JPS59154081A

JPS59154081A - 太陽電池

Info

Publication number: JPS59154081A
Application number: JP58029111A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Hamakawa; 圭弘浜川; Hiroaki Okamoto; 博明岡本; Hironami Fujimoto; 藤本　浩波
Original assignee: Unitika Ltd
Current assignee: Unitika Ltd
Priority date: 1983-02-22
Filing date: 1983-02-22
Publication date: 1984-09-03

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、高効率の光吸収能を有する太陽電池に関する
ものである。

シランガス（ＳｉＨ４）　＋ジシランガス（Ｓｉｔ　Ｈ
ｓ　）等をグロー放電分解して得られる非晶質シリコン
薄膜は可視光に対する光吸収係数が単結晶シリコン、多
結晶シリコン等に比べて１〜２桁大きい。

そのため、太陽光を十分吸収利用するに必要な膜厚は数
ミクロン程度と単結晶シリコンの１／　ｔｏ。

程度の厚さですむという大きな利点を有する。この利点
を活用した非晶質薄膜太陽電池は、また工業生産という
面でも低温で作業が可能であること。

連続生産が容易であること、大面積のものが極めて簡単
に得られること等の４利な点を数多く有するために省資
源、省エネルギー型の低コスト太陽電池を実現し得るも
のとして大いに期待されている。

しかしながら、光エネルギーに変換する際の変換効率は
６〜７％と単結晶シリコン、多結晶シリコン等に比べて
低く、これを向上させることが大きな課題となっている
。ところで、非晶質シリコン薄膜を光起電力発生積層体
とする太陽電池では。

作製時の膜質にもよるが、光吸収により発生するキャリ
アーの拡散長が０．２〜０．５μｍと小さく。

そのために最高変換効率を得るための膜厚は通常０．３
〜０．８μｍ位に制限されている。非晶質シリコンの光
吸収係数は波長の増加とともに減少するため、太陽光の
短波長例の光はよく吸収されるものの、この程度の膜厚
では２例えば０．５５μｍ以上の長波長例の光は十分に
は吸収されず、太陽光エネルギーの有効利用の面では大
きな問題点である。

本発明者らは、かかる現状に鑑み、太陽光の吸収効率を
高め、かつ光起電力発生積層体としての機能を十分に発
揮し得る太陽電池を得るべく鋭意研究した結果、光起電
力発生積層体と裏面電極との間に光学的に透明な薄膜層
を設けると変換効率が向上するという事実を見出し２本
発明に到達したものである。

すなわち２本発明は非晶質半導体からなる光起電力発生
積層体を含む太陽電池において、該光起電力発生積層体
と裏面電極との間に光学的に透明な薄膜層を設けたこと
を特徴とする太陽電池である。

本発明に用いられる非晶質半導体としては１例えば周期
律表第４族の元素、すなわち炭素（Ｃ）。

ケイ素（Ｓｉ）　、ゲルマニウム（Ｇｅ）　、スズ（Ｓ
ｎ）の単独もしくは二種以上の元素から構成され、四配
位共有結合で特徴づけられる半導体的性質を有する不規
則固体であって、その中に存在する未結合手を水素又は
フン素で終端した半導体があげられる。好ましい具体例
としては、　　ａ　　Ｓｔ：　Ｈ＋　　ａ−５ｔ：　Ｈ
：　Ｆ、　　ａ−３ｔ：　Ｃ：　Ｈ，ａ　−３ｉ：　Ｇ
ｅ：　Ｈ。

ａ−５ｉ：　Ｓｎ：　Ｈ等があげられる。

非晶質半導体を作製する際に窒素、酸素等を混入されれ
ば、　　ａ−３ｔ：Ｎ：Ｈ，ａ−３ｉ：Ｏ：Ｈ等の半導
体が得られるし、また作製条件によっては一部微結晶相
を生ずることによって光学的ハンドギャップの広い半導
体が得られるが、このような半導体も本発明に用いるこ
とができる。

