JPS6348871A - 光起電力装置 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は複数個の単位発電素子を積層した光起電力装置
に関する。

（ロ）従来の技術 特開昭５５−１２５６８０号公報等に開示された如く、
ｐ　ｉ　ｎ、　ｐ　ｎ−ｎ”等の半導体接合を有する単
位発電素子を２重、３重或いはそれ以Ｅに多重に積属せ
しめた所謂タンデム構造の光起電力装置は既に知られて
いる。この様なタンデム構命の光起電力装置は光入射側
から見て前段のが１位発電素子に於いて発電に寄与する
ことなく透過した光を、後段の単位発電素子に於いて吸
収することができトータル的な光ｉｆ換効率を上昇せし
めることができる。また各車位発１素子の上記ｉ型層や
ｎ−型層のように光入射があると主として光キャリアを
発生する光活性層の光学的禁止帯幅（Ｅｇｏｐｔ）を調
整すれば各単位発電素子に於ける感光ピーク波長をシフ
トせしめる二とができ、より一層の光電変換効率の上昇
が図れる。

Ｅ足先活性層で発生した電子及び正孔の光キャリアは、
該光活性層を挾むｐ型層及びｎ型層が作る接合電界に引
かれて、電子はｎ型層に向って移動すると共に、正孔は
ｐ型層に向って移動して集電され外部に取り出される。

従って、単位発電素子にあっては実際に発電に寄与する
ｉ型層やｎ−型層のように不純物が全くドープきれてい
ないか、僅かにドープされた光活性層のみならず上記接
合電界を形成するための不純物層が不可欠な存在である
。

然し乍ら、この様に接合電界を形成するために不可欠な
不純物層と光活性】と同じく光入射経路に介在せしめら
れる結果、断る不純物層に於ける光吸収が多くなると光
活性層への光到達率が減少し、光電変換効率の大幅な低
下を招く。

特開昭５７−９５６７７号公報、特開昭５７−１０４２
７６号公報及び特開昭５７−１３６３７７・号公報には
、一つの単位発電素子からなる光起電力装置に於いて、
光活性層の光入射側前方に配置される不純物層、所謂窓
層を光活性層より光学的急止帯幅Ｅｇｏｐｔの広いアモ
ルファスシリコンカーバイド、アモルファスシリコンナ
イトライドのワイドバンドギャップ材料によって構成す
ることにより、斯る窓層に於ける光吸収の低減を図る技
術が開示されている。

従って、斯るワイドバンドギヤノブ材料の光吸収の低減
作用を、タンデム構造に於いて発電に殆ど寄与しない接
合電界形成用の不純物層に適用すれば当該不純物層に於
ける光吸収を可及的に減少させ、光電変換効率の上昇を
図ることができる。

一方、アモルファスシリコンを主体とする光起電力装置
に於いて、長時開動い光が照射せしめられると、その光
電変換効率が低下下ることが知られており、近年光電変
換効率を上昇せし、めるための研究と、経時劣化の低減
のだめの研究とが並行して行なわれている。即ち、初期
の光電変換効率の上昇が達成できたとしても、経時劣化
が著しければ光電変換効率の上昇は相殺され、逆に長時
間経過後には従来構造の光電変換効率を下回ることも発
生する。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 本発明光起電力装置は上述の如く複数個の単位発電素子
を積属した所謂タンデノ、構造に於いて、発電に殆ど寄
与しない接合電界形成用の不純物】に於ける光吸収をワ
イドバンドギャップ材料を使用することにより、可及的
に減少きせると共に、経時劣化を抑圧しようとすど）も
のである。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明光起電力装置はＦ記問題点を解決するために、相
隣り合う単位発電素子の接触界面に配置される不純物層
として、ｐ型のアモルファスシリフンナイトライドと、
ｎ型のアモルファスシリコンカーバイドとを用いたこと
を特徴とする。

（ホ）作用 上述の如くｐ型のアモルファスシリコンナイトライドと
ｎ型のアモルファスシリコンカーバイドのワイドバンド
ギャップ材料を相隣り合う単位発電素子の接触界面に配
置することによって、当該アモルファスシリコンナイト
ライドとアモルファスシリフンカーバイドの各層は前段
の単位発電素子に於ける光活性層で吸収されなかった入
射光を後段の単位発電素子に透過させると共に、経時劣
化に対しても有効に作用する。

