JPH0147907B2 - - Google Patents

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JPH0147907B2
JPH0147907B2 JP55054864A JP5486480A JPH0147907B2 JP H0147907 B2 JPH0147907 B2 JP H0147907B2 JP 55054864 A JP55054864 A JP 55054864A JP 5486480 A JP5486480 A JP 5486480A JP H0147907 B2 JPH0147907 B2 JP H0147907B2
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solar cell
solar
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strips
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Jon Hanaku Josefu
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RCA Corp
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    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明はアモルフアス・シリコン太陽電池に
関し、特に、２層またはそれ以上の層の水素化ア
モルフアス・シリコンの帯状体が直列に接続され
てタンデム積層型構成に配置されたものに関す
る。
光起電力装置すなわち太陽電池は太陽幅射を使
用可能な電気エネルギに変換することができる
が、このエネルギ変換は光起電力効果として太陽
電池の分野では公知である。すなわち太陽電池に
入射し、活性領域に吸収された太陽幅射が電子と
正孔とを形成し、この電子と正孔とが例えば太陽
電池の整流接合等の内蔵電界によつて分離され
る。
整流接合はＰ型、Ｉ型およびＮ型の水素化アモ
ルフアス・シリコン領域を有する活性半導体層に
おいて形成される。太陽幅射が適当なバンドギヤ
ツプに吸収されることによりＩ型領域に発生した
電子は電子正孔対を生成し、この電子正孔対がＮ
型領域に向う電子とＰ型領域に向う正孔とに分離
されて電池の光電圧および光電流を形成する。太
陽電池の綜合性能は半導体材料に吸収される種々
のエネルギおよび波長の光子の総数を増すことに
より向上する。
1979年４月19日付米国特許願第31460号明細書
には進歩したアモルフアス・シリコン太陽電池の
タンデム接合構造が開示されている。この構造は
１つの光路を持つタンデム積層型に構成され、ト
ンネル接合により電気的に相互接続された２個ま
たはそれ以上の水素化アモルフアス・シリコン層
を含み、その水素化アモルフアス・シリコンの各
層は導電度の異なる領域を有してそれぞれの内部
に内蔵電界を形成している。この各層は太陽スペ
クトル中の種々のエネルギの光子の分布をさらに
完全に吸収するため同じまたは推奨実施例では異
なるバンドギヤツプを持つことができ、このため
この太陽電池構体は太陽スペクトルの吸収範囲の
拡大によつて進歩した性能を示している。しかし
大面積の太陽電池には光電流を収集するためにグ
リツド電極を設ける必要があり、このグリツド電
極が活性領域を利用し得る太陽幅射の約10％まで
遮蔽する上、太陽電池の大きさと電流が増大する
に従つてグリツド電極の複雑さも増し、大面積太
陽電池の大きさに実用上の制限を作つてしまう。
従つて、グリツド電極による遮蔽効果や寸法制
限を受けることなく種々の波長およびエネルギの
太陽幅射を最大限に吸収し得る構造が極めて望ま
れる。
この発明のアモルフアス・シリコン太陽電池は
直列に接続された複数個のタンデム接合太陽電池
