JPS58159383A - 全内反射を生じる入射光線指向装置を有する改善された光起電力素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、強化された短絡電流および効率を提供する改
善された光起電力素子に関する。本発明は特に非晶質（
アモルファス）半導体アロイ全層から形成された光起電
力素子に対する応用性を有するものである。本発明の光
起電力素子は、活性領域（単数または複数）を通るよう
に一部または略々全ての入射光線を指向させるための入
射光線指向装置を含むもので、これにおいては指向され
た光線が電荷キャリアな略々素子内に閉じ込めるに充分
な角度で形成される。この素子は、その各々が使用され
る素子の活性領域において指向された光線の多重反射を
生じる。この試みの１つの利点は、活性領域における増
大した光子の吸収および電荷キャリアの生成が可能であ
り短絡回路電流を増大させることにある。別の利点は、
指向された光線がある角度で改善された素子の活性領域
を通るため、この活性領域は効率のよい電荷キャリアの
生成を維持しながら電荷キャリアの再結合を低減させる
ように薄く作ることができることである。本発明は、特
定の素子形態に限定されることなく、単一のセルもしく
は複数の個々の単位セルからなる多数のセルとして、Ｐ
ＩＮ接合形態の改善された非晶質のシリコン・アロイの
光起電力素子の形、成にその最も重要な用途を有するも
のである。

シリコンは巨大な結晶質半導体産業の基礎でありまた宇
宙における用途の高価な効率のよい（１８％の効率）結
晶質太陽電池を製造する材料である。地球上での用途に
おい【は、結晶質太陽電池は一般に１２％以下の程度の
遥かに低い効率である。結晶質半導体技術は商業的に成
立つ状態に達した時、今日の巨大な半導体素子製造産業
の基礎となった。これは、実質的に欠陥のないゲルマニ
ウムおよび、特にシリコンの結晶を成長させ次いでこれ
らを内部にＰ型およびＮ型の伝導域を有する外因性半導
体材料にする能力を科学者が手にしたためであった。こ
れは、実質的に純粋な結晶質材料中の実質的な不純物と
して導入されたｐ＋ｐｍ単位のト９ナー（ｎ）もしくは
アクセプタ吊）のド−パント物質をこのような結晶質材
料中に拡散させることにより達成されたものである。Ｐ
Ｎ接合型結晶を形成するための製造方法は、非常に複雑
で時間を要し、かつ高価につく工程を含むものである。

このため、太陽電池および電流制御素子において有用な
これらの結晶質材料は、個々のシリコンまたはゲルマニ
ウムの単結晶を成長させることにより非常に慎重に制御
された条件の下で形成され、ＰＮ接合が必要な場合はこ
のような単結晶に非常に少歇で臨界量のド−パント物質
によりド−プすることによって形成されたものである。

このような結晶成長法では、唯１枚の太陽電池パネルの
所要の面積を得るため装置の単結晶の集合を必要とする
程比較的小さな結晶しか得られない。この方法で１つの
太陽電池を作るために必要なエネルギ量、シリコン結晶
の寸法上の制限からの制約、およびこのような結晶材料
を裁断して組ｑてる必要は、全てエネルギの節減のため
の結晶質半導体太陽電池の大規模な使用に対するどうに
もならない経済的な障壁をもたらす結果となった。−更
に、結晶質シリコンはこの材料における光の吸収性に劣
る結果をもたらす間接的なオプチカル・エツジを呈する
。光吸収性が劣るため、結晶質太陽電池は入射太陽光を
吸収するため少なくとも５０ミクロンの厚さでなければ
ならない。もし仮に単結晶材料を比較的安い製造法によ
る多結晶質シリコンにより置換しても、前述の間接的な
オプチカル・エツジは依然として維持され、従って材料
の肉厚は減少しない。多結晶質材料はまた、通常有害で
ある粒子境界その他の欠陥となる諸問題を含んでいる。

要約すれば、結晶質シリコンは必要に応じて変更するこ
とができない固定されたパラメータを有し、大量の材料
を必要とし、比較的小さな面積にしか形成可能でなく、
高価であり、かつ製造のため時間がかかる。非晶質シリ
コン・アロイに基づいた素子の使用はこれらの結晶質シ
リコンの欠点を排除することができる。非晶質シリコン
・アロイは、直接遷移型半導体と類似する特性を有する
光学的吸収エツジを有し、５０ミクロンの厚さの結晶質
シリコンと同量の太陽光を吸収するために１ミクロン以
下の肉厚の材料しか必要としない。

更に、非晶質シリコン・アロイは、結晶質シリコンより
も早く容易に形成でき、より大きな面積が従って、非晶
質半導体アロイまたはフィルムを容易に付着させるため
の方法を開発するため多くの努力が払われたが、このア
ロイまたはフィルムは必要に応じてデポジション装置の
寸法によってのみ制限される比較的大きな面積を覆うこ
とができ、またその各々はその結晶質物質において形成
されたものと相等のＰＮ接合素子を形成するＰ型および
Ｎ型の物質を形成するためド−ピングが容易に可能であ
る。長い間、このような作業は生産性が実質的に低かっ
た。非晶質シリコンまたはゲルマニウム（第■族の元素
）のフィルムは通常は４重に配位され、微小孔およびダ
ングリング結合およびそのエネルギ・ギャップにおける
高い密度の局在化状態を生じる多くの欠陥を有すること
が発見された。非晶質シリコン半導体フィルムのエネル
ギ・ギャップにおける局在化状態の高い密度が存在する
ことは低度の光伝導性および電荷キャリアの短寿命をも
たらす結果となり、このようなフィルムの光応答性を要
する用途には不適当なものとすることになる。更に、こ
のようなフィルムは伝導帯または価電子帯に対してフェ
ルミ準位を近付けるように良好にドーピングその他の変
成処理を行なうことができず、太陽電池および電流制御
電流の用途のためのＰＮ接合を形成するためにはこれら
フィルムを不適当なものとした。

非晶質シリコンに介在する前述の如き諸問題（当初は基
本的なものと考えられていた）を最小限に抑える試みと
して、スコツトランド９のダンディ−のダンディ−大学
、カーネギ−物理学研究室のＷ　、　Ｅ　、５ｐｅａｒ
およびＰ　、Ｇ　、Ｌｅ　Ｃｏｍｂｅｒは、結晶質材料
のド−ピングにおける如く適当な古典的な品質シリコン
と更に近似化するため、またこれらピーパントを用いて
非晶質材料に代替的にドーピングを施すため、非晶質シ
リコンにおけるエネルギ・ギャップの局在化状態を低減
させる目的に対して、１９７５年版の「ソリッド・ステ
ート通信」第１７巻、１１９６〜１１９６頁に掲載され
た論文に発表された如き「手品質シリコンの代替的なト
９−ピンク法」についである研究を行なっ゛ている。

局在化状態の低減は、シラン（Ｓ　ＩＨ４）のガスが高
周波グロー放電により分解されて約２２７乃至６・２７
℃（５００乃至６００°Ｋ）の温度の基板上に付着した
反応管内ら前記ガスを通した非晶質シリコン・フィルム
のグロー放電デポジションによって達成された。このよ
うに基板上に付着させられた材料は、シリコンと水素か
らなる真性の非晶質拐料であった。ト９−プされた非晶
質材料を形成するためには、Ｎ型伝導性のためのホスフ
ィン（ＰＨ３）のガス、あるいはＰ型伝導性のためのジ
ボラン（Ｂ２Ｈ６）のガスを予めシラン・ガスと混合し
て、同じ操作条件下でグロー放電反応管に送られた。使
用されたト９−パント・ガスの濃度は約５×６ １０　乃至５　Ｘ　１０　　　ｐｐＶの間にあった。こ
のように付着された材料は不純物のものでありかっＮ型
伝導性もしくはＰ型伝導性であることが示された。

前記の研究者達によっては発見されなかったが他の研究
によって、対応する結晶質材料の特性と非晶質材料の電
子的特性を更に近似させるという目的のためエネルギ・
ギャップにおける局在化状態の密度を実質的に減少させ
るために、シラン中の水素がグロー放電によるデポジシ
ョンの間最適の温度においてシランのダングリング結合
の多くのものと結合することが今日知られている。

しかし、前記の方法における水素の含有量は７２ン中の
シリコンに対する水素の固定比率、および新たな非結合
状態を生じる種々のＳｉ：Ｈの結合形態に基づいた制約
を有する。従って、これらの材料における局在化状態の
密度の低減においては基本的な制約が存在するのである
。

エネルギ・ギャップにおりる局在化状態の大幅に低下し
た密度ならびに高い電子的特性を有する非常に改善され
た非晶質シリコン・アロイが、１９８０年１０月７日発
行されたＳ　、Ｒ、０ｖｓｈｉｎｓｋｙおよびＡ　１Ｍ
ａｄａｎ　の米国特許第４，２２６，８９８号［結晶質
半導体に相等する非晶質半導体」において詳細に記述さ
れた如きグロー放電により調製さおよびＭ、Ｉｚｕの同
じ名称の米国特許第４，２１７，３７４号において詳細
に記述された如き蒸着法によって調製された。参考のた
め本文に引用したこれらの米国特許に記載の通り、フッ
素を非晶質シリコ、ン半導体アロイ中に導入してその内
部の局在化状態の密度が実質的に低減する。活性化され
たフッ素は特に容易に非晶質の母体におけるシリコンと
結合して内部の局在化した欠陥状態の密度を実質的に低
減するが、これはフッ素原子の大きさが小さく反応性が
大きくかつ化学的結合の特異性のためこの原子が更に欠
陥のない状態の非晶質シリコン・アロイを確保すること
を可能にするためである。

