JPS58215083A - ヘテロ接合光電素子及びヘテロ接合光電装置 - 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】 本発明はへテロ接合光電素子及び装置に関する。

太陽電池や光検出器のような光電素子及び装置に太陽先
勝を頂接矩、気工坏ルギて変拝することができるが、こ
の紗装置の最大の間ｇとして、他の電気工洋ルギ発生手
段と比較して発電、費用が棲めて大きいことが言われて
いる。その主な原因は、装置の主体を構成する半導体材
料の第１」用効率が低いこと、史には斯る材料を製造す
るに要するエネルギが多いことにある。最近この欠点を
解決する可能性のある技術として、上記半導体材料に非
晶仙シリコンを使用することが掟案された。即ち非晶質
シリコンはシランや７０ルシリコン’＝トのシリコン化
合物雰囲気中でのグロー族？ａＫよって安価かつ大量に
形成することができ、その不合の非晶質シリコン（以下
ＧＤ−ａＳｉと略記する）では、禁止帯の幅中の平均局
在状絆密夏が１ｏ１７傭−８以下と小さく、結晶シリコ
ンと同じ様にｐ型、ｎ型の不純物制御が可能となるので
ある。

ＧＤ−ａｓｉを用いた典型的な従来の太陽電池は、可視
光を透過するガラス基板上に透明電極を形成し、該透明
電極上ＫＧＤ−ａｓｉのｐ型層、ＧＤ−ａｓｉのノンド
ープ（不劇物無添加）層及びＧＤ−ａＳｉのｎ型層を順
次形成し該ｎ型層上にオーミックコンタクト用電極を設
けてなるものである。

上記太陽電池において、ガラス基板及び透明１゛惚を介
して光がＧＤ−ａｓｉからなるｐ型層、ノンドープ層及
びｎ型層に入ると、主にノンドープ層において自由状態
の電子及び／又は正孔が発生し、これらは上記各層の作
るｐｉｎ　％合電界により引かれて移動した後透明電極
やオーミックコンタクト用電極に果められ―ち極間に電
圧が発生する。ところが、この場合ｐ層又はｎ層で吸収
した光が有効なキャリヤーにならずロスとなる結果、短
終電流Ｊｅｃが小さく又セル１個の開放電圧Ｖｏｃも０
．８　ｖｏｌｔと低い点が実用上の間Ｍであった。これ
に対して本発明者等は、特・願昭５６−１２３１３　汽
特願昭５６−２２６９０号、特願昭５６−６６６８９号
に示すようなワイドギャップでｐ又はｎ型に価電子制御
できる非晶質半導体を発明し、さらに非晶質シリコンと
へテロ接合ｐｉｎを形成することにより大きいＪｓｃと
Ｖｏｃが得られる事を見い出した。

本発明者等は電圧をさらに高める為に鋭意研究努力した
結果、不発明を完成するに至ったもので、室温における
電気伝導度が約１Ｏ−８Ｇ・ｃｍｆ”以上であるｐｙは
ｎ型の非晶ｇＳｉ（１−Ｘ）０（Ｘ）と非晶％硅素とよ
り形成されるヘテロ接合光電素子に’Ｅするもので、以
下にその詳細を説明する。

本発明の非晶質で一般式５ｉ（ｘ−ニーｙ）０（Ｘ）Ｎ
（ｙ）で示される半導体は、シリコンの水紫又はフッ素
化物とＮ２０のグロー放電分解で得られ、その際にＩＩ
Ｉ族の元素化合物例えばＢ２Ｈ６、又はＶ族の元素化合
物例えばＰＨ３等でドープＬ７た半導体を用い乙。グロ
ー放電時に癌腫してもよいが成゛拠後にイオンインプラ
ンチージョンによって導入してもよい。そのドープ童は
室温における電気伝導度が約１Ｏ−８（Ω・１）−１以
上であり、かつそのフェルミレベルがｐ−１−ｎ接合し
た時の拡散電位が約１．１　ｖｏｌｔ以上にするのが良
い。基板温度は上記特注の得られる温度であれば任意で
あるが通常２００°Ｃ〜４５０°Ｃが用いられる。

