JPH02260662A - 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 本発明は太陽光発電等に利用される光起電力装置に関す
る。

（ロ）従来の技術 少なくともＳｉＨ，、Ｓｉ、Ｈ，などのＳｉ元素を含む
原料ガスを分解することにより得られる真性（ｉ型）成
るいは実質的に真性なアモルファス半導体を、５＠電に
寄与する光活性層として用いた光起電力装置は既に知ら
れている。このようにして得られるアモルファス半導体
中には、原料ガス中の水素（Ｈ）が必然的に含まれ、半
導体ネットワーク中のダングリングボンドのターミネー
タとして有効に作用している。

斯るアモルファス半導体膜中の水素量は、成膜時、当該
アモルファス半導体膜を支持する基板の温度によって左
右されることが知られており、例えば基板温度が高くな
れば水素含有量は減少する。そしてそれに伴って一つの
Ｓｉ元素に二つの水素元素が結合するＳ　ｉ　−Ｈ＊結
合の量も減少する。このＳｉＨ＊結合量の減少は、直射
日光の下で使用すると経時的に光電変換率が低下する、
所謂光劣化の抑制効果を提供する（Ｙ、Ｋｕｗａｎｏ　
ｅｔ　ａｌ：　　Ｊ、Ｎｏｎ　−Ｃｒｙｓｔ、５ｏ１ｉ
ｄ、９７＆９Ｂ（１９８７）、　ｐｐ２８９）。

一方、光学的バンドギャップ（Ｅｇｏｐｔ）について着
目してみると、水素量の減少は光学的バンドギャップを
狭くするために、長波長領域、例えば水素化アモルファ
スシリコン（ａ−５ｉ：Ｈ）にあっては６００ｎｍ以上
の領域での吸収係数の増加をもたらす。

即ち、低水素量のアモルファス半導体を光活性層とする
ことによって、光劣化の少なく且つ吸収係数の増加に伴
い光電流が増大する光起電力装置を得ることが可能とな
る。

（ハ）発明が解決しようとする課題 然し乍ら、低水素量のアモルファス半導体から成る光活
性層を得るための一つの方法は、成膜時の基板温度を高
温にすればよいが、現実には斯る低水素量のアモルファ
ス半導体の光活性層を成膜する前に、既にｐ塑成るいは
ｎ型の不純物層が存在しており、無暗に高温で成膜する
ことができず、概ね２００℃以下で成膜しなければなら
ない。即ち、高温で成膜すると、既に成膜済みの不純物
層中のドーパントや水素が成膜中の光活性層中拡散した
り、離脱したりしてしまう。特にこの不純物層を光入射
側に配置した構造の光起電力装置にあっては、斯る不純
物層における入射光の吸収を抑える所謂窓効果を得るた
めに、意図的に多量、例えば１５％以上の水素を含有せ
しめ、光学的バンドギャップを大きくした場合、当該バ
ンドギャップを維持すべく光活性層は低温成膜しなけれ
ばならない。

従って、従来の現存する光起電力装置にあっては、光活
性層として低水素量のアモルファス半導体を用いれば、
光劣化及び光電特性の有効であると判明しているにも拘
らず、それを実現するに至っていない。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、基板の導電表面に、一導電型の第１半導体層
、真性あるいは実質的に真性な第２半導体層及び逆導電
型の第３半導体層を少なくともこの順序で積層した光起
電力装置であって、上記課題を解決するために、上記第
１乃至第３の半導体層はその膜中に水素を含むと共に、
上記第２半導体層と基板の導電表面との間に設けられる
第１半導体層中の水素量は約１０％以下であり、少なく
とも第２半導体層はアモルファス半導体から構成される
。また第２半導体層中の水素量は第１半導体層と同様、
約１０％以下に設定される。

更に、上記第２半導体層への光入射るは第１半導体層を
通過して為されると共に、第１半導体層は第２半導体層
に比して光学的バンドギャップを増大すべく水素を除く
バンドギャップ増大元素を含んでいる。

（ホ）作用 上述したように、第２半導体層と基板の導電表面との間
に設けられる第１半導体層中の水素量を約１０％以下と
することによって、ドーパント等の拡散及び／又は離脱
が抑制される。

