JPS6276569A - 薄膜光電変換素子 - 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】 産業上の利用分野 本発明は薄膜光電変換素子に関する。さらに詳しく言え
ば、薄膜光電変換素子の変換効率等の緒特性の改善に関
する。

従来の技術 光電変換素子はその用途から、光エネルギーを電気エネ
ルギーに変換するエネルギー変換素子と光情報を電気情
報に変換する情報変換素子に大別することができる°。

前者のエネルギー変換素子の代表として、光起電力効果
を利用した太陽電池がある。太陽電池は最近のエネルギ
ー事情に照らして、今後の新エネルギー源として期待さ
れ、広範な研究、開発が行われており、すでに一部では
実用化されている。

この太陽電池を始めとするエネルギー変換素子の開発、
研究に係る今後の課題は、低価格化とエネルギー変換効
率の大幅な改善にあるものと思われる。

一方、情報変換素子としては光起電力効果を利用したフ
ォトダイオードおよびフォトトランジスタや光導電効果
を利用した光導電セルなどがある。

これらの情報変換素子は、近年の光通信技術の発展に伴
って各種のものが開発され実用化されているが、今後の
情報変換素子の研究動向の１つとして集積化がある。す
なわち、同一基板上に情報変換素子と電気素子あるいは
他の光素子とを形成して情報の高速処理を可能とするも
のである。

このような情況の下で、最近エネルギー変換素子の低価
格化あるいは情報変換素子の集積化を目的としてこれら
光電変換素子の薄膜化が注目されている。光電変換素子
を薄膜で構成すれば、素子の集積化が可能になるばかり
でなく、高価な半導体材料が節約され、また量産に適し
た薄膜形成法を用いることができるので製造コストの低
減が実現される。

しかしながら、薄膜化により光電変換素子の低価格化お
よび集積化の問題は解決されるものの、。

光電変換効率等の特性の点ではまだ不十分であり、さら
に改善すべき余地が多分に残されている。

光起電力効果による、光エネルギーの電気エネルギーへ
の変換は、まず光電変換素子に入射した光が半導体活性
領域に吸収され、そこで電子と正゛孔とを形成し、かく
して発生した電子と正孔とが素子の内部電界によって分
離されることに基づく。

これを光電流あるいは光電値として外部に取出し、動力
源等として利用することができる。この内部電界は各種
手段によって実現することができ、例えばｐｉｎ型接合
、ショットキー障壁などがよく知られている。

一方、光導電効果においては、光電変換素子に入射した
光が半導体に吸収され、この光エネルギーにより形成さ
れた電子と正孔とがキャリヤとなって半導体の電気伝導
度が増加することに基づく。

この半導体に外部からバイアス電圧を加えることよって
、電気的出力を得ることができる。

従って、光起電力効果あるいは光導電効果を利用する光
電変換素子において、半導体領域に吸収される光量が大
きいほど、すなわち光の強さを一定とすれば半導体領域
内への光の浸透深さく光路長）が長いほど、形成される
電子および正孔の濃度が増して変換効率が向上すること
がわかる。

薄膜光電変換素子の従来例１としてアモルファスシリコ
ン（以下、ａ−３ｔとする）薄膜太陽電池の構成を第５
図に示す、すなわち、平坦なガラス基板１１と、その上
面に設けられたＳｎＯ□透明電極層１２と、透明電極層
１２の上に設けられたａ　−３４層１３と、ａ　−５ｉ
層１３の上に設けられたＭ電極層１４から構成されてい
る。ここで、ａ−５ｉ層１３はｐｉｎ型接合構造を有し
ており、透明電極層１２の上に順次ｐ型ａ−３ｉ層、ｌ
型ａ−３ｉ層およびｎ型ａ　　Ｓｉ層が積層されている
。

このような構成にして、ガラス基板１１側から入射した
光をａ　　３４層１３に導き、ここで光電変換させて、
ＳｎＯ□透明電極層１２とＭ電８ｉ層１４との間に起電
力を生じさせるものである。

しかしながら、ガラス基板１１の表面、ガラス基板１１
と透明電極１２との界面および透明電極１２とａ−３ｉ
層１３との界面における入射光の反射が原因となって、
ａ−５ｉ層１３に入射される光量が小さくなってしまう
。さらに、各層の界面が平坦かつ平行であるので、例え
ば光がガラス基板１１に垂直に入射したときには、ａ−
３ｉｊｉ１３にも同様に垂直に入射することになり、光
はａ　−３ｉ層１３内を最短距離を通って通過しようと
する。