セルの帯状体を備え、そのタンデム接合太陽電池
セルはタンデム式積層型に構成されたトンネル接
合により分離された複数個の水素化アモルフア
ス・シリコン層より成る。このアモルフアス・シ
リコン層の厚さは効率が最大になり、各層の電流
が等しくなるように調節されている。太陽電池セ
ルの帯状体の長さに基本的な制限はないが、その
幅はこの太陽電池が発生する電流の収集にグリツ
ド電極を要しないように選ばれる。このタンデム
接合太陽電池セルの帯状体の水素化アモルフア
ス・シリコン層のバンドギヤツプはその水素濃度
の調節により約1.5〜1.8eVの範囲に亙つて変える
ことができる。
次にこの発明を添付図面によつてさらに詳細に
説明する。図には高電圧タンデム接合直列太陽電
池が太陽電池１０として示されている。太陽電池
１０の表面に入射する太陽幅射１００はこの太陽
電池の各層または各領域の入射面に対する基準点
である。太陽電池１０は通常の窓ガラスまたは硼
珪酸ガラス等の材料より成る透明基板３２を有
し、この基板３２上に酸化インジウム錫等の透明
導電性酸化物（以後TCOと呼ぶ）の帯状体３４
が複数個形成されている。この帯状体３４は複数
個の直列タンデム接合水素化アモルフアス・シリ
コン太陽電池セル２０，２１，２２等の上面電極
を形成する。TCO帯状体は太陽幅射が最大限に
透過し得るようにできるだけ薄いことを要する
が、この厚さは面抵抗が約100Ω／平方以下、好
ましくは約10Ω／平方になるように調節すべきで
ある。このTCO層の厚さはその反射防止性の利
益が得られるように選定することができる。太陽
電池セル２０，２１，２２は同等物であるから、
太陽電池セル２１，２２の等価物として太陽電池
セル２０について詳細に説明する。
太陽電池セル２０はTCO層３４と電気的に接
触するサーメツト層３６を有する。このサーメツ
ト層３６はPtSiO2等の材料から製せられ、容積
比約７〜15％の白金を含有すると共に厚さ約２〜
10nmを有する。またこのサーメツト層３６は米
国特許第4167015号明細書記載のようにTiO2と高
仕事関数金属との混合物のような誘電材料より製
することができる。
サーメツト層３６の下面上にこれと電気的に接
触して太陽幅射の入射する水素化アモルフアス・
シリコンの能動層３８が被着されている。この能
動層３８は導電型の異なる領域３８ａ，３８ｂ，
３８ｃを含んでいる。第１の領域３８ａ硼素等の
適当なＰ型ドープ剤のようなＰ型導電性変更剤で
ドープされた水素化アモルフアス・シリコン層
で、厚さ約10〜40nm、好ましくは約37.5nmであ
る。この領域３８ａの下面上に厚さ約30〜300nm
の真性水素化アモルフアス・シリコン領域３８ｂ
が被着されている。米国特許第4064521号明細書
記載のように、ドープされない真性水素化アモル
フアス・シリコンは僅かにＮ型であることが判つ
ている。領域３８ｂの下面上にこれに接して厚さ
約10〜40nmのN+型水素化アモルフアス・シリコ
ン領域３８ｃが被着されている。上記P+型およ
びN+型の水素化アモルフアス・シリコン層の推
奨厚さはドープ剤濃度をSiH4に対してそれぞれ
B2H60.1％およびPH30.2％として得た材料に対す
るものである。気体中のドープ剤濃度はこれらの
層の最適厚さに影響することがある。
第２の能動層は４２ａ，４２ｂ，４２ｃと図示
されている。この第２の能動層４２は導電型の異
なる水素化アモルフアス・シリコンの領域４２
ａ，４２ｂ，４２ｃから成つている。領域４２ｃ
は領域３８ａと同様で適当なＰ型ドープ剤を含
み、領域４２ｂ，４２ｃはそれぞれ領域３８ｂ，
３８ｃと同様である。領域４２ａ，４２ｂ，４２
ｃは能動層３８より高温度で被着して水素濃度お
よびバンドギヤツプエネルギを下げることもでき
る。太陽電池セル20の全電流は能動層３８または
４２の低い方の電流に制限されるから、第２の能
動層４２の厚さはこの層の生成する電流が第１の
能動層３８の生成する電流とほぼ等しくなるよう