フッ素はシリコンのダングリング結合と結合し、また柔
軟性を有する結合角度を有するイオン的に非常に安定な
結合状態と考えられる状態を形成しその結果水素および
他の調整剤もしくは賓成剤により形成されるよりも更に
安定しかつ更に有効な調整状態もしくは変成状態をもた
らすことになる。

フッ素はまた望ましい方法により、更に望ましい方法で
は水素がいくつかの結合の選択を有するため水素を利用
してシリコンおよび水素と結合する。

フッ素がない場合には、水素は材料中で望ましい方法で
は結合せず、バンド・ギャップならびに材料自体におけ
る別の欠陥状態を生じる。従って、フッ素は、その激し
い反応性、特に化学的結合および電気陰性度の故に、単
独にあるいは水素と共に使用される時水素よりも更忙有
効な調整剤または変成剤となるものと考えられる。

−例として、非常に少量（例えば、１原子係の数分の−
）のフッ素および水素等の元素の添加により、フッ素単
独で、あるいは水素と組合せにより調整を行なうことが
できる。しかし、フッ素および最も望ましくは水素の使
用針は、シリコン、水素、フッ素アロイを形成するため
のような小さな比率よりは遥かに大きい。例えば、フッ
素および水素のこのようなアロイング量は１乃至５％以
上の範囲内にある。このように形成されたアロイはダン
グリング結合および類似の欠陥状態の単なる中和によ゛
り得られるものよりも少ないエネルギ・ギャップにおけ
る欠陥状態の密度を呈するものと考えられる。特に、こ
のように比較的多いフッ素置が非晶質シリコンを含む材
料の新たな構造の形態に実質的に関与するものと考えら
れ、またゲルマニウムの如き他のアロイング材料の添加
を容易にするものである。本文に述べた他の特性に加え
て、フッ素は誘起効果およθイオン効果によりシリコン
を含むアロイにおける局在化構造のオルガナイザと考え
られる。フッ素はまた、元素を減少する状態密度として
作用しながら水素が寄与する欠陥状態密度を低減するよ
う有効に作用することにより水素の結合に影響を及ぼす
ものと考えられる。フッ素がこのようなアロイにおいて
果すイオン効果の役割は、最も近い近隣関係に照して重
要な要因と考えられるのである。

フッ素を含む非晶質シリコン・アロイは、このように、
元素減少状態密度として水素のみを含む非晶質シリコン
・アロイと比較して光起電力の甲途のための非常に改善
された特性を示すものである。しかし、光爬電力素子の
活性領域の検出のため用いられる時、フッ素を含むこれ
らの非晶質シリコン・アロイの完全な利点を実現するた
めには使用可能な光子のできるだけ多くの部分が電子の
正孔対を有効に生じるため内部で吸収されることを確実
にする必要がある。

前述のことは、例えば、ＰＩＮ接合形態の光起電力素子
において重要である。このタイプの素子は、電子の正孔
対が生成される活性を有する真性の層の反対側にＰ型お
よびＮ型のト９−プ層を有する。このような素子は電子
の分離を容易にするため素子の両端に電位の勾配を確保
し、また電流として電子および正孔が集合することを容
易にするため接触層を形成するものである。

使用可能な光子の全てが内部の１回のパスにおいて活性
領域により吸収されることはない。比較的短い波長の光
子のほとんど全てが最初のパスの６間吸収されるが、比
較的長い波長、例えば６００［１オングストロ一ム以上
の波長を有する光子の大部分は吸収されない。このよう
な吸収されながった光子の損失は、生成可能な短絡回路
電流に対する損失を防止するため、電導性金属から形成
されたバック・リフレクタを使用して未使用もしくは未
吸収の光を再び素子の活性領域に反射させるのである。

このＰ型およびＮ型層は電導性を有し、また少な（とも
Ｐ型層の場合には、光子の吸収を減少させる広いバンド
・ギャップを持つことができる。

従って、バック・リフレクタはこのような素子の最■層
を形成する広いバント９・ギャップを有するＰ型層と関
連して使用される時特に有利である。

バック・リフレクタはまた、この広いバンド・ギャップ
のＰ型層が素子の最下層を形成する時も有利である。い
ずれの場合にも、逆反射層は未使用の光を再び素子の真
性領域に反射させて別の電子正孔対を生成するための太
陽エネルギを更に利用することを可能にするよう作用す
る。逆反射層は使用可能な光子の大部分が活性のある真
性層に入ること、およびここで吸収されることを可能に
するものである。

不都合にも、従来技術の最も優れたバック・リフレクタ
でも、これが使用される素子に対して未甑の光の約８０
％しか反射することができない。

銅およびアルミニウム等の金属は、反射率が高いため、
使用可能なバック・リフレクタとして推奨されてきた。

しかし、これらの金属は素子が使用されるその半導体中
に拡散し得、またその際素子の光起電力特性に悪影響を
及ぼすおそれがある。

その結果、バック・リフレクタとして他の反射率の低い
金属が使用されてきた。このような低い反射率の金属に
はモリブデンおよびクロームが含まれる。これらの金属
は素子の半導体中に拡散しないが、反射率の大きな金属
の反射率には匹敵し得ない。このことは、反射率の低い
金属が高い反射率を有する非晶質シリコン・アロイの如
き材料と面を接する場合に特に妥当する。更に、従来技
術のバック・リフレクタは未使用の光を最初の入射角度
（直角の入射角度とする）と同じ方向に活性領域に戻る
よう反射する。従って、反射後は、２回目゛の・ξスの
間吸収されない光が漏洩することな許容する。従って、
光は全（吸収されない。また光は活性領域に対し直角に
透過するため、活性領域は効率のよい吸収を許容するた
めに充分な厚さでなければならない。しかし、最短のキ
ャリア拡散距離が小さいため、活性領域は任意に厚くす
ることができない。もし実質的な吸収量を達成するため
活性領域の肉厚を拡散距離を遥かに越えて増加するなら
ば、再結合効果は顕著となって電流として光起電力電荷
キャリアを有効に集合させることが難しくなる。従って
、入射光の利用率を増大する許りでなく素子の活性領域
（単数または複数）において形成された電荷キャリアの
更に効率のよい集合を得る改善された光起電力素子に対
する需要が存在している。

本出願人は、電子の正孔対な形成するための光利用率の
増大および電荷キャリアの更に優れた効率の集合の両方
を提供する斬新かつ改善された光起電力素子を発見した
。基本的には、本発明は吸収率を実質的に増加するよう
に素子内に指向された光を拘束するに充分な角度で活性
領域（単数または複数）を通るように入射光線の少なく
とも一部を指向させる装置を提供するものである。更に
本発明は、活性領域を再結合効果を減少させるべく薄く
形成することを可能にするものである。本発明の光線の
指向装置は如何なる形態の光起電力セルにおいても使用
が可能であり、またＰＩＮ接合形態の単一セル型の光起
電力素子および複数の単一の単位セルを有する多重セル
構造の両者において、薄膜型太陽電池における特定の用
途を見出すことができる。

本発明は、入射光線の少な（とも一部を活性領域内に指
向させるための入射゛光線指向装置を有する斬新かつ改
善された光起電力素子の提供にありこれにおいては電荷
キャリアが光起電力素子内に指向された光線を実質的に
拘束するに充分な角度で形成される。直角の入射光線に
おいては、この光線指向装置は、その正弦値が活性領域
を形成する材料の屈折率で除算された空気の屈折率であ
る角度（臨界角）よりも少な（とも大きい角度で活性領
域内に光線を指向させる。本発明の入射光線指向装置は
、素子の活性領域を用いて電子の正孔対の更に完全な補
正を確保しなから略々全量の吸収を可能にするため使用
される素子の活性領域内の光の多重通過を提供するもの
である。

この光線指向装置は不規則あるいは周期的な反射または
透過構造のいずれでもよい。この無作為的および周期的
な反射構造は表面リフレクタもしくは内部リフレクタの
いずれでもよい。例えば、不規則な表面リフレクタはア
ルミニウム１金１銀を銅または他の反射率の高い材料の
粗な反射面でよい。周期的な表面リフレクタは、回折格
子でよくまた望ましくはブレーズ回折格子でもよい。こ
の格子の間隔は予め定めた波長の光を反射するように最
適化することができ、また高さは所要の材料の界面にお
ける内反射を得るため必要に応じて次数および反射次数
を選択するため最適化することができるのである。

不規則な内部リフレクタは、例えば、酸化チタン、セレ
ン化亜鉛、アルミニウム、硫化亜鉛、セレンおよびシリ
コン・カーバイト９の如きセラミック材料の導体、また
はエナメルの導体でよい。これらの材料の多重結晶質成
分の粒子および不規則に分布したファセットは、それら
の内部からの不規則な反射を生じる。この内部の周期リ
フレクタは例えばホログラムであり得る。

前述のりフレフタの各々に、透過性を有する電導性酸化
物の如きコーティングを付着させることができる。この
ようなりフレフタが素子の基板として使用される時、こ
の透過性を有する電導性酸化物は接触層として作用する
。この透過性のある電導性酸化物は、例えば、インジウ
ム錫酸化物、カドミウム錫酸化物、またはト９−プされ
た錫酸化物でよい。

