JPH11214728A

JPH11214728A - タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置

Info

Publication number: JPH11214728A
Application number: JP10015615A
Authority: JP
Inventors: Masashi Yoshimi; 雅士吉見; Kenji Yamamoto; 憲治山本
Original assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1999-08-06
Anticipated expiration: 2018-01-28
Also published as: JP3762086B2

Abstract

(57)【要約】【課題】安価な基板が使用可能な低温プラズマＣＶＤ
プロセスのみを用いて結晶質シリコン系光電変換ユニッ
トを含む光電変換装置を形成し、その低コスト化と高性
能化の両立を図る。【解決手段】タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置
では、絶縁性表面を有する基板１上に、裏面電極１０、
第１と第２の光電変換ユニット１１，１２、および前面
透明電極２がこの順序で積層され、第１と第２の光電変
換ユニットの各々は３００℃以下の下地温度の下でプラ
ズマＣＶＤ法により順次堆積された半導体層である第１
導電型層１１１，１２１と光電変換層１１２，１２２と
逆導電型層１１３，１２３を含み、第１ユニットの光電
変換層は結晶質を含むシリコン系薄膜からなり、第２ユ
ニットの光電変換層は非晶質シリコンゲルマニウム薄膜
からなり、第１ユニットの上面１Ｂは微細な凹凸を含む
テクスチャ構造を有していることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は広い波長範囲の光に
対して有効なタンデム型薄膜光電変換装置に関し、特
に、タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置の低コスト
化と安定化後の光電変換効率の改善とに関するものであ
る。なお、本願明細書において、「結晶質」と「微結
晶」の用語は、部分的に非晶質状態を含むものをも意味
するものとする。

【０００２】

【従来の技術】薄膜光電変換装置の代表的なものとして
非晶質シリコン系太陽電池があり、これは低コストの光
電変換装置としての有力候補として期待されている。他
方、薄膜光電変換装置の低コスト化と高性能化を両立さ
せるために、安価な基板上に低温プロセスで形成される
良質の結晶質シリコンを含む多結晶シリコン薄膜や微結
晶シリコン薄膜などを用いた光電変換装置の開発も精力
的に行なわれている。

【０００３】中でも、安価な低融点ガラスを用いること
ができる３００℃以下の低温プロセスのみによって優れ
た光電変換効率を有する結晶質シリコン系薄膜光電変換
装置を形成し得る方法が近年脚光を浴びており、たとえ
ば、微結晶シリコンのｐｉｎ接合を含む光電変換装置が
Appl. Phys. Lett., vol.65, 1994, p.860に記載されて
いる。この光電変換装置は、簡便にプラズマＣＶＤ法で
順次積層されたｐ型半導体層、光電変換層としてのｉ型
半導体層、およびｎ型半導体層を含み、これらの半導体
層のすべてが微結晶シリコンであることを特徴としてい
る。

【０００４】また、同じくプラズマＣＶＤ法で低温形成
される結晶質シリコン系薄膜光電変換装置において、基
板や下地層が実質的に平面であっても微細な凹凸を含む
テクスチャ構造の上面を有するシリコン系薄膜を形成す
ることができ、そのシリコン系薄膜に入射した光がその
テクスチャ構造によって外部に逃げにくくなるというい
わゆる光閉じ込め効果が得られる旨が、たとえばJpn.
J. Appl. Phys., vol.36, 1997, L569 において述べら
れている。

【０００５】しかし、これらの非晶質シリコン系薄膜ま
たは結晶質シリコン系薄膜のいずれを利用しても、それ
単独では未だ十分な光電変換効率が得られず、さらなる
改善のために種々の試みが行なわれている。それらの試
みの１つとして、光吸収特性の異なる複数の光電変換ユ
ニットを２段以上積層したタンデム型構造がある。タン
デム型構造の利点としては、（１）幅広い波長領域にわ
たる光を複数の光電変換ユニットに分担して吸収させる
ことができ、広い波長範囲の光の有効利用が図れるこ
と、（２）高い開放端電圧が得られること、（３）非晶
質シリコン系材料を用いた場合に見られる光劣化現象に
よる光電変換特性の低下率をある程度抑制できることな
どが挙げられる。

【０００６】このようなタンデム型において、２つの光
電変換ユニットを積層した２段タンデム型が最も一般的
である。たとえば、光入射側に配置された前方ユニット
として非晶質シリコン光電変換層を含むユニットを用
い、後方ユニットとして非晶質シリコンまたは非晶質シ
リコンゲルマニウムの光電変換層を含むユニットを用い
て、非晶質シリコン系材料のみで構成されるタンデム型
光電変換装置が数多く実施されている。しかし、このよ
うな非晶質材料のみを用いた２段タンデム型光電変換装
置は前方と後方の両光電変換ユニットともに光劣化を生
じるので、厚い非晶質光電変換層を含む単独セルほどで
はないにしても、タンデム型でも光劣化率を十分に抑制
できないという問題が残っている。

【０００７】また、非晶質シリコン系材料では光電変換
可能な光の波長域が狭く、たとえば後方ユニットに非晶
質シリコンゲルマニウム光電変換層を含むユニットを用
いたタンデム型の場合においても、その光電変換可能な
光は約１０００ｎｍよりも短い波長領域の光に限定され
てしまう。長波長領域における光感度を増大させるため
には、非晶質シリコンゲルマニウム膜中のゲルマニウム
含有量を増大させる必要があるが、その場合には、膜の
光電特性が著しく低下して光電変換装置に適用し得る品
質のものは得られず、かつ資源が乏しくて高価なゲルマ
ニウムを大量に要することになって光電変換装置のコス
トが高くなってしまう。