本発明における非晶質半導体からなる光起電力発生積層
体（以下光起電力発生積層体という。）としては２例え
ば上記のごとき非晶質半導体の薄膜層からなるＰ−ｉ−
ｎ構造（又はｎ−１−Ｐ構造）のホモ接合体あるいはへ
テロ接合体があげられ、さらにはこれらの単位Ｐ−ｉ−
ｎ構造（又はｎ−１−ｐ構造）を複数個積み合わせたタ
ンデム構造を有する積層体があげられる。

光起電力発生積層体の厚さは０．１〜５μｍが好ましい
。

本発明に用いられる光起電力発生積層体を作製するには
２例えばグロー放電分解法、スパッターリング法、イオ
ンブレーティング法、アーク放電分解法、減圧ＣＶＤ法
、光ＣＶＤ法等の方法が用いられているが、光起電力発
生の第一過程であるキャリアーの発生を容易にし、かつ
キャリアーの収集を円滑にして効率よく電力として取り
出すためには９Ｍ止帯中の局在電子準位の少ない良質の
積層体が必要であり、その観点からはグロー放電分解法
を用いるのが好ましい。例えば、グロー放電分解法によ
りａ−Ｓｉ：Ｉ（からなるｐ−１−ｎ構造のホモ接合光
起電力発生積層体を作製するには以下のようにすればよ
い。例えば、真空槽中の１５０〜３５０℃に加熱された
加熱板上に、透明電極をコーティングしたガラス基板を
設置し、１時間程度昇温し、しかる後シラン（５ｉＨ４
）　、ジホラン（８２Ｈ６）、ホスフィン（ｐＨ＋　）
等のガスを適宜供給し、圧力を０．１〜５　Ｔｏｒｒ、
に調節し１次いで１３．５６　Ｍｌｌｚの高周波を印加
してグロー放電を行わせ、上記ガス反応生成物を基板上
に沈着せしめて光起電力発生積層体を形成する′ことが
できる。

本発明の太陽電池において裏面電極とは、太陽電池の光
の入射する側を窓側電極とした場合の対向電極をいう。

太陽電池の場合、用いられる非晶質半導体のキャリアー
の拡散長が小さいので、光照射に際して発生する電力を
効率よく取り出すために、一般に光起電力発生積層体の
両面の全面にわたってキャリアー収集用の電極をつける
ことが行われる。この場合、光の入射する側の電極が窓
側電極であり、その対向電極が裏面電極である。

本発明において窓側電極としては、光起電力発生積層体
に対して、光をできるだけ透過するものが好ましく用い
られ３例えば可視光に対して透明度の高い　ＩＴＯ膜、
５ｎ０２膜、あるいはそれらの複合膜が特に好ましく用
いられる。

本発明の太陽電池においては、光起電力発生積層体と裏
面電極との間に光学的に透明な薄膜を設けることが必要
である。

本発明において、光学的に透明な薄膜層としては、　０
．５５μｍ以上の波長において、透過率が７０％以上、
特に８０％以上のものが好ましく５例えばＴｉ０ｘ（ｘ
＝１〜２）　、　５ｎＯｘ（ｘ＝１〜２）　、　５ｉＯ
ｘ（ｘ＝１〜２）　、　ＭｇＯ、ＳｉＮからなる薄膜層
があげられる。これらは単独の層でもよく、また二種以
上複合されたものであってもよいが、とりわけ電極とし
ての機能を補助する点から導電性の優れていること、ま
た薄膜層を構成する金属元素あるいは裏面電極を構成す
る金属元素の熱拡散による光起電力発生積層体への雇影
響を軽減する点がらＴｉ０ｘ（ｘ−１〜２）、５ｎＯｘ
（ｘ＝１〜２）からなる薄膜層が特に好ましい。光学的
に透明な薄膜層の厚さは、裏面電極を構成する金属が光
起電力発生積層体へ拡散浸透するのを防ぐ意味から１０
〜５００人、特に５０〜２５０人、さらには８０〜１５
０人であることが望ましい。

本発明において裏面電極としては高導電率かつ高反射率
を有する金属からなるものが好ましく用いられる。すな
わち、光起電力を外部回路にとり出す際の直列抵抗をで
きるかぎり小さくするために、導電率を示す特性値であ
る体積抵抗率がおよそ１．０Ｘ１０−４　　（オーム・
ｃｍ）以下であり、　０．５５μｍ以上の波長において
８５％以上の高反射率を有するものが好ましく用いられ
る。そのような金属の具体例としては、銀（Ａｇ）　＋
アルミニウム（ＡＩ）　。