（へ）実施例 第１図は本発明光起電力装置の基本構造を示す模式的断
面図で、ガラス等の透光性且つ絶縁性の基板（１）の一
方の主面にＩＴｏ、５ｎ０２停に代表される透光性導電
酸化物（Ｔ　ＣＯ’）の受光面１極（２）を形成した後
、夫々が単独で実質的に発電素子として機能する第１及
び第２の単位発電素子（ＳＣＩ）（ＳＣ２）が第１の単
位発電素Ｔ−（Ｓ０１）を上記受光面ｔａｉ（２）と接
した状態で順次端居されている。そして、第２の単位発
電素子（ＳＣ２）の露出Ｗ１である光入射方向から見工
背面に、ＡＮ、Ａｇ、Ａｆｆｉ／Ｔｊ、ＡＩ！／ＴｊＡ
ｇ、ＴＣＯ／Ａ＆、Ｔ　ＣＯ／Ａ　ｌ、Ｔ　ＣＯ／　Ａ
　Ｉ！　／　Ｔ　ｉ等の単層乃至三層構造の背面を極（
３）が結合されるている。

上記第１・第２の単位発電素子（ＳＣＩ＞（ＳＣ２）の
各々は、アモルファスシリコン（ａ−３ｔ）を主体とし
、Ｓ＋Ｈ＋、Ｓ（Ｆ＋、ＳｉＨ斗＋ＳｉＦ４．５ｉ２Ｈ
ａ等のシリコン化合物ガスを主原料ガスとし、適宜ｐ型
、ｎ型の価電子制御用のＢ２Ｈａ、ＰＨｚ等の不純物ガ
スや、ワイドバンドギャップ用のＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ
２Ｈ２、ＮＨ３，Ｎｏ等のワイドバンドギャップ用ガス
を添加シた！ｑ料ガスによるプラズマ分解や低圧水銀ラ
ンプを使用した光分解等により形成される。そして、各
単位発電素子（ＳＣＩ）（ＳＣ２）は、上記価電子制御
用の不純物ガスを全く含まない状態で形成きれたノンド
ープなｉ準急か、僅かに不純物を含んだスライドリイド
ーブな届からなる光活性考（４＋）（４２）と、該光活
性！（４＋）　（４２）で形成きれた光キャリアの移動
を促進する接合電界を発生させるべく当該光活性ｆｆｉ
＜４１）（４２）を挾んだｐ塑成いはｎ型の不純物Ｕ（
ｓ　ｄｌｌ）（５ｄｚ）、（５ｄ、Ｉ）（５ｄ１．）と
、かもなり、光入射側から見て、ｐＩｎ／ｐｉｎ或いは
ｎｉｐ／ｎｉｐのタンデム構造を備えている。

而して、本発明の特徴は互いに相隣り合う第１・第２の
単位発電素子（ＳＣＩ）（ＳＣ２）のｎ／ｐ或いはｐ　
／　ｎ接触界面にＬｌれる不純物層（ｓ　ｄ、＞（５ｄ
、、）として、数種のワイドバンドギｖンブ材料の組合
せの内から、ｎ型のアモルファスシリコンカーバイド（
ａ　　Ｓ（＋−エＣｘ）と、ｐ型のアモルファスシリコ
ンナイトライド（ａ　−８ｉ＋−ｘＮ工）との組合せを
選択したところにある。

下記第１表は光起電力装置の基本特性（初期値）である
開放”ＷＩＩＶｏｃ（Ｖ）、短絡Ｔ流Ｉ　ｓｃ（ｍＡ）
、フィルファクタＦＦ（％）、光電変換効率η（％）に
つさ本発明構造の実施例と従来構造の比較例とを赤道直
下の太陽光線（ＡＭ−１＞を擬似的に照射する照射強度
１００ｍ１Ｊ／ａｍ２０ソーラシュミレータを用いて測
定した実測値をまとめたものである。

