JPH0235472B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0235472B2 JPH0235472B2 JP56085244A JP8524481A JPH0235472B2 JP H0235472 B2 JPH0235472 B2 JP H0235472B2 JP 56085244 A JP56085244 A JP 56085244A JP 8524481 A JP8524481 A JP 8524481A JP H0235472 B2 JPH0235472 B2 JP H0235472B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- type semiconductor
- layer
- photovoltaic device
- junction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
- H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
- H10F10/17—Photovoltaic cells having only PIN junction potential barriers
- H10F10/172—Photovoltaic cells having only PIN junction potential barriers comprising multiple PIN junctions, e.g. tandem cells
-
- 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
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells
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- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は光エネルギーを電気エネルギーに効
率よく変換することができる光発電素子に関する
ものである。
率よく変換することができる光発電素子に関する
ものである。
従来、半導体の光起電力効果を利用して光から
電気を発生する光発電素子としてはSi、GaAs、
CdSおよびアモルフアスSiなどの単一素材で構成
する単一接合構造と、異なつた素材を組合せた例
えばタンデム構造、カスケード接続構造、スタツ
クド接続構造などの多接合（異種多接合）構造が
提案されている。すなわち、第１図は従来の単一
接合構造の光発電素子を示す断面構造図である。
同図において、１はステンレス基板、２はこのス
テンレス基板１上に形成したn+−型半導体層、
３はこのn+−型半導体層２上に形成し、真性の
前記半導体層よりバンド間隙の狭いｉ−型半導体
層、４はこのｉ−型半導体層３上に形成したｐ−
型半導体層、５はこのｐ−型半導体層４上に形成
した透明電極、６は金属グリツド電極である。
電気を発生する光発電素子としてはSi、GaAs、
CdSおよびアモルフアスSiなどの単一素材で構成
する単一接合構造と、異なつた素材を組合せた例
えばタンデム構造、カスケード接続構造、スタツ
クド接続構造などの多接合（異種多接合）構造が
提案されている。すなわち、第１図は従来の単一
接合構造の光発電素子を示す断面構造図である。
同図において、１はステンレス基板、２はこのス
テンレス基板１上に形成したn+−型半導体層、
３はこのn+−型半導体層２上に形成し、真性の
前記半導体層よりバンド間隙の狭いｉ−型半導体
層、４はこのｉ−型半導体層３上に形成したｐ−
型半導体層、５はこのｐ−型半導体層４上に形成
した透明電極、６は金属グリツド電極である。
この単一接合構造の光発電素子による太陽光エ
ネルギー変換効率は禁制帯幅1.5eV近辺で最大効
率が得られる。そして、更に高効率を得るために
は太陽光の全スペクトルに亘つて高い感度を有す
る異種接合構造の光発電素子が利用される。第２
図は従来の異種多接合構造の光発電素子を示す断
面構造図であり、一例としてタンデム構造を示
す。同図において、２ａはｐ−型半導体層４上に
形成したn+−型半導体層、３ａはこのn+−型半
導体層２ａ上に形成し、真性の前記半導体層より
バンド間隙の狭いｉ−型半導体層、４ａはこのｉ
−型半導体層３ａ上に形成したｐ−型半導体層で
ある。
ネルギー変換効率は禁制帯幅1.5eV近辺で最大効
率が得られる。そして、更に高効率を得るために
