JPS6284570A - 光電池デバイス - 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、エネルギー変換デバイス、詳細には太陽放射
エネルギーを電気エネルギーに変換する光電池デバイス
に関するものである。

（発明が解決しようとする問題点） エネルギー源としての石油に対する依存とその供給の不
確実性のために、代替エネルギーたとえば太陽放射エネ
ルギーを利用する不断の努力が続けられている。光電池
デバイスは、太陽放射エネルギーを電力に変換するため
に使用されてきた。

太陽放射エネルギー牽電気エネルギーに変換する作用を
する半導体を組み込んだ光電池は、比較的厚い結晶半導
体構造、通常はｐ型とｎ型を組み合せて作られる。ｎ型
半導体とｐ型半導体の構造は、照射を受けない面にオー
ミック接触する電流コレクタ、一般には、金属ベース・
プレートを有する。また、上記構造は、透明電流コレク
タ、一般には、照明を受ける上面に置かれたインジウム
・錫の酸化物などの欠陥酸化物を有している。

単結晶物質を使用する上記の光電池構造においては、キ
ャリヤ再結合を可能最小レベルに減らすために、最小限
の格子欠陥が存在する。光電池の効率は、バンド・ギャ
ップ・エネルギーによって制限され、バンド・ギャップ
・エネルギーは良好な吸収、すなわち単位面積当りの電
流が太き（なるように、太陽スペクトルのそれにできる
だけぴったり整合させなければならない。しかしながら
、もしバンド・ギャップが低いと、可能な限り広い範囲
の波長を吸収するため光電池の発生電圧が低くなると共
に活動的電荷キャリヤの再結合のため光子エネルギーの
多くが熱となって浪費される。

同様に、もしバンド・ギャップが高いと、発生電圧は大
きいが、吸収に必要な高エネルギーの光子の数が少く、
その結果、単位面積当りの電流が減少する。このように
、単位面積当りの電圧と電流で測定されるエネルギー出
力は、約１．３−１．４電子ボルトの所で最大値を有す
る増加・減少関数である。単結晶シリコン（１，１ｅＶ
）は、この領域に近いが、はずれており、ヒ化ガリウム
（１，４３ｅＶ）は、この範囲にさらに近い。これらの
材料は、高品質の単結晶材料から作られた光電池におい
て、抵抗、再結合、その他の要因を考慮に入れても、た
とえば１７−２０％の範囲の高い効率を生み出すことが
可能である。しかしながら、このような光電池の製造コ
ストは非常に高い。

低コストの半導体光電池を得るため、多結晶シリコン材
料が検討された。しかし、これらの構造は、高品質の単
結晶光電池の効率に比べて効率を大きく低下させる粒子
境界での再結合と、キャリヤ・トラッピングの２つの問
題に突き当った。

安価な材料を使用しながら、太陽スペクトルを最大限に
使用することによってより高い効率を得るもう１つの試
みは、“積層”光電池構造を使用するものである。この
試みでは、２個以上の光電池が、光学的に直列になるよ
うに積層される。２光電池構造を例にとると、理論的に
、上部光電池は、太陽スペクトルの短かい波長部分を吸
収するように設計すべきであり、したがって適度に高い
バンド・ギャップのものにすべきである。もし、電気変
換の点から、上部光電池の吸収が非常に効率がよければ
、太陽スペクトルの長波長の残りの部分は、２番目の下
部光電池により、もしそのバンド・ギャップの適度に低
ければ、高い電気変換効率で吸収することができる。２
個の光電池は、個々の電圧が加算されるように、理論上
電気的に直列に接続すべきである。また、短波長の太陽
スペクトルを吸収して上部光電池に発生した電流密度（
ｍＡ／ａａ）は、必然的に長波長の太陽スペクトルによ
って下部光電池に発生した電流密度に等しく、その値が
最大になるように、両光電池のバンド・ギャップおよび
吸収率を定めるべきである。