【０００８】近年では、前方ユニットとして非晶質シリ
コン光電変換層を含むユニットを用いて、後方ユニット
として結晶質シリコン系光電変換層を含むユニットを用
いた２段タンデム型光電変換装置も多く実施されてい
る。この場合は、後方ユニット中の結晶質シリコン系材
料の光安定性が非常に高く、かつ約１１００ｎｍの長波
長付近まで光感度を有することから、上述の非晶質シリ
コン系材料のみで構成されるタンデム型光電変換装置と
比べれば高い光電変換効率が得られることが期待され
る。

【０００９】ところが、結晶質シリコン系光電変換層を
含むユニットが高い光電流を生じるのに対して、非晶質
シリコン光電変換層を含むユニットの光感度が低くて、
両者を直列接続したときに発生する電流のバランスを図
るためには非晶質シリコン膜の厚さをかなり大きくする
ことが必要となる。しかし、一般に非晶質シリコン系光
電変換層を含むユニットにおいては、その膜厚が増大す
るにつれて光劣化率も増大することが知られており、こ
のように非晶質と結晶質の２つの光電変換ユニットを組
合せた２段タンデム型光電変換装置においても、安定化
後の光電変換効率は期待されるほどには高くならない。

【００１０】他方、光電変換ユニットを３段以上積層し
たタンデム型光電変換装置においては、光の広い波長範
囲をより細かく分割して各ユニットに分担して吸収させ
ることができ、設計の自由度も大きくなって、より高性
能化が期待できる。また、３段以上のタンデム型では高
い開放端電圧が得られるとともに、全段に非晶質シリコ
ン系光電変換ユニットを用いた場合の光劣化率は、設計
パラメータによっては２段タンデム型よりもさらに抑制
することができる。

【００１１】このような例としては、光入射側に配置さ
れた前方ユニットとして非晶質シリコンまたは非晶質シ
リコンカーバイドの層を含む光電変換ユニットを用い、
中間ユニットとして非晶質シリコンまたは非晶質シリコ
ンゲルマニウムの層を含む光電変換ユニットを用い、そ
して後方ユニットとして非晶質シリコンゲルマニウムの
層を含む光電変換ユニットを用いることによって、非晶
質シリコン系材料のみで構成される３段タンデム型光電
変換装置が比較的多く実施されている。たとえば、IEEE
1st World Conf. on Photovoltaic Energy Conversio
n, p.405 （1994）やApplied Physics Letters, vol.7
0, p.2975 （1997）などにおいて、このような３段タン
デム型光電変換装置が試みられている。

【００１２】また、後方端ユニットとして結晶質シリコ
ン系光電変換層を含むユニットを用い、これと非晶質シ
リコン系光電変換層を含む複数のユニットとを組合せて
３段以上のタンデム型構造にした光電変換装置が、特開
平１−２８９１７３に開示されている。この場合も、前
述の２段タンデム型の場合と同様に、後方端ユニットの
結晶質シリコン系材料の光安定性が非常に高く、かつ約
１１００ｎｍの長波長付近まで光感度を有することか
ら、理論的には非晶質シリコン材料のみで構成されるタ
ンデム型光電変換装置に比べれば高い変換効率が期待さ
れる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述のタンデム型シリ
コン系薄膜光電変換装置のうちで、非晶質シリコン材料
のみで構成されるタンデム型光電変換装置においては、
すべての非晶質光電変換ユニットにおいて依然として光
劣化が生じるために、全体としての光劣化率があまり抑
制できないという問題がある。また、非晶質のタンデム
型でも、光電変換可能な光は、約１０００ｎｍより短い
波長領域の光に限定される。さらに、光閉じ込め効果を
得るためには凹凸表面テクスチャ構造を有する基板や裏
面電極の上に光電変換ユニットを形成することが考えら
れるが、平らな下地上に形成される非晶質シリコン系薄
膜自身は微細な凹凸表面テクスチャ構造を生じる性質が
ないので、その光閉じ込め効果には限界がある。さらに
また、３段以上のタンデム型では、中間ユニットに非晶
質シリコンゲルマニウムを用いる場合にはゲルマニウム
含有量が比較的少なくて済むが、後方端ユニットにシリ
コンゲルマニウムを用いる場合には多くのゲルマニウム
含有量を必要とし、コストと半導体膜の光電特性とを両
立させることが困難である。

【００１４】他方、上述の従来技術においては、後方端
ユニットとして結晶質シリコン系光電変換層を含むユニ
ットを用いたタンデム型光電変換装置では、結晶質シリ
コン系薄膜の形成プロセスにレーザアニール法や熱アニ
ール法などの高温プロセスを必要としており、製造工程
が複雑でコストが高くなる。従来技術においてはまた、
基板、裏面電極または結晶質シリコン系薄膜によって光
電変換ユニットの表面が微細な凹凸を含むテクスチャ構
造に制御されていないので光閉じ込め効果が低く、光電
変換効率を高めるためには各ユニットに含まれる光電変
換層の厚さを大きくする必要がある。さらに、結晶質光
電変換ユニットを含む組合せのタンデム型構造は以前か
ら提案されてはいるものの、実際に上述のようなプロセ
スで作製されたタンデム型光電変換装置において高い光
電変換効率が得られたという例は、未だかつて報告され
ていない。

