JPS6130079A - 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】 １７）技術分野 ］Ｏ発明ｔｒｉ　、多結晶シリコンとアモルファスシリ
コンによってｐｎ接合を形成し、光エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する光起電力素子に関する。

アモルファスシリコン薄膜を用いた太陽電池は、任意の
形状、寸法のものを容易に、安価に製造できるので、既
に広い用途を持っている。エネルギー変換効率も、満足
できる程度に達している。

一層のｐｎ接合だけでなく、ｐｎ接合を何層も重ねた多
段の太陽電池も作製されている。

（イ）従来技術とその問題点 アモルファスシリコンハ、Ｐ　ＣＶ　Ｄ　（ｐｌａａｒ
ａ　ｃｈ−に１ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉ■）法で
作られることが多い。シランガスＳｉＨ４と水素ガスＨ
２の混合ガスを容器内に流し、高周波電界を印加して、
これをイオンと電子に分離させプラズマとする。基板は
電極の上に置かれており、電場の力によって、イオンが
基板の上に付着する。化学反応がプラズマ中で起ってお
し、基板の上には、水素を含むシリコンの非晶質の薄膜
が形成される。水素を含むアモルファスシリコンである
ので、ａ−Ｓｉ：Ｈと書いて示すこともある。

水素を含むことによって、アモルファスシリコ、ンは、
構造敏感性を持つようになり、結晶シリコンのように、
ｉ型、ｎ型、ｐ型の層を作ることができるようになる。

ｎ型にするためには、ドーパントガスとしてＰＨ３を含
ませる。ｐ型にするためには、Ｂ２Ｈ６ガヌを加える。

アモルファスシリコンＨ１短ｆｆ１ｌｌＩ秩序５Ｒ（１
１：存在するが、長距離秩序ＬＲＯがない。グロー放電
によってプラズマにするが、基板温度は低く、基板はＳ
ｉ結晶ではないので、長距離秩序を欠くアモルファヌに
なる。

多結晶シリコン基板の上に、アモルファスシリコンの層
を形成し、適当カルｎ接合を作製した光起電力素子は、
従来から存在する。多結晶シリコンは、結晶シリコンの
ように、結晶成長炉で作る必要はないし、アモルファス
シリコンのように、薄膜のものしかできない、というも
のでもない。

通常のシリコンは、多くの場合多結晶である。任意の形
状のものを作ることができ、適当な厚みの板にもできる
から、基板として用いることができる。シリコン単結晶
ウェハと異なり、安価に基板を作ることができる。

多結晶シリコンは、簡単のため、ｐｏｌｙ−Ｓｉと書く
こともある。

第２図によって従来例を説明する。

光起電力素子は、下方から金属電極１１、ｐ型（７）　
多結晶シリコン基板１２、ｎ型のアモルファスシリコン
ＩＩｆ１３、ｐ型のアモルファスシリコン層１４、ｉ型
のアモルファスシリコン層１５．ｎ型のアモルファヌシ
リコン層１６、及び透明電極１７とよりなっている。

Ｍ　明を極１７は、例えばＩ　Ｔ　Ｏ（Ｉｎｄｉｕｍ　
Ｔｉｎ　０ｘｉｄｅ　。

ＩｎＯ２とＳｎＯ□の混合物）などである。

この光起電力素子は、ｐｎ接合が２つある２段の太陽電
池構造と寿っている。

一段目は、Ｐ型ａ−Ｓｉ層１４とｉ型ａ−Ｓｉ層１５、
ｎ型ａ−５ｉ層１６とよりなるｐ−１−ｎ接合である。

光がｉ型ａ−Ｓｉに入ると、ここで、電子・正孔対を作
る。ポテンシャルが存在するため、電子はｎ型領域へ、
正孔はｐ型頭域へと移動する。これによって、ｐ−１−
ｎ接合に起電力が発生する。

二段目は、ｐ型ｐＯリーＳｉ基板１２と、ｎ型のａ−Ｓ
ｉ層１３とよりなるｐ−ｎ接合である。接合部に入った
光が、電子・正孔対を発生する。同様な理由で、電子は
ｎ型、正孔はｐ型頭域へ流れるから、起電力が生じる。