に調節すべきである。
このタンデム接合太陽電池セル２０は能動層２
層に限定されず、複数個の能動層を含むこともで
きる。各能動層対はトンネル接合またはセル接続
層により分離されている。太陽電池セル２０は２
〜５個の能動層を有し、各能動層がトンネル接合
またはトンネル接合として働くセル接続層により
分離されているのがよい。
セル接続層４０は能動半導体層３８，４２の間
にあつて、第１の能動層３８および第２の能動層
４２を介して背面接触４４に至る単一の電路を与
えている。このセル接続層４０はまた能動層３８
で吸収されない太陽幅射が第２の能動層４２また
は追加の能動層に通過してそこでさらに吸収され
るようにする。
このセル接続層４０は厚さ約２〜15nmで、
PtSiO2サーメツトまたは金属薄膜とPtSiO2サー
メツト、または金属薄膜より成る。金属薄膜は太
陽輻射に対して透明の白金、チタン、ニツケル等
の金属とすることができ、金属薄膜サーメツトな
しで使用するときは白金等の高仕事関数金属を用
いるのがよい。タンデム接合太陽電池セル２０の
性能は、このセル接続層４０が絶縁体であればこ
れがトンネル効果で電子を通し得るほど充分薄く
ても悪くなる。セル接続層は能動領域３８，４２
間のトンネル接合のような働きをする。
領域３８ｃ，４２ａがそれぞれ充分なＰ型およ
びＮ型の導電度変更剤を含んでその間にトンネル
接合を形成する場合はセル接続層４０を省略する
ことができる。
上記構造の水素化アモルフアス・シリコン太陽
電池セルの光電気変換効率は、真性領域の厚さが
約500nmとき一定に近付く。タンデム接合構体で
この領域の厚さをこれ以上増せば太陽幅射の吸収
が増すだけでセルの性能は向上せず、次の層への
太陽幅射をすべてとりあげてしまう。従つて各真
性領域の厚さは水素化アモルフアス・シリコンの
積層数が増すほど薄くしなければならない。さら
に入射真性領域の次の真性領域の厚さは前の領域
より厚くする必要がある。
領域４２ｃの下面上にはこれと接着して良好な
オーム接触を形姓するチタン、モリブデン、ニオ
ブ等の背面接触４４が被着されている。またこの
背面接触４４にオーム接触し、太陽電池セル２０
を太陽電池２１の基板３４に接続するようにイン
ジウム、錫等の材料のセル接続層４６が設けられ
ている。導線５２，５４はそれぞれ層３４，４６
に接触して、太陽幅射１００による太陽電池１０
の照射中に生ずる電流を引出す。
太陽電池セル２０，２１，２２は直列に接続さ
れているから、電流は一定で各セルの電圧が累加
される。この電圧の加算により用途に応じて任意
の所要電圧の太陽電池が製造できる。層４６が単
結晶材料のときは太陽電池セル構体２０に短絡の
可能性があるという問題があるが、アモルフア
ス・シリコンを用いると、ドープした層の面方向
の導電度が極めて小さいため実際上導電性がな
く、すなわちアモルフアス半導体層の面方向導電
度は面抵抗1010Ω／平方以上の絶縁体と同様であ
るため、これは問題にならない。
太陽電池１０を製造する場合には、TCO層の
面抵抗、積層された各太陽電池セル帯状体の短絡
電流Jscおよび遮蔽グリツド電極なしで許容し得
る各セルからの電力損失に関係する係数によつて
上面電極および太陽電池セル２０，２１，２２の
最大幅を決める。電力損失係数が約0.05すなわち
約５％より大きいときはグリツド電極が必要であ
る。この幅はできるだけ大きくすべきであるが、
太陽電池の動作中に発生する電流を引出すために
グリツド電極を必要とする幅より小さくする必要
がある。詳言すればその幅は次式によつて決ま
る。
ここでVpcは太陽電池の総開路電圧、Rロは入
射電極の面抵抗、Ｆはフイルフアクタ、Jscは短
絡電流密度、Ｎは太陽電池内の帯状体数、ｆは抵
抗加熱により前面電極で失われる電力の割合に関
係する係数で、通常0.01〜0.08であるが約0.05が
好ましい。幅を決定するため、背面電極４４は面
抵抗が問題にならぬように充分厚くすることがで