は太陽光の全スペクトルに亘つて高い感度を有す
る異種接合構造の光発電素子が利用される。第２
図は従来の異種多接合構造の光発電素子を示す断
面構造図であり、一例としてタンデム構造を示
す。同図において、２ａはｐ−型半導体層４上に
形成したn+−型半導体層、３ａはこのn+−型半
導体層２ａ上に形成し、真性の前記半導体層より
バンド間隙の狭いｉ−型半導体層、４ａはこのｉ
−型半導体層３ａ上に形成したｐ−型半導体層で
ある。
この構成による光発電素子の異種多接合は
pnpn…の接続であり、中央のpn接続の一部分に
p+n+領域を設けたトンネル接続あるいは金属電
極接続が用いられている。この異種多接合構造で
は電気エネルギーに変換されない損失として、(イ)
中央部分のトンネル接続または金属電極接続部分
での光吸収分は半導体への光の到達量を減少させ
る。(ロ)Ｐ−型半導体層４、ｉ−型半導体層３、及
びｎ−型半導体層２からなる第１層と、Ｐ−型半
導体層４ａ、ｉ−型半導体層３ａ、及びｎ−型半
導体層２ａからなる第２層との間に流れる光電流
の大きさは、第１層のＰ−型半導体層４における
正孔と、第２層のｎ−型半導体層２ａにおける電
子とが再結合する量によつて決まるから、構造設
計上の制約によつて、Ｐ−型半導体層４における
正孔の量とｎ−型半導体層２ａにおける電子の量
との間にアンバランスが生じた場合には、再結合
できずに余つてしまつた分の電子または正孔が無
駄な損失となる。等があり、これらの損失によつ
て変換効率が悪くなるという欠点があつた。
pnpn…の接続であり、中央のpn接続の一部分に
p+n+領域を設けたトンネル接続あるいは金属電
極接続が用いられている。この異種多接合構造で
は電気エネルギーに変換されない損失として、(イ)
中央部分のトンネル接続または金属電極接続部分
での光吸収分は半導体への光の到達量を減少させ
る。(ロ)Ｐ−型半導体層４、ｉ−型半導体層３、及
びｎ−型半導体層２からなる第１層と、Ｐ−型半
導体層４ａ、ｉ−型半導体層３ａ、及びｎ−型半
導体層２ａからなる第２層との間に流れる光電流
の大きさは、第１層のＰ−型半導体層４における
正孔と、第２層のｎ−型半導体層２ａにおける電
子とが再結合する量によつて決まるから、構造設
計上の制約によつて、Ｐ−型半導体層４における
正孔の量とｎ−型半導体層２ａにおける電子の量
との間にアンバランスが生じた場合には、再結合
できずに余つてしまつた分の電子または正孔が無
駄な損失となる。等があり、これらの損失によつ
て変換効率が悪くなるという欠点があつた。
したがつて、この発明の目的は光エネルギーの
電気エネルギーに変換されない損失、特に第１層
で発生する正孔の量と、第２層で発生する電子の
量とを同一にしなければならないことからくる構
造設計上の制約による損失を極めて少なくするこ
とができる光発電素子を提供するものである。
電気エネルギーに変換されない損失、特に第１層
で発生する正孔の量と、第２層で発生する電子の
量とを同一にしなければならないことからくる構
造設計上の制約による損失を極めて少なくするこ
とができる光発電素子を提供するものである。
このような目的を達成するため、この発明は
npn構造を形成する第１層および第２層の２種の
禁制帯幅（あるいは光学的選移間隔）を備えた異
種多接合構造の光発電素子であり、以下実施例を
用いて詳細に説明する。
npn構造を形成する第１層および第２層の２種の
禁制帯幅（あるいは光学的選移間隔）を備えた異
種多接合構造の光発電素子であり、以下実施例を
用いて詳細に説明する。
第３図はこの発明に係る光発電素子の一実施例
を示す断面構造図であり、nipin／基板構造であ
る。同図において、３ｂはｐ−型半導体層４上に
形成し、真性の前記半導体層よりバンド間隙の狭
いｉ−型半導体層、２ｂはこのｉ−型半導体層３
ｂ上に形成したn+−型半導体層である。
を示す断面構造図であり、nipin／基板構造であ
る。同図において、３ｂはｐ−型半導体層４上に
形成し、真性の前記半導体層よりバンド間隙の狭
いｉ−型半導体層、２ｂはこのｉ−型半導体層３
ｂ上に形成したn+−型半導体層である。
なお、この光発電素子の端部で、ｐ−型半導体
層４から第４図に示すように別の電極端子７を設
けることはもちろんである。
層４から第４図に示すように別の電極端子７を設
けることはもちろんである。
次に、この構成による異種多接合構造の光発電
素子では第１層および第２層のｐ−ｉ−ｎ接合構
造を独立に最適設計できる。すなわち、従来は第
１層及び第２層からなるPin型の２つの光発電素
子を直列に接続しており、この第１層と第２層と