【００１５】以上のような従来技術の課題に鑑み、本発
明の目的は、安価な基板が使用可能な低温プロセスのみ
を用いて結晶質シリコン系光電変換ユニットを含むタン
デム型光電変換装置を形成し、タンデム型シリコン系薄
膜光電変換装置の低コスト化と高性能化の両立を図るこ
とにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明によるタンデム型
シリコン系薄膜光電変換装置では、絶縁性表面を有する
基板上において、金属薄膜を含む裏面電極、第１光電変
換ユニット、第２光電変換ユニット、および透明導電性
酸化膜を含む前面電極がこの順序で積層されており、第
１と第２の光電変換ユニットの各々は３００℃以下の下
地温度の下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積された
半導体層である１導電型層と光電変換層と逆導電型層を
含み、第１光電変換ユニットの光電変換層は結晶質を含
むシリコン系薄膜からなり、第２光電変換ユニットの光
電変換層は非晶質シリコンゲルマニウム薄膜からなり、
そして、第１光電変換ユニットの上面は微細な凹凸を含
むテクスチャ構造を有することを特徴としている。

【００１７】なお、裏面電極の上面も微細な凹凸を含む
テクスチャ構造を有することがより好ましく、その場合
には、第１光電変換層の上面における凹凸の平均間隔は
裏面電極の上面における凹凸の平均間隔の２／３以下に
され得る。

【００１８】また、第２光電変換ユニットと前面電極と
の間には第３光電変換ユニットを付加的に挿入してもよ
く、この第３光電変換ユニットも３００℃以下の下地温
度の下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積された半導
体層である１導電型層と光電変換層と逆導電型層を含
み、その光電変換層は非晶質シリコン薄膜または非晶質
シリコンカーバイド薄膜からなることが好ましい。

【００１９】すなわち、本発明者たちは、上述のような
従来技術における課題を解決すべく検討を重ねた結果、
平らな下地上に堆積されても上面が微細な凹凸を含む表
面テクスチャ構造を形成し得る性質を有する結晶質シリ
コン系薄膜を含む光電変換ユニットを後方端ユニットと
して形成し、この上に形成された非晶質シリコンゲルマ
ニウム層を含む光電変換ユニットにおいて光閉じ込め効
果の向上による優れた光電変換特性を示すことを見出し
たのである。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態によるタンデ
ム型シリコン系薄膜光電変換装置が、その製造過程に従
って、以下において説明される。

【００２１】まず、本発明による光電変換装置のための
基板としては、表面が絶縁処理されたステンレス等の金
属、有機フィルム、または低融点の安価なガラスなどが
用いられ得る。

【００２２】基板上の裏面電極は、下記の薄膜（Ａ）と
（Ｂ）のうちの１以上を含み、たとえば蒸着法やスパッ
タ法によって形成され得る。（Ａ）Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕおよびＰ
ｔから選択された少なくとも１以上の金属またはこれら
の合金からなる金属薄膜。（Ｂ）ＩＴＯ、ＳｎＯ₂およびＺｎＯから選択された
少なくとも１以上の酸化物からなる透明導電性薄膜。

【００２３】裏面電極の上表面は、実質的に平坦である
か、または数百ｎｍから数μｍ程度の間隔の微細な凹凸
を含む表面テクスチャ構造を有している。このような裏
面電極の上面におけるテクスチャ構造は、たとえば表面
が微細な凹凸を有するように加工された基板上に裏面電
極を堆積するか、または裏面電極に含まれる少なくとも
１つの層が自然に微細な凹凸表面を生じる堆積条件で形
成されることによって得ることができる。

【００２４】裏面電極上には、複数のシリコン系光電変
換ユニットが積層されてタンデム型にされる。これらの
光電変換ユニットの各々に含まれるすべての半導体層
が、３００℃以下の下地温度の条件の下にプラズマＣＶ
Ｄ法によって堆積される。プラズマＣＶＤ法としては、
一般に広く知られている平行平板型のＲＦプラズマＣＶ
Ｄを用い得る他、周波数が１５０ＭＨｚ以下のＲＦ帯か
らＶＨＦ帯までの高周波電源を利用するプラズマＣＶＤ
を用いてもよい。

【００２５】裏面電極上には、まず第１光電変換ユニッ
トに含まれる１導電型層が堆積される。この１導電型層
としては、たとえば導電型決定不純物原子であるリンが
ドープされたｎ型シリコン系薄膜、またはボロンがドー
プされたｐ型シリコン系薄膜などが用いられ得る。しか
し、この１導電型層についてのこれらの条件は限定的な
ものではなく、不純物原子としては、たとえばｎ型層に
おいては窒素等でもよく、また材料としては非晶質シリ
コンまたは非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコン
ゲルマニウム等の合金材料の他に、多結晶もしくは部分
的に非晶質を含む微結晶のシリコンまたはその合金材料
を用いることもできる。なお、望まれる場合には、堆積
されたこのような１導電型層にパルスレーザ光を照射す
ることにより、その結晶化分率や導電型決定不純物原子
によるキャリア濃度を制御することもできる。

【００２６】第１光電変換ユニットの１導電型層上に
は、光電変換層として、結晶質を含むシリコン系薄膜光
電変換層が堆積される。この結晶質を含むシリコン系薄
膜光電変換層としては、ノンドープの真性半導体の多結
晶シリコン薄膜や体積結晶化分率が８０％以上の多結晶
シリコン膜、または微量の不純物を含む弱ｐ型もしくは
弱ｎ型で光電変換機能を十分に備えているシリコン系薄
膜材料が用いられ得る。しかし、この光電変換層はこれ
らに限定されず、シリコンカーバイドやシリコンゲルマ
ニウム等の合金材料を用いて形成されてもよい。

