JPS5854680A

JPS5854680A - 光起電力装置

Info

Publication number: JPS5854680A
Application number: JP56153008A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Kuwano; 桑野　幸徳
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1981-09-29
Filing date: 1981-09-29
Publication date: 1983-03-31

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】本発明は非晶質半導体を用いた光起電力装置に関する。

この種装置として、基板上に互いに独立した複数の非晶
質半導体層領域を設け、隣接せる領域をその隣接対向幅
に亘って互いに電気的直列に接続した光起電力装置が既
に知られている。斯る装置の構造は任意の起電圧を出力
でき、かつ直列接続抵抗を小さくできる上で極めて好ま
しいものである・本発明は上記装置において、その電力変換効率の向上を
図るものである。

図は本発明実施例を示し、（１）はガラス等の透光性絶
縁基板、（２ａ）、（２ｂ）、（２ｃ）は該基板上に複
数個所定方向に配列被着された第１電極、（３亀）、（
５ｂ）、（３ｃ）は夫々第１電極（２＆）、（２ｂ）、
（２ｃ）上に被着された非晶質半導体層、（４ａ）、（
４ｂ）、（４ｃ）は夫々非晶質半導体層（３ａ）、（５
ｂ）、（５ｏ）上に被着された第２電極、（５）は上記
第１電極、非晶質半導体層、第２電極の積層体を該第２
電極側から密着包囲する絶縁膜である。

上記第１電極の各々と、それＫｌｌり合う第２電極の各
々とは、各隣接対向全幅ＬＫ亘って互いに上記配列方向
に延びる延長部（至）、（６）を有し、該延長部にて重
畳され接続されている。

上記第１電極は透光性を有し、酸化錫、酸化インジウム
、酸化インジウム・錫（ＩｎｔＯ１＋ｘｓｎｏｔ、Ｘ≦
ａ、１）などで構成され、上記第２電極はアルミニウム
、クロムなどで構成されている。

上記非晶質半導体層は光照射により発電に寄与する自由
キャリア（電子及び又は正孔）を発生するもので、具体
的には、上記第１電極側から順次積層されたＰ型層（社
）、ノンドープ層（至）及びＭＩＩ層（至）の３層構造
となっており、上記Ｐ型層は膜厚４０〜１０００ム、ド
ープｌｌｏ、ｏ１〜１にノンドープ層は膜厚α５〜２μ
ｓ、Ｎ型層は膜厚２００〜１０００ム、ドープ量０．１
〜３噂である。

上記装置において、基板（１）及び９Ｊ１電極を介して
光が非晶質半導体層に入ると、主にノンドープ層（至）
において自由キャリアが発生し、これらは第１電極や第
２電極に集められ両電極間に電圧が発生する。このとき
、左側の第２電極（４ａ）と中央の第１電極（２ｂ）　
、中央の第２電極（４ｂ）と右側の第１電極（２ｃ）が
夫々電気的接続された状態にあり、従って上記各対向電
極間の起電圧は直列的に相加される。又、対をなす第１
電極と第２電極及びこれらの電極間に介在する非晶質半
導体層からなる構成を一つの発電区域となすと、各発％
飄−斌（１２ａ）、（１２ｂ）、（１２０間の直列抵抗
勘＃与病嵜’参鯵話檎は小さいほど良いが、本発明実施
例−４＊電池にあっては、隣り合う第１、第２電極はギ
ｂ隣接対向全幅乙に亘って互いに上記配列方向に延びる
延長部ｆｌＩ、０υにて重畳接続されているので、各区
域間の電流が一部に集中することなく各発電区域間の直
列抵抗を小さくすることができる。

本実施例の特徴は、非晶質半導体層のノンドープ層（功
が光照射により発生した自由キャリアの第ある。

良く知られている様に上記の如くＰ型層Ｃ１１）　、ノ
ンドープ層（２）及びＮ型層（至）はＰＩＮ接合を構成
し、従って接合電界を生じる。第２図は通常のＰ工Ｎ接
合におけるエネルギ帯構造を示し、発生した自由キャリ
ア（図中黒丸は自由電子を、白丸は自由正孔を夫々示し
ている）が接合電界の影響を受けて移動するが、ノンド
ープ１−■の如く層厚の大きい領域ではエネルギ帯がほ
り平坦になるため接合電界の影響がほとんどない、従っ
て平坦なエネルギ帯部分で発生した自由キャリアは拡散
により移動しなければならない。