（へ）実施例 第１図は本発明による光起電力装置の基本構造の模式的
断面図を示し、（１）は光入射面と反対の面にＩＴＯ５
ＳｎＯ＋等に代表される透光性導電酸化物（Ｔ　ＣＯ）
の受光面電極（２）を配置したガラス等の透光性絶縁体
からなる基板、（３）は上記受光面電極（２）と接して
原料ガスの分解により堆積され、半導体接合を備える半
導体膜、（４）は当該半導体膜（３）と接触するＡＩ、
　Ｔｉ、　Ａｇ、　Ｎｉ、　Ｃｒ等の金属の単層構造や
積層構造、更にはＴＣＯを半導体膜（３）との界面に設
けた高反射性金属との積層構造からなる背面電極である
。上記半導体膜（３）はｐｉｎ、ｐｎ−ｎ−等の半導体
接合を形成すべく、真性成るいは実質的に真性で水素を
含むアモルファス半導体からなる第２半導体層（３ｔ）
を、一導電型例えばｐ型の水素を含むアモルファス半導
体層るいは微結晶半導体の第１半導体層（３，）と逆導
電型例えばｎ型の水素を含むアモルファス半導体層るい
は微結晶半導体の第３半導体層（３３）とが挟んでいる
。上記各半導体層（３，）（３、）（３、）は原料ガス
例えばＳｉＨ＋、Ｓ　１ｔ）（４等のシラン系ガスの分
解により成膜され、そのとき水素がシリコンのダングリ
ングボンドのターミネータとして膜中に取り込まれてい
る。

上記アモルファス半導体は例えば水素化アモルファスシ
リコン（ａ−５ｉ：ＩＩ）、水素化アモルファスジノコ
ンゲルマニウム（ａ−５ｉｘＧｅ＋−ｘ’Ｈ）、水素化
アモルファスシリコンカーバイト（ａ−５ｉｘＣ＋−ｘ
：Ｈ）、水素化アモルファスシリコンオキサイド（ａ−
５ｉｘＯ＋−ｘ：Ｈ）、水素化アモルファスシリコンナ
イトライド（ａ−５ｉＪ＋−ｘ’Ｈ）、水素化アモルフ
ァスシリコンオキシナイトライド（ａ−５ｉｔ−ｘ−ｙ
ｏｘＮｙ：Ｈ）からなり、好適には第１半導体層（３１
）は広光学的バンドギャップのａ−５ｉ工Ｃ１−ｘ：Ｈ
から構成され、第２半導体層（３，）及び第３半導体層
（３，）は膜特性に優れるａ−８ｉ　：Ｈから構成され
る。また微結晶半導体としては−に記アモルファス半導
体と同一の元素のものが利用可能である。

次に上記第１半導体層（３１）及び第２半導体層（３，
）を低水素量とすべく、１３．５６ＭＨｚの高周波（Ｒ
Ｆ）を源を用いたプラズマＣＶＤ法により高基板温度で
成膜した。その成膜条件は下記第１表の通りである。

第１表　成膜条件 以下余白 このように、第１半導体層（３１）及び第２半導体層（
３Ｉ）を従来の基板温度的２００’Ｃより高く成膜する
ことにより各層の膜特性は第２表の結果となった。

第２表　膜特性 この第２表から明らかなように、光電変換に寄与する、
即ち光キャリアを発生する光活性層として動作する第２
半導体層（３り及び当該半導体層（３りの成膜前に形成
され、成膜時下地層となる基板（１）側の第１半導体層
（３１）は、水素量が約１０％以下の低水素量の膜であ
る。

次に斯る半導体層（３１）、（３，）、（３，）を備え
た本実施例による光起電力装置についてＡＭ−１１００
ｍＷ／ｃｍ”の光照射の下で開放電圧Ｖ。Ｃ１短絡’を
流１ｓｃ、フィルファクタＦＦ、光電変換率θの光起電
力特性を測定した。その結果を第３表に記す。また比較
のために、第１表の成膜条件において、第１半導体層（
３１）の基板温度を２００℃とすると共に、当該半導体
層（３１）は主として窓層として作用することがら、光
学的バンドギャップを実施例の２　、１　ｅＶとすべく
　ＣＨ，ガス流量をＩｓｃｃＭに減少させた以外は同一
条件により比較例を作成した。この比較例における第１
半導体層（３，）の膜特性は、実施例の第２表に比して
低温成膜により水素量が１５％に増大した以外はほぼ同
等の値が得られた。

第３表　光起電力特性（初期値） このように、本発明の実施例装置は、比較例装置のよう
に光活性層として動作する第２半導体層（３，）を１０
％以下の低水素量とするのみなら、ず、斯る第２半導体
層（３會）の成膜時、下地層となる第１′Ｆ導体層（３
，）も低水素量とすることによって、光起電力持性が大
幅に向上する。

