JPS5821827B2 - 光起電力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ； 本発明は光起電力装置に関する。

太陽電池や光検出器のような光起電力装置は太陽光線を
直接電気エネルギに変換することができるが、この種装
置の最大の問題として、他の電気エネルギ発生手段と比
較して電気費用が極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利
用効率が低いこと、更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。

ところが、最近、この様な欠点を一挙に解決す□る技術
として、上記半導体材料に非晶質シリコンの如き非晶質
半導体を使用することが提案された。

即チ非晶質シリコンはシランやフロルシリコンなどのシ
リコン化合物雰囲気中でのグロー放電によって安価かつ
大量に形成することができ、その場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
平均局在状態密度が１０１７ｃｆｒＬ′３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。

第１図は、ＧＤ−ａｓｉを用いた典型的な従来の太陽電
池を示し、１は可視光を透過するガラス基板、２は該基
板上に形成された透明電極、３，４及び５は夫々透明電
極２上に順次形成されたＧＤ−ａｓｉのＰ型層、Ｇ Ｄ
−ａ Ｓ ｉのノンドープ（不純物無添加）層及びＧ
Ｄ−ａｓ’ｉのＮ型層であり、６は該Ｎ型層上に設けら
れたオーミックコンタクト用電極である。

上記太陽電池において、ガラス基板１及び透明電極２を
介して光がＧ Ｄ −ａ Ｓ ｉからなるＰ型層３、ノ
ンドープ層４及びＮ型層５に入ると、主にノンドープ層
４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接合電界により引かれて移動
した後透明電極２やオーミックコンタクト用電極６に集
められ両電極間に電圧が発生する。

ところで、斯る太陽電池にあっては、その光起電圧は約
０．８Ｖ程度であるため、より大きな電源電圧を必要と
する機器の電源としては上記太陽電池はそのま＼使用で
きない。

そこで、斯る単一の発電区域から成る太陽電池の低出力
電圧を補うべく複数の発電区域を同一基板上に配置し、
該複数の発電区域を電気的に直列関係になるべく接続せ
しめたものが特公昭３６−５４６４号公報、実公昭５１
−２６０６４号公報及び特開昭５３−７０７８１号公報
に開示されている如く提案された。

然し乍ら、斯る先行技術に開示された太陽電池にあって
は、主として発電に寄与する半導体層は複数の発電区域
毎に分離された独立構造を持っており、下記の如き種々
の欠点が存在する。

（ａ） 各発電区域毎に分離せんがために半導体層形
成時に金属マスクを使用すると、斯る金属マスクに設け
られる各発電区域間を分離するマスク部の幅により半導
体層の分離間隔が決定される。

しかし、該マスク部の幅は、マスクを半導体層形成時の
熱サイクルによる熱変形に耐えさせると共に、マスク部
自身の強度を得ようとすると狭くすることができず、従
って発電に寄与しない無効面積の増大を招く。

（ｂ） 基板表面の各発電区域毎に被着形成ずみの各
電極の隣接部をも対応の半導体層が露出することなく覆
う必要があり、そのためには金属マスクを正確に位置決
めしなければならない。

即ち離間して形成された各区域の半導体層からその下に
ある電極の上記隣接部が露出すると、該露出部が次工程
で同一の半導体層上に対向被着されるもう一つの電極の
隣接部と接触し、一つの半導体層を挾んで対向する一対
の電極が短絡状態となるからである。

（ｃ） 此の種太陽電池の望ましい形態として大面積
の発電区域を得ようとすればする程、マスク部の長さは
長くなるために強度的に幅を広くしなければならず、従
って上記無効面積の増大並びに短絡事故は大面積を得よ
うとすればする程顕著となる。

（ｄ） 一方、各発電区域に連続的に連なった半導体
層を形成後、斯る半導体層を選択エツチング手法により
発電区域毎に分離すると、上記金属マスク使用に較べ分
離間隔を幅狭にすることができ有効面積を増大せしめる
こと′ノ≦できるものの、製造工程が煩残とならざるを
得ず、また上記分・ 離間隔も基板側電極の隣接部を短
絡事故から防止するために、上述の如く半導体層で覆わ
なければならず、上記電極の隣接部同士を近接せしめる
ことができない。

