ja active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6297443B1 (en) | Thin film photoelectric transducer | |
| Stuckelberger et al. | Progress in solar cells from hydrogenated amorphous silicon | |
| US6388301B1 (en) | Silicon-based thin-film photoelectric device | |
| JP2695585B2 (ja) | 光起電力素子及びその製造方法、並びにそれを用いた発電装置 | |
| JP4222500B2 (ja) | シリコン系薄膜光電変換装置 | |
| US4644091A (en) | Photoelectric transducer | |
| JPH0738454B2 (ja) | 太陽電池 | |
| US6521826B2 (en) | Thin film solar cell and fabrication method therefor | |
| JPH07283432A (ja) | 光検知器の製造法 | |
| JPWO2008078471A1 (ja) | 光電変換装置及びその製造方法 | |
| JP2000252500A (ja) | シリコン系薄膜光電変換装置 | |
| EP2599127B1 (en) | Multiple-junction photoelectric device and its production process | |
| JP5291633B2 (ja) | シリコン系薄膜光電変換装置およびその製造方法 | |
| JP2000261011A (ja) | シリコン系薄膜光電変換装置 | |
| JPH09307130A (ja) | 薄膜光電材料およびそれを含む薄膜型光電変換装置 | |
| JP2003101052A (ja) | 導電性光反射膜およびその形成方法と太陽電池 | |
| JPH04218977A (ja) | 光起電力装置とその製造方法 | |
| JPH04133360A (ja) | 光起電力装置 | |
| JPH10144940A (ja) | 薄膜光電変換装置 | |
| JP2000252501A (ja) | シリコン系薄膜光電変換装置の製造方法 | |
| JPS6152992B2 (ja) | ||
| JPS59125669A (ja) | 太陽電池 | |
| Das et al. | Improvement of short-circuit current in multijunction a-Si based solar cells using TiO2 anti-reflection layer | |
| JP2000269529A (ja) | シリコン系薄膜光電変換装置 | |
| Li et al. | Microcrystalline-Silicon-Oxide-Based N-Type Reflector Structure in Micromorph Tandem Solar Cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040928 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20041207 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050405 |