本発明ではさらに好ましくけｍｌ甲に水素又はフッ素が
約４　ａｔｏｍ％から４Ｑａｔｏｍ％含まれるのが良い
。

又ａ−８ｉ（ｚ−ｘ−ｙ）０（ｘ）Ｎ（ｙ）でｘ　−）
−ｙが０．０４〜０．５の’ｉＱＨが好ましく　ｙ＝０
でもよい。

不発明の半導体は、少なくとも光の入射する１０ＩＩの
ドープ層に用いる。

不発明に用いる光起電力素子の基本構成は、第１図の（
ａ）　、　（ｂ）に代表例が示される。（ａ）はｐｔｏ
ｌ：から光を照射するタイプで、例えはステンレス箔−
絶縁膜−電極ｎ　−ｉ　−ｐ−透明電極の構成、（ｂ）
はｎ狽１１から元を照射するタイプで、例えばステンレ
ス箔−絶縁膜一電極−ｐ　−ｉ　−ｎ−透明定トスの構
成である。その他、ｐ層と透明寅柚の市に弗い耐脈７層
をつけたり、漠い金桓順をつけた構造でもよい０要はｐ
−１−ｎ接合を基本とするものであればいかなる構成で
もよい。

ｉ層は、夫餉的に真性な非晶質半導体でＳｉを含むもの
であるが、他にＧｅ及び／又？ｉＳｎ及び／又はＮ及び
／又けＣを含んでもよい。ｉ層は、好ましくはシラン若
しくはその誘尊体、又はフッ化シラン若しくはその助；
街体、又（１これらの混せ物のグロー放ｌ５分解で侍ら
れる約１０−７秒以上のキャリヤー持合で約１０１１０
ｌ７’ｅＶ−’以下の局在準位密度及び１０　””　ｃ
ｒ；ｒ　／Ｖ以上の易動度をもつ真性アモルファスシリ
コンがよい。又）０脹の元弄で補償して果ト市に真性に
してもよい。

１とｎの双方に本発明のａ−８ｉ（ｘ＝ｘ−ｙ）０（ｘ
）Ｎ（３’）を用いてもよいし一方に非晶質又は坤、・
結晶シリコンを用いてもよい。本発明では光の入射する
但１の、ヒ−（ｐ′５１はｎ％）の厚みは５０〜３００
Ａが灯１しく、ｉ層は通常１０００〜１００ＯＯＡ、光
の入射と反対の治は１００〜１００ＯＡにされる。不発
明では９層又はｎ・（Ｐの少くさも一方、すなわち少く
とも光を順射する側の層が、約１．８５ｅＶ以上の光学
的バンドギャップを有しかつ２０℃における電気伝導度
が約１　＋１−８（Ω・（ロ）−１以上である非晶質ａ
−８ｌ（Ｌ−ｘ−ｙ）０（ｘ）Ｎ（ｙ）であって、しか
もｐ−１−ｎ接合した場合の拡散電位Ｖｄがヤ′１１．
１ｖｏ１ｔｓ以上であることが好フしい。拡散電位Ｖａ
は光の入射する側のドープ層の光学的バンドギャップを
Ｋｇ（ｏｐｔ）、活性化エネルギーをＢｆ、　　もう、
一方のドープ層の活性化エネルギーをＢ１）とすると、
Ｖｄ　＝　Ｅｇ　（ｏｐｔ）−ｇｆ−Ｋｂで求めること
ができる。

本発明でけさらに室温での電気伝上朋が１０　’（Ω・
−一１以上としているが、これ以下であるとフィルファ
クターＦＦが少さくな、！７変換効率が実用的でなくな
るからである。