【００２７】このような光電変換層の厚さは０．５〜２
０μｍの範囲内にあり、これは結晶質シリコン系薄膜光
電変換層として必要かつ十分な膜厚である。また、この
結晶質光電変換層は３００℃以下の低温で形成されるの
で、結晶粒界や粒内における欠陥を終端または不活性化
させる水素原子を多く含み、その水素含有量は２〜３０
原子％の範囲内にある。さらに、結晶質シリコン系薄膜
光電変換層に含まれる結晶粒の多くは下地層から上方に
柱状に延びて成長しており、その膜面に平行に（１１
０）の優先結晶配向面を有し、そのＸ線回折における
（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの
強度比は０．２以下である。

【００２８】第１光電変換ユニットの結晶質光電変換層
上には、第１導電型層とは逆タイプの逆導電型層として
のシリコン系薄膜が堆積される。この逆導電型層として
は、たとえば導電型決定不純物原子であるボロンがドー
プされたｐ型シリコン系薄膜、またはリンがドープされ
たｎ型シリコン系薄膜などが用いられ得る。しかし、こ
の逆導電型層についてのこれらの条件は限定的なもので
はなく、不純物原子としてはたとえばｐ型層においては
アルミニウム等でもよく、また材料としては非晶質シリ
コンまたは非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコン
ゲルマニウム等の合金材料の他に、多結晶もしくは部分
的に非晶質を含む微結晶のシリコンまたはその合金材料
を用いることもできる。

【００２９】ここで、裏面電極の表面が実質的に平坦で
ある場合でも、その上に堆積される第１光電変換ユニッ
トの上面には、そのユニットの厚さよりも約１桁ほど小
さな間隔の微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造が形成
される。また、裏面電極の上面が凹凸テクスチャ構造を
有する場合、第１光電変換ユニットの上面のテクスチャ
構造における微細な凹凸の平均間隔は、裏面電極のそれ
と比べて約３分の２以下に小さくなる。これは、第１光
電変換ユニットに含まれる結晶質光電変換層がその堆積
時に自然に凹凸テクスチャ構造を生じることによるもの
であり、これによって、第１光電変換ユニットの上面
が、広範囲の波長領域の入射光を散乱させるのに一層適
した微細な表面凹凸テクスチャ構造になり、タンデム型
光電変換装置全体としての光閉じ込め効果も大きくな
る。

【００３０】なお、第１光電変換ユニットが形成された
後には、場合によってはその逆導電型層上に、ＩＴＯ、
ＳｎＯ₂およびＺｎＯから選択された１以上の層を含み
かつ１０〜２００ｎｍの範囲内の厚さを有する透明導電
性酸化膜が形成されてもよい。

【００３１】第１光電変換ユニット上には、第２光電変
換ユニットに含まれる第１導電型層と光電変換層と逆導
電型層が、第１光電変換ユニットの場合と同様に順次に
堆積される。しかし、第２光電変換ユニットに含まれる
光電変換層は、実質的に真性半導体の非晶質シリコンゲ
ルマニウム薄膜に限定される。この非晶質シリコンゲル
マニウム（ａ−Ｓｉ_1-XＧｅ_X）薄膜のゲルマニウム含
有量は１〜３０原子％（ｘ＝０．０１〜０．３）の範囲
内にあり、その光学的エネルギバンドギャップＥ_optは
１．５２〜１．７４ｅＶの範囲内にあることが好まし
い。ここで、光学的バンドギャップＥ_optは、ガラス基
板上に直接堆積された半導体膜を被測定試料として、そ
の光吸収係数αの光エネルギｈν依存性に基づくＰａｕ
ｃの式（αｈν）^1/2∝ｈν−Ｅ_optを用いて求められ
たものである。

【００３２】非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層に
おいてゲルマニウム含有量が少ない場合には実質的に非
晶質シリコン膜と変わらず、そのバンドギャップが広く
て長波長領域における光感度が不足するために大きな膜
厚が必要となり、この第２の光電変換ユニットの光劣化
率が増大してしまう。また、光閉じ込め効果の観点から
しても、光電変換層のバンドギャップが狭くて長波長の
光に対する感度が高いほどその閉じ込め効果が大きくな
る。

【００３３】第１光電変換ユニットの底面と第２光電変
換ユニットの上面との間、すなわち積層された２つの光
電変換ユニット全体に閉じ込められる光は半導体層に吸
収されにくい近赤外領域の長波長の光が大部分である。
したがって、従来のように結晶質シリコン系光電変換層
を含むユニットとゲルマニウムを含まない非晶質シリコ
ン光電変換層を含むユニットとの組合せでは、光閉じ込
め効果による光吸収量と光電流の向上は結晶質シリコン
系光電変換層を含むユニットにおいては顕著であるが、
近赤外領域における光感度が低い非晶質シリコン光電変
換層を含むユニットにおける光吸収量にはあまり変化が
ない。しかし、この非晶質シリコン光電変換層を含むユ
ニットの代わりに非晶質シリコンゲルマニウム光電変換
層を含むユニットを組合せた場合には、タンデム型光電
変換装置全体として閉じ込められる長波長の光に対する
感度があるので、このような長波長の光に対する光吸収
量も増大する。