従って、幾ら半導体層の分離間隔を幅狭くしても発電区
域の有効面積を決定する電極同士を近接せしめることが
できない以上、有効面積を大幅に増大せしめることは望
めない。

一方、複数の発電区域を同一基板上に配置し、該複数の
発電区域を電気的に直列関係になるべく□接続せしめる
と共に、各発電区域を形成する半導体層が複数の発電区
域に連続的に連なった光起電力装置が米国特許第４０４
２４１８号明細書に開示されている。

然るに、斯る光起電力装置の各発電区域の電気的直列接
続形態は、半導体層を挾んで対向させる一対の電極群を
半導体層から延出せしめ直接導電的に結合されておらず
、半導体層の厚み方向の抵抗Ｒ１が低抵抗であることを
利用した特殊な接続形態を採っている。

即ち、半導体層を挾んで対向；せる一対の電極群は半導
体層から延出することなく、該半導体層の厚み方向の抵
抗Ｒ１が低いことを利用して、一つの発電区域の半導体
層上にある電極が当該発電区域に隣接する発電区域の半
導体層の下にある電極と低抵抗の半導体層を介してオ・
−バラツブすることにより、隣接する発電区域の各々は
電気的に直列関係になるべく接続せしめられている。

そのためには、半導体層の厚み方向の抵抗Ｒ０を極めて
低抵抗としなければならず、斯る半導体層として実現可
能な固有抵抗の極めて小；さいもの、例えば同米国特許
実施例の如＜ＣｄＳのような固有抵抗１〜１００Ωぼ程
度のものしか使用することができない。

従って、到底固有抵抗が遥かにそれを上まわる非晶質半
導体（非晶質シリコンのそれは不純物濃度にもよるが最
低でも１００にΩσ程度有り、また通常その厚み方向に
存在するノンドープ層にあっては１０８〜１０１０Ω温
である）では上記米国特許の如き構造を実現することは
不可能である。

一方、抵抗体の抵抗Ｒは周知の如く抵抗体の抵抗長りに
比例し、その断面積Ｓに反比例する関係にあり、固有抵
抗をρとすると、 Ｒ−ρ− で与えられる。

従って、上述の如く厚み方向の抵抗Ｒ１を面方向抵抗Ｒ
２に較べ小さく、換言するとＲ２をＲ１に比して大きく
するためには、抵抗Ｒ２の抵抗長である基板側電極の隣
接間隔をできるだけ大きくしなければならない。

その上、一つの発電区域の有効面積は当該発電区域に於
いて互いに対向する一対の電極によって区画されるもの
の、上述の如く隣接発電区域から延在した電極とオーバ
ラップしなければならないために、該基板側電極の当該
発電区域の電極と対向すべき面積を減少させる。

。その結果、発電区域の発電に有効に寄与する有効面積
の半導体面積に対する占有率は減少せざるを得ない。

更に、上記オーバラップ長は抵抗Ｒ０の断面積を決定す
る一要素であり低抵抗を実現するために。

は、斯るオーバーラツプ長を大きくする必要がある。

即ち、基板側電極の隣接間隔を縮小したとしてもＲ１〈
Ｒ２を実現するためには上記オーバーラツプ長をその分
増大させなければならず、隣接間隔を縮小したことによ
る有功面積の増加も、オーバラップ長の増大に伴なう無
効面積の増大により相殺される結果、実質的に発電に寄
与する有効面積の増加を図ることはできない。

従って本発明の目的は、従来の欠点を解消するＧＤ−ａ
ｓｉの如き非晶質半導体を用いた光起電力装置を簡単か
つ量産に適した構造より多段に直列配置し、任意の電圧
発生を得んとするものである。

第２図は本発明実施例としての光起電力装置を示し、７
は可視光透過可能なガラスなどからなる平担な絶縁基板
、８，９．１０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ＧＤ−ａＳｉ層１１と該層を挾んで
対向する第１電極１２及び第２電極１３から構成されて
いる。