接合が単結晶材料から構成されている場合、上記自由キ
ャリアの拡散距離は、例えば正孔では単結晶シリコンに
おいて数百μｍである様に大きく、自由キャリアは接合
電界の影響が少なくとも十分移動し得る。しかし乍ら、
接合が実施例の如く非晶質材料から構成されている場合
、自由キャリアの拡散距離は、例えば正孔では非晶質シ
リコンに詔いて数百１といった様に極端に小さく、従っ
てノンドープ層（至）の厚さを５ｏｏｏＸとすると、そ
のうち、１０００〜２０００Ｘの領域が平坦なエネルギ
帯となるので、この領域を拡散により移動する自由キャ
リアは途中で再結合により消滅する確率が高く、その分
だけ光起電力効果を低減せしめる。

本実施例では、この様な非晶質半導体に特有の性質に留
意し、上記の如く、ノンドープ層（至）Ｋ自由キャリア
の移動を促進する内部電界を付帯せしめている。第３図
は本実施例におけるＰＩＮ接合のエネルギー帯構造を示
しており、図から判る様に、ノンドープ層（至）のエネ
ルギ帯はＰ型層（至）側からＮ型層（至）側に向って光
学的禁止帯幅が徐々に小さくなる形態にて傾斜している
。従って、ノンドープ層（至）内に生じる電界は自由キ
ャリアの第１、第２電極に向かう移動を促進せしめ、ノ
ンドープ層（至）での自由キャリアの消滅を防ぐ。

この様な内部電界を有するノンドープ層（至）の躯造例
は次の通りである。まず第１電極まで作成済みの基板＋
１１を反応室に入れ、斯る反応室にシラン８１Ｈ４ガス
とメタンＣＨ４ガスとジボランＢ、Ｈ４ガスとを７：３
：（ＬＯＯ２の比で満し、その上でグロー放電を生起せ
しめる。このとき基板（１）の温度れ、その主成分の組
成比は８１：Ｃ■７：３光学的＃１止帯幅は、１．９・
Ｖとなる。尚Ｐ型層（至）の厚みは約１５０ムである。

次いで、Ｐ型層Ｃ３１）を形成した基板（１＞を収容せ
る反応室にシランガスとアンモニアＮＨｉガスとを９：
１の比で満し、その上でグロー放電を生起せしめる。そ
の後グロー放電を続は乍ら徐々にシランガスの比率を増
加して最終的に１０：０となす。

このときの基板（１）の温度は２５０℃である。これ含
まれる主成分の組成比はＰ型層（２）Ｋ接する部廠が８
１：Ｎｘ９：１　で、その後ｓ１の比率が高まりＮ型層
（至）と接する部分では８１１００％となる。斯る組成
比の変化はノンドープ層（２）の光学的禁止帯幅をｒ型
９層６υとの境界にてｊ、９ｅＶ、それから最終的な値
１．６０Ｖに向けて徐々に小さくせしめる。

尚ノンドープ層（至）の厚みは約５ｏｏｏＸである。

続く工程では、ノンドープ層（２）を形成した基板（１
）を収容せる反応室にシランガスと７オスフインＰＨ１
ガスとをに０．０１の比で満し、基板温度２５０℃で同
様のグロー放電が行なわれる。この結果、ノンドープ層
（２）上［１１型の水素化非晶質シの厚みは約５００裏
であり、光学的禁止帯幅は１）６ｅＶである。

上記実施例において、Ｐ型層Ｃ１１）はＰ型の水素化非
晶質シリコンナイトライドで構成されても良い。

その場合のＰ型層の製造は上記ノンドープ層（至）の最
初の形成条件（但しジボランを含む）で行なわれる。

第４図は第２の実施例に対応するエネルギ帯構造を示す
。この実施例の特徴は、ノンドープ層（至）のみならず
、Ｐ型ＩＩ（９）及びＮ型層（至）においても主成分の
組成比を変化させたことＫある。斯る接合の製造に際し
ては、まず第１電極を形成した基板（１）を反応室にて
約２５０℃に保持し、斯る反応室にシラン８１Ｈ４ガス
とメタンＣＨ４ガスとジポランＢ、Ｈ６ガスとを１＝１
：α００２の比で満す、その上でグロー放電を生起せし
め、グロー放電中シランガスとメタンガスとの比率を、
シランガスが増加するべく徐々に変化させて、最終的に
シランガスとメタンガスとの比率を７：３となす、これ
によりＰｇの水素化非晶質シリコンカーバイＶが形成さ
れ、それに含まれる主成分の組成比は第１電極に接する
部分が８１：Ｃｘ１；ｊで、その後８１の比率が高まり
ノンドープ層（至）と接する部分ではＢ１：０ｗ７Ｈ５
となる。斯る組成比の変化はＰ型層（２）の光学的禁止
帯幅を第１電極との境界にて１゜ｅｖ、それからノンド
ープ層（至）との境での１．９ｅｖｋ向けて徐々に小さ
くせしめる。尚Ｐ型層（至）の厚みは約１５０ムである
。