そこで本発明者等は特性向上の原因を調査すべく両装置
中のｐ型ドーパントであるボロン及び水素濃度の深ξ方
向のプロファイルを２次イオン質量分析（ＳＩＭ］で測
定した。第２図にボロンのプロファイルを、第３図に水
素のプロファイルを示す。第２図、第３図において実線
は実施例装置のプロファイルであり、破線は比較例装置
のプロファイルである。また第２図中のレベルＡは実施
例装置及び比較例装置における第１半導体層（３，）単
体でのボロン濃度であり、第３ｆ’！Ｉ中レベルＢは実
施例装置の第１半導体層（３，）単体での水素濃度で、
レベルＣは比較例装置の第１半導体層（３１）単体での
水素濃度をそれぞれ示している。

この第２図から、両装置ともにボロンの第２半導体＠（
３ｔ）への拡散は殆ど認められない。これは第２半導体
層（３，）の水素量が第２表に示した如く、９？δと少
ないことにより、ボロンの拡散が起こりにくくなってい
るためであると考えられる。ところが、第１半導体層（
３，）中のボロンの絶対量は実施例装置に比して比較例
装置では１桁小さくなっている。当該第１半導体層（３
、）の膜単体で測定したボロン濃度はレベルへの如く両
装置とも等しいことを考慮すれば、比較例そうちの場合
は第２半導体層（３ｔ）の成膜時の高温加熱、成るいは
成膜前の昇温時に第１半導体層（３，）からボロンが脱
離してしまったもの、と推察される。

一方、第３図の水素濃度について見ると、第１半導体層
（３，）中の水！濃度は第２半導体層（３２）成膜後も
、成膜前の第１半導体層（３，）単体の場合とほぼ同一
のレベルＢにあるのに対し、比較例装置では第１半導体
層（３１）の単体の場合より減少している。

以上のボロン及び水素プロファイルの比較がら、比較例
装置では第１半導体層（３，）中の水素量が１５％と多
く比較的疎な膜構造となっているために、第２半導体層
（３，）の成膜時に当該第２半導体層（３，）を低水素
量とすべ（高温成膜すると、第１半導体層（３１）から
ボロン及び水素が脱離するので、光起電力特性が実施例
装置に比して劣るものと考察される。

次に実施例装置の光照射に対する安全性を、ＡＭ　−１
、１００ｍＷ／ｃｍ”の光照射を５時間族した後、第３
表に示した各特性値Ｃ；ついて測定を行い、どの程度光
劣化したかを調査した。その結果を下記第４表に記す。

第４表　光劣化特性 このように、本発明実施例装置にあっては、各特性値に
ついて殆ど劣化が認められず、光照射後にあっても極め
て優れた特性が得られている。

第４図は上記光劣化と第２半導体層（３り中の水素量と
の関係について測定したものをプロットした図である。

この図から明かな如く、水素量が１０％までは殆ど劣化
は認められなかったものの、斯る１０％を越えるころか
ら劣化割合が多くなっていることが判る。

更に、膜中の水素量について調査すると、第５図に示し
たように、長波長領域、例えば７００ｎｍの吸収係数は
、水素量が増大するに従って減少する関係にある。即ち
、低水素量では波長７００ｎｍにおける吸収係数が大き
く、光電変換に長波長光が寄うすることを示している。

以上要−約すると、第２半導体層（３，）及び当該第２
半導体層（３，）と基板（１）の導電表面である受光面
を極（２）との間に設けられる第１半導体層（３１）中
の水素量は約１０％以下、好ましくは６％以下であるこ
とが肝要である。

更に、第１半導体層（３１）は低水素量とすることによ
って、光学的バンドギャップの減少を招くことから、第
２半導体層（３，）の光学的バンドギャップより広く窓
効果を得るべく炭素、窒素等のバンドギャップ増大元素
を含むと、より一層優れた光起電力特性が得られる。

また、上記実施例では、ｎ型の第３半導体層（３ｓ）は
通常の基板温度２００℃で形成した水素１ｉ１１５％の
膜を用いたが、基板温度を約３００℃以上として水素量
約１０％以下とした膜を使用しても良いことは勿論であ
る。半導体接合も光入射側からｐｉｎ接合に限らず、ｐ
ｎ−ｎ＋接合、ｎｉｐ接合等の単一接合や、これらを積
層したタンデム溝道であっても良い。