空気の活性領域の材料の界面に対する臨界角よりも大き
な角度で活性領域に光を指向させることにより、この指
向された光は素子内で内反射されその内部に実質的に拘
留される。従って、本発明の光線指向装置は、素子内部
の電子・正孔対の生成のため光の吸収の略々全量を可能
にするものである。

本発明は特に、ＰＩＮ接合形態の光起電力素子において
使用可能である。このような素子は、光起電力作用によ
る電子・正孔対が形成され、反対方向の伝導性を有する
ｒ−プされた領域は真性領域の反対側の各側に配置され
る真性の活性半導体領域を含んでいる。この真性の活性
領域は、状態減少元素の、密度としてフッ素を含むシリ
コン・アロイ導体もしくは層であることが望ましい。こ
のビープされた領域はまた、素子の頂部または底部の半
導体層のいずれかを形成する非晶質シリコンの広いバン
ドのギャップのＰ型接合アロイ層を含むことが望ましい
。いずれの場合にも、非晶質シリコン領域が光線検出器
と底部のド−プ層との間に配置された透過性の導体の層
により光線リフレクタ上に配置されることが望ましい。

あるいはまた、本発明によれば、透過性を有する光線検
出器を頂部のド−プ層に提供することもできる。このよ
うな透過性の光線検出器は例えば透過型回折格子でよい
。

比較的短い波長の光子の略々全量が活性状態の真性領域
における最初のパスの間この領域内で吸収されるが、約
６０００Åよりも長い波長を有する光子は一部しか吸収
されない。周期的リフレクタは、比較的長い波長の光子
の指向を最適化するためこれらの比較的長い波長に対し
て最適化することができる。この目的のため、回折格子
により生じる回折角度は下記の関係式によって決定する
ことができる。即ち、 θＤＬｆｆ＝”　　−λ／ｎｄ 但し、ｄは格子の間隔、λは回折される光子の真空中の
最短波長、ｎ＆ｉ格子が光線を回折する中間の屈折率、
およびｍは回折次数である。

本発明のバック・リフレクタはまたタンデム型セルの如
き多重セル素子においても使用することができる。

従って、本発明の第１の目的は、電荷糸ヤリアを生じる
ため入射光線が衝突し得る少な（とも１つの活性領域を
含む半導体材料から形成された光起電力素子において、
指向された光線を実質的に前記光起電力素子内に拘束さ
せるに充分な角度でる光線指向装量を提供することであ
る。

本発明の望ましい実施態様について、本明細書に添付し
た図面に関して例示的に以下に記述することにする。

最初圧特に第１図によれば、ハウジング１２を含むクロ
ー放電デポジション装置１０が示されている。このハウ
ジング１２は真空室１４を包囲し、入口室１６と出口室
１８を含む。カソード裏打ち部材２０は絶縁材２２を介
して真空室１４内に取付けられている。

この裏打ち部材２０は、これを周方向に密閉する絶縁ス
リーブ２４を含んでいる。暗間隔シールド２６は前記ス
リーブ２４から離間され、その周囲を包囲している。基
板２８はホルダー３２により裏打ち部材２０の内端部５
０に対して固定されている。ホルダー３２は、前記裏打
ち部材２０ＶＣ対してこれと電気的に接触するようにね
じ止めその他の従来の方法により固定することができる
。

カソードゝ裏打ち部材２０は、この裏打ち部材２０、従
って基板２８を加熱するための電気ヒータ３６が挿入さ
れる凹部６４を有する。このカソード裏打ち部材２０は
またその温度を測定するための温度応答プローブ６８を
含んでい右。この温度プローブ６８は、前記裏打ち部材
２０と基板２８を所要の温度に維持するため電気ヒータ
３６の付勢状態を制御するために使用される。

装置１０はまた、前記ハウジング１２かも、前記カソー
ド裏打ち部材２０から離間された真空室１４内に延在す
る電極４０を含んでいる。この電極４０は、この電極を
包囲し更にその上に載置された基板４４を更に支持する
シールド４２を含ンでいる。電極４０は、電極ヒータ４
８がその内部に挿入される凹部４６を含む。この電極４
０はまた、電極４０の温度、従って基板４４の温度を測
定するための温度に応答するプローブ５０をも含んでい
る。プローブ５０は、部材２０とは独立に電極４０と基
板４４を所要の温度に維持するため電極ヒータ４Ｂの付
勢状態を制御するため使用される。

接地される電極４０に対する空隙５２０両端におけるカ
ソード２裏打ち部材２０に対して結合されたＲＦ、ＡＣ
およびＤＣの胸整済み電源から生成された電力によって
、グロー放電のプラズマが基板２８と４４の間に生成さ
れる。真空室１４は、粒子トラップ５６を介して室１４
に対して結合された真空ポンプ５４により所要の圧力ま
で抜気される。圧力計５８がこの真空装置に結合され、
本装置１０を所要の圧力に維持するため前記ポンプ５４
を制御するため使用される。

ハウジンク１２の入口室１６には、内部で混合されて基
板２８と４４上のグロー放電のプラズマ空間内の室１４
内に蓄積されるように本装置１０内に材料を装入するた
めの複数の導管路６０が設けられていることが望ましい
。もし必要ならば、入口室１６は遠く離れた場所忙配置
することができ、またガスは室１４内に供給される前に
予め混合することができる。このガス状の材料は、弁６
４により制御される割合でフィルタその他の浄化装置６
２を介して管路６０内に供給されるのである。

最初に材料がガス形態でない代りに液体もしくは固体の
形態である場合は、番号６Ｂで示される如く封止した容
器６６内に装入することができる。

次いでこの材料６８は容器６６内のその蒸気圧力を高め
るためヒータ７０により加熱される。アルゴンの如き適
当なガスが、材料６８の蒸気を捕捉するため浸漬管７２
を介して材料中に供給され、またこの蒸気はフィルタ６
２／および弁６４′を経て管路６０内に、従って本装置
１０内に搬送されるのである。

入口室１６と出口室１Ｂには、プラズマを室１４内およ
び主として基板２８と４４間に閉じ込めるためスクリー
ン装置７４が設けられていることが望ましい。

導管路６０を介して装入された材料は入口室１６内で混
合され、次いでグロー放電空間５２内に供給されてプラ
ズマを維持し、かつシリコン、フッ素、酸素および他の
所要の変成用元素、例えば水素、および（または）ト９
−バンドまたは他のさせるのである。

真性非晶質シリコン・アロイの層を付着させるための作
用について説明すると、装置１０は最初に、付着操作に
先立って例えば２０　ミＩＪ　）ルより低い所要のデポ
ジション圧力まで抜気される。四フッ化ケイ素（Ｓ　Ｉ
Ｆ　４　）および分子状態の水素（Ｈ２）および（また
は）シランの如き出発物質即ち反応ガスは別個の導管路
６０を経て入口室１６内に供給され、次いでこの入口室
内で混合される。この混合ガスは真空室内に送られて約
０．６トルの内部の部分圧力を維持する。６００ボルト
より高いＤＣ電圧または１３．５６ＭＨｚの周波数また
は他の所要の周波数で作動する約１０乃至１５ワツトの
高周波電力の一方または両方を用いて基板２８と４４゛
間の空間５２内にプラズマが生成される。

前述の如き方法で付着される真性の非晶質シリコン・ア
ロイに加えて、以下に説明する種々の実施例において示
される如き本発明の各素子もまた広いパン）＋１拳ギヤ
ツプｐの非晶質シリコン・アロイを含むドープされた非
晶質シリコン・アロイな使用する。これらのト８−プさ
れたアロイ層は、伝導性においては、ｐ、’ｐ＋、ｎま
たはｎ十型でよ（、適当なド−パントをシラン（Ｓ　Ｉ
　Ｈ４）または四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）の如き出発
物質および（または）水素および（または）シランと共
に真空室内に導入することにより形成することができる
。

ｎ型またはｐ型の層の場合には、材料は付着操作の際に
５乃至１００　ｐｐｍのト８−バンド物質でドープする
ことができる。ｎ＋またはｐ十型ドーパント物質でト８
−プされた層の場合には、この材料は付着される時１０
０１）’１）ｍから１％のドーパント物質によってト８
−プされる。このｎ型のト９−バンドは、リン、ヒ素、
アンチモンまたはビスマスでよい。ｎｍ）″−パント物
質でドープされた層は、少な（とも四フッ化ケイ素（Ｓ
ｉＦ、、）およびホスフィン（ＰＨ３）のグロー放電の
分解作用により付着されることが望ましい。水素および
（または）シラン（ＳｉＨ４）もまたこの混合ガスに添
加することができる。

ｐ型ヒーハントとしては、ボロン、アルミニウム、ゲル
マニウム、インジウムまたはタリウムでよい。ｐ型層は
少なくともシランおよびジボラン（Ｂ２Ｈ６）または四
フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）およびジボランをグロー放電
分解することにより付着されることが望ましい。四フッ
化ケイ素およびジボランに対して水素および（または）
シランを添加することもできる。