二段の起電力素子であるから、得られる起電力は倍にな
る。

この光起電力素子の１００　ｍＷ／ｃｌの光照射時の出
力特性は、平均値で 短絡電流密度　　　１１．８ｍＡ／〜 開放電圧　　　　　１．２６Ｖ 曲線因子　　　　　　５４％ 変換効率　　　　　　８．０％ であった。短絡電流密度というのは素子の両側の電極１
１．１７を導体で短絡した時、この導体に流れる電流を
素子の断面積で割ったものである。

開放電圧は、電極間に抵抗体を接続しない時に生じてい
る電極間の電圧である。

曲線因子というのは、電圧・電流特性を端的に表現する
因子である。最大の電力を取り出すためには、電圧・電
流曲線、Ｖ軸、およびＩ軸で囲まれた領域内で得られる
矩形の面積が最大になる曲線の点に電圧・電流の値を定
めればよい。この時のパワーは最大パワーＰｍである。

短絡電流密度ｉｏ、開放電圧Ｖ。の積は、電圧・電流特
性が完全に角形である時に、取り出しうる最大パワーで
ある。

実際に電圧・電流曲線は角形ではない。角形からのずれ
が、曲線因子ζで、 と定義される。ｉｏ、■ｏが大きくても、ζが低いと、
最大パワーＰｍは必ずしも大きくない。

変換効率は、入射した光のエネルギーに対する得られる
最大電力エネルギーの比である。

このような公知のｐｏｌｙ−５ｉ基板、アモルファスシ
リコン層よシ々る光起電力素子には、製造が容易である
という長所のある反面、高変換効率が得られない、とい
う欠点があった。

（つ）　発明の目的 ｐｏｌｙ−５ｉ基板、ａ−Ｓｉ層よりなる光起電力素子
に於て、より変換効率が高く、大きい電力が得られる高
効率の素子を与えるのが本発明の目的である。

に）　　考　　　察 第２図の従来の光起電力素子が高変換効率を実現できな
い原因として、本発明者は次のように考える。

多結晶シリコンは、結晶粒が集っているのであるから、
結晶粒と結晶粒の間に境界がある粒界部には、格子欠陥
が大量に存在している。光によって、電子・正孔対が生
成されるが、これが、粒界部の欠陥によって再結合して
しまい、電流として外部へ取出せないとすれば、変換効
率が低くなるわけである。

粒界部の欠陥が再結合中心として働いている可能性が高
い。だとすれば、粒界部の欠陥を減せばよいはずである
。ｎ型ａ−Ｓｉ層１３．！＝ｐ型ｐＯ°ｌｙ　Ｓｉても
、この接合部の粒界で再結合したのでは、電流に寄与す
る部分が発生しないのである。

本発明者は、ｐｏｌｙシリコン表面の粒界部の欠陥を少
なくすることにより、高効率の光起電力素子を得ること
を試みた。

（イ）構　成 ｐｏｌｙシリコン表面粒界部の欠陥を減するため、どの
ようにすればよいか、本発明者は、検討を重ねた。

その結果、ｐｏｌｙシリコン基板の上にｎ型ａ−３ｉ１
３を形成する前に、ｉ型のａ−Ｓｉ層を緩衝層として、
５０人〜５００人の膜厚で形成する事が効果的であるこ
とを見出した。

ノンドープのシランガヌＳｉＨ４とＨ２ガスをグロー放
電しプラズマ状とし、ＳｉとＨで多結晶粒界の欠陥を終
端させる。このだめのｉ型ａ−Ｓｉ層を新たに設けるの
である。

ｉ型ａ−Ｓｉ層を設けた後は、第２図の例と同じように
層形成を行う。

新たに設けるａ−５ｉ緩衝層は、膜厚が５０Å以上であ
る事が望ましい。５０人未満では、膜として均一に形成
され遅いため、緩衝層としての効果が充分に期待できな
い。逆に５００人を越える膜厚では、ノンドープのｉ型
ａ−Ｓｉの抵抗が高いため、接合部の抵抗が高くなし、
良好な出力特性が得られない。