第１表　基本特性（初期値） 斯己測定に供せられた光起電力装置は何れも光入射側か
ら見て、ガラス基板（１）／ＴＣＯ受光面電極（２）／
ｐｉｎ接合型第１単位発電素子（ＳＣＩ）／ｐｉｎ接合
型第２単位発７？［子（Ｓ　Ｃ２）／Ａ１！背面を極（
３）のタンデム構造であり、第１単位発′賓素子（ＳＣ
Ｉ）と第２単位発電素子（Ｓ　Ｃ２）との接触界面には
、第１単位発電素子（Ｓ０１）の不純物Ｗ＃（５ｃｔｚ
）はｎ型であり、第２単位発電素子＜　Ｓ　Ｃ２＞のそ
れ（５ｄｔｅ＞はｐ型が夫々配置きれた。そして、接触
界面を構成する第１単位発電素子＜ＳＣＩ＞の不純物層
（５ｄｌｌ）と第２単位発電素子（Ｓ　Ｃ２）の不純物
層（５ｄｚ＋＞の組成のみを可変とし、他の構成要素は
実施例及び比較例ともに共通仕様とした。第１・第２の
単位発電素子（ＳＣＩ）（Ｓ　Ｃ２）は特開昭５６−１
１４３８７’ｊ３公報に開示された、当該アモルファス
シリコンを主体とする単位発電素子（ＳＣＩ）（ＳＣ２
）の製造方法として一般的な王室分離式プラズマＣＶＤ
法を用いて製造した３本実施例に於けるプラズマＣＶＤ
法件を第２表に記すと共に、斯るＣＶＤ条件により製造
された構成を第３表に示す。

第２表　プラズマＣＶＤ法による製造条件・共通条件 １１Ｅ　Ｒ：　１３．５６ＭＨｚ高周波１Ｌ源ＳｉＨや
ガス流量：５〜１０（ＳＣＣＭ）ガス圧カニ　０．３〜
０．５（Ｔｏｒｒ）（以下、余白） 第３表　実施例構成 （以下、余白） 一方、比較対象となった比較例１は、実施例に於ける第
２単位発電素子（Ｓ　Ｃ２）のａ−５ｉ６．ｓＮｅ、ｌ
の界面不純物層（５ｄｔｌ）に代って第１単位発電素子
（ＳＣ＋）の不純物層（５ｄ１□）や（５ｄ□、）と同
じａ−８ｊｏ、ｅＣａ、＋を用いた構成にあり、また比
較例２は実施例に於ける第１単位発電素子（ＳＣ＋）の
ａ　　Ｓｊｏ　　＊Ｃ６，ｌの界面不純物Ｊｌ＜ｓａ、
りに代って第２岸位発、ｆ素子（Ｓ　Ｃ２）の界面不純
物層（５ｄＪＩ）と同じａ　−Ｓ　Ｉ　ｅ、ｓＮｅ、＋
を用いた構成にある。断る構成の異なる接合界面の構成
を第４表にまとめて示す。

第４表　接合界面構成 尚、各実施例乃至比較例のａ−３ｔ１−□Ｎいａ　−Ｓ
　ｉ　＋−ＸＣＸは光学的禁止帯幅Ｅｇｏｐｔがａ−８
ｉよりワイドな約２．０（ｅＶ）になるべくＳｉに対す
るＮまたはＣの含有量を上述の如＜Ｓｉ：　Ｎ（Ｃ）−
０，９：　Ｏ，Ｌに調整されている。

この様に第１・第２単位発？！素子（ＳＣ＋）（ＳＣ２
）の接合界面の不純物層（５ｄ、＞＜　５　ｄ＊＋＞と
して同じ光学的禁止帯幅Ｅｇｏｐｔを持つａ−８ｉ、−
８Ｃ工、ａ　　Ｓｔ＋−ｘＮｘにより構成する場合、同
一材料より構成するよりもｎ型暦としてａ−３ｊ　＋−
ｘｃｘを用いると共にｐ型層としてａ−５ｆ　１−ｘＮ
！を用いた時に光起電力装置に於ける基本特性の改善が
見られた。

一方、上記構成に於ける実施例及び比較例につき経時劣
化についてｉｉ！ｉｊ定した。劣化試験は、赤道直下の
太陽光線の光強度１００＋ｎＩＪ／　ＬＴＩｌ’の５倍
の強度である５００ｍｗ／ｃＩＴ１２のＡＭ−１光を５
時間照射したときの光電変換効率を測定し、初期値；こ
対する劣化率を求める光劣化試験と、２００℃５０時間
経通後の光電変換効率の初期値に対する劣化率を求める
熱劣化試験とを夫々個別に施した。その結果が第５表に
示しである。

第５表　経時劣化 この様に本発明実施例は比較例１．２に比して″Ｘ：起
電力装置の基本特性のみならず光及び／または熱による
経時劣化についても優れていることが判明した。