前述の事柄に加えて、また本発明によれば、ｐ型層は少
なくとも１つのバンド・ギャップ増加した元素を含む非
晶質シリコン・アロイから形成される。例えば、炭素お
よび（または）窒素をバンド・ギャップの増加のためｐ
型アロイに含ませることができる。広いバンドＯギャッ
プの非晶質シリコン・アロイは、例えば、四フッ化ケイ
素（ＳｉＦ４）、シラン（ＳＩ　Ｈ４）、ジボラン（Ｂ
２Ｈ６）およびメタン（ＯＨ４）　　の混合ガスにより
形成することができる。その結果、広いバント９・ギャ
ップを有するｐ型の非晶質シリコン・アロイをもたらす
ことになる。

素子のト８−プされた層は、付着される材料および使用
される基板に従って種々の温度でデポジション処理が行
なわれる。アルミニウムの基板の場合には上限温度は約
６００℃を越えてはならず、またステンレス鋼の場合に
は約１０００℃以上であり得る。最初水素で調整された
真性のド−プされたアロイの場合、例えば、シラン・ガ
スの出発物質からデポジションを施したものの場合には
、基板温度は約４００℃より低く、２５０乃至６５０℃
の間であることが望ましい。

最適の電流生成状態を得るためには真性のト９−プ層に
対して他の材料およびアロイング元素を添加することも
できる。これらの他の材料および元素については以下に
おいて第４図乃至第１０図に示される本発明を実施した
素子形態に関して説明することにする。

次に第３図によれば、全体的な断面図において本発明の
特徴および長所の全般的な理解を容易にするため本文に
おいて言及する光起電力素子８０が示されている。この
素子８０はどんな形態の光ＰＮ接合素子、またはショッ
トキー・バリア素子でよい。本素子は、結晶質、多結晶
質もしくは非晶質の半導体材料またはこれらの組合せで
よい半導体材料の母材８２を含んでいる第４図乃至第１
０図に関して開示するように、半導体材料の母材８２は
、光電作用的に生成された電子の正孔が形成される少な
（とも１つの活性領域を含む非晶質シリコン・アロイで
あることが望ましいがこれに限定されない。

半導体材料の母材８２は、素子８０に対する底部の接触
状態を形成するため電導性を有するか、あるいは透過性
の電導性酸化物の如き電導性材料により被覆することが
できるものでよい光線指向装置に設けられる。この半導
体母材８２には、透過性の電導性酸化物（ＴＣＯ）の如
き電導性材料層８６が重合している。このＴＧＯは、例
えば、インジウム錫酸化物、カドミウム錫酸化物または
ド−プされた錫酸化物でよい。この電導性層８６上には
格子ノミターン８８が付着させられる。この格子８８は
電導性金属の複数の直角に関連する線でよく、層８６の
表面積の約５乃至１０係を被覆している。層８６と格子
８８は本素子に対する頂部の接点として作用する。格子
８８および電導性層８６上には、反射防止（ＡＲ）層９
０が付着されている。このタイプの層については、以下
に更に詳細に記述する。ガラスの密閉層を前記ＡＲ層９
００代りに使用することもできる。

第６図から判るように、光線指向装置８４、半導体母材
８２、電導性層８６およびＡＲココ−ィング９０は全て
略々平担であり、実質的に平行な界面９４．９６および
９８を画成する。素子８０のこの光線の入射面９２およ
び界面９４．９６．９８の光線入射面９２は、略々直角
の点線の光線１００により表わされる入射光を受止める
ように配置される。

従来技術のバック・リフレクタにおいては、２回目の即
ち反射されたパスの間に半導体母材８２に吸収されなか
った光線１００の光子は素子の前表面から自由に漏出す
る。このような結果は、光線１００が素子に対するその
最初の入射線に沿って反射されるためである。

本発明によれば、光線１００は素子から漏洩することか
ないが、これは入射光線指向装置８４がこの光線を素子
８０内に実質的に拘束させるに充分な角度で半導体材料
を透過するように指向させるためである。更に、光線１
００が光線指向装置８４に衝突すると、この光線はこれ
から半導体母材８２を形成する材料と空気との間の界面
に対する臨界角よりも大きな角度θ１で反射させられる
のである。例えば、もし母材８２が６．５の屈折率（ｎ
ｌ　’に有する非晶質シリコン・アロイであるならば角
度θ。は１６．６°となる。この角度はスネルの法則を
用いて計算することができるが、ここで全反射の場合に
は値θ。は下記の関係により与えもれる。即ち、 θ　　＝ＢｈＩ　　　ｎ１／ｎ２ 但し、ｎｌは低い屈折率、およびｎ２は高い屈折率であ
る。

ここで、ｎは空気に対して１であり、ｎ２は非晶質シリ
コンの場合で６．５に等しい。従って、　ｎｌをｎ２　
で除すと０．２８６に等しく、その正弦値が０．２８６
である角度は１６．６０　となる。

垂直に対して１６．６０以上の角度における半導体母材
８２（非晶質シリコンであると仮定する）に対して指向
された光線は、少なくとも入射面９２において本素子の
内部で内反射されることになる。しかし、この内反射は
、例えば、界面９８または界面９６においてその前に生
じ得る。反射防止（ＡＲ）層即ちガラス１１９０が約１
．４５なる屈折率を持ち得る界面９０において生じる内
反射の場合には、この光線は垂直に対して２４．５°と
等しいノかあるいはこれより大きい角度θだけ離れるよ
うに指向されなければならない。同様に、ＴＣＯ材料が
２．０の屈折率を持ち得る界面９６において生じる内反
射の場合には、臨界角θ３は３４．８０　となる。以下
において開示するように、光線指向装置８４は、本発明
によれば、本素子内に指向された光線を実質的に拘束す
るため充分な角度で光起電力素子の活性領域（単数また
は複数）せるための多くの異なる形態をとることができ
る。

この光線指向装置は、不規則なりフレフタまたは周期型
リフレクタでよい。不規則型リフレクタの場合は、全て
の入射光線が拘束されず、内反射は前に述べた界面即ち
表面のいずれかにおいて生じ得るのである。周期型リフ
レクタにおいては、指向角度は、この形態の入射光線指
向装置に達する光の略々全てが拘留され得るように制御
することができる。更に、この指向角度は、内反射が生
じる特定の界面を選択することができるように制御する
ことができる。光線指向装置８４により指向される光線
は、非晶質シリコン・アロイ材料を最初に通過する間に
比較的短い波長が更に容易に吸収されるため、主として
赤のスペクトル即ち比較的長い波長における光である。

しかし、第７図に関して判るように、入射光線はその最
初の素子内の通過の開本発明による活性領域を通るよう
に指向することができる。

次に第４図に関して述べれば、同図は本発明な実施した
不規則な表面リフレクタ１１１を含むＰＩＮ接合型素子
１１０を断面で示している。この不規則表面リフレクタ
１１１は、ガラスでよい基板１１２を含んでいる。この
ガラス１１２は、例えば上側の粗面１１６を形成するた
めサンドブラストにより無作為的に表面を粗にした上面
を有する。サンドブラスト法は、粗にすべき表面に対し
て高速で非常に細かな研摩材粒子を衝突させる周知の方
法である。基板１１２は必要に応じた巾および長さとす
る。

本発明によれば、非常に大きな反射率の金属層１１４が
ガラスの粗表面１１３上に置かれる。この層１１４は、
比較的丈夫なデポジション法である蒸着法によって付着
される。層１１４は、銀、アルミニウム、金、銅または
他の反射率の大きな材料の如き金属であることが望まし
い。層１１４上には、透過性があり電導性を有する酸化
物（ＴＣＯ）の層１１５が蒸着される。この透過性を有
する導体は、少なくとも本素子内の最初の通過の間は最
初に吸収されない波長を有する光子に対して透過性を持
たなければならない。このＴＯＯ層１１５は、蒸着環境
において付着することができ、例えば、錫酸化インジウ
ム（ＩＴＯ）、錫酸化カドミウム（Ｃｄ２Ｓｎ０４）、
酸化カドミウム（Ｃａｂ）、硫化カドミウム（ｃａｓ）
、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化第１銅（Ｃｕ２０）　、鉛
酸化ノｅリウム（Ｂａ　２　ＰｂＯ４）の多重層１１５
ａおよび１１５ｂ、またはこれらのいずれかの単層でよ
い。このＴＣＯ層（単数または複数）１１５は、素子１
１０に対する背面の接点として作用し、また平滑な層と
して作用して半導体がその上に付着できる更に実質的に
平担な表面を提供する。このＴＣＯ層（単数または複数
）はまた、電導性の非常に大きな金属形成層１１４が本
素子の半導体材料中に拡散することを防止する拡散障壁
としても作用する。ガラス基板１１２と、反射率の大き
な金属の層１１４と、透過性を有する導体の層１１５は
、本発明により無作為的な表面リフレクタを形成する。

層１１４は無作為的に表面が粗（なっているため、リフ
レクタ１１１に対して衝突する入射光の少なくとも一部
が、前述の如（指向光を素子内に拘束させるに充分な角
度で素子内に指向されることになるのである。

無作為的な表面リフレクタ１１１は次にグロー放電蒸着
環境内に置かれる。最初圧ドープされた広いバンド・ギ
ャップのｐ型゛の非晶質シリコン・アロイ層１１６が本
発明により層１１５上に付着される。図示された如き層
１１６は電導性がｐ＋を呈する。このｐ十領域は、この
ｐ十領域が透過性を有する電導性酸化物層１１５と良好
なオーミック・コンタクトを生じるに充分な肉厚が５０
乃至４ｏｏ＆程度にできるだけ薄くなっている。このｐ
十領域はまた、電流として光により生じた電子・正孔対
の集合を容易にするため素子の両端にある電位勾配を確
保するように作用する。このｐ十領域１１６は、本発明
によるこのような材料の蒸着のため前に述べた混合ガス
のいずれかから蒸着することができる。