第１図は本発明の光起電力素子の縦断面図である。

金属電極１は、例えばＡ４などであり、厚さは、２００
０人程度人称る。

ｐ型のｐｏｌｙ　Ｓｉの基板２が、この素子の基礎とな
るもので、例えば帆３朋の厚さがある。この多結晶シリ
コンの上面が、先程述べたように問題である。本発明で
は、粒界の不規則性を水素によって埋めることが有効で
あるという着せに基づいて、水素を含むノンドープ（Ｂ
、Ｐを含まない）　ＳｉＨ４ガスをｐｏｌｙ　Ｓｉ基板
の上に通し、ＰＣＶＤ法で薄くｉ型ａ−３ｉ層８を設け
ている。ａ−Ｓｉ：Ｈの中に含まれる水素が、粒界の再
結合中心を補償してしまうのである。ｉ型ａ−５ｉ層８
は先はど述べたように５０〜５００人で薄いものである
。

ｉ型ａ−Ｓｉ層８の上には、ｎ型ａ−Ｓｉ層３が設けら
れる。例えば、膜厚はａｏｏｏ人である。

ｎ型ａ−Ｓｉ層３の上には、ｐ型ａ−Ｓｉ層４が形成し
てある。ｎ型、ｐ型は既に述べたように、ＰＨ３、Ｂ２
Ｈ６などのドーパントガヌをＳｉＨ４、Ｈ２ガスに混入
することによって作製できる。ｐ型ａ−３ｉ層４は例え
ば５００八である。

Ｐ型ａ−３ｉ層４の上には、ｉ型（ノンドープ）ａ−Ｓ
ｉ層５が形成してある。゛たとえば、膜厚は、５０００
人である。

ｉ型ａ−３ｉ層５の上には、ｎ型ａ−３ｉ層６がある。

この膜厚は、例えば１００人程人称ある。ｎ型ａ−３ｉ
層６の上には、透明電極７が設けである。これはＩ　Ｔ
　Ｏ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　０ｘｉｄｅ　）などであ
る。

下側のｐ−１−ｎ接合は、ｐ型ｐｏｌｙシリコン基板２
、ｉ型ａ−Ｓｉ層８、ｎ型ａ−３ｉ層３よりなる。光は
ｐ型ｐｏｌｙ　Ｓｉの中へ入って、ここで電子・正孔対
を生ずる。バンドギャップは約１．１６Ｖである。

赤から、黄色のヌベク）／しの光をよく吸収して、光電
変換する。正孔は、金属電極１へ拡散移動するが、電子
はｎ型ａ−Ｓｉ３までポテンシャルによつ”ｒ移動し、
ｎ型ａ−５ｉ３とｐ型ａ−５ｉ４の界面でｉ型ａ−３ｉ
５で生成された正孔と再結合する。

ｐ型のｐｏｌｙ　Ｓｉの表面は、水素を含んだａ−３ｉ
層８によって覆われているから、数多くの欠陥が水素に
よって補償され、これが電子、正孔の再結合中心になら
ない。

上側のｐ−１−ｎ接合は、ｐ型ａ−Ｓｉ層４、ｉ型ａ−
Ｓｉ層５、ｎ型ａ−Ｓｉ層６よシ々る。光によって電子
・正孔対ができるのは、主にｉ型ａ−Ｓｉ層５に於てで
ある。ｉ型ａ−Ｓｉのバンドギャップは約１．８ｅＶで
ある。紫、青、緑など主に短波長の光を吸収する。

防）効　果 本発明の効果を評価するために、第１図に示す光起電力
素子を作製し、第２図に示すものと比較した。ｉ型ａ−
３ｉ層８の厚みは１００人であった。

１００　Ｗｅｄの光を照射した時の出力特性は、短絡電
流密度　　　　　　１４．６帖南開放電圧　　　　　　
　　１．４２Ｖ 曲線因子　　　　　　　　　６１％ 変換効率　　　　　　　　１２．６％ であった。第２図の光起電力素子よシも、変換効率は５
０％以上増大している。短絡電流密度も、開放電圧も増
加しておし、高性能の光起電力素子であることが分る。