第２図は本発明実施例と比較例１の第１単位発￥Ｉｔ＊
子（ＳＣ１）に於けるｎ型界面不純物層（５ｄ＋＋）の
カーボン含有１ｔ（ｘ　）と光電変換効率（η〉の関係
をＸ−０，０，０２，０，０３，０，０５，０，１，０
，２，０，３，０，５の各々につき調査したものである
。斯る測定に於いては第２単位発電素子＜５Ｃ２）のｐ
型界面不純物層（Ｓａ、、）として、第４表記載の如く
本実施例がａ　　Ｓ　ｌ　ｅ、＊Ｎｏ、＋、比較例１が
ａ−Ｓｌ。、Ｃ９，の固定比率の膜を用いた。この測定
結果からｎ型界面不純物届（５ｄ、、）に於けるカーボ
ン含有Ｊｕ（ｘ　）を可変しても、司−の含有量にあっ
てはｐ型界面不純物酒（５ｄｚ＋）としてａ−３ｔ、−
。

Ｎ、を用いた本発明実施例の光電変換効率（η）がａ　
　Ｓ　ｉ　＋−ｘｃ工を用いる比較例１を上回ることが
判る。

一方、本発明実施例と比較例２の第２単位発電泰子（Ｓ
Ｃ２＞のｐ型界面不純物モ（５ｄｊｌ）の窒素含有ｆＪ
（ｘ　）と光電変換効率（η）の関係が第３図に示され
ている。斯る測定にあっては第１単位発Ｔｔ素子（ＳＣ
＋）のｎ型界面不純物層（５ｄｌｌ）として、第４表記
載の如く本実施例がＢ　　Ｓｊｏ＊Ｃｏ、＋、比較例２
がａ　−Ｓ　ｉ　ｏ、ｘＮ　ｅ、＋の固定比率の膜を用
いた。この測定結果からｐ型界面不純物層＜５ｄ＊＋）
に於ける窒素含有量（ｘ）を可変しても、同一の含有量
にあってはｎ型界面不純物層（５ｄｌりとしてａ　　Ｓ
ｉ＋−ｘｃｘを用いた本発明実施例の光電変換効率（η
）がａ　−Ｓ　１ｌ−ｘＮ　ｘを用いる比較例２を上回
ることが確認きれた。ただ、窒素含有量が０．０２以下
になると比較例２の光電変換効率が若干本発明実施例を
上回わることが予想されるものの、比較例２は経時劣化
が大きく、従って斯る低含有領域にあっても経時的には
本発明実施例の光電変換効率の方が比較例２を上回わる
ことになる。

尚、上記実施例にあっては２個の単位発電素子のタンデ
ム構造について説明したが３個或いはそれ以上のタンデ
ム構造に本発明は適用可能である。

（ト）　発明の効果 本発明光起電力装置は以上の説明から明らかな如く、相
隣り合う単位発電素子の接触界面に配置されるｐ型のア
モルファスシリコンナイトライドとｎ型のアモルファス
シリコンカーバイドの各不純物層は前段の単位発電素子
に於ける光活性層で吸収されなかった入射光を後段の土
佐発電素子に透過させると共に経時劣化に対しても有効
に作用するので、発電に殆ど寄与しない接合電界形成用
の不純物層に於ける光吸収を可及的に減少許せることが
でき、経時劣化の抑圧と相俟って光電変換効率の上昇を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明光起電力装置の一実施例を示す模式的断
面図、第２図は本発明実施例と比較例１のｎ型界面不純
物Ｍ（ａ　−Ｓ　ｉ　＋−ｘｃｍ）に於けるカーボン含
有量と光電変換効率との関係を示す特性図、第３図は本
発明実施例と比較例２のｐ型界面不純物層（ａ　　Ｓ　
ｉ　＋−ｘＮｘ）に於ける窒素含有量と光電変換効率と
の関係を示す特性図、である。 （′１）・・・基板、（２〉・・・受光面！極、（３〉
・・・背面電極、（４１）（４２）・・・光活性層、（
ｓｄ、、＞＜ｓｄ、、）＜ｓｄ！、）（５ｄ＋＋）・・
・不純物層、（ＳＣ＋）・・・第１単位発電素子、（Ｓ
Ｃ２）・・・第２単位発電素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）アモルファスシリコンを主体とする単位発電素子
   を複数個積層した光起電力装置であって、相隣り合う単
   位発電素子の接触界面に配置される不純物層として、ｐ
   型のアモルファスシリコンナイトライドと、ｎ型のアモ
   ルファスシリコンカーバイドとを用いたことを特徴とす
   る光起電力装置。