それらの条件が満されれば、個々の光電池を別個に使用
する場合よりも高い効率を得ることが可能である。

上部光電池は、当然、電気エネルギーに変換されない太
陽スペクトルの部分に対し透明であるべきである。これ
には、非常１こ薄い光電池構造にする必要があり、さも
なければ、長い波長の太陽スペクトルを吸収して無駄な
損失が生じよう。上記の光電池は、ｐ−１−ｎ（ｐ−真
性半導体−ｎ）型と呼ばれる薄膜のものにすると都合が
よい。下部光電池には、かかる制約はない。原理的に、
積層２光電池構造は、安価な材料で作ることができ、個
々では効率は劣るかもしれないが、全体では、厚い全単
結晶ｐ−ｎ接合光電池の効率に近いか、それを越える効
率を生み出すことが可能である。

たとえば、１９８３年１０月１７日〜２１日に開催され
た第５回Ｅ、Ｇ、光電池太陽エネルギー会議において、
岡田氏他による論文ｒ１２％以上の効率を有するａ　−
３ｉ／Ｐｏ１ｙ　ｃ−Ｓｔ積層太陽電池」の中で公表さ
れたように、多結晶シリコンを使用した積層太陽電池に
ついて、本人の申し立てによると、少なくと、も１２％
の変換効率が実験室において得られている。前記特許で
は、多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ　ｃ−Ｓｔ）にアモルフ
ァス（非晶質）・シリコン（ａ−Ｓｉ）太陽電池を積層
したものを用いている。上述の構造は、理論上約１８％
の効率に達することが可能であるが、太陽電池の効率を
制限する基本的な問題を依然としてかかえている。

最近では、たとえば約１２０ナノメートルの全厚を有す
る薄膜アモルファスｎ−Ｉ−ｐシリコン光電池の積層構
造について検討がなされている。

簡単な積層構造の場合は、光電池を特徴づけるバンド・
ギャップと厚さが適当な太陽エネルギーの吸収にとって
最適にならない。内部キャリヤ再結合損失が性能を制限
するため、達成された効率は約３％に過ぎず、太陽スペ
クトルの大部分は浪費される。上記の構造は、米国特許
第４．４６６、８６９号に記載されており、この特許は
、いかにしてバンド・ギャップを変えるか（いかにして
最適電流密度を達成するかではない）について述べてい
る。

もう１つの問題点は、各層に等しい電流密度を得るため
に必要なバンド・ギャップ、および整合した吸収特性を
有するアモルファス材料の薄い層を製作することである
。したがって、光電池用に選択される材料は、利用可能
な厚さ、および光電池の接合部における材料の正しい整
合能力の点から選択しなければならない。光電池システ
ムに使用される半導体の厚さを薄くすることによってコ
ストを下げることは可能である。しかし、半導体を薄く
し過ぎると、エネルギーリリースを起させるため太陽放
射を加えたとき、その半導体に関するバンド・ギャップ
の曲がりのために十分な空間が必要であるため、デバイ
スが働かないかもしれない。

解決しなければならないもう１つの重要な問題点は、数
個の層内のキャリヤが境界トラップ・サイトにおいて相
互に結合する傾向があるため運転効率が低下することで
ある。このため、使用されることがある異なる半導体間
の直接の接触のほか、格子不整合を避けなければならな
い。またｎ−ｐ−ｎ−ｐ半導体構造をエネルギー変換に
用いると、中央のｐ−ｎ接合部におけるキャリヤの流れ
は、２つのｎ−ｐ接合部に対し反対の方向に作用するの
で、隣接するｎ−ｐ光電池の寄与が相殺されることがわ
かった。

上述の諸問題は、中でも、材料の厚さと電気的キャリヤ
特性、材料の格子不整合と変換効率の低さに関係してい
ることは明らかである。これらの要因が組み合わさって
、光電池の製造を経済的に成り立たなくしている、すな
わち魅力のないものにしている。それゆえ、高い効率と
薄い厚さをもつ太陽エネルギー変換用光電池デバイスの
研究と開発の努力が続けられている。