真性の非晶質ジルコン・アロイ母材１１８は、次に広い
バンド・ギャップのｐ型層１１６上に蒸着される。この
真性の母材１１８は４５００λ程されるフッ素により調
整された非晶質シリコン・アロイな含むことが望ましい
。本素子の短絡回路゛電流は、本発明のバック・リフレ
クタおよびｐ型）非晶質シリコン・アロイ層１１６の広
いバンド・ギャップの組合された効果によって強調され
るのである。

真性の母材１１Ｂ上には更に、最初にドープした層１６
に対して反対の伝導性を有するドープ層１２０が付着さ
れる。このドープ層はｎ＋の伝導性を有する非晶質シリ
コン・アロイを含む。このｎ土層１２０は、このような
材料の蒸着のため前に述べたガス混合物のどれかから蒸
着される。このｎ土層１２０は５０乃至５００Ａの範囲
の肉厚まで蒸着され、接触層として作用する。

次に、別の透過性を有する電導性酸化物（ＴＣＯ）層１
２２を前記のｎ土層１２０上に蒸着する。この７００層
１２２はまた蒸着環境において蒸着することかでき、例
えば錫酸化インジウム（ＩＴＯ）、または錫酸化カドミ
ウム（Ｃｄ２ＳｎＯ４）　、またはビープされた二酸化
錫（ＳｎＯ２）でよい。

７００層１２２の表面上には、良好な電導性を有する金
属から作られた格子電極１２４が蒸着される。この格子
は、金属領域の面積の一部のみを占める電導性金属の直
角方向に関連する線を含みこの線の残りは太陽エネルギ
に対して露出される。

例えば、格子１２４は７００層１２２の全面積の約５乃
至１０％しか占有しない。この格子電極１２４は７００
層１２２から均等に電流を集めて素子における良好な直
列抵抗を確保しているのである。

素子１１０を完成するため１反射防止（ＡＦｔ）層即ち
ガラス密閉部１２６が格子電極１２４および格子電極面
域間のＴＣＯ層１２２０面域に対して加えられる。ＡＲ
層即ちガラス部分１２６は、その上に太陽光線が衝突す
る太陽光線入射面１２８を有する。もし層１２６がＡＲ
層であれば、これは太陽光線のス被りトルの最大エネル
ギ点の波長−の大きさを反射防止層１２６の屈折率の４
倍で除算した大きさの肉厚を有することができる。適当
なＡＲ層１２６は、肉厚が約５００人で屈折率が２．１
の酸化ジルコニウムである。もし層１２６が密閉部分で
あれば、７００層１２２の厚さは、これが素子１１０の
反射防止層として作用することができるように選択する
ことができる。別の実施態様として、不規則表面リフレ
クタ１１１は、ステンレス鋼あるいは他の金属板をガラ
ス１１２の代りにすることができる。粗面加工の表面は
、このステンレス鋼板上に比較的大きな粒度のアルミニ
ウム等の電導性の大きな金属のスパッタリングによって
提供することができる。比較的大きな粒度のアルミニウ
ムはこのようにスパッタリング法によって無作為的な粗
表面を形成することができろ。アルミニウム上には、層
１１５の如きＴＣＯ層を蒸着することもできる。

比較的短い波長を有する入射光の略々全ての光子は活性
状態の真性層１１８によって吸収されることになる。そ
の結果、吸収されずに不規則表面リフレクタ１１１に達
する光子の大部分はそれ程長い波長を持たず、約６００
ＯＡ以上の波長となる。リフレクタ１１１と衝突するこ
の入射光線は無作為的に散乱させられ、この光線の少な
（とも一部がこれを層１１８と１２０、層１２０と１２
２、層１２２と１２６の界面の１つ、または層１２６と
上部の大気の界面において、内反対させられることにな
る。このように指向される入射光の光線は素子１１０内
に実質的に拘束されることになるのである。

真性層１１８のバントゝ・ギャップは、バント３・ギャ
ップを減少させる元素の組込みにより特定の光応答特性
を持たせるように調整することができる。更に別の実施
態様として、真性母材１１８のバンド・ギャップは、ｎ
土層１１６からｎ土層１２０に向って徐々に増加するよ
うに勾配を有するようにすることができる（例えば、１
９８２年９月２９日出願のＳ　、　Ｒ、０ｖｓｈｉｎｓ
ｋｙおよびり。

Ａｄ　１　ｅ　ｒ　　の係属中の米国特許出願第４２７
．７５６号「非晶質アロイのバント９・ギャップの勾配
な与える方法および装置」参照）。例えば、真性層１１
８が蒸着される時、ゲルマニウム、錫または鉛の如き１
種以上のバンド・ギャップを減少する元素を徐々に減少
する濃度でアロイに組込むことができろ。例えば、ゲル
マニウム（ＧｅＨ４）は、最初比較的高い濃度から然る
後グロー放電蒸着室内への導入が終了する時点まで真性
層が蒸着されるに伴って徐々に減少させるようにグロー
放電蒸着室内に導入することができる。その結果、真性
母材はこれによりｎ土層１１６からｎ土層１２０に徐々
に減少する濃度においてゲルマニウムの如きバンド・ギ
ャップ減少元素を含むことになる。

次に第５図においては、本発明を実施した無作為的な内
部リフレクタ１６２を含むＰＩＮ接合型九起電力セル１
６０が示されている。このセル１ろ−０は、ｐ型層１３
８と、真性層１４０と、ｐ型層１４２を含んでいる。層
１３８，１４０および１４２は、第４図の素子１１０に
関して前に述べた如き非晶質シリコン・アロイから形成
することができる。また第４図の素子１１０における如
（、本素子１６０は透過性を有する電導性酸化物、収集
格子１４６と、反射防止層即ちガラス密閉部１４８を含
んでいる。

無作為的内部リフレクタ１６２は、セラミックまたはエ
ナメル材料から作られたシート状の、即ち略々平担な部
材１３４を含んでいる。このような材料は、高い屈折率
、例えば１．４５より高い屈折率を有し、光を吸収せず
、粒子を有し、全ての方向に入射光を無作為的に散乱さ
せる内部の多結晶質成分の無作為的に分布されたファセ
ットを有する。セラミックまたはエナメル成分は、例え
ば二酸化チタン、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、セレンまた
はシリコン・カーバイドを含むものでよい。

このシート材１６４はまた、酸化チタンおよび二酸化チ
タンの共蒸着法によって形成することもできる。

シート１３４からの光の無作為的な散乱は内部効果であ
るため、その表面は研摩その他の方法で非常に平滑に作
ることができる。これは、半導体材料の蒸着のための平
担な表面を提供するため有利である。セラミックおよび
エナメルはある程度電導性を有するようにすることがで
きるため、透過性を有する電導性酸化物（ＴＣＯ）の層
１６６は素子１６０の底部の接点を形成するためシート
材１６４とｐ型非晶質シリコン・アロイ層１６８間に提
供することができる。

次に第６図について説明すると“、本発明を実施した周
期的な表面リフレクタ１５２を含むＰＩＮ接合接合型起
電力素子１５０されている。このセル１５０は、ｐ型非
晶質シリコン・アロイ層１５８、真性非晶質シリコン・
アロイ層１６０、およびｎ型非晶質シリコン・アロイ層
１６２を含んでいる。

層１５８．１６０および１ｇ２はアロイから形成するこ
とができ、前に述べたように処理する。この゛素子はま
た、ＴＣＯ層１６４と、収集格子１６６と、ＡＲｊ−即
ちガラス密閉部１６８を含んでいる。

周期的表面リフレクタ１５２は、セル１５０に対する背
面の傍点と透過性を有する電導性酸化物の重合層１５６
を形成するためアルミニウムの如き重重性金属から形成
することができる反射回折格子１５４からなっている。

この回折格子のパターンは、正弦波形、矩形波形等の如
き断面の周期的な形状をとることができる。図示の如（
望ましい実施態様として、この格子１５４はブレーズ格
子である。この種の格子は、格子に対して直角な零（０
）次の反射が最小限度に抑制されるため望ましい。

前述の如（、周期的リフレクタは、屈折角度を格子の適
正な構成によって選択することができるため有利である
。このため、内反射が生じる界面の選択が効率よ（可能
になる。素子１５０においては、収集格子が内反射され
た光の一部を阻止することを防止させられるように、層
１６８と１６４の界面またはその下方において内反射が
生じることが望ましい。

屈折格子の構成においては、下式を使用することができ
る。即ち１ 、＋１ θＤ　Ｌ　ｆｆ　＝　！ｎｎ　　７）！λ／ｎｄ但し、
ｎは格子が光を回折させる媒体Ｇ屈折率λは真空中にお
ける光の波長、ｄは格子の間隔、およびｍは回折の次数
である。

回折格子の高さくｈ）もまた、種々の回折次数において
回折される光の強さの調整を可能にする変数である。一
般に、回折された光線の最初の次数の強さを強調するた
め、ｈの値は問題となる周波数における高さにおける略
々波長でなければならな℃Ｘ。