【００３４】他方、第２光電変換ユニットに含まれる非
晶質シリコンゲルマニウム光電変換層におけるゲルマニ
ウム含有量が多い場合には、先に述べたように膜のコス
トと光電特性を両立させることが困難となるので好まし
くない。本発明によるタンデム型光電変換装置において
は第１ユニットとして長波長領域の光感度が高い結晶質
シリコン系光電変換層を含むユニットが用いられるの
で、第２ユニットに含まれる光電変換層の長波長光感度
は適度であればよい。したがって、第２光電変換ユニッ
トに含まれる非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層は
上述のような範囲のゲルマニウム含有量と光学的バンド
ギャップを有することが好ましく、その厚さは１００〜
４５０ｎｍの範囲内に設定される。

【００３５】光電変換装置が２段タンデム型にされる場
合は以上のような第１と第２の光電変換ユニットを形成
することによって光電変換ユニットの積層が終了する
が、光電変換装置が３段タンデム型にされる場合には、
さらに以下のような第３の光電変換ユニットが積層され
る。

【００３６】なお、第２光電変換ユニットが形成された
後には、第１光電変換ユニットが形成された後の場合と
同様に、場合によっては第２導電型ユニット上にＩＴ
Ｏ、ＳｎＯ₂またはＺｎＯから選択された１以上の層を
含みかつ１０〜２００ｎｍの範囲内の厚さを有する透明
導電性酸化膜が形成されてもよい。

【００３７】第２光電変換ユニット上に形成される第３
光電変換ユニットにおいても、第１導電型層と光電変換
層と逆導電型層が順次に堆積される。これらの第１導電
型層と逆導電型層は第１と第２の光電変換ユニットの場
合と同様に形成されるが、第３ユニットの光電変換層と
しては実質的に真性半導体の非晶質シリコンまたは１０
原子％以下の炭素を含む非晶質シリコンカーバイドの層
が堆積される。この第３ユニットに含まれる非晶質光電
変換層は５０〜１５０ｎｍの範囲内の比較的薄い厚さを
有していればよく、その薄さに起因して、第３光電変換
ユニットの光劣化率が相当程度に抑制され得る。

【００３８】２段タンデム型と３段タンデム型のいずれ
においても、光電変換ユニットの積層が終了した後に、
ＩＴＯ、ＳｎＯ₂、ＺｎＯから選択された１以上の層を
含む透明導電性酸化膜が前面電極として形成される。さ
らにこの前面電極上のグリッド電極として、Ａｌ、Ａ
ｇ、Ａｕ、ＣｕおよびＰｔから選択された少なくとも１
以上の金属またはこれらの合金の層を含む櫛型状の金属
電極がスパッタ法または蒸着法により形成されて光電変
換装置が完成する。このようなタンデム型シリコン系薄
膜光電変換装置において、光電変換されるべき光は透明
導電性酸化膜の前面電極側から照射される。

【００３９】

【実施例】以下において、本発明のいくつかの実施例に
よるタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置としての太
陽電池が、比較例による太陽電池とともに説明される。

【００４０】（実施例１）図１の模式的な断面図で示さ
れているような２段タンデム型太陽電池が、実施例１と
して作製された。なお、本願の各図においては、図面の
明瞭化と簡略化のために寸法関係は適宜に変更されてお
り、各層の厚さや凹凸などにおける寸法関係は必ずしも
実際の関係を反映してはいない。

【００４１】図１の２段タンデム型太陽電池において
は、ガラス基板１上に裏面電極１０が形成された。裏面
電極１０は、１００℃の下地温度の条件の下で順次に堆
積された厚さ２０ｎｍのＴｉ層１０１、厚さ３００ｎｍ
のＡｇ層１０２、および厚さ１００ｎｍのＺｎＯ層１０
３を含んでいる。裏面電極１０上には、多結晶シリコン
薄膜光電変換層１１２を含む第１ユニット１１と、非晶
質シリコンゲルマニウム光電変換層１２２を含む第２ユ
ニット１２がこの順序で積層された。これらの光電変換
ユニット１１，１２においては、それぞれに対応するｐ
型層１１１，１２１、ノンドープの光電変換層１１２，
１２２、およびｎ型層１１３，１２３が、プラズマＣＶ
Ｄ法によって形成された。また、前面電極２としては厚
さ８０ｎｍの透明導電性ＩＴＯ膜と、その上の電流取出
し用の櫛型Ａｇ電極３が形成された。

【００４２】第１ユニット１１に含まれるノンドープの
多結晶シリコン光電変換層１１２は２５０℃の下地温度
の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によって堆積され、その膜
厚は３．５μｍにされた。この結晶質光電変換層１１２
において、２次イオン質量分析法によって求められた水
素含有量は４．０原子％であり、Ｘ線回折における（２
２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの強度
比は０．０９であった。

【００４３】第２ユニット１２に含まれるノンドープの
非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層１２２は２２０
℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によって堆積
され、その膜厚は１８０ｎｍにされた。この非晶質光電
変換層１２２において、２次イオン質量分析法によって
求められたゲルマニウム含有量はその膜全体の平均で２
０原子％であり、光学的バンドギャップＥ_optは１．６
０ｅＶであった。

【００４４】ここで、図１の太陽電池において、ガラス
基板１の上表面は凹凸表面に加工されておらず、裏面電
極１０の上表面１Ａも、微細な凹凸を含む表面テクスチ
ャ構造を有しておらず、実質的に平坦である。しかし、
このような裏面電極１０の平坦な上面１Ａを下地として
第１ユニット１１が堆積されるが、結晶質光電変換層１
１２がその上表面に微細な凹凸を含むテクスチャ構造を
生じるので、第２ユニット１１の上面１Ｂも微細な凹凸
を含むテクスチャ構造を示す。このような第２ユニット
１１の上面の凹凸テクスチャ構造を表面粗さ計で測定し
たところ、凹部の間隔の過半数が０．２２〜０．５μｍ
の範囲内に分布し、その平均間隔は０．３２μｍであっ
た。