本発明のへテロ接合光電素子については以下に具体的に
説明すると、次の通りである。代表的な構造は透明電極
／ｐ型アモルファス半導体／１型ａ−８ｉ／ｎ型ａ−ｓ
ｉ／”？ｆＥ極／絶縁膜／金篇箔の構造で、透明電極側
から光を照射する。ｒ１明届［極はＩＴＯや５ｎ０２特
にＳｎＯ□が好ましく、ｐ型アモルファス半導体上に直
接蒸着しで得られる。又工Ｔｏとｎ型アモルファス半導
体の界面に３０〜５００ＡのＳｎＯ□をつけると更に好
ましい。光を照射する仙）の””（１−ｘ−ｙ）０（Ｘ
）Ｎ（ア）の犀みは約３ＯＡから３００Ａ好ましくは５
０Ａから２００　Ａである。この構造で本発明に用いる
ペテロ接合光起電力素子と従来のアモルファスシリコン
ｐ−１−ｎホモ接合の特性を第３図に示す。この図にお
いて（ａ）が本発明の場合で効率η二８．０％Ｘ短°絡
電ｊＭ　Ｊｓｃ＝１４．０ｍＡ／ｍ’、開放電圧Ｖｏｃ
＝＝０．９５　ｖｏｌｔｓ　。

ＦＦ＝６０．０％を示す。（ｂ）が従来のホモ接合の場
合で、効率η＝５．７％、Ｊｓｃ＝１１．０２ｍＡ／Ｃ
１ｎ２．　Ｖｏｃ＝０．８０１ｖｏ１ｔｓＦ’Ｆ＝６４
．７％である。本発明の効果は短絡電流Ｊｓｃと開放電
圧Ｖｏｃに特に顕著な効果がみられる。

もう１つの代表的な構造は 透明電極／ｎ型アモルファス半導体／１型ａ　−Ｓ　’
１．／ｐ型ａ−８ｉ　／電極／絶縁膜／金属箔の構造で
、透明電極側から光を照射する。元を照射する側のｎ型
アモルファス半導体の厚みは約３ＯＡから３０ＯＡ好ま
しくは５０Ａ〜２００Ａ、　ｉ−型層の厚みは限定され
ないが約１０００Ａ〜１００００　Ａが通常用いられる
。ｐ型層の厚みＩ′ｉ限定されないが約１５０Ａ〜６０
０　Ａが用いられる。透明電極の素材及び蒸着法につい
ては前同様である。

基板について説明すると、金属箔ｌけアルミニウム銅、
鉄、ニッケル、ステンレス等の金椙の箔で厚みは５μｍ
〜２ｔｎｒｔ好ましくハ５０μｍ〜１顧のものが用いら
れる。絶縁膜２は電気伝導度が約ｔｏ−’（Ω・傭）−
１以下のものであればいかなるものでもよい。具体的に
は耐熱性高分子或いは５ｉＯＩ　ＳｉＯ□Ａｌ　２０３
アモルファス又は結晶性の５ｚｘ−ｘ）　０（Ｘ）　、
　Ｓ：１７ｉ−ｙ）Ｎ７　、５ｉ（ｚ−ｘ−ｙ）（’（
ｘ）Ｎ（ｙ）等又はその水素ハロゲン化物等が用いられ
る０シランや７ツ化シラランのグロー放電やスハツター
テ得うレるアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）でもよい
。特に本発明の太陽電池を螢光燈下で作動させる電池と
して電子装置に組み込む場合、ＡＭ−１１００ｍＷ／ｃ
ｔ！Ｌ’のような強い光が照射されると大きな電流が流
れる為に保護回路が必要になるが、ａ−８ｉのように光
照射時の電気伝導度の大きなものを本発明の絶縁膜とし
て用いる場合、螢光燈下では電気伝導度が小さいのでリ
ークは少ないが、屋外光のように、惺い光が当ると毛気
伝再度が大きくなり、光電流がリークして保護回路の役
割をするので好ましい。

これらの絶縁膜はＣｖＤＸ酸化、電子ビーム蒸着、スパ
ッタ、グロー放電分解で得られ、その厚みは、金属箔を
絶線できればよいので任意であるか、遊猟’１０００Ａ
から２０μｍぐらいが用いられる。