きるから、前面電極３４だけが電流を制限すると
仮定する。
例として、Jsc＝3mA／cm2、Ｎ＝９、Rロ＝100
Ω／平方、Vpc＝12.5、Ｆ＝0.6、ｆ＝0.05とする
と、セルの幅は0.65cmとなる。現在の写真製版技
術で容易に得られる間隙幅を0.005cmとすると、
この太陽電池の利用されない総面積は太陽電池総
面積の約0.7％である。これは光電流の収集にグ
リツド電極を要する太陽電池構体より１桁以上良
くなつている。上式から明らかなように、前面電
極の抵抗が低下すると、太陽電池の綜合性能に影
響を与えないで帯状体の幅を大きくすることがで
きる。またこの幅を一定とすると、太陽電池の性
能が向上する。
太陽電池は数種の方法で製造することができ
る。基板は無機または有機金属化合物の蒸着また
はスパツタリングや熱分解等の公知の他の方法に
よつてTCO層で被覆される。酸化インジウム錫
被覆のTCOガラスが特にトリプレツクス・ガラ
ス社（Triplex Glass Co.，Ltd）から半成品の
形で市販されている。このTCOにシプレー
（Shipley）1350―Ｈ型のような陽画用ホトレジス
トを被覆し、乾燥してホトマスクを介して光源に
露出し、帯状体間の溝を焼付ける。この場合、構
体は、マスクを静止させて構体をｘ，ｙ，ｚの３
方向に移動させると共に試料面に垂直な軸の周り
に回転させ得るマスク合せ装置に取付けられる。
この装置は当業者に公知である。適当な現像液で
パタンを現像し、例えば酸化インジウム錫の場合
35℃の55〜58％HIのようなエツチング液でTCO
に溝をエツチングする。
然る後前記米国特許第4167015号明細書記載に
よつてサーメツト層を形成する。このTCO層と
サーメツト層とは1/4波長反射防止層を形成する
ように例えばTCOの60nmおよびTCOの10nmに
選ぶ。
水素化アモルフアス・シリコン半導体層３８，
４２は前述の米国特許願明細書記載のようにシラ
ンまたはその他の適当なシリコンと水素とを含む
雰囲気のグロー放電によつて被着されるが、また
電極または線輪を被着室内に設けた高周波被着方
式によつて形成することもできる。この高周波放
電に適する数値は高周波電力が約160cm平方の面
積のターゲツト上において約0.5W／cm2に等しい
かこれより低く、ガス圧力が約20×10-3〜50×
10-3mmHg、シランの流量が約30SCCM、系の温
度が約200〜350℃である。層３８または４２のＰ
型領域は硼素その他の適当なＰ型ドープ剤をシラ
ンに対して容量比で約0.01〜１％の濃度に添加し
て形成する。N+型領域はPH3等のＮ型ドープ剤を
被着雰囲気の約0.1〜１％の濃度に添加して形成
する。能動領域の被着後、蒸着、高周波スパッタ
リングその他の適当な方法で背面電極４４を被着
する。
背面電極４４の被着後、太陽電池に陽画用また
は陰画用のホトレジストを被覆し、適当なホトマ
スクすなわち陽画用または陰画用のマスクを介し
てホトレジストの表面を露光し、公知の方法でこ
れを現像した後、例えばチタン電極の場合HF1
部、HNO32部、H2O7部から成る適当なエツチン
グ液で背面電極に溝をエツチングする。ホトレジ
ストを除去し、新しくホトレジスト被膜を被着
し、前述の手順で露光現像を行う。
４％O2のCF4雰囲気中におけるプラズマエツチ
ングにより能動層およびサーメツトをTCO層ま
で食刻除去する。プラズマは能動層を迅速にエツ
チングするが、サーメツトを約10nm／分で緩慢
にエツチングする。サーメツト層の厚さが約
10nm以上であれば、これをCF4―O2またはAr―
CF4―O2雰囲気中における誘導高周波スパツタエ
ツチング法によつてエツチングすることができ
る。エツチングの終了点は通常TCO層に達した
鮮明な透明溝が生じたことによつて決める。
最後にホトレジストを除去し、装置の表面をプ
ラズマエツチングして直列接続層形成前に有機分
子の痕跡をすべて除去する。直列接続層は溝の間