第６図は他の実施例構造の模式的断面図であって、第１
図の実施例とは光入射方向が逆転し、それに伴って膜構
成が若干変更されている。即ち、基板（］０）としては
光透過を許容すべく透光性である必要はなく、従って、
金属、セラミックス、耐熱性ブラスチンク等が透光性材
料に加えて使用可能となる。例えばこの実施例のように
、基板（１０）自身を金属にて構成すると、その基板（
１０）が電極を兼用することができることから、基板（
１ｏ）側電極の省略が可能となる。基板（１０）と接触
して順次堆積される一導電型の第１半導体層（１１＋）
、真性成るいは実質的に真性な第２半導体層（ｌｌｚ）
及び逆導電型の第３′＃−導体層（１１，）のうち、少
なくとも第１半導体層（１１１）及び第２半導体層（１
１ｆ）は膜中に含まれる水素量が約１０％以下である。

また第１半導体＠（１１１）は窓層として作用する必要
がないので、バンドギャップ増大元素の添加は必ずしも
要求されない。このような構造では第３半導体層（ＵＳ
）から光入射が為されるために、該第３半導体層（ｌｌ
ｓ）に藷してＴＣＯの受光面電極（１２）が設けられる
。

尚、以、Ｌの実施例にあっては、水素量約１０％以下の
低水素化膜で少なくとも第１半導体層（３１）（１１＋
）、第２半導体層（３１）（１１りを構成したが、ｐ塑
成るいはｎ型の導電型決定不純物を含む第１半導体層（
３１）（１１１）を少なくとも水素量約１０％以下の低
水素化膜としても良い。即ち、第２図や第３図に示した
ように、低水素化膜にすると、この第１半導体層（３１
）（１１，）を下地層として第２半導体層（３、）（１
１，）を成膜する際、不純物及び水素の拡散や脱離が抑
えられることを既に説明した。

同様に第１半導体層（３＋）（ＬＬ）の成膜時、下地層
となる受光面電極（２）の構成元素や金属基板（１０）
の金属元素が、当該第１半導体層（Ｊ　＋）（１１＋）
に拡散する。この実施例は斯る拡散を低水素化膜とする
ことにより抑制せんとするものである。

更に、このように導電型不純物を含む第１半導体層（３
、）（］１＋）を低水素化膜とすると、光起電力装置と
して動作時、高温状態となっても、受光面ｉｔ極（２）
や金属基板（１０）がらの熱拡散にもブロッキング層と
して作用することから、装置の熱的安定性も向トする。

また同じ理由から、第３半導体層（３ｇ）（＋ｔ＊）を
水素量約１０％以下の低水素化膜とすれば、背面電極（
４）や受光面電極（１２）からの構成元素の拡散も抑え
ることができる。

（ト）発明の効果 本発明は以上の説明から明らがな如く、少なくとも第１
半導体層中の水素量を約１０％以下とすることによって
、ドーパント等の拡散及び／又は脱離が抑制されるので
、光電変換に寄与する第２半導体層として低水素化アモ
ルファス半導体を使用することができ、熱的安定、且つ
光劣化の少ない優れた光起電力特性の光起電力装置が得
られる。

更に、第１半導体層の水素量の低下に伴う光学的バンド
ギャップの減少につシ１ては、水素を除くバンドギャッ
プ増大元素を添加することによって補償することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光起電力装置の一実施例の模式的
断面図、第２図及び第３図は本発明実施例装置と比較例
装置のボロンプロファイル及び水素プロファイルをそれ
ぞれ示す濃度分布図、第４図及び第５図は膜中の水素量
と光劣化及び吸収係数を示す特性図、第６図は他の実施
例の模式的断面図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板の導電表面に、一導電型の第１半導体層、真
   性あるいは実質的に真性な第２半導体層及び逆導電型の
   第３半導体層を少なくともこの順序で積層した光起電力
   装置であって、上記第１乃至第３の半導体層はその膜中
   に水素を含むと共に、上記第２半導体層及び当該第２半
   導体層と基板の導電表面との間に設けられる第１半導体
   層中の水素量は約１０％以下であり、少なくとも第２半
   導体層はアモルファス半導体からなる光起電力装置。
2. （２）上記第２半導体層への光入射は第１半導体層を通
   過して為されると共に、第１半導体層は第２半導体層に
   比して光学的バンドギャップを増大すべく水素を除くバ
   ンドギャップ増大元素を含む請求項１記載の光起電力装
   置。
3. （３）基板の導電表面に、一導電型の第１半導体層、真
   性あるいは実質的に真性な第２半導体層及び逆導電型の
   第３半導体層を少なくともこの順序で積層した光起電力
   装置であって、上記第１乃至第３の半導体層はその膜中
   に水素を含むと共に、上記第２半導体層と基板の導電表
   面との間に設けられる第１半導体層中の水素量は約１０
   ％以下であり、少なくとも第２半導体層はアモルファス
   半導体からなる光起電力装置。