第１次の回折もまた。値ｄが問題の周波数における波長
と略々等しい時強調される。この場合、比較的短い波長
の光子のほとんどがその最初のパスの間活動状態の真性
領域１６０において吸収されるため、約６６００Ａ以上
の比較的長い波長の光子が対象となる。

ｄの値が６６００Åと等しく１ｍが最初の回折において
１に等しく、格子１５４が２．１の屈折率（ｌ］）を有
する錫酸化インジウムの如き透過性を有する電導性酸化
物の層１５６で被覆されるならば、上述の式がθ。、ｆ
ｆ　について解を得る。即ち、θｏｉ９　＝ｓＩｎ−’
６６００ｋ１６６００久Ｘ２．１−２８．４゜スネルの
法則によるこの７００層１５６内の２８．４°の角度は
、少な（とも層１６８と空気との界面において内反射を
生じるため、空気に対する非晶質シリコンの界面に対す
る臨界角よりも大きな角度において非晶質シリコン・ア
ロイ層１５８．１６０および１６２に光線を指向させる
に充分である。熱論、これより高い次数の回折のため回
折格子を構成すれば、この界面の前に内反射を得ること
になる。

次に第７図においては、ｎ型非晶質シリコン・アロイ層
１７４と７００層１７６との間に置かれた入射光指向装
置１７２を含むＰＩＮ接合光起電力素子１７０が示され
ている。この入射光指向装置１７２は、全ての入射光を
真性領域１８０にある角度で指向させるよう構成された
透過性回折格子１７８からなる。しかし、略々全ての比
較的短い波長の光が最初のパスにおいて真性領域１８０
内で吸収されるため、回折格子１７８は前に述べた如き
比較的長い波長に対して最適化することが可能である。

しかし、正弦波状の回折格子が示されるが、熱論前に述
べたような他のどんな形式のものでよい。

前述のＰＩＮ接合型セルの如く、セル１７０は更に非晶
質シリコン・アロイのｐ型層１８２と、収集型格子１８
４と、反射防止材料層即ちガラス密閉部１８６を含んで
いる。種々の層をガラス、またはステンレス鋼、または
他の適当な基板材料の基板１７１上に蒸着させる。基板
１７１上には電導性のよい従って反射率の大きな金属層
１７６、およびＴＯＯ層１７５を蒸着させる。この反射
金属層１７３およびＴＧＯ層１７５は、未使用の光を真
性領域１８０に再び反射させるためパック・リフレクタ
を形成する。

あるいはまた、透過性を有する指向装置は、例えばサン
ドブラスト法により形成された粗面仕上げした表面を有
するガラスでよい。次に種々の非晶質シリコン・アロイ
層をこめ粗表面上に蒸着し然る後反射性のバック・リフ
レクタの蒸着を行なうことができる。このような形態の
素子においては、入射光は最初にガラス基板に対して指
向される。このガラス基板は、光が最初に衝突する活性
領域の側に配置された無作為光線指向装置を形成するの
である。

次に第８図においては、本発明な実施した周期的内部反
射装置１９２を含む別のＰＩＮ接合型光起電力セル１９
０が示されている。この素子１９０は他の点においては
第４図乃至第６図のセルと同じであるため、周期的内部
反射装置のみについて詳細に記述することにする。

周期的内部反射装置１９２は、ガラス、ステンレス鋼ま
たは他の適当な材料製の基板１９・４上に配置される。

この周期型内部反射装置１９２は、透過性材料の媒体１
９８中に埋設されたアルミ゛家つムの如き反射材料の複
数本の細い平担部材即ち線１９６を含むホログラムの形
態をとる。ここで透過性材料とは、線１９６に適する媒
体と素子１９０に対する底部接点の双方な提供するため
錫酸化インジウムの如き透過性を有する電導性酸化物で
ある。

線１９６はある角度で配置され、ある間隔に離間され、
実質的に平行である。回折格子について回折が予測でき
る。ここで、間隔（ｄｔは線１９６間の間隔である。

光の回折がこのホログラムの内部において生じン・アロ
イ層をその上に蒸着することができる平滑面を提供する
。

次に第９図においては多重セル素子２００が断面図にお
いて示されるが、この素子はタンデム形態において配置
され、本発明を実施した無作為な表面反射装置を含む。

この素子２００は、直列に構成された２つの単一の単位
セル２０２，２０４からなる。明らかなように、２つ以
上の複数の単位セルを使用することができる。

素子２００は、例えばアルミニウムの如き良好な反射性
を有する金属層２０５で覆われたサンドブラスト仕上げ
を施したガラス層を含む無作為表面反射装置２０６を含
んでいる。金属層２０５′上には、錫酸化インジウム２
０７ａの第１層と、ド−プされた二酸化錫２０７ｂの第
２層または一層の錫酸化インジウムでよい一層の透過性
のある電導性酸化物２０７が蒸着されている。この透過
性を有する電導性酸化物の層２０７は前に述べた如く蒸
着することができる。

第１のセル装置２０２は、透過性を有する電導性酸化物
層２０７上に蒸着された第１のド−プされたｎ子弁晶質
シリコン・アロイ層２０８を含んでいる。このｎ土層は
、本発明による広いバント９・ギャップのｐ型の非晶質
シリコン・アロイであることが望ましい。この層は、こ
のような材料を蒸着するための前述の出発材料のどれか
らでも蒸着することができる。

広い）ζンビ・ギャップのｎ十層２０８上には、第１の
真性の非晶質シリコン・アロイ体部２１０が蒸着される
。この第１の真性アロイの体部２１０は非晶質シリコン
フッ素アロイであることが望ましい。真性層２１９上に
は更にド−プされた非晶質シリコン・アロイ層２１２が
蒸着される。この層は第１のドープ層２０８の伝導性に
対して反対の伝導性を有し、従ってｎ土層である。

第２の単位セル２０４は略々同じものであり、第１のｎ
土層２１４と、真性体部２１６と、更に別のｎ土層２１
８を含んでいる。素子２００は、ＴＧＯ層２２０と、格
子電極２２２と、反射防止層即ちガラス密閉部２２４に
より完成する。

真性層のバンド・ギャップは、層２１６のバンド・ギャ
ップが層２１０のノξンド・ギャップよりも太き（なる
ように調整されることが望ましい。

このためには、アロイ形成層２１６は窒素および炭素の
如き１つ以上のバンド・ギャップ増加元素なきむことか
できる。真性層２１０を形成する真性アロイは、ゲルマ
ニウム、錫または鉛の如き一種以七のバンド・ギャップ
減少元素を含むことができる。

図面からは、セルの真性層２１０が真性層２１６よりも
厚いことが判る。このため、太陽エネルギの使用可能な
全スにクトルを電子の正孔対の生成のため使用すること
を可能にする。

タンデム型セルの実施態様について本文に示し記述した
が、この単位セルもまた例えば集積型の多重セルを形成
するため酸化物層を用いて相互に隔離することもできる
。各セルは、外部の配線を用いてセルの直列接続を容易
にするため１対の収集型電極を含むことができる。

更に別の実施態様として、また単一セルに関して述べた
ように、単位セルの真性体部の１つ以上に勾配を持たせ
たバンド・ギャップを有するアロイを含むことができる
。前述の一種以上のバンド・ギャップ増加もしくわ減少
用元素をこの目的のため真性アロイ内に含めることがで
きる。１９８２年９月２９日出願のＳ　、Ｒ，０ｖｓｈ
ｉｎｓｋｙおよびり。

Ａｄ　ｌ　ｅ　ｒ　　の係属中の米国特許出願筒４２７
．７５７号「多重セルの光応答性を有する非晶質シリコ
ンおよび素子」を参照されたい。

次に第１０図においては、セル２６０が周期型表面リフ
レクタ２３２を含む点を除いて第９図のタンデム型セル
２００と実質的に同じタンデム型のＰＩＮ接合型光起電
力セル２６０が示されている。従って、このセルはりフ
レフタ２３２に関し第６図の実施態様と同様に、周期型
表面リフレクタ２３２は反射回折格子２３４の形態をと
る。

格子２６４は正弦波形、矩形波形、あるいは他の周期的
な形態であり得るが、この場合も図示の如く格子２６４
はブレーズ格子である。この格子はアルミニウムの如き
軟質の金属から形成することができる。この格子は、錫
酸化インジウム、錫酸化カドミウム、またはドープされ
た酸化錫の如き透過性を有する電導性酸化物の層２６６
で被覆され、その上に非晶質シリコン・アロイを蒸着す
ることができる。回折格子２３４は、第６図に関して前
に説明したものと同じ方法で作用する。

次に第１１図においては、本発明を実施した別の単一セ
ル型ＰＩＮ接合光起電力素子２４０が示されている。こ
の場合、例えばガラスから形成さｆｔ、た透過性を有す
る基板２４２は、ＴＣＯ層２５０とｐ型の真性非晶質シ
リコン・アロイおよびこれにそれぞれ順次蒸着されたｎ
型の非晶質シリコン・アロイ層２４４，２４６，２４８
を有する。ｎ型層２４８上には、電導性を有する光回折
塗料の層２５２が設けられている。この層２５２は例え
ばアルミニウムまたは金の塗布から形成することができ
る。このような塗料は、刷毛塗りまたは吹付けにより塗
布される時、層１４８と２５２の間に無作為に光を散乱
させる界面を形成することになる。あるいはまた、層２
５２は、透過性を有する電導性酸化物の如き透過性導体
の第１の層と、非電導性を呈するチタン含量が高い平担
な白色塗料の如き光゛散乱塗料の第２の層からなるもの
でよ（）。