この理由は、多結晶シリコン基板表面の粒界がｉ型の緩
衝層によシ覆われ欠陥の数が減少したためであろうと考
えられる。

割　他の構成 この例は、Ｐ型のｐｏｌｙ　Ｓｉ基板の上に、アモルフ
ァヌシリコンを、ｉ型、ｎ型、ｐ型、ｉ型、ｎ型の順に
積層している。

全体の構成に於て、ｎとｐとを入れかえても同じことで
ある。すなわち、ｎ型のｐｏｌｙ　Ｓｉ基板の上に、ｉ
型、ｐ型、ｎ型、ｉ型、ｐ型と積層し、上に透明電極を
設けるようにしてもよい。

これは、三層ｎ−１−ｐ構造の素子を二段に重ねたもの
である。しかし、多結晶シリコンを基板とする、一段又
は三段の素子についても、同様に本発明を適用する事が
できる。

二段目より上のアモルファスシリコン薄膜の構造につい
てはｎ−１−ｐという、ｉ型層を介在させるものが普通
である。しかし、多結晶シリコンを基板とする場合、こ
の上には、直接に、反対の特性のアモルファスシリコン
薄膜を付すのが通常であった。

本発明では一段の素子の場合でも、多結晶シリコン基板
（ｎ又はｐ）の上にｉ型緩衝層８を介して、反対の特性
のａ−５ｉ層（ｐ又はｎ）を形成するのである。

三段の素子の場合は、このよう々多結晶シリコン基板、
ｉ型緩衝層、ａ−Ｓｉ層と続く、一段の素子の上に、ｎ
−１−ｐ又はｐ−１−ｎのアモルファヌシリコンの三層
構造を、さらに二段重ねるのである。

この発明では、ｐｏ１ｙシリコンは基板の全体を構成し
ている、という事が必要なのではなく、基板の表面がｐ
ｏｌｙシリコンである場合にも有効である。

ガラスやヌテンレスなどの安価な基板の上に、ｐｏｌｙ
シリコンの薄膜を形成し、この上ヘアモルファヌシリコ
ンの薄膜を積層する場合でも同様で、ｐｏｌｙシリコン
表面の粒界に生ずる欠陥を、ｉ型ａ−Ｓｉによって終端
し、欠陥の数を減する、という事が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す二段の素子構造の光起電
力素子の縦断面図。 第２図は従来例に係る二段の素子構造を持つ光起電力素
子の縦断面図。 １　・・・・・・・・金属電極 ２　・・・・・・・・　ｐ型多結晶シリコン基板３　・
・・・・・・・　ｎ型アモルファスシリコン層４　・・
・・・・・・　ｐ型アモルファスシリコン層５　・・・
・・・・・　ｉ型アモルファスシリコン層６　・・・・
・・・・　ｎ型アモＩレファヌシリコン層７　・・・・
・・・・透明電極 ８　・・・・・・・・　ｉ型アモルファスシリコン緩衝
層発明者　　　　　川　合　　　弘 小　　林　　忠　　− 特許出願人　　　　　住友電気工業株式会社第２図 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ｐ型又はｎ型の多結晶シリコンよりなる基板又は多結
   晶シリコン薄膜を設けた基板の上に、１層又は多層のア
   モルフアスシリコン層を形成し、前記多結晶シリコンと
   、アモルフアスシリコンの最下層とでひとつのｐｎ接合
   を構成した、少なくともひとつ以上のｐｎ又はｐｉｎ接
   合からなる光起電力素子に於て、前記最下層のアモルフ
   アスシリコン層を形成する前に、前記多結晶シリコン上
   に、前記アモルフアスシリコンとは別のノンドープのｉ
   型のアモルフアスシリコンの緩衝層を５０Å以上５００
   Å以下の膜厚で形成してある事を特徴とする光起電力素
   子。