の間を流れる電流の大きさは、Ｐ−型半導体層４
の正孔とｎ−型半導体層２ａの電子との再結合の
量に依存するから、光電変換効率を最も良くする
ためには第１層で発生する光電流と第２層で発生
する光電流の大きさを合わせる必要があるのに対
し、第３図に示す構成ではｎ−型半導体層２、ｉ
−型半導体層３、及びＰ−型半導体層４からなる
第１層と、ｎ−型半導体層２ｂ、ｉ−型半導体層
３ｂ、及びＰ−型半導体層４からなる第２層とか
らなるPin型の２つの光発電素子を、Ｐ−型半導
体層４を共通の正電極として並列に接続している
から、第１層で発生する光電流と第２層で発生す
る光電流の大きさを合わせなくても、それぞれの
層（セル）の電力を独立に取り出せるため、設計
上の任意性が増し、設計の余裕度が大きくなり、
第１層、第２層の半導体の物性常数による最適構
造を選ぶことができる。この第１層の半導体とし
てはできるだけ禁制帯幅Eg1を大きくして短波長
光に対して損失を少なく電気に変換させる材料、
例えば1.6〜1.8eVを選ぶ。この1.6〜1.8eVは地上
太陽光スペクトルの第１の短波長ピークを吸収す
るのに必要であり、かつエネルギー損失を少なく
するような値としたものである。また、第２層の
半導体としてはEg1以下のエネルギーの光をよく
吸収し、かつエネルギー損失の少ないことを考慮
すると、1.0eV近傍の半導体がよい。したがつ
て、第１層はEg1以下に対してはほとんど吸収が
なく、Eg1以上に対しては有効な吸収と光発生電
流寄与を行なうのに十分な層厚さとし、第２層は
膜質から許されるかぎり厚い膜として光を有効に
利用するようにする。このとき、発生光電流の極
限値は太陽光スペクトル分布と半導体のバンドギ
ヤツプ（禁制帯幅）から理論的に予測できる。
素子では第１層および第２層のｐ−ｉ−ｎ接合構
造を独立に最適設計できる。すなわち、従来は第
１層及び第２層からなるPin型の２つの光発電素
子を直列に接続しており、この第１層と第２層と
の間を流れる電流の大きさは、Ｐ−型半導体層４
の正孔とｎ−型半導体層２ａの電子との再結合の
量に依存するから、光電変換効率を最も良くする
ためには第１層で発生する光電流と第２層で発生
する光電流の大きさを合わせる必要があるのに対
し、第３図に示す構成ではｎ−型半導体層２、ｉ
−型半導体層３、及びＰ−型半導体層４からなる
第１層と、ｎ−型半導体層２ｂ、ｉ−型半導体層
３ｂ、及びＰ−型半導体層４からなる第２層とか
らなるPin型の２つの光発電素子を、Ｐ−型半導
体層４を共通の正電極として並列に接続している
から、第１層で発生する光電流と第２層で発生す
る光電流の大きさを合わせなくても、それぞれの
層（セル）の電力を独立に取り出せるため、設計
上の任意性が増し、設計の余裕度が大きくなり、
第１層、第２層の半導体の物性常数による最適構
造を選ぶことができる。この第１層の半導体とし
てはできるだけ禁制帯幅Eg1を大きくして短波長
光に対して損失を少なく電気に変換させる材料、
例えば1.6〜1.8eVを選ぶ。この1.6〜1.8eVは地上
太陽光スペクトルの第１の短波長ピークを吸収す
るのに必要であり、かつエネルギー損失を少なく
するような値としたものである。また、第２層の
半導体としてはEg1以下のエネルギーの光をよく
吸収し、かつエネルギー損失の少ないことを考慮
すると、1.0eV近傍の半導体がよい。したがつ
て、第１層はEg1以下に対してはほとんど吸収が
なく、Eg1以上に対しては有効な吸収と光発生電
流寄与を行なうのに十分な層厚さとし、第２層は
膜質から許されるかぎり厚い膜として光を有効に
利用するようにする。このとき、発生光電流の極
限値は太陽光スペクトル分布と半導体のバンドギ
ヤツプ（禁制帯幅）から理論的に予測できる。
なお、以上の実施例で使用する半導体としては
禁制帯幅が前記した制限に合致するものであれば
どのような材料であつてもよいことはもちろんで
ある。したがつて、アモルフアス・シリコンおよ
びその他のアモルフアス半導体（ａ−SiGe、ａ
−As、ａ−Ｂ、ａ−Ｃ、ａ−SiCなど）を用いて
もよいことはもちろんである。
禁制帯幅が前記した制限に合致するものであれば
どのような材料であつてもよいことはもちろんで
ある。したがつて、アモルフアス・シリコンおよ
びその他のアモルフアス半導体（ａ−SiGe、ａ
−As、ａ−Ｂ、ａ−Ｃ、ａ−SiCなど）を用いて
もよいことはもちろんである。
以上、詳細に説明したように、この発明に係る
光発電素子によれば第１層および第２層のPN接
合での電流を同一にしなければならないことから