その結果、素子の変換効率が低下してしまい、所望の特
性を得ることができなかった。

そこで、光電変換効率の向上を目的として考案された従
来例２の構成を第６図に示す。この従来例２は第５図の
従来例１において、Ｓｎ○２透明電掻層Ｉ２の表面に微
細な凹凸を形成し、その上にａ−３ｉ層１３を設けるも
のである。Ｓｎ○２透明電極層１２は例えばＣＶＤ法に
より形成することができるが、表面の微細な凹凸は、Ｃ
ＶＤ反応時の温度あるいは圧力等の設定条件の変更によ
って形成される。あるいは透明電極ｌ１１２とガラス基
板１１との間に他の例えばＳｉＯ□等の薄膜を形成し、
その５ｉ０２等の薄膜の表面に微細な凹凸を設けること
により、その上に形成される透明電極層の表面に同様な
微細な凹凸を形成することができる。かかるＳｉＯ□等
の薄膜の表面状態は、それらの膜形成条件によて制御で
きる。

この微細な凹凸が設けられたことにより、ガラス基板１
１から透明電極層１２に入射した光は、透明電極層１２
とａ　−Ｓｉ層】３との界面で不規則な方向に屈折ある
いは回折してａ−５ｉｊｉｌａ内に浸透する。従って、
ガラス基板１１に垂直に入射した光の大部分がａ−Ｓｉ
ｊｉｌａ内では斜めに進行するので、ａ　−５ｔ層１３
内における光路長が長くなり、この結果光電変換効率が
向上する。

しかしながら、一般に透光性をよくするために透明電極
１ｉ１２の厚さは数μｍ以下に設定され非常に薄いので
、この透明電極層１２に規則性のある所望の凹凸を形成
することは現在の技術では困難である。従って、形成さ
れた凹凸状態が不均一となり、ａ　−５ｉＪｉｌ１３内
における光路長の長大化が十分にはなされないため、光
電変換効率の向上が充分でない。

このようにして作製された第５図および第６図のような
構成の従来例１．２に係る太陽電池の諸特性を以下の第
１表に示す。ただし、従来例２は厚さ１μｍの透明電極
層１２の表面に約０．１μｍの凹凸を設けたものである
。

第１表 第１表に示されるように、透明電極層１２の表面に微細
な凹凸を形成した従来例２の諸特性は従来例１よりもわ
ずかに変換効率が大きいものの、まだ不十分なものであ
った。

また、これら従来例の他、反射損失を減少させるために
反射防止膜などを設ける方法もあるが、反射防止膜では
特定の波長域の光にしか有効でないので、十分な特性を
得ることはできなかった。

発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、太陽電池その他の光電変換素子にお
いて、薄膜化することにより低価格化および集積化の問
題は解決されつつある。しかしながら、変換効率等の諸
特性は依然として不十分であり、さらに一層の改善が望
まれている。

そこで、本発明の目的は、変換効率など諸特性の優れた
薄膜光電変換素子を提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明者は、変換効率等各種特性の優れた薄膜光電変換
素子を開発すべく種々検討、研究した結果、基板表面に
規則的な凹凸を設け、その上に一定膜厚の電極層や半導
体層を形成して光電変換素子を構成することが有効であ
ることを見出した。

すなわち、本発明の薄膜光電変換素子は、表面が凹凸形
状をなしている基板と、該基板表面上に形成され、半導
体層と該半導体層をはさむ電極層および微細な凹凸表面
を有する透明型ｗＡ層からなる多層薄膜とを有すること
を特徴とする。

また、本発明の好ましいＢ様においては、基板がガラス
からなっており、第１図にこの態様における本発明の薄
膜光電変換素子の断面図を示す。

以下、この断面図に沿って説明する。

まず、ガラス基板１の表面に所望の大きさの凹凸を形成
する。形成方法としては、 （１１表面状８１１節用のロールとして円筒面上に凹凸
が設けられたロールを用意し、ガラス基板製造時にガラ
ス軟化温度域のガラス基板の表面をこのロールで押付け
ることにより表面加工を施す。

（２）　　平坦な表面を有するガラス基板を製造した後
、該表面をエツチングすることにより粗面化する。

なお、エツチングの方式としては、ＨＦ、ＨＦ＋Ｎ　Ｈ
ａＦｌＨＦ　＋　ＨＮ’ｏ　２等をエツチング液とした
ウェットエツチング法やＨＦ、ＣＨＦ＊等をエツチング
ガスとしたプラズマエツチング法の他、スパソタエッチ
ンク法あるいはイオンビームエツチング法を用いること
ができる。