【００４５】このような実施例１による２段タンデム型
太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ
／ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性においては、
開放端電圧が１．２９Ｖ、短絡電流密度が１３．３ｍＡ
／ｃｍ²、曲線因子が７２．０％、そして変換効率が１
２．３％であった。また、この実施例１の太陽電池にお
いて、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安
定化後の変換効率は１０．７％であった。

【００４６】（比較例１）図１の実施例１に類似して、
図２に示されるような２段タンデム型太陽電池が比較例
１として作製された。この比較例１の太陽電池において
は、第１ユニット２１に含まれる光電変換層２１２とし
て非晶質シリコンゲルマニウム層が形成され、それに伴
ってその第１ユニット２１の上面２Ｂが実質的に平坦で
あり、さらに第２ユニット２２と第１ユニット２１とで
発生する光電流のバランスをとるために第２ユニット２
２に含まれる光電変換層２２２の厚さが１６０ｎｍに変
更されていることのみにおいて実施例１と異なってい
る。すなわち、その他の層２０１〜２０３，２１１，２
１３，２２１，２２３は、実施例１における層１０１〜
１０３，１１１，１１３，１２１，１２３にそれぞれ対
応する同じ堆積条件の下に形成された。

【００４７】この比較例１の第１ユニット２１に含まれ
るノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム層２１２は
２２０℃の下地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によっ
て堆積され、その膜厚は２００ｎｍにされた。この光電
変換層２１２において、２次イオン質量分析法によって
求められたゲルマニウム含有量はその膜全体の平均で４
０原子％であり、光学的バンドギャップＥ_optは１．４
５ｅＶであった。

【００４８】このような比較例１による２段タンデム型
太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ
／ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性においては、
開放端電圧が１．４２Ｖ、短絡電流密度が９．８２ｍＡ
／ｃｍ²、曲線因子が６８．４％、そして変換効率が
９．５％であった。また、この比較例１の太陽電池にお
いて、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安
定化後の変換効率は７．８％であった。

【００４９】以上の実施例１と比較例１からわかるよう
に、比較例１では第１ユニット２１の長波長における光
感度を向上させることを目的としてゲルマニウム含有量
の多いノンドープの非晶質シリコンゲルマニウム光電変
換層２１２を用いているが、それにもかかわらず実施例
１における多結晶シリコン光電変換層１１２の長波長光
感度には及ばず、しかも、第１ユニット２１の上面２Ｂ
が凹凸表面テクスチャ構造を有していないので光閉じ込
め効果も低く、したがって実施例１と比較例１の２段タ
ンデム型太陽電池における短絡電流密度の値に大きな差
が現われている。

【００５０】（比較例２）図１の実施例１と図２の比較
例１とに類似して、図３に示されているような２段タン
デム型太陽電池が比較例２として作製された。この比較
例２の太陽電池においては、裏面電極３０に含まれるＡ
ｇ膜３０２が２５０℃の下地温度の下で自然に凹凸表面
テクスチャ構造を生じるように形成され、それに伴って
裏面電極３０の上面３Ａ、第１ユニット３１の上面３
Ｂ、および前方ユニット３２の上面が凹凸表面テクスチ
ャ構造を有していることのみにおいて比較例１と異なっ
ている。すなわち、その他の層３０１，３０３，３１１
〜３１３，３２１〜３２３は、比較例１における層２０
１，２０３，２１１〜２１３，２２１〜２２３にそれぞ
れ対応する同じ堆積条件の下に形成された。

【００５１】このような比較例２の太陽電池において裏
面電極３０の上面３Ａにおける凹凸形状を表面粗さ計で
測定したところ、凹部の間隔の過半数が０．２４〜０．
３５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．２８μ
ｍであった。また、裏面電極３０のそのような凹凸表面
３Ａ上に形成された第１ユニット３１の上面３Ｂと第２
ユニット３２の上面もほぼ同じ凹凸形状を有していた。

【００５２】このような比較例２による２段タンデム型
太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ
／ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性においては、
開放端電圧が１．３７Ｖ、短絡電流密度が１２．６ｍＡ
／ｃｍ²、曲線因子が６９．８％、そして変換効率が１
２．１８％であった。また、この比較例２の太陽電池に
おいて、同じ入射光４を５５０時間照射した後における
安定化後の変換効率は９．７％であった。

【００５３】比較例２においては、比較例１とは異なっ
て実施例１と同様に凹凸表面テクスチャ構造による光閉
じ込め効果が得られることから、初期の光電変換効率で
は実施例１に近い値が得られている。これは、多結晶シ
リコン光電変換層１１２を含む第１ユニット１１よりも
非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層３１２を含む第
１ユニット３１における方が得られる光電流が低いけれ
ども開放端電圧が高いことによるものであり、その影響
が２段タンデム型太陽電池全体の特性としても現われて
いるものである。しかし、比較例２においても、やはり
比較例１と同様に第１ユニット３１の光劣化の影響によ
る変換効率の低下が大きく、安定化後の変換効率では実
施例１に比べて歴然たる差が現われている。

【００５４】（実施例２）図１の実施例１と図３の比較
例２に類似して、図４に示されているような２段タンデ
ム型太陽電池が実施例２として作製された。この実施例
２の太陽電池においては、比較例２の場合と同様に裏面
電極４０に含まれるＡｇ膜４０２が自然に凹凸表面テク
スチャ構造を生じる条件で形成されたことを除けば、実
施例１と同じ製造条件の下で作製された。すなわち、実
施例２の層４０１〜４０３は比較例２の層３０１〜３０
３にそれぞれ対応する同じ堆積条件の下に形成され、実
施例２の層４１１〜４１３，４２１〜４２３は実施例１
の層１１１〜１１３，１２１〜１２３にそれぞれ対応す
る同じ堆積条件の下に形成された。