ＧＤ−ａＳｉ層１１は図示していないが第１図の構造と
同様に基板７側から順次堆積されたＰ型層、ノンドープ
層及びＮ型層の３層からなり、斯るＧＤ−ａＳｉ層１１
は第１〜第３の発電区域に連続して延びている。

ＧＤ−ａＳｉ層１１を構成する上記各層において、Ｐ型
層は膜厚４０〜１０００人、ドープ量０．０１〜１％、
ノンドープ層は膜厚０．５〜２μｍＳＮ型層は膜厚２０
０〜１０００人、ドープ量０．１〜３％であり、各層の
形成温度は２００〜４００℃である。

第１電極１２は可視光透過性を有し、酸化錫、酸化イン
ジウム、酸化インジウム・錫（Ｉ Ｒ２ｏ３＋ ｘＳｎ
Ｏ□、Ｘ≦０．１）などで構成することができるが、酸
化インジウム・錫が特に好ましい。

第２電極１３はアルミニウム、クロムなどで構成される
。

第１〜第３発電区域８〜１０の夫々の第１電極１２及び
第２電極１３は基板Ｔ上において夫々の発電区域の外へ
延びる延長部１４及び１５を有し、第１発電区域８の第
２電極１３の延長部１４と第２発電区域９の電１電極１
２の延長部１４とが、又第２発電区域９の第２電極１３
の延長部１５と第３発電区域１０の第１電極１２の延長
部１４とが夫々互いに重畳して電気的に接続されている
。

又第１発電区域８の第１電極１２の延長部１４には第２
電極１３と同材料からむる接続部１６が重畳被着されて
いる。

上記装置の製造方法を簡単に説明すると、その第１工程
で基板７上に延長部１４を含んだ第１電極１２の各々が
選択エツチング手法又は選択スバ・ツタ付着手法により
、第１〜第３の発電区域８゜９．１０の夫々に分離して
形成される。

この第１電極１２の分離を選択エツチングにより行なえ
ば、第１電極１２の各々はエツチング精度に基づき極め
て近接することになり、発電に寄与する有効面積の増大
を促進し得る。

第２工程ではシランやフロルシリコンなどのシリコン化
合物雰囲気中に適宜不純物を添加しグロー放電を生起せ
しめ、第１〜第３発電区域８，９．１０に連続的に連な
ったＧＤ−ａＳｉ層１１が形成される。

このとき、該層）は上記延長部１４．１５に存在しては
ならないので、基板７上全面に上記３層からなるＧＤ−
３８１層を形成した後、選択エツチング手法により不要
部を除去するか、あるいは不要部を覆うマスクを用いる
ことにより所望部のみに上記３層からなるＧＤ−ａＳｉ
が形成される。

この場合、ＧＤ−ａｓｉ層１１を近接して第１〜第３発
電区域８，９．１０毎に分離する必要がない。

従って工程が煩雑であり、ピンホール等の発生を招くウ
ェットプロセスを含むフォトエツチング工程を利用する
必要がなく好適な製造方法としてマスクを使用して一体
的に連続したＧＤ−ａＳｉ層１１を形成することができ
る。

続く最終工程において延長部１５を含む第２電極１３及
び接続部１６が選択蒸着手法などにより形成される。

本実施例装置において、基板７及び第１電極１２を介し
て光が′ＧＤ−ａＳｉ層１１に入ると、第１〜第３発電
区域８，１０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１２，１３はその延
長部において交互に接続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８に連なる接続部１
６を電極、第３発電区域１０の第２電極１３に連なる延
長部１５を一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。

尚上記装置において第１電極１２に連なる延長部１４に
は電極材料の性質により外部リード線を超音波ボデンデ
イングなどにより接続するのが困難であるが、接続部１
６の存在はこれを容易になすものである。

又、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１２どうし、あるいは第２
電極１３どうじの間で直接電流が流れる現象、即ち漏れ
電流の発生が認められるが、ＧＤ−ａＳｉ層１１の光照
射時の抵抗値が数〜数十ＭΩであることを考慮すると、
上記隣接間隔は１μｍ以上に設定することにより、上記
漏れ電流の影響は実質的に問題とならない。