続く工程では第１の実施例と全く同様にしてノンドープ
層（至）が形成され、次いでＮ型層（至）が形成される
。即ち、ノンドープ層（至）まで作成済みの基板（１）
を反応室に入れ、反応室をシランガス、塩化錫ＢｎＣｎ
イノスとフォスフインガスとを１００：０：１の比率で
満してグロー放電を行なう、基板温度は約２５０℃であ
る。そしてグロー放電中、シランガスと塩化錫ガスとの
比率をシランガスが減少すべ（徐々に変化させて、最終
的に斯る比率品質シリコン−、ｆＪＫ形成され、それに
含まれ号工収分の組成比はノンドープ層（至）七の境界
にて８１＝ＢＨ冨ｊ、Ｑ　Ｑ　：　Ｑで、その後Ｓｎの
比率が高まり第２電極と接する部分では９０：１０とな
る。斯る組成比の変化はＮ型層−（２）の光学的禁止帯
幅をノンドープｌｌｌ１（至）との境界にて１，６ｅｖ
、それから第２電極との境での１．４ｅＶに向けて徐々
に小さくせしめる。尚Ｎ型層（至）の厚みは約５ｏｏＸ
である。

本実施例で得られた装置に波長０．６μｍの光を入射し
た場合と、第２図の装ｆｉｌｌ（光学的禁止帯幅が約１
，７ｅＶではり一定とする）で同波長の光を入射した場
合とでは、短絡電流（Ｉ８ｃ）にして実施例装置の方が
約１．４倍の増加が得られた。斯る増加は光起電力効果
の効率向上をもたらすものである。

第５図は第３の実施例に対応するエネルギ帯構造を示す
。上記第１、第２の実施例では何れもノンドープ層＠の
厚みを大にして、光起電力効果に寄与する自由キャリア
の大部分を斯るノンドープ層（至）にて発生させるもの
であったが、第３の実施例ではＰＭ接合となし、Ｍ型層
儲の厚みを５０００ム程度に大きくし、斯る薦型層で多
くの自由キャリアを発生させてふり、その際Ｎ型層＠に
おいて主成分の組成比を変えたことに特徴がある。

この場合の製造も、上記各実施例と同様にして、Ｎ型層
形成時、反応ガスの成分・比を変化させることｋより行
なわれ、Ｎ型層の光学的禁止帯幅を徐々に小さくするこ
とができる。

上記各実施例において、反応ガスの成分比の変化は連続
的になされても良く、あるいは段階的に変化させること
もでき、後者の場合の得られる光学的禁止帯幅の変化は
階段的なものとなるがその階段幅が小さければ目的とす
る内部電界が得られる。

又、上記実施例ではＰ、工、Ｎの各層内では半導体材料
の主成分は同一で、その成分比のみを変化させているが
、上記各層内で主成分を徐々に１例えば段階的に変化さ
せて実質的に傾斜せる光学的禁止帯幅を形成することも
できる。

上記実施例では半導体材料の主成分として、シリコン、
炭素、窒素、錫、水素が用いられたが、その他リチウム
Ｌｌ、酸素Ｏ１弗素１、硫黄８、ゲルヤニラムＧｅ、セ
レン８・を用いることもできる。

特に、ＰｍＰ／ＩＪとして、非晶質シリコンや非晶質シ
リコンカーバイドの他に、非晶質シリコンオキサイドが
、又Ｎ型層として、非晶質シリコンや非晶質シリコン錫
の他に非晶質シリコンゲルマニウムが夫々好適である。

以上の説明より明らかな如く、本発明によれば、絶縁基
板上に配列された複数の第１電極、該第１電極の夫々の
上に、個別的に順次被着された非晶質半導体層及び第２
電極を備え、隣り合う第１、第２電極はその隣接対向幅
に亘って互いに上記配列方向に延びて重畳接続された光
起電力装置において、非晶質半導体に特有な自由キャリ
アの短い拡散距離に基づく効率低下を内部電界により改
善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の要部斜視図、第２図は従来例に
おけるエネルギ帯構造図、第３図乃至第５図は本発明実
施例におけるエネルギ帯構造図である。（１）・・・基板、（３ａ）、（３ｂ）　、（５ｃ）・
・・非晶質半導体層。特許出願人　工業技術院長石　　坂　　誠　　−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　絶縁基板上に配列された複数の第１電極、該
第１電極の夫々の上に１個別的に順次被着された非晶質
半導体層及び第２電極を備え、隣り合う第１、第２電極
はその隣接対向幅に亘って互いに上記配列方向に延びて
重畳接続されており、上記非晶質半導体層はその内部に
光照射により発生した自由キャリアの移動を促進する内
部電界を有するべく主成分を構成する原子の組成及び又
は組成比が変化する少なくとも一部の領域を備えている
ことを特徴とする光起電力装置。