【００５５】この実施例２の裏面電極４０の上面４Ａに
おける凹凸形状を表面粗さ計で測定したところ、比較例
２の場合と同様に、凹部の間隔の過半数は０．２４〜
０．３５μｍの範囲内に分布し、その平均間隔は０．２
８μｍであった。しかし、第１ユニット４１の上面４Ｂ
における凹凸形状は実施例１や比較例２の場合と比べれ
ばやや複雑であり、表面粗さ計で測定した結果では凹部
の間隔の過半数が０．０５〜０．３５μｍの範囲内に分
布し、その平均間隔は０．１６μｍであった。これは、
第１ユニット４１に含まれる多結晶シリコン光電変換層
４１２が下地とは独立に新たな凹凸表面テクスチャ構造
を生じながら成長することに起因している。すなわち、
第１ユニット４１の上面４Ｂにおいては裏面電極４０の
上面４Ａにおける凹凸形状に加えて多結晶光電変換層４
１２が生じた新たな凹凸が重畳されるので、第１ユニッ
ト４１の上面４Ｂにおいては微細な凹凸のサイズの分布
範囲が広い複雑なテクスチャ構造になるのである。その
結果、実施例２においては、実施例１や比較例２に比べ
てさらに光閉じ込め効果を向上させることができる。

【００５６】このような実施例２による２段タンデム型
太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ
／ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性においては、
開放端電圧が１．２６Ｖ、短絡電流密度が１４．０ｍＡ
／ｃｍ²、曲線因子が７３．１％、そして変換効率が１
３．０％であった。また、この実施例２の太陽電池にお
いて、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安
定化後の変換効率は１１．３％であった。すなわち、実
施例２の太陽電池では、実施例１よりも高い光閉じ込め
効果が得られて短絡電流密度がさらに向上し、初期変換
効率と安定化後の変換効率ともに高い値が得られた。

【００５７】（実施例３）図１の実施例１による２段タ
ンデム型太陽電池に類似して、図５に示されているよう
な３段タンデム型太陽電池が実施例３として作製され
た。この実施例３の太陽電池は、第２光電変換ユニット
１２と前面電極２との間に、さらに第３の光電変換ユニ
ット１３が形成されていることのみにおいて実施例１の
太陽電池と異なっている。この第３光電変換ユニット１
３に含まれるｎ型層１３１とｐ型層１３３は、それぞれ
第１および第２の光電変換ユニット１１，１２に含まれ
るｎ型層１１１，１２１およびｐ型層１１３，１２３と
同様に形成された。しかし、第３光電変換ユニット１３
に含まれる光電変換層１３２としては、２００℃の下地
温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によってノンドープの
非晶質シリコン層１３２が堆積され、その膜厚は９０ｎ
ｍにされた。

【００５８】このような実施例３による３段タンデム型
太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ
／ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性においては、
開放端電圧が２．２２Ｖ、短絡電流密度が８．８１ｍＡ
／ｃｍ²、曲線因子が７２．６％、そして変換効率が１
３．７％であった。また、この実施例３の太陽電池にお
いて、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安
定化後の変換効率は１３．０％であった。

【００５９】（比較例３）図２の比較例１による２段タ
ンデム型太陽電池に類似して、図６に示されているよう
な３段タンデム型太陽電池が比較例３として作製され
た。この比較例３の太陽電池は、第２光電変換ユニット
２２と前面電極２との間に、第３の光電変換ユニット２
３が形成されていることのみにおいて比較例１の太陽電
池と異なっている。また、この比較例３における第３光
電変換ユニット２８に含まれる層２３１〜２３３は、非
晶質シリコン光電変換層２３２の厚さが８０ｎｍにされ
たことを除けば、図５の実施例３の層１３１〜１３３に
それぞれ対応する同様の堆積条件の下で形成された。

【００６０】このような比較例３による３段タンデム型
太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ
／ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性においては、
開放端電圧が２．３６Ｖ、短絡電流密度が６．４８ｍＡ
／ｃｍ²、曲線因子が７０．５％、そして変換効率が１
０．８％であった。また、この比較例３の太陽電池にお
いて、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安
定化後の変換効率は９．３％であった。

【００６１】（比較例４）図３の比較例２による２段タ
ンデム型太陽電池に類似して、図７に示されているよう
な３段タンデム型太陽電池が比較例４として作製され
た。この比較例４の太陽電池は、第２光電変換ユニット
３２と前面電極２との間に、第３の光電変換ユニット３
３がさらに形成されていることのみにおいて図３の比較
例２による太陽電池と異なっている。この比較例４にお
ける第３光電変換ユニット３３に含まれる層３３１〜３
３３は、図６の比較例３における層２３１〜２３３にそ
れぞれ対応する同じ堆積条件で形成された。

【００６２】このような比較例４による３段タンデム型
太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ
／ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性においては、
開放端電圧が２．３２Ｖ、短絡電流密度が８．２９ｍＡ
／ｃｍ²、曲線因子が７１．７％、そして変換効率が１
３．８％であった。また、この比較例４の太陽電池にお
いて、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安
定化後の変換効率は１１．８％であった。