（問題点を解決するための手段） 本発明の目的は、従来より高い効率で太陽放射エネルギ
ーを電力に変換する改良型光電池デバイスを提供するこ
とである。

本発明に従って、光電池デバイスは、ｎ型半導体、真性
（１）半導体、およびｐ型半導体を含む少なくとも１個
の比較的薄い光電池すなわちｎ−１−ｐ光電池で作られ
ている。光電池は、光学的に直列になるように、別のｎ
−ｐまたはｎ−１−ｐ光電池の上に縦に積層されている
。上部光電池が照射された太陽スペクトルの短かい波長
部分を吸収し、下部光電池が上部光電池を透過した太陽
放射のより長い波長の第２のスペクトル部分を吸収する
ように、各光電池を異なる厚さの異なる半導体で作るこ
とが好ましい。光が積層全体を通過するとき太陽スペク
トルの連続吸収が生じるように、追加のｎ−１−ｐ光電
池を光学的に直列に積層してもよい。２個以上の光電池
を使用する場合には、２個の上部光電池の下の付加セル
は、太陽放射スペクトルの別の波長部分を吸収する半導
体で作られる。これには、積層を下に行くにしたがって
光電池のギャップを減少させる必要がある。

積層全体は、光学的および電気的に直列に配列されてい
るので、個々の光電池の電圧は加算される。

それらの厚さと吸収率は、積層体の各光電池の電流密度
がほぼ等しくなるように計画される。

（発明の効果） 本発明の特徴は、個々の光電池の接合場所のｎ−ｐ層の
間に透明オーミック層を設けたことである。これにより
、再結合が事実上防止されるので、太陽放射エネルギ′
−を電気エネルギーへ変換する効率が効果的に向上する
。特に、透明オーミック層により、個々の層間のキャリ
ヤ干渉を伴わずに異なる材料の半導体層を使用すること
ができ、光電池を最適化するためより広い特性の選択が
許されるので都合がよい。その上、透明オーミック層は
、たとえばプラズマ蒸着による製造の連続工程において
、個々の光電池を保護する。

（実施例） 以下添付図面について発明を説明する。

バンド・ギャップの関数である所望のエネルギー出力を
適当な効率で達成するために、図面に例示したような縦
型光電池デバイスを採用している。

デバイスは、導電性ベース・プレート１０を有し、その
上にｐ型半導体層１２とｎ型半導体層１４が連続して堆
積される。このｐ−ｎ層１２．１４の上方に、２個のｎ
−１−ｐ光電池１６．１８が作られる５ｎ−１−ｐ構造
は、各セル内の電流密度をほぼ等しくすることによりデ
バイスの効率を高めるように計画される。

最大効率を得るための基準は、各光電池を構成する層の
厚さと材料特性である。これらは、照射された太陽放射
の広いスペクトルを吸収する構造の上から下にバンド・
ギャップが漸増するように調整される。実例として、真
性層は約１００−４００ナノメートルの厚さを有し、各
ｎ−Ｉ−ｐ光電池のｎ型層とｐ型層の厚さは１０−４０
ナノメートルの範囲内にあることが好ましい。

本発明に従って、ｎ型半導体層１４とｎ　−１−ｐ光電
池１４のｐ型層２４の間および光電池１６のｎ型層２６
と光電池１８のｐ型層２８の間には、それぞれ透明導電
性窓２０．２２が形成されている。積層構造の一番上に
は、透明導電１ｉ３０が形成されている。透明層３０に
照射された太陽放射は、透明光電池１６．１８を透過し
て最下位のｎ−ｐ光電池１４．１２に達し、発生した電
気エネルギーは、ベース・プレート１０と透明導電層３
０の電気接点によって集められる。

好ましい実施例において、最上位のｎ−Ｉ−ｐ光電池１
８は、所望する高いバンド・ギャップ、たとえば２．Ｏ
ｅＶが得られるように混合されたアモルファス・シリコ
ンで作られている。中間のｎ　−Ｉ−１）光電池１６に
も、アモルファス・シリコンが使われているが、これは
、米国特許第４．２２６．８９８号や同第４．２１７．
３７４号に記載されている方法によりたとえばチタニウ
ムまたはアルミニウムで作ることができる。そのバンド
・ギャップは、低温プラズマ法を使って薄膜の中で混合
することによりより低い値、たとえば１．７　ｅＶに変
えられている。

最下位の光電池１４．１２は、単結晶材料、たとえば１
．３２ｅνのバンド・ギャップを有するリン化インジウ
ム、あるいは１．４８ｅＶのバンドギャップを有するテ
ルル化カドミウム、あるいは１．４２ｅＶのバンドギャ
ップを有するヒ化ガリウムで作られる。