この絶縁族で金属箔を彷い、その上に下部電極としてＮ
ｉＸＭｏ、Ａｌ、　Ｐｔ青の金属電極や、■ＴＯ１ＳＩ
１１０２等の透明電極を所望のパターン忙蒸着する。第
４図は本発明実施例としての光起電力装憧を示し、１１
は金属箔、１２は絶縁膜で１３　、１４　、１５は該絶
縁基板上に膜状に形成された第１、第２、第３の発電区
域である。

該発電区域の各々は本発明のへテロ接合層１６と該層を
挾んで対向する第１電啄１７及び第２電洩１８から構成
されている。ヘテロ接合層１６１１−ｉ図示していない
が例えば第１図（ａ）の構造と同様に基板１［ｉ！Ｉか
ら順次堆積されたｎ型層、ノンドープ層（１層）及びｐ
型層のへテロ接合層からなり、斯るヘテロ接合層１６は
第１〜第３の発電区域に連続して姑ひている。

第１電極１７はｐ型層をオーミック接触する金属又は酸
化錫、酸化インジウム、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３＋Ｘ５ｎＯ
□。

ｘｌＯ，１）などで構成することができるが、工Ｔｏの
上に５０〜５００　Ａのｆｓｉｎｏ　２をつけたものが
特に好ましい。第２電極１８は透明な酸化錫ｍ２０８．
ＩＴＯ又は５ｎ０２の上に工ＴＯをつけた電極などで構
成される。

第１〜第３発電区域１３〜１５の夫々の第１電極１７及
び第２電極１８は基板１２上において夫々の発電区域の
外へ延びる延長部１９及び２０を有し、第１光嵐区域１
３の第２電極１８の延長部２０と第２発電区域１４の第
１電極１７の延長部１９とが、又第２発電区域１４の第
２電極１８の延長部２０と第３発電区域１５の第１１１
極１７の延長部１９とが夫々互いに１畳して釆気的に接
伏されている０又第１発信区域１３の、ｌ、≧１電極１
７の延長部１９には第２電極１８と同材料からなる接続
部２１が重畳被着されている。なお、２１はなくてもよ
い。上記装置の製造方法を簡単に許、明すると、その第
１工程で基板（１１＋１２）上に延長部１９を含んだ第
１電極１７の各々が選択エツチング手法又は選択スパッ
タ又は蒸着付着手法により形成池れ、第２工程で第１〜
第３発電区域に連続して≠令咲蛙ヘテロ接合層１６が形
成される。

このとき、該層は上記延長部１９　、２０に存在しては
ならないので、基板７上全面に上記幹呑≠幀ヘテロ接合
層を形成した後、選択エツチング手法により不安部を除
去するか、あるいけ不要部を％うマスクを用いることに
より所望部のみに上記１碓へテロ接合層が形成される。

続く最終工程において延長部２０を含む第２電極１８及
び接続部２１が選択スパッタ又は蒸着手法などＫより形
成される。

本実施例装置において、第２電極１８を介して光かへテ
ロ接合層１６に入ると、第１〜第３発電区域１３〜１５
の夫々において第１図の場合と同様に起電圧が生じ、各
区域の第１、第２電極１７．１８はその延長部において
又互に接伏されているので各区域の起電圧は直列的に相
加−され、第１発電区域１３に連なる接続部２１を一極
、第３発電区域１５の第２電極１８に連なる延長部２０
を電極として両極の間に上記の如く相加された電圧が発
生する。

父上記装置において、各発電区域の隣接間隔が小さいと
、隣り合う区域の第１電極１７どうし、あるいは第２電
極１８どうしの間で＠接電流が流れる現象、即ち漏れ電
流の発生が認められるかへテロ接合層１６の光照射時の
低抗値が数〜数士賄でるることを考慮すると、上記＠接
間隔を１μｍ以上に設定することによシ、上記漏れ電流
の影響は実質的に問題とならない。必要によりヘテロ接
合光起電力素子層１６を各発電区域に分離して形成され
、裏面電極と隣接する受光側電極とを直列に接続しても
よい。又実用に供する場合には第２電極側から密着包囲
する透明な高分子絶縁膜又は、ＳｉＯ□、ａ−３ｉＣ。