第１１図の素子は、ガラスの基板を介して入射光を受取
るように構成されている。素子内の最初のパス中に吸収
されない入射光は層２５２によって無作為に散乱させら
れることになる。この散乱された光線の少な（とも一部
は、この光線を素子２４０の内部で内反射させて実質的
に拘留させるに充分な角度で非晶質シリコン層２４８．
２４６および２４４を通るように指向されることになる
。

以上の記述から明らかなように、本発明は強化された短
絡回路電流および効率を生じる斬新な改善された光起電
力セルを提供するものである。本文に開示した入射光指
向装置は、入射光の少なくとも一部がセル内部の内反射
およびこれによる光の実質的に完全な拘留をもたらすに
充分な角度でセルの活性領域に指向することができる装
置を提供するものである。光が活性領域における多重パ
スを行なうことが可能であるため、活性領域は前に可能
であったよりも薄く作ることができる。このため、更に
多（の光が吸収されると同時に光で起電された電荷キャ
リアの収集が更に有効になるのである。

本文に記述した本発明の各々の実施態様において、真性
アロイ層以外のアロイ層は多重結晶質層の如き非晶質層
以外のものでもよい。（用語「非晶質」とは、短いある
いは中間の秩序性を有するかあるいは時折ある程度の結
晶質を含む場合もあるが、長距離の不秩序性を有するア
ロイ即ち物質を意味する。） 本発明の修正および変更は本文の教示内容に照して可能
である。従って１頭書の特許請求の範囲内で本発明が本
文に記述した以外の方法で実施可能であることを理解す
べきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光起電力素子を形成するため使用する
ことができるグロー放電デポジション装置を示す図、第
２図は第１図の線２−２に関する本装置の一部を示す断
面図、第６図は本発明の一般的な原理および長所を示す
本発明を実施した光起電力素子の断面図、第４図は本発
明を実施した不規則な表面リフレクタを含むＰＩＮ接合
型光起電力素子を示す断面図、第５図は本発明を実施し
た不規則な内部リフレクタを含むＰＩＮ接合型光起電力
素子を示す断面図、第６図は本発明を実情した周期型表
面リフレクタを含むＰＩＮ接合型光起電力素子を示す断
面図、第７図は本発明を実施した透過型の入射光線指向
装置を含むＰＩＮ接合型光起電力素子を示す断面図、第
８図は本発明を実施した周期的な内部リフレクタを含む
ＰＩＮ接合型光起電力素子を示す断面図、第９図は本発
明前された複数のＰＩＮ接合型光起電セル装置を内蔵す
る多重セルを示す断面図、第１０図は本発明を実施した
周期型表面リフレクタを含む別のタンデム型素子を示す
断面図、および第１１図は本発明の更に別の実施態様に
より構成されたＰＩＮ接合型光起電力素子を示す断面図
である。 １０・・・グロー放電デポジション装置、１２川ハウジ
ング、１４・・・真空室、１６・・・入口室、１８・・
・出［］室、２０・・・裏打ち部材、２２川絶縁材、２
４・・・絶縁スリーブ、２６・・・暗間隔シールド、２
８・・・基板、３０・・・内端部、６２・・・ボルダ−
１６４・・・凹部、３６・・・電気ヒータ、６８川温度
応答プローブ、４０・・・電極、４２・・・シールド、
４４・・・基板、４６・・・凹部、４８・・・電極ヒー
タ、５０−　　プローブ、５２・・・空隙、５４・・・
真空ポンプ、５６・・・粒子トラップ、５８・・・圧力
計、６ｏ・・・導管路、６２・・・浄化装置、６４・・
・弁、６６・・・容器、６８・・・材料、７゜・・・ヒ
ータ、７２・・・浸漬管、７４川スクリーン装置、８０
・・・光起電力素子、８２・・・母材：８４・・・光線
指向装置、８６・・・電導性材料層、８８川格子パター
ン、９０・・・ＡＲ層、９２・・・入射面、９４・・・
界面、９６・・・界面、９８・・・界面、１００・・・
光線、１１０・・・ＰＩＮ接合型素子、１１１・・・表
面リフレクタ、１１２・・・基板、１１３・・・粗面、
１１４・・・金属層、１１５・・・酸化物層、１１６・
・・非晶質シリコン・アロイ層、１１８・・・非晶質シ
リコン・アロイ母材、１２０・・・ト８−プ層、１２２
・・・Ｔ２Ｏ層、１２４・・・格子電極、１２６・・・
反射防止層、１６０・・・ＰＩＮ接合型光起電力セル、
１６２・・・内部リフレクタ、１３４・・・平担部材、
１３８・・・ｐ型非晶質シリコン・アロイ層、１４０・
・・真性層、１４２・・・ｐ型層、１４６・・・収集型
格子、１４８・・・ガラス密閉部、１５０・・・セル、
１５２・・・表面リフレクタ、１５４・・・反射回折格
子、１５６・・・電導性酸化物重合層、１５８・・・ｐ
型非晶質シリコン・アロイ層、１６０・・・真性非晶質
シリコン・アロイ層、１６２・・・ｎ型非晶質シリコン
・アロイ層、１６４・・・Ｔ２Ｏ層、１６６・・・収集
格子、１６８・・・ガラス密閉部、１７０・・・ＰＩＮ
接合光起電力素子、１７１・・・基板、１７２・・・入
射光指向装置、１７６・・・金属層、１７４・・・ｎ型
非晶質シリコン・アロイ層、１７５・・・Ｔ２Ｏ層、１
７６・・・Ｔ２Ｏ層、１７８・・・透過性回折格子、１
８０・・・真性領域、１８２・・・ｐ型層、１８４・・
・収集型格子、１８６・・・ガラス密閉部、１９０・・
・ＰＩＮ接合型光起電力セル、１９２・・・周間的内部
反射装置、１９４・・・基板、１９６・・・線、１９８
・・・媒体、２００・・・多重セル素子、２０６．２３
２．２５２・・・入射光線指向装置、２１０．２１６．
２４６・・・活性領域、２１２，２１４，２１８，２４
４．２４８・・・ト江−ブ領域灯、２２０・・・透過性
導体、２６０．２４０・・・光起電力素子、２６４・・
・透過性回折格子。 ｑＩ出願人　エナージー・コンバージョン・デバイセス
・インコーホレーテッド （外４名） ＦＩＧ　　３ ＦＩＧ　　４ ＦＩＧ、　５ ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　７ ＦＩＧ　　８ ＦＩＧ、　９ ＦＩＧ　１０ ＦＩＧ　１１ 第１頁の続き ０発　明　者　ジョアチム・ドエーラーアメリカ合衆国
ミシガン州４８０８ ５ユニオン・レイク・ペニス・ ドライブ６１８３ ０発　明　者　デーピッド・ディー・オールレッド アメリカ合衆国ミシガン州４８０８ ４トロイ市ノース・アダムス３９８ ＠５１　　明者シャイム・エム・レイニスアメリカ合衆
国ミシガン州４８００ ８バーミンガム・ドーチェスタ ２５８７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１入射光線が電荷キャリアを生じるため衝突し得る
   少なくとも１つの活性領域を有する半導体材料から形成
   された光起電力素子において、前記入射光線１００の少
   なくとも一部を前記光起電力素子（８０，１１０，１３
   ０，１５０，１７０，１９０，２００，２６０，２４０
   ）内に指向された光線を実質的に拘束させるに充分な角
   度で前記の少なくとも１つの活性領域（１１８，１４０
   ，１６０，１８０，２１０，２１６，２４６）を通るよ
   うに前記入射光線１００の少なくとも一部を指向させる
   光線指向装置（８４，１１１，１３２，１５２，１７２
   ，１９２，２０６，２３２）を特徴とする素子。 （２）前記の指向された光線１００を前記光起電力素子
   （８０，１１０，１３０，１５０，１７０，１９０，２
   ００，２３０，２４０）内に実質的に拘束させるに充分
   な前記角度は、その正弦値が前記の少なくとも１つの活
   性領域（１１８，１４０、・１６０．１８０，２１０゜
   ２１６．２４６）を形成する前記半導体材料の屈折率と
   等しい臨界角変より大きいことを更に特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の素子。 （３１前記活性領域（１１Ｂ、１４０．１６０．１８０
   ．２１０．２１６．２４６）がこれに対して実質的に直
   角に衝突する前記光線を最初に受、止めるように配置さ
   れることを更に特徴とする特許請求の範囲第１項または
   第２項のいずれかに記載の素子。 （４）前記臨界角度が直角の入射光線と前記の指向され
   た光線との間の挟角であることを更に特徴とする特許請
   求の範囲第６項記載の素子。 （５）前記臨界角度が約１６．６°であることを更に特
   徴とする特許請求の範囲第４項記載の素子。 （６）複数の活性領域（１１８，１４０，１６０，１８
   ０，２１０，２１６，２４６）を更に特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第５項のいずれかに記載の素子。 （７）前記活性領域（１１８，１４０，１６０，１８０
   ，２１０，２１６，２４６）がタンデム型光起電力セル
   （２００，２６０）を形成するように構成されることを
   更に特徴とする特許請求の範囲第６項記載の素子。 （８）前記光線指向装置（８４，１１１，１６２，１５
   ２゜１７２．１９２．２０６．２３２．２５２）が無作
   為光線指向装置（１１１，１６２，２０６，２５２）か
   らなることを更に特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
   第７項のいずれかに記載の素子。 （９）前記無作為光線指向装置（１１１，１６２，２０
   ６，２５２）が、光線（１００）が最初に衝突する活性