金（Ａｕ）　、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、チタン銀が
あげられるが、特に銀、アルミニウム、チタン銀が好ま
しく、これらは単独で又は二種以上複合されて用いられ
る。使用する金属が高価である等の理由により厚さが十
分にとれず、直列抵抗を小さくできない場合には、さら
にそれらの金属に接して他の導電率の高い金属層を設け
ることもできるし。

また太陽電池の強度を補強する等の理由で、それらの金
属に接して他の金属や無機材料や有機材料を用いること
もできる。

本発明における光学的に透明な薄膜や裏面電極を形成さ
せる方法としては、蒸着法、スパンタリング法、イオン
ブレーティング法、減圧ＣＶＤ法等があげられる。例え
ば、蒸着法を用いて光学的にこ透明な薄膜としてＴｉＯ
ｘ　（ｘ　−１〜２）を、裏面電極としてＡＩの層を形
成させる場合には、以下のようにすればよい。例えば、
真空層中に光起電力発生積層体を形成させた基板を設置
し、この基板を加熱した後、酸素を導入し、電子ビーム
にてＴｉＯ２を蒸発させ基板上に蒸着させた後、酸素の
供給を止め、改めて高真空を達成し、ついで抵抗加熱に
てアルミニウム（ＡＩ）を蒸発させ、基板上に蒸着せし
めることにより裏面電極を形、戎することができる。

本発明において光起電力発生積層体と裏面電極との間に
光学的に透明な薄膜層を設けることによって著しく光起
電力特性が向上することは驚くべきことである。光起電
力特性が向上した理由は明確でないが、光学的に透明な
薄膜層が裏面電極で反射した０、５５μｍ以上の比較的
長波長側の光に対してなんらかの散乱効果を及ぼし、そ
の散乱効果のために反射光の光起電力発生積層体での光
学距離増大し、その結果としてこの光に対する吸収効果
が向上し、光起電力特性が著しく向上したものと推測さ
れる。また、゛裏面電極たる金属が光起電力発生積層体
に拡散浸透して光起電力特性が低下するのを光学的に透
明な薄膜が阻止する役割を果していることも推測される
。

本発明の太陽電池は、従来の非晶質太陽電池の欠点であ
った可視光エネルギーの比較的長波長側エネルギーの収
集効率が著しく改善されたものであって、優れた変換効
率を有する。本発明の太陽電池は、光起電力発生積層体
と裏面電極との間に光学的に透明な薄膜層を設けたもの
であるから。

特に高価な材料を要することもなく、また従来の太陽電
池の製造装置を用いて工業的に極めて簡便に作製するこ
とができる。

以下、実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明する
。

実施例１第１図にその構成を概念図として示した太陽電池を以下
のごとくにして作製した。

まず、化学研摩法にて表面を鏡面に仕上げたステンレス
基板１を脂肪洗滌した後、真空蒸着槽中に配置し、拡散
ポンプを用いて高真空に達せしめた。抵抗加熱法にてこ
の基板上に銀を１５００人程度蒸着せしめて反射率の優
れた裏面電極２を形成させた。次にこの基板をハロゲン
ランプにて昇温させながら、再び高真空に達せしめ１次
いで酸素を・　供給しながら電子ビーム法番ごてＴｉ（
ｈを蒸発させ基板上に透明な１００人の厚さのＴｉＯｘ
　（ｘ　＝　ｌ〜２）膜３を形成させた。このようにし
て準備した基板を容量結合型ＲＦグロー放電反応槽の加
熱板上に放置し、２５０℃に昇温させた。次いで１．５
　（Ｎｌ／　ｍｉｎ　）の割合でＮ２ガスを導入しなか
ら１００Ｗの高周波電力を印加して、槽内の不純物をス
パッター除去した。次に、水素で１０容量％に希釈した
シラン（５ｉＨ４）ガス中にジボラン（Ｂ２　Ｈ６）ガ
スを混合し、この混合ガスを反応槽中に導入し、３５Ｗ
の高周波電力を印加して５００人の厚さの２層４を形成
させた。さらにシラン（５ｉＨ４）ガスのみで５０００
人の１層５を形成させたのち、１容量％のホスフィン（
ｐＨ３）ガスを混合したシラン（５ｉｌＬａ　）ガスを
用いて同様に１００人のｎ層６を沈着せしめた。冷却後
、試料を取り出し、再び真空蒸着層内に設置し、高真空
下で２５０℃に昇温させた。昇温後、酸素を導入し、　
　Ｉｎｚ　０３９５重量％、　　５ｎ０２５重量％の混
合比率を有するターゲットに電子ビームを照射させ、基
板上に窓側電極７としてＩＴＯの透明導電膜を７００人
の厚さで蒸着せしめて薄膜太陽電池を形、成した。この
ようにして得られた０、０３３ｃ＋１の面積を有する薄
膜太陽電池の特性をＡト１のソーラーシミュレーター下
で測定したところ、　Ｊｓｃ−１６，１（ｍＡ／ｃｎり
　　　、　　Ｖｏｃ　　＝　　　０．８８１　　（Ｖ）
　　、　　　ＦＦ＝６４．５（％）、変換効率η＝９．
１７（％）と非常に優れた特性を示すことがわかった。