にその溝に垂直な面に対して約45゜の角度で、太
陽電池セル２０の背面電極を太陽電池セル２１の
TCO層に接続する方向から斜め蒸着する。この
直列接続層はまた太陽電池の全表面にこの層を蒸
着した後、前述の写真製版法により余分の材料を
除去し、溝を形成することにより形成することも
できる。ホトレジストを除去し、公知の方法で導
線５２，５４を取付けた後、太陽電池の背面を例
えばジエームズ・ジー・ビドル社（James Ｇ
Biddle Co.）製のアピエゾン（Apiezon）Ｗ型等
の適当な材料で被覆することもできる。
次にこの発明を例によつて説明するが、これは
この発明がその細部のみ限定されることを意味す
るものではなく、太陽電池分野の当業者に自明の
変形はこの発明の技術的範囲に属する。
例 面抵抗約10Ω／平方の酸化インジウム錫被膜を
持つ約7.6×7.6cm、厚さ0.16cmのソーダ石灰ガラ
スを上述のシプレー1350―Ｈ等の陽画用ホトレジ
ストにより4000rpmで30秒の回転被覆法を用いて
被覆し、約75℃で約１時間乾燥した。長さ7.6cm
×幅0.68cmの帯状体９個を形成するホトマスクを
介してこのホトレジストを露光し、シブレー現像
液で現像して、上記帯状体間の部分を形成するホ
トレジストの可溶部分を除去した後、露光基板を
35℃の55〜58％沃化水素酸溶液に浸漬して露出し
た酸化インジウム錫を除去し、長さ7.6cm、幅
0.68cmの酸化インジウム錫のホトレジスト被覆帯
状体を残した。この残つたホトレジストを酸化イ
ンジウム錫帯状体から除去し、容積比約12％の白
金を含むPtSiO2サーメツトを高周波スパツタリ
ングで基板上に約23.5nmの厚さまで被着した後、
このPtSiO2サーメツト上に厚さ約31.8nmのP+型
領域と、厚さ約181.6nmの無ドープ領域と、厚さ
約90.8nmのN+型領域とを有する水素化アモルフ
アス・シリコンの能動半導体層を被着した。この
水素化アモルフアス・シリコン層は無ドープ層に
対してシラン、P+型領域に対してジボランガス
濃度約0.1％容量のシラン、N+型領域に対してPH
３ガス濃度約0.2％容量のシランの各高周波容量性
グロー放電により形成した。
この第１の能動領域の上に高周波スパツタリン
グによつて白金濃度約12％容量の第２のPtSiO2
サーメツト層を厚さ約10.5nmに被着した後、こ
の第２のサーメツト層上に第２の能動半導体層を
被着した。この第２の半導体層は第１の層で概説
した手順により、P+型領域は厚さ約31.8nmに、
真性領域はこのP+型領域に接して厚さ約363.2nm
に、N+型領域はこの真性領域に接して厚さ約
90.8nmにそれぞれ被着した。この第２の能動半
導体層のN+型領域上にスパツタリングによつて
厚さ約200nmのチタンの背面電極を被着した。そ
の後、装置の陽画用ホトレジストを被覆して、ホ
トマスクを介して露光を行い、或るパターンを形
成した。そのパターンは、酸化インジウム錫層に
形成された帯状体と同様であるが、この酸化イン
ジウム錫層の溝から変位させてタンデム接合型太
陽電池セル帯状体の直列接続ができるようにした
ものである。この陽画用ホトレジストはシプレー
社製のシプレー1350―Ｈ型である。露光したホト
レジストを現像して溝を画定する可溶部分を溶剤
で洗つて除去した後、これをHF1部、HNO32部、
H2O7部の溶液でエツチングして、装置の溝を形
成するチタンの背面電極部分を除去した。チタン
のエツチング後、ホトレジストをアセトンで除去
し、新しいホトレジストを被覆して上記同様の現
像を行つた。次に装置をプラズマエツチング装置
に入れ、すでに除去されたチタンの下にあつた能
動層を４％O2のCF4雰囲気すなわちサイエンテイ
フイツク・ガス・プロダクツ社（Scientific Gas
Products Inc.）のDE―100型フレオン中でエツ
チングした。このプラズマエツチングに用いた条
件は、高周波電力約800W、CF4―O2圧力0.5〜１