ａ−８ｉＮ、　ａ−８ｉ開等の透明な絶縁、喚を設けて
保護するのがよい。当然のことなから透光性基板で実施
することも良い。

以上の説明よシ明らかな如く、本発明の構造によれば、
ペテロ接合光起電力素子を用い、同一基板上にて複数の
発電区域を直列接伏したものであって、可撓性で小型に
してかつ任意の高電圧を発生する装置が得られ、従来の
ガラス暴政と同じ方法で作る事ができるのは金属箔を絶
縁した基板を用いたが故に実現されたものであり、その
製造に際しても第１図に示す従来の製造工程とほとんど
変るところなく簡単な膜形底工程のみで製造することが
でき、量産的にも極めて優れたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はｐ層側から光を照射するタイプの光起電
力素子を示す構造図で七つ”で、図中１は金拠箔、２は
絶縁膜、３け下部電極、４はｎ型層、５け１型、６けｐ
型非晶質ａ−８ｉ（ｚ−Ｘ−７）Ｏ（Ｘ）Ｎ（７）、７
は透明電極である。同図（ｂ）Ｉ／′ｉｎ層側から光を
照射するタイプを示す構造図で、７は透明電悼、４はｎ
型層　５ｉ（ｉ−ｘ−ｙ）０（ｘ）Ｎ（ｙ）、Ｓｕｉ型
層、６はｐ型層、３ｒ／ｉ下部電極又は絶縁膜、１は金
属箔である。第２画は本発明に係るヘテロｐ−１−ｎｉ
合光起電力素子のエネルギーバンドプロファイルである
。第３図は本発明に用いたヘテロ接合光起霜力素子（ａ
）と従来のａ−Ｓｉ　ｐ−１−ｎホモ接合光起電力素子
（ｂ）のＡＭ−１（１００ｍＷｚ−）の電流電圧特性を
示す図である。第４図（Ａ）￥ｉ本発明実施例装置を示
す側面図、同（Ｂ）及び（Ｃ）は夫々間（４）における
Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃ断面図である。 特許出願人　鐘淵化学工業株式会社 代理人弁理士内田敏彦 第２図 Ｅｖｎ 第３図　　　　　　　　１ ０．０　　０．２　　０．４　　０．６　　０．８　　
　ｔ。 出力電圧　（Ｖｏｌｔｌ ■４図 １７　　　　１７　　　　１７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、室温における電気伝導度が約１ｏ−’（Ω°ｃｍ）
   ″″１１以上るｐ型又けｎ　ｉｌの非晶質５１（１−ｘ
   −ｙ）　ｏ（Ｘ）Ｎ（７）と非晶質硅素より形成される
   ことを％徴とするヘテロ接合光電素子。 ２、上記非晶質５ｉ（ｚ−ニー７）０（Ｘ）Ｎ（ア）は
   、０．０４＜ｘ＋ｙ＜０．５　、　ｙ≧０であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のへテロ接合光
   電索子。 ３、上記非晶質５ｉ（１−ｘ−ｙ）０（ｘ）Ｎ（ｙ）は
   、ｓｌと０との合計に対して３　ａｔｏｍ％乃至４０　
   ａｔｏｍ％の水素及び／又はフッ素を含有するものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１．２項に記載”
   のへテロ接合光電素子。 ４、前記ｐ型又Ｖｉｎｆｆの非晶質Ｓ　ｉ　Ｃｘ　−ｘ
   −ｙ）０（ｙ：）Ｎ（ｙ）は、その光学同バンドギャッ
   プＦｉｇ−Ｏｐｔが１．８５ｅＶ以上であり、かつ２０
   ℃における電気伝さ度が約１Ｏ−８（Ω・閏）−１以上
   であり、かつｐ−１−ｎ接合の拡散電位が約１．１ｖｏ
   １ｔｓ以上であって、１層が真性アモルファスシリコン
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３項に記
   載のへテロ接合光電素子。 ５、前記ｐ型又はｎ型の非晶’Ｊ　５ｉ（１−Ｘ−ｙ）