以下に本発明光起電力装置の具体的仕様、反応条件並び
に斯る装置の白色蛍光灯３００ルクス下に於ける特性を
列記する。

（イ）仕様 １つの発電区域 ５ｍｍＸ１２ｍｍ分離間隔
０．２ ｍｍ直列接続された発電区
域数 ７区域 （ロ）反応条件（高周波グロー放電） 基板温度 ２５０°Ｃ 高周波周波数 １３．５６ ＭＨｚ高周波
出力 ２０Ｗ ガス圧 Ｑ、３Ｔｏｒｒガス流量速
度 ２０ｃｃ／／ｎｔＲ成長速度
２λ／５ｅｃ（ハ）特性 開牧電圧 Ｖｏｃ ４．４■短絡電流
Ｉｓｃ １７ ｐｋ形状因子 ＦＦ
Ｏ，５４ 最大出力 Ｐｍａｘ ４０ ｐ、Ｗ最大単位
出力 Ｐｓｑ ９．５１ｔＷ／ｃｒ？ｉ第３図
は発電に寄与する有効面積と変換効率ηとの関係につい
て調べた特性図である。

この実験には照射強度１００ Ｗ／ｃｒ？ｔのＡＭ−１
光が用いられた。

同図から明らかな如く有効面積の増大に伴なってηは減
少することがわかる。

これは大面積化に伴ない酸化錫等の透明電極材から構成
される第１電極１２自身のシート抵抗が増大する結果、
斯る第１電極１２での電力損失が上昇することに起因し
ている。

以上の説明から明らかな如く、本発明の構造によれば、
非晶質半導体層は複数の発電区域の各々に連続的に連な
ると共に、該非晶質半導体層を挾む第１・第２電極を各
発電区域における光起電力が直列関係になるべく上記非
晶質半導体層の外で互いに電気的に接続せしめたので、
隣接する各発電区域の分離開隔を非晶質半導体の高抵抗
の固有抵抗と相俟って原理的には１μｍ程度にまで極め
て縮小することが可能となり発電区域の有効面積を大き
くすることができ、小型にしてかつ任意の起電圧を発生
する装置が得られる。

また、斯る装置は非晶質半導体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成工程の
みで製造することができ、更に半導体層を近接して分離
しなくても良いために、微細加工には適してはいるもの
の工程が煩雑であると共にピンホールの発生を招く危惧
を有するフォトエツチング処理を必要に応じてマスク処
理に変更することも可能となり、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図は従来装置を示す側面図、第２図Ａは本発明実施
例装置を示す平面図、第２図Ｂ及びＣは夫々第２図Ａに
おけるＢ−Ｂ及びＣ−Ｃ断面図、第３図は発電区域の有
効面積と変換効率との関係を示す特性図である。 Ｉ・・・・・・絶縁基板、８，９，１０・・・・・・第
１、第２、第３発電区域、１１・・・・・・非晶質シリ
コン層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光照射により発電に寄与する電子及び又は正孔を発
   生する非晶質半導体層と、該半導体層を挾み上記電子及
   び又は正孔を集める第１・第２電極と、から成る膜状の
   複数の発電区域を有し、該複数の発電区域は１枚の絶縁
   基板上に形成されていると共に、上記非晶質半導体層は
   複数の発電区域に連続的に連なり、更に各発電区域にお
   ける光起電力が直列関係になるべく隣接する発電区域の
   上記第１・第２電極は非晶質半導体層の外で互いに電気
   的に接続されていることを特徴とした光起電力装置。 ２ 上記非晶質半導体層の外で互いに電気的に接続せし
   められる第１・第２電極は、非晶質半導体層から直接導
   電的に、かつ互いに対面しない様に延出する延長部を備
   え、上記延長部を重畳させて各発電区域における光起電
   力の直列出力を得ることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の光起電力装置。 ３ 上記絶縁基板は光透過性を有すると共に、該絶縁基
   板と上記非晶質半導体層との間に設けられた第１電極は
   透明電極から成っていることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載の光起電力装置。