比較例１実施例１に用いたステンレス基板を脱脂洗滌し。

この基板を容量結合型ＲＦグロー放電反応槽に設置した
後、実施例１と同様の方法で光起電力発生積層体及び窓
側電極である透明導電膜を沈着せしめて、　０．０３３
　、ｆｆｌの面積を有する薄膜太陽電池を形成させた。

ＡＭ−１のソーラーシミュレーター下でこの薄膜太陽電
池の特性を測定したところ、　Ｊｓｃ　＝　１２．８（
ｍＡ／ｃｎ＋）　　　、　　Ｖｏｃ　　＝　　　０．８
６５　　（ｍＶ）　　　、　　ＦＦ＝６０．４　　（％
）η＝６．６８（％）であった。

比較例２Ｔｉｏｘ　（ｘ　＝　１〜２）膜を形成させなかった以
外は実施例１と同様にして０．０３３　ｃａの面積を有
する薄膜太陽電池を形成させた。

ＡＭ−１のソーラーシミュレーター下でこの薄膜太陽電
池の特性を測定したところ、　Ｊｓｃ　＝　　１４．０
（ｍＡ／ｃ＋ａ）　、　Ｖｏｃ　＝　０．８７５　（Ｖ
）　、　Ｉ’Ｆ＝５９．６　（％）。