   Ｏ（Ｘ）Ｎ（ｙ）は、その厚みが約３０〜３００　Ａで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１〜４項に記載
   のへテロ接合光電素子。 ６、前記へテロ接合の構造は、光線入射側から順次、透
   光性基板／透明宣孕／ｐ−１−ｎ接合／金礪電極または
   透明電極／ｎ−１−ｐ香合／金机石極／絶縁基板である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１〜５項記載のへテ
   ロ接合光電素子。 ７、電気絶縁性基板のうえに形成された桁上−の発電区
   域を有し、該区域の各々は、ｐ為゛、゛又はｎを・の非
   晶質”（１−ｘ−ｙ）０（ｘ）Ｎ（ア）と非晶質硅素と
   より形成されるヘテロ接合光電素子よりなり、光照射で
   発生した電子及び／又は正孔を集める奥一手段を含み、
   上記各区域の集土手段は各区域における光起電力が直列
   関保になるように互いに電気的に接続されてなることを
   特徴とするー・テロ接合光電装（財）。 ８、前記代数の弁′市区域は、金（１）苗土に形成した
   電気絶縁性基板のうえに、漠ｌで形成されていることを
   特徴とする特許詑牙の軸回第７項ＶＣ記載のへテロ接合
   光電装置。 ９、前記基板の電気絶縁性薄膜は、約１０−’（Ω・ｃ
   ｍ）−”以下の電気伝導度を有する傳涙である挙を特徴
   とする特許請求の範囲第７項又は第８項記載のへテロ接
   合光電装置。 １０　　前記電気絶縁性薄膜が、耐熱性高分子又は５ｉ
   ｎ１．ＳｉＯ□ｔ　Ａｌ２Ｏ３又はアモルファス若しく
   は結晶性の５ｉ（１−Ｘ）Ｃ（Ｘ）　、　５ｉ（１−ｙ
   ）”（ｙ）　、５ｉ（１−ｚ−ｙ）ＣｚＮｙ　１ａ−８
   ｉから選ばれる事を特徴とする特許り求の範囲第９項に
   記載のへテロ接合光電装管。 １１、　　前記へテロ接合光電素子の層が前記各発電区
   域上に分離して形成され裏面電ｊ七隣徽する受光側電極
   が直列に接続される事を特徴とする特許請求の範囲第７
   項又は第８埠に記載のへテロ接合光電装置。 １２、前記光照射によって発生した電子及び／又は正孔
   の集電手段は、少くとも光照射側が透明の電極である稟
   を特徴とする特許請求の範囲第７乃至第１１項に記載の
   へテロ接合光電装置。 １３、前記透明電極が、工Ｔｏ若しくは５ｎ０２又は工
   ＴＯ及び該工ＴＯとへテロ接合光起電カ、′−との界面
   に約５０〜５００ＡのＳｎＯ，をはさんだものである串
   を特徴とする特許請求の範囲第１２項に配転のへテロ接
   合光電装置。 １４、前記光起電力装置において、電＋ｉがＡＩ！、ス
   テンレス、モルブデン、　Ｐｔ　、　Ａｕ　、　Ａｇ、
   　Ｎｉの少なくとも一携以上からなる事を特徴とする特
   許請求の範囲第７乃至第１３項に記載のへテロ接合光電
   装置。 １５、前記各発電区域の集電手段相互間の電気的接＠は
   上記基板上にてなされている事を特徴とする特許請求の
   範囲第７乃至第１４項に記載のへテロ接合光電装置。 １６、前記集電手段の要素である第１電極、ヘテロ接合
   光電素子の集電手段の他の要素である第２電極の形成後
   に該舅２÷極側から各層する扁分子絶縁膜を設けである
   墨を特徴とする特許請求の範囲第７項乃至第１３項に記
   載のへテロ接合光電装置。 １７、前記へテロ接合光電装置は、主として室内で使用
   される携帯可能な小型電子装置の町源であることを特徴
   とする特計り求の範囲第７乃至第１６項に記載のへテロ
   接合光＠装置。