（３）　　平坦な表面を有するガラス基板を製造した後
、該表面に切削および研摩などの機械加工を施す。

などがあり、さらに以上のようにして凹凸を形成した後
、ガラス基板ｌの表面形状の安定化およびガラス基板１
の残留歪の是正を目的として熱処理を施してもよい。

ガラス基板１の上に形成される透明電極層２の材料とし
ては、透明度および導電性に優れたＳｎＯ２やＩＴＯが
適しており、ＣＶＤ法あるいは蒸着法−等により膜厚０
．０１〜５μｍ程度で形成する。

形成時の温度、圧力、形成速度等の形成条件の変更によ
り、透明電極層２の表面を微細な凹凸を有するものにす
ることができる。微細な凹凸は凹と凸の高さの差が０．
０３μｍ〜１μｍであ、ることが好ましい、又、一般に
は透明電極層の表面が微細な凹凸表面を存していれば、
半導体層と電極層の間も微細な凹凸表面を有するが、本
発明においては後二者の層の間については必ずしも微細
な凹凸表面を有していなくてもよい。

また、光電変換が行われる半導体層３としては、光吸収
係数の大きいａ　−Ｓｔ、　ＧａＡｓを始めとする■−
■族化合物半導体およびｎ−ｖｒ族化合物半導体を用い
ることができ、例えばａ　−３ｉの場合には膜厚０．５
〜ｌＩｊｍ程度、ＧａＡｓの場合には膜厚１〜２μｍ程
度、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法あるいは蒸着法等に
より形成する。なお、太陽電池等の光起電力素子を構成
する場合には、この半導体層３内にｐｎ接合、ｐｉｎ接
合あるいはへテロ接合を形成する必要がある。

最上層となる電極層４には、反射−率が大きく、かつ良
導性の金属材料が適しており、特にＭやＡｇ等を例示で
き、これらは蒸着法、スパッタ法、イオンブレーティン
グ法あるいはＣＶＤ法などにより形成される。　　　− なお、第１図に示される構成の他、凹凸形状を有する基
板上にショットキー障壁型あるいはＭＩＳ型太陽電池を
構成した光起電力素子も本発明の範囲に当然含まれる。

作　　　用 以上のような構成とすることによって、基板上に一定厚
の”ｉｌｉ＃を形成するだけで、薄膜の表面は基板表面
と同様の凹凸形状となる。さらに、前述の従来例２にお
いて表面上に凹凸を設けようとした厚さ数μｍ以下の透
明電極層に比べて、基板ははるかに厚いものであるので
、この基板表面に適度な大きさの凹凸を高精度で形成す
ることは容易である。従って、基板上に形成された薄膜
の表面を均一性の優れた凹凸形状とすることができる。

例えば、第１図に示す構成とした場合、ガラス基板１の
上に微細な凹凸表面を有する透明電極層１２、半導体層
３および電極層４を順次それぞれ一定の厚さで積層すれ
ば、半導体層３の表面は透明電極層２の表面と同様の凹
凸形状となる。

その結果、ガラス基板１を透過し、さらに透明電極Ｎ２
から半導体層３に入射する光は、第２図に示されるよう
に、まずＡ点で屈折光と反射光に分渡し、さらにこの反
射光はＢ点で再び半導体層３に入射して屈折光を生じる
。このように、ガラス基板１と透明電極Ｎ２との界面に
おいて、入射光の多重反射屈折が行われるので、この界
面での反射光損失量が減少する。

また、透明電極層２と半導体層３の界面においては、透
明電極層の微細な凹凸形状により入射光は複雑に屈折す
る。又、半導体層と電極層との間も微細な凹凸が形成さ
れている場合には、同様に電極層４に到達した光は半導
体Ｎ３と電極層４の微細な凹凸界面により複雑に反射す
る。

第２図かられかるように、半導体層３内に浸透していく
屈折光の進行方向は入射光の方向と異なるので、半導体
層３内の光路長が長くなる。また電極層４に反射率の大
きい材料を用いているので、半導体層３内で吸収されな
かった光は電極層４との界面で複雑に反射されて再び半
導体Ｎ３内を通過することになり、一層光路長が長くな
る。

また、均一性の良い凹凸形状のガラス基板１上に各層が
順次形成されるので、半導体層３の膜厚は均一なものと
なる。ここで、ガラス基板１上に形成された凹凸の局部
が鋭い形状になっていても、この上に透明電極層２を堆
積するので透明電極層２の上面は連続的な面となり、こ
の面上に形成される半導体層３は適度な凹凸状態となる
。従って、透明電極層２と電極層３との間のシャント抵
抗が小さくなることはない。