η７７．３０（％）であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の太陽電池の構成を示す概念図である
。に基板　　　　２：裏面電極３　：　ＴｉＯｘ膜　　　　４：９層５：１層　　　　６：ｎ層７：窓側電極特許出願人　　ユニチカ株式会社特許出願人　　浜　川　圭　弘手続補正書（自発）昭和５８年５月９日特許庁長官　殿１、事件の表示特願昭５８．２９１１１号２、発明の名称太陽電池３、補正をする者事件との関係　　特許出願人住所　　尼崎市東本町１丁目５０番地名称　（４５０）ユ　ニ　チ　カ　株式会社代表者　平
　１）　豊（ほか１名）連絡先〒５４１住所　　大阪市東区北久太部町４丁目６８番地名称　　
ユ　ニ　チ　カ　株式会社　特許部電話　０６−２８１
−５２５８　　（ダイヤルイン）４、￥Ｍ正の対象（１）明細書の特許請求の範囲の欄（２）明細書の発明の詳細な説明の欄５、補正の内容（１）明細書の特許請求の範囲別紙のとおり訂正する。（２）明細書第３頁第４行の「光エネルギー」の次に「
を電気エネルギー」を挿入する。（３）同書同頁第１４行の「短波長例」を「短波長側」
と訂正する。（４）同書同頁第１６行の「長波長例」を「長波長側」
と訂正する。（５）同書第５頁第１行の「されれば」を「させれば」
と訂正する。（６）同書同頁第９行及び第１１行のＩＰ−ｉ−ｎ　ｊ
をｒｐ−ｉ−ｎ　ｊと訂正する。（７）同雷同頁第９行及び第１２行のＩｎ−１−Ｐ　Ｊ
を「ｎ−１−ｐ　ｊと訂正する。（８）同書第６頁第５行の「例えば、」の次に「ガラス
板に透明電極をコーティングした基板上に」を挿入する
。（９）同書同頁第６行〜第７行の「Ｐ−ｉ−ｎ構造の」
をｒｐ−ｉ−ｎ構造の類タイプ」と訂正する。 α０）同書第６頁第１２行及び第１２頁第１２行のｒｐ
ｌ（３ＪをｒＰｈｊと訂正する。（１１）同書第９頁第１３行の「例えば、」の次に「類
タイプ起動力発生積層体上に」を挿入する。（旧同雷同頁第１６行の「真空１層」を「真空槽」と訂
正する。＋１３１間書第同書頁第１１行〜第１２行の「光学距離
増大」を「光学距離が増大」と訂正する。Ｃｌ４）同書第１１頁第１１行の「以下のごとくにして
作製した。」の次に「本例は、基板上にｐ−１−ｎの順
に光起電力積層体を形成する逆タイプ太陽電池を示す。」を挿入する。（ＩＥＯ同書第１１頁第１３行の「脂肪」を「脱脂」と
訂正する。（ＩＧ）同書第１２頁第２行〜第３行の「放置」を１設
置」と訂正する。（１η同書同頁第９行のｒＰＭＪを「ｐ層」と訂正する
。（ＩｌｌＯｌｌ間頁第１６行のｒ　Ｉｎ２０３　Ｊを「
’ＪｌｎｌＯｚ　Ｊと訂正する。（１９）同書第１３頁第１８行のｒＴｉｏｘＪを「Ｔｉ
０ｘｊと訂正する。特許請求の範囲（１）非晶質半導体からなる光起電力発生積層体を含む
太陽電池において、該光起電力発生積層体と裏面電極と
の間に光学的に透明な薄膜層を設けたことを特徴とする
太陽電池。（２）光学的に透明な薄膜層がチタンの酸化物からなる
光学的に透明な薄膜層である特許請求の範囲第１項記載
の太陽電池。（３）チタンの酸化物がＴｉＯｘ　（Ｘ　＝　１〜２）
である特許請求の範囲第２項記載の太陽電池。（４）光学的に透明な薄膜層がススの酸化物からなる巻
学的に透明な薄膜層である特許請求の範囲第１項記載の
太陽電池。（５）スズの酸化物がＳｎＯχ（Ｌ−１〜２）である特
許請求の範囲第４項記載の太陽電池。（６）光学的に透明な薄膜層の厚さが１０〜５００Ａで
ある特許請求の範囲第１項記載の太陽電池。（７）裏面電極が高導電率かつ高反射率を有する金層か
らなる裏面電極である特許請求の範囲第１項記載の太陽
電池。（８）高導電率かつ高反射率を有する金属が銀、アルミ
ニウム又はチタン銀である特許請求の範囲第７項記載の
太陽電池。

Claims

【特許請求の範囲】（１１非晶質半導体からなる光起電力発生積層体を含む
太陽電池において、該光起電力発生積層体と裏面電極と
の間に光学的に透明な薄膜層を設けたことを特徴とする
太陽電池。（２）光学的に透明な薄膜層がチタンの酸化物からなる
光学的に透明な薄膜層である特許請求の範囲第１項記載
の太陽電池。（３）チタンの酸化物がＴｉＯｘ　（Ｘ＝　１〜２）で
ある特許請求の範囲第２項記載の太陽電池。（４）光学的に透明な薄膜層がスズめ酸化物からなる光
学的に透明な薄膜層である特許請求の範囲第１項記載の
太陽電池。（５）スズの酸化物が５ｎＯｘ（Ｘ＝１〜２）である特
許請求の範囲第４項記載の太陽電池。（６）光学的に透明な薄膜層の厚さが１０〜５００人で
ある特許請求の範囲第１項記載の太陽電池。（７）裏面電極が高導電率かつ高反射率を有する金属か
らなる裏面電極である特許請求の範囲第１項記載の太陽
電池。（８）高導電率かつ高反射率を有する金属が銀、アルミ
ニウム又はチタン銀である特許請求の範囲第７項記載の
太陽電池。