   領域（１１８，１４０，１６０，１８０，２１０，２１
   ６，２４６）の側方に配置されることを更に特徴とする
   特許請求の範囲第８項記載の素子。 叫　前記光線指向装置（８４，１１１，１３２，１５２
   ，１７２，１９２，２０６，２６２，２５２）が無作為
   光線指向装置（１１１，２０６）からなることを更に特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれかに
   記載の素子。 Ｑｏ　　前記無作為光線指向装置が無作為表面リフレク
   タ（１１１，２０６）であることを更に特徴とす（１２
   １前記無作為表面リフレクタ（１１１，２０６）が前記
   入射光線（１００）が最初に衝突する側面と反対側の前
   記活性領域に隣接して配置されることを更に特徴とする
   特許請求の範囲第１１項記載の素子。 （１３）前記無作為表面リフレクタ（１１１，２０６）
   が粗面仕上げを行なった反射面を有する平担部材である
   ことを更に特徴とする特許請求の範囲第１１項または第
   １２項に記載の素子。 （１４）前記の粗面を有する表面が反射材料で被覆され
   ていることを更に特徴とする特許請求の範囲第１３項記
   載の素子。 （Ｉ５）前記反射材料がアルミニウム、銅、金または壕
   であることを更に特徴とする特許請求の範囲第１４項記
   載の素子〇 （１６）前記無作為表面リフレクタ（１１１，２０６）
   が前記の粗面を有する反射面に重合する透過性を有する
   導体（８６，１１５，１２２，１７５，２０７，２２０
   ）を更に含むことを更に特徴とする特許請求の範囲第１
   ３項乃至第１５項のいずれかに記載の素子。 ０η　前記の透過性を有する導体（８６，１１５，１２
   ２，１７５，２０７，２２０）が透過性を有する電導性
   酸化物であることを更に特徴とする特許請求の範囲第１
   ６項記載の素子。 ０８　　前記の粗面を有する表面が前記の平担な部材に
   サンドブラストを施すことにより形成されることを更に
   特徴とする特許請求の範囲第１６項乃至第１７項のいず
   れかに記載の素子。 Ｑｌ　　前記の粗面を有する反射面が反射材料のスパッ
   タリングによるコーティングを含むことを更に特徴とす
   る特許請求の範囲第１６項乃至第１７項のいずれかに記
   載の素子。 （イ）前記のスパッタリングを施した材料がアルミニウ
   ムであることを更に特徴とする特許請求の範囲第１９項
   記載の素子。 （２１）前記無作為光線指向装置（８４，１１１，１３
   ２，１５２，１７２，１９２，２０６，２６２，２５２
   ）が無作為内部リフレクタ（１３２，２５２）を含むこ
   とを更に特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項の
   いずれかに記載の素子。 （２２１前記無作為光線指向装置（１３２，２５２）が
   前記光線（１００）が最初に衝突する側面と反対側の前
   記活性領域と隣接して配置されることを更に特徴とする
   特許請求の範囲第２１項記載の素子。 （２３１前記無作為内部リフレクタ（１６２，１５２）
   は、１．４５より大きい屈折率を有しその上で衝突する
   光（１００）を吸収しない材料から形成された平担部材
   を含むことを更に特徴とする特許請求の範囲第２１項ま
   たは第２２項のいずれかに記載の素子。 Ｃ！４）前記無作為内部リフレクタ（１６２，２５２）
   がセラミック材料から形成された平担部材を含むことを
   更に特徴とする特許請求の範囲第２１項または第２２項
   のいずれかに記載の素子。 （２９前記セラミック材料が二酸化チタン、硫化亜鉛、
   セレンおよびシリコン・カーバイドからなるグループの
   １つから形成されることを更に特徴とする特許請求の範
   囲第２４項記載の素子。 （脳　前記無作為内部リフレクタ（１６２，２５２）が
   エナメル材料により被覆された平担部材を含むことを更
   に特徴とする特許請求の範囲第２１項乃至第２６項のい
   ずれかに記載の素子。 （５）前記無作為内部リフレクタ（１６２，２５２）が
   酸化チタンと二酸化チタンを共に付着させた層を含むこ
   とを更に特徴とする特許請求の範囲第２１項乃至第２６
   項のいずれかに記載の素子。 （２（至）前記光線指向装置（８４，１１１，１３２，
   １５２，１７２，１９２，２０６，２６２，２５２）が
   周期型光線指向装置（１７２）を含むことを更に特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれかに記載
   の素子。 翰　前記周期型光線指向装置（１７２）は、光線（１０
   ０）が最初に衝突する前記活性領域の側面に配置される
   ことを更に特徴とする特許請求の範囲第２８項記載の素
   子。 艶　前記周期型光線指向装置（１７２）が透過性を有す
   る回折格子（１５４，１７８，２６４）を富むことを更
   に特徴とする特許請求の範囲第２８項または第２９項の
   いずれかに記載の素子。 １７２．１９２．２０６．２６２．２５２）が周期型光
   線指向装置（１５２，１９２，２６２）を含むことを更
   に特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれ
   かに記載の素子。 Ｃ３２前記周期型光線指向装ｆｔ　（１５２，１９２，
   ２６２）は、入射光線（１０’０　）が最初に衝突する
   側面の反対側における前記活性領域（１６０，２１０）
   と隣接して配置されることを更に特徴とする特許請求の
   範囲第６１項記載の素子。 Ｃ（３）　　前記周期型光線指向装置が周期型表面リフ
   レクタ（１５２，２６２）を含むことを更に特徴とする
   特許請求の範囲第５１項または第′５２項のいずれかに
   記載の素子。 θ４）前記周期型表面リフレクタ（１５２，２３２）が
   反射型回折格子（１５４，２３４）を含むことを更に特
   徴とする特許請求の範囲第６０項記載の素子。 Ｃ（５）　　前記反射型回折格子（１５４，２３４）が
   ブレーズ型回折格子を含むことを更に特徴とする特許請
   求の範囲第３４項記載の素子。 （（至）前記反射型回折格子（１５４，２３４）が反射
   する金属から形成されることを更に特徴とする特許請求
   の範囲第６４項記載の素子。 ＯＤ　　前記の反射する金属がアルミニウムであること
   を更に特徴とする特許請求の範囲第６６項記載の素子。 ■　前記反射型回折格子（１５４，２６４）が透過性を
   有する導体（１５６，２６６）で被覆されることを更に
   特徴とする特許請求の範囲第６４項乃至第６７項のいず
   れかに記載の素子。 ０９　　前記透過性を有する導体（１５６，２ろ６）が
   透過性を有する電導性酸化物を含むことを更に特徴とす
   る特許請求の範囲第６８項記載の素子。 （４１前記周期型光線指向装置が周期型内部リフレクタ
   （１９２）を含むことを更に特徴とする特許請求の範囲
   第６２項記載の素子。 （４０前記周期型内部リフレクタ（１９２）がホログラ
   ムを含むことを更に特徴とする特許請求の範囲第４０項
   記載の素子。 （４２１前記ホログラムが固体の透過性を有する媒体（
   １９Ｂ）内に配置された比較的薄い複数の反射用平担部
   材（１９６）を含み、該平担部材は離間された平行な位
   置関係において入射光線（１００）に対しある角度で配
   置されることを更に特徴とする特許請求の範囲第４１項
   記載の素子。 （４３１前記反射用平担部材（１９６）がアルミニウム
   から形成されることを更に特徴とする特許請求の範囲第
   ４２項記載の素子。 （４４）前記の透過性を有する媒体（１９８）が透過性
   を有する電導性　酸化物を含むことを更に特徴とする特
   許請求の範囲第４２項または第４３項のいずれかに記載
   の素子。 （４５）前記半導体材料が非晶質半導体アロイを含むこ
   とを更に特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項の
   いずれかに記載の素子。 （４６）前記非晶質シリコン・アロイが、前記真性領域
   の各々の反対側にあって反対の電導性を有する（１１８
   ．１４０．１６０．１８０．２１０．２１６．２４６）
   および１対のドープ領域（１１６，１２［１１，１′５
   ８゜１４２．１５８，１６２，１７４，１８２，２０８
   ，２１２，２１４、２１８．２４４，２４８）を含む非
   晶質シリコン・アロイ体部を形成することを更に特徴と
   する特許請求の範囲第４５項記載の素子・ （４７）　　前記非晶質シリコン・アロイが前記光線指
   向装置（８４，１１１，１６２，１５２，１７２，１９
   ２，２０６゜２３２．２５２）上に付着されることを更
   に特徴とする特許請求の範囲第４５項または第４６項の
   いずれかに記載の素子。 （４８基板（２８，４４）を設け、前記光線指向装置（
   ８４，１１１，１６２，１５２，１７２，１９２，２０
   ６，２６２，２５２）が前記基板を形成することを更に
   特徴とする特許請求の範囲第４７項記載の素子。 （４９直列のタンデム状位置関係に配置された複数の前
   記非晶質シリコン・アロイ体部を特徴とすることを更に
   特徴とする特許請求の範囲第４６項記載の素子。