かくして、本発明の薄膜光電変換素子は変換効率が非常
に高いものとなる。すなわち、光導電素子においては閉
時の抵抗値と暗時の抵抗値との差が大きく、また光起電
力素子においては生じる電力が大きくなる。さらに、反
射防止膜による反射光量の減少と異なり、本発明では広
範囲にわたる波長域の光に対して反射損失の減少化が達
成される。

実施例 以下、本発明の実施例について添付図面を参照して説明
する。ただし、本発明は以下の実施例により同等制限さ
れない。

実施例１ 第１図に示す構成の太陽電池を製作した。

まず、ガラス基板１の製造時に表面状ａ調整用ロールを
通すことにより、ガラス基板Ｉの表面に第３図に示すよ
うなピンチ０．５ｍｍ、高さ０　、２２＋ａｎ＋、開口
角９０゛および凹部、凸部の曲率半径３５μｍの凹凸を
形成した。次に、ガラス基板１の凹凸面上にＣＶＤ法に
よって５ｎＯｚ透明電掻層２を厚さ１μｍ堆積し、その
表面は約０．１μｍの凹凸を設けた。さらに、透明Ｔｊ
ｌＮ層２の上にｐ型ａ　−３ｉ層、ｉ型ａ−３ｉＪｉお
よびｎ型ａ−５ｉＪｉを順次プラズマＣＶＤ法により形
成して、これをａ−５ｉ層３とする。なお、このプラズ
マＣＶＤ法の条件を以下の第２表に示す。

第２表 次に、ａ−Ｓｔ層３上にＭ電極Ｎ４を蒸着法より厚さ０
．５μｍ形成した。

実施例２ ガラス基板１表面上の凹凸形状を第４図のように設定し
た他は実施例１と全く同様の太陽電池を製作した。すな
わち、ピッチ０．５ｎ＋ｍ、高さ０．３６１１１ｍ。

開口角６０°および凹部、凸部の曲率半径３５μｍの凹
凸をガラス基板製造時に表面状態調整用ロールを通すこ
とにより形成したものである。

このようにして作製した実施例１および２の太Ｙ４電池
について各種特性を調べたところ、次の第３表に示すよ
うな結果が得られた。

第３表 従来の太陽電池の同様な特性はすでに第１表に記載した
。これらの結果の比較から、本発明による太陽電池は非
常に優れた特性を有することがわかる。

なお、上記の実施例１．２では太陽電池を構成したが、
その他の光起電力素子あるいは光導電素子を構成しても
同様に特性を示すことは言うまでもない。

発明の効果 以上詳しく述べたように、本発明によれば、基板表面上
に設けられた凹凸が光電変換の反射損失を減少させると
ともに、半導体層等の薄膜中での光路長を長大化する。

従って、幅広い波長域において変換効率が著しく向上す
る等、光電変換の各種特性が優れたものとなる。

かくして、本発明による薄膜光電変換素子は太陽電池、
光センサ、光導電セル等として用いるのに極めて適した
ものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明薄膜光電変換素子の一構成例を示す断面
図、 第２図は凹凸面による多重反射屈折を示す説明図、 第３図及び第４図はそれぞれ本発明の実施例１および２
におけるガラス基板ｌ上の凹凸形状を示す断面図、 第５図及び第６図はそれぞれ従来例の構成を示す断面図
である。 （主な参照番号） １．１１・・ガラス基板、　２．１２・・透明電極層、
３・・半導体層、　　　　　４・・電極層、１３・・　
ａ−５ｉ層、　　　　１４・−Ａ＃電極層、第１図 第２図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面が凹凸形状をなしている基板と、該基板表面
   上に形成され、半導体層と該半導体層をはさむ電極層お
   よび微細な凹凸表面を有する透明電極層からなる多層薄
   膜とを有することを特徴とする薄膜光電変換素子。
2. （２）前記半導体層がｐｎ接合、ｐｉｎ接合およびヘテ
   ロ接合のうちいずれかを有していることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の薄膜光電変換素子。
3. （３）前記基板がガラスからなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載の薄膜光電変換素子。
4. （４）前記基板の凹凸形状がロール成形により形成され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の薄膜
   光電変換素子。
5. （５）前記基板の凹凸形状がエッチングにより形成され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の薄膜
   光電変換素子。
6. （６）前記基板の凹凸形状が機械加工により形成される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の薄膜光
   電変換素子。