【００６３】（実施例４）図４の実施例２による２段タ
ンデム型太陽電池に類似して、図８に示されているよう
な３段タンデム型太陽電池が実施例４として作製され
た。この実施例４の太陽電池は、第２光電変換ユニット
４２と前面電極２との間に、第３の光電変換ユニット４
３がさらに形成されていることのみにおいて図４の実施
例２による太陽電池と異なっている。この実施例４にお
ける第３光電変換ユニット４３に含まれる層４３１〜４
３３は、図５の実施例３における層１３１〜１３３にそ
れぞれ対応する同じ堆積条件で形成された。

【００６４】このような実施例４による３段タンデム型
太陽電池に入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ
／ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性においては、
開放端電圧が２．１８Ｖ、短絡電流密度が９．２６ｍＡ
／ｃｍ²、曲線因子が７３．３％、そして変換効率が１
４．８％であった。また、この実施例４の太陽電池にお
いて、同じ入射光４を５５０時間照射した後における安
定化後の変換効率は１３．６％であった。

【００６５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、結晶質
シリコン系薄膜光電変換層を含む第１光電変換ユニット
と非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層を含む第２光
電変換ユニットを適切に組合せることによって、安定化
後においても極めて高い変換効率を有するタンデム型光
電変換装置を得ることができ、タンデム型シリコン系薄
膜光電変換装置の低コスト化と高性能化の両立に貢献す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による２段タンデム型シリコ
ン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。

【図２】比較例１としての２段タンデム型シリコン系薄
膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。

【図３】比較例２としての２段タンデム型シリコン系薄
膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。

【図４】本発明の実施例２による２段タンデム型シリコ
ン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。

【図５】本発明の実施例３による３段タンデム型シリコ
ン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。

【図６】比較例３としての３段タンデム型シリコン系薄
膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。

【図７】比較例４としての３段タンデム型シリコン系薄
膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。

【図８】本発明の実施例４による３段タンデム型シリコ
ン系薄膜光電変換装置を示す模式的な断面図である。

【符号の説明】

１：ガラス基板２：ＩＴＯ等の前面透明電極３：Ａｇ等の櫛型電極４：入射光１０、２０、３０、４０：裏面電極１１、２１、３１、４１：第１光電変換ユニット１２、２２、３２、４２：第２光電変換ユニット１３、２３、３３、４３：第３光電変換ユニット１０１、２０１、３０１、４０１：Ｔｉ膜１０２、２０２：平坦な表面を有するＡｇ膜３０２、４０２：凹凸表面テクスチャ構造を有するＡｇ
膜１０３、２０３、３０３、４０３：透明導電性酸化膜１１１、１２１、１３１、２１１、２２１、２３１、３
１１、３２１、３３１、４１１、４２１、４３１：ｎ型
層１１２、４１２：ノンドープの多結晶シリコン薄膜光電
変換層１２２、２１２、２２２、３１２、３２２、４２２：ノ
ンドープの非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層１３２、２３２、３３２、４３２：ノンドープの非晶質
シリコン光電変換層１１３、１２３、１３３、２１３、２２３、２３３、３
１３、３２３、３３３、４１３、４２３、４３３：ｐ型
層１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ：裏面電極の上表面１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ：第１光電変換ユニットの上表
面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性表面を有する基板上において、金
属薄膜を含む裏面電極、第１光電変換ユニット、第２光
電変換ユニット、および透明導電性酸化膜を含む前面電
極がこの順序で積層され、前記第１と第２の光電変換ユニットの各々は３００℃以
下の下地温度の下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積
された半導体層である１導電型層と光電変換層と逆導電
型層を含み、前記第１光電変換ユニットの光電変換層は結晶質を含む
シリコン系薄膜からなり、前記第２光電変換ユニットの光電変換層は非晶質シリコ
ンゲルマニウム薄膜からなり、前記第１光電変換ユニットの上面は微細な凹凸を含むテ
クスチャ構造を有することを特徴とするタンデム型シリ
コン系薄膜光電変換装置。
【請求項２】前記裏面電極の上面も微細な凹凸を含む
テクスチャ構造を有し、前記第１光電変換層の上面にお
ける前記凹凸の平均間隔は前記裏面電極の上面における
前記凹凸の平均間隔の２／３以下であることを特徴とす
る請求項１に記載のタンデム型シリコン系薄膜光電変換
装置。
【請求項３】前記第２光電変換ユニットと前記前面電
極との間に第３光電変換ユニットが付加的に挿入されて
おり、この第３光電変換ユニットも３００℃以下の下地温度の
下でプラズマＣＶＤ法により順次に堆積された半導体層
である１導電型層と光電変換層と逆導電型層を含み、前記第３光電変換ユニットの光電変換層は非晶質シリコ
ン薄膜または非晶質シリコンカーバイド薄膜からなるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載のタンデム型シ
リコン系薄膜光電変換装置。
【請求項４】前記第１光電変換ユニットに含まれる前
記シリコン系薄膜光電変換層は、８０％以上の体積結晶
化分率と、２〜３０原子％の範囲内の水素含有量と、
０．５〜２０μｍの範囲内の厚さと、その膜面に平行な
（１１０）の優先結晶配向面を有し、そのＸ線回折にお
ける（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピー
クの強度比が０．２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タンデム型シリコン系
薄膜光電変換装置。
【請求項５】前記第２光電変換ユニットに含まれる前
記非晶質シリコンゲルマニウム薄膜光電変換層におい
て、ゲルマニウムは１〜３０原子％の範囲内で含まれて
おり、エネルギバンドギャップは１．５２〜１．７４ｅ
Ｖの範囲内に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タンデム型シリコン系薄膜光電変換
装置。