くる構造設計上の制約による損失をきわめて少な
くすることができるから、理論的には40〜60％の
効率を期待することができる効果がある。
光発電素子によれば第１層および第２層のPN接
合での電流を同一にしなければならないことから
くる構造設計上の制約による損失をきわめて少な
くすることができるから、理論的には40〜60％の
効率を期待することができる効果がある。
第１図は従来の単一接合構造の光発電素子を示
す断面構造図、第２図は従来の異種多接合構造の
光発電素子を示す断面構造図、第３図および第４
図はこの発明に係る光発電素子の一実施例を示す
断面構造図である。 １……ステンレス基板、２，２ａおよび２ｂ…
…n+−型半導体層、３，３ａおよび３ｂ……ｉ
−型半導体層、４および４ａ……ｐ型半導体層、
５……透明電極、６……金属グリツド電極。な
お、同一符号は同一または相当部分を示す。
す断面構造図、第２図は従来の異種多接合構造の
光発電素子を示す断面構造図、第３図および第４
図はこの発明に係る光発電素子の一実施例を示す
断面構造図である。 １……ステンレス基板、２，２ａおよび２ｂ…
…n+−型半導体層、３，３ａおよび３ｂ……ｉ
−型半導体層、４および４ａ……ｐ型半導体層、
５……透明電極、６……金属グリツド電極。な
お、同一符号は同一または相当部分を示す。
Claims (1)
- １ 第１導電型を有する第１の半導体層と、この
第１の半導体層上に、第１の半導体層より禁制帯
幅の狭い第１の真性半導体層を介して積層した第
１の半導体層とは逆の第２導電型を有する第２の
半導体層と、この第２の半導体層上に、第２の半
導体層より禁制帯幅の狭い第２の真性半導体層を
介して積層した第１導電型を有する第３の半導体
層と、上記第１乃至第３の半導体層とそれぞれ電
気的に接続された電極とを備えたことを特徴とす
る光発電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56085244A JPS57199272A (en) | 1981-06-01 | 1981-06-01 | Photogenerating elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56085244A JPS57199272A (en) | 1981-06-01 | 1981-06-01 | Photogenerating elements |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57199272A JPS57199272A (en) | 1982-12-07 |
| JPH0235472B2 true JPH0235472B2 (ja) | 1990-08-10 |
Family
ID=13853144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56085244A Granted JPS57199272A (en) | 1981-06-01 | 1981-06-01 | Photogenerating elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57199272A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0752268B2 (ja) * | 1990-06-21 | 1995-06-05 | シャープ株式会社 | 光書き込み型液晶素子 |
| US5239189A (en) * | 1991-06-07 | 1993-08-24 | Eastman Kodak Company | Integrated light emitting and light detecting device |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5626479A (en) * | 1979-08-13 | 1981-03-14 | Shunpei Yamazaki | Optoelectro conversion device |
-
1981
- 1981-06-01 JP JP56085244A patent/JPS57199272A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57199272A (en) | 1982-12-07 |
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