太陽放射が当ると、最上位のｎ−１−ｐ光電池１８は、
太陽スペクトルの短かい波長部分を吸収する。第２のｎ
−１−ｐ光電池１６は、太陽スペクトルのより長い波長
部分を吸収する。もしこの配列に付加ｎ−Ｉ−ｐ光電池
追加すれば、太陽スペクトルの異なる波長部分が吸収さ
れ、その結果、デバイスの全電気出力が増加することは
明白である。このようにして、太陽スペクトルの大部分
を吸収し、エネルギー変換に利用することができる。

光電池デバイスによって生じた電気エネルギーは、電気
リード線３２により、利用装置（図示せず）へ供給され
る。

実例として、２個のｎ−１−ｐ光電池を用いる構造にお
いては、１．７５ｅＶと１．１５ｅＶのバンドギャップ
を有する材料が使用されており、この構造は、理論的に
は２１％の効率が可能である。３個のｎ−１−ｐ光電池
を有する構造においては、２、ＯｅＶと１．７ｅＶと、
１．４５ｅＶのバンドギャップがそれぞれ用いられてお
り、この構造は理論的に２４％の効率を達成することが
可能であろう。

ｎ−１−ｐ構造に所望するバンドギャップを与えるため
に、別の合金を使用することができる。

たとえば、Ｓｉ：Ｈアモルファス・シリコンの窒素合金
は、１．７−２．２ｅＶの範囲のバンドギャップを得る
ことができる。錫合金は、１．３−１．７　ｅＶの範囲
のバンドギャップを得るために使うことができる。

もっと低いバンドギャップの場合は、ガルマニウム合金
を使うことができる。

以上、太陽スペクトルの短かい波長部分を吸収する第１
の上部光電池と太陽スペクトルの長い波長部分を吸収す
る第２の下部光電池を用いることにより、太陽放射エネ
ルギーを電力へ変換する効率が大幅に改善された光電池
デバイスについて説明した。得られた全電圧の大きさは
、各セルから得られる電圧の和である。

デバイスの隣接するｐ型層とｎ型層の間に通常存在する
格子不整合の問題は、ｐ型導電層とｎ型導電層の間Ｇご
、透明導電層を置（ことによって解決されている。図面
に例示した複合光電池を採用することにより、積層した
個々の光電池に化学的に異なる半導体を使用することが
できるという利点があり、その結果、これまで達成され
たものよりも高い効率が得られる改良型光電池デバイス
を作ることができる。

本発明の範囲は、明記した材料またはパラメータに限定
されない。たとえば、ｎ−１−ｐ構造のほかに、ｐ−■
−ｎｔＪｌ造を使用してもよい。最下位の光電池を厚い
層で作り、それより上の各層を薄い半導体層で作ること
もできる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明の複合光電池デバイスの断面図であ
る。 ＩＯ・・・導電性ベース・プレート、 １２・・・ｐ型半導体層、 １４・・・ｎ型半導体層、 １６．１８−ｎ−１−ｐ光電池、 ２０．２２・・・透明導電性窓、 ２４・・・ｐ型層、 ２６・・・ｎ型層、 ２８・・・ｐ型層、 ３０・・・透明導電層、 ３２　・　・　・　リード線。 図面の浄ｉ！に内容に変更なし） 手続補正書く方式） ％式％ １、事件の表示　　昭和６１年特許願第１２７８４７号
２、発明の名称　　　　光電池デバイス３、補正をする
者 事件との関係　　出願人 名　称　　エレクトリック　パワー　リサーチインスチ
テユート　インコーホレーテッド４、代理人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）放射エネルギーを電気エネルギーに変換する光電
   池デバイスであって、 導電性ベース・プレートと、 前記ベース・プレートの上に連続して置かれたｐ型およ
   びｎ型半導体層と、 前記ベース・プレートの上に形成されたｐ型半導体層と
   真性半導体層とｎ型半導体層から成る第１光電池と、 前記第１光電池の上に形成されたｐ型半導体層と真性半
   導体層とｎ型半導体層から成る第２光電池と、 前記第２光電池の上面に形成された透明導電層と、 から成り、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層の間の
   接合部に透明な導体が形成されていることを特徴とする
   前記の光電池デバイス。