mmHg、開始温度約25℃、最終温度約90℃に等し
いかあるいはそれよりも低いものであつた。これ
らの条件でアモルフアス・シリコンのエツチング
速度は約200nm／分であつた。このエツチングは
第２の能動層を貫通し、接続用サーメツトトンネ
ル接合層を僅か約10nm／分の速度で貫き、酸化
インジウム錫層に達するまで続ける。エツチング
の終了点は、水素化アモルフアス・シリコン層が
除かれると酸化インジウム錫を持つ基板が透明に
見えるので、視覚的に決めた。
この製造工程において装置を通して光を当てる
ことにより装置のピンホールを検査し、ピンホー
ルはミシガン・クローム・アンド・ケミカル社
（Michigan Chrome and Chemical Co.）から市
販されるマイクロストツプ（Microstop）でふさ
いだ。
チタン層上にインジウムの直列接続層を厚さ約
200nmまで等方的に蒸着した後、装置を陽画用ホ
トレジストのシブレー1350―Ｈ型で被覆し、第２
の凹溝群に隣接して第３の凹溝群が配列されるよ
うに合せたホトマスクを介して露光現像した。次
に余分のインジウムを濃HCl1容、30％H2O21容、
水６容から成る溶液でエツチングして除去し、残
つてホトレジストおよびマイクロストツプをアセ
トン洗浄、水洗および純水洗浄で除去した後、最
後に装置を乾燥炉中に100℃で約30分ないし１時
間乾燥した。
装置内部の短絡および分路を米国特許第
4166918号明細書記載の手順によつて除去し、端
面電極に可撓性銅線の接触線を銀エポキシ接着剤
で取付けた。
この太陽電池をシルバニア（Sylvania）社の
ELH型等の300W、120Vタングステンハロゲン
映写用電球を用いて強度１太陽すなわちA.M.1の
光で照射したところ、この太陽電池は総開路電圧
Vpc約12.6V、フイルフアクタFF約0.56、短絡電
流Jsc約1.82mA／cm、綜合効率約1.42％を示した。
また強度A.M.2の光で照射したときは効率が約
1.42％から約1.45％まで上昇し、フイルフアクタ
も約0.56から約0.57に上昇した。
【図面の簡単な説明】
図はこの発明の高電圧太陽電池の断面図であ
る。 １０……太陽電池、２０，２１，２２……水素
化アモルフアス・シリコン太陽電池セル、３２…
…透明基板、３４……透明導電性酸化物帯状体、
４０……トンネル接合、３８，４２……半導体
層、４６……直列接続手段。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 太陽幅射が入射する主表面とその反対側の主
    表面とを有する透明基板と、 上記反対側の主表面上に設けられた複数個の透
    明導電性酸化物帯状体と、 上記透明導電性酸化物帯状体のそれぞれにその
    大部分を覆つてその帯状体に電気的に接触するよ
    うに形成された複数個のタンデム接合水素化アモ
    ルフアス・シリコン太陽電池セルと、上記太陽電
    池セルを直列に接続する手段と、を含み、 上記太陽電池セルは、導電型の異なる領域を含
    みトンネル接合で分離された複数個の水素化アモ
    ルフアス・シリコン半導体層を有し、且つ、 ここでVpcは太陽電池の総開路電圧、Rロは上
    記透明導電性酸化物帯状体の面抵抗、Ｆはフイル
    フアクタ、Jscは短絡電流密度、Ｎは上記太陽電
    池内の帯状体数、ｆは抵抗加熱により上記透明導
    電性酸化物帯状体で失われる電力の割合に関係す
    る係数であつて約0.08以下であるもの、 なる式で決定される幅を有する、ように構成され
    たアモルフアス・シリコン太陽電池。
JP5486480A 1979-08-28 1980-04-23 Amorphous silicon solar battery Granted JPS5633889A (en)

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