JPH0389560A - アモルファス太陽電池 - 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、高効率アモルファス太陽電池の素子構造に関
する。

［従来の技術］ アモルファスシリコンとその合金が低コスト薄膜太陽電
池の構成材料として注目されている。

しかし、これらの材料を用いた太陽電池を屋外で長時間
使用すると、光電変換効率がしだいに低下することがＳ
ｔａｅｂｌｅｒ−ｗｒｏｎｓｋｌ効果として良く知られ
ている。この光劣化を軽減することが大電力アモルファ
ス太陽電池の実用化にとって最も重要な課題となってい
る。

さて、１つのｐ−１−ｎ接合を有するシングル接合アモ
ルファス太陽電池では、ｉ層を薄くすることが光劣化の
軽減にとって効果的であることが知られている。しかし
ながら、光活性層であるｉ層を薄くすることは、このｉ
層での光吸収量ひいては電池の発生電流を低下させ、光
電変換効率の低下を招くことになる。そこで、薄いｉ層
を含む複数のｐ−１−ｎ接合を積層形成し、各接合間を
オーミック接続したいわゆるタンデム型太陽電池の採用
が考えられる。

第３図は、２つのｐ−１−ｎ接合を有する従来の２段タ
ンデム型アモルファス太陽電池の断面模式図である。

まず、ガラス基板（２）上にＩ　Ｔ　Ｏ−Ｓ　ｎ　Ｏ２
等の金属酸化物を主成分とする透明導電膜層（４）が形
成される。この透明導電膜層（４）の上にｐ型アモルフ
ァス半導体層（ＩＩ）、ｉ型アモルファス半導体層（１
２）及びｎ型アモルファス半導体層（１３）を順次成膜
してｐ−１−ｎ接合（ｌＯ）を形成する。更に、この上
にｐ層（２１〉、ｉ層（２２〉及びｎ層（２３）を順次
成膜して２段目のｐ−１−ｎ接合（２０）を形成する。

両ｐ−Ｌ−ｎ接合（１０゜２０）の部分は、例えばいず
れもアモルファスシリコンで構成される。２段目のｐ−
１−ｎ接合（２０）の更に上に裏面外部電極層（４０）
が形成される。この裏面外部電極層（４０）は、通例不
透明体で構成される。

両ｐ−１−ｎ接合（１０，２０）には、ガラス基板（２
）及び透明導電膜層（４）を順次通して光線が入射する
。入射側接合（１０〉のｎ層（１３）と裏面側接合（２
０）のｐ層（２１）との間はオーミック接触であって、
両接合（１０，２０）が直列接続されている。

したがって、透明導電膜層（４）と裏面外部電極層（４
０〉との間に両接合（１０，２０）の光起電力の和が開
放電圧として現れる。

この２段タンデム型アモルファス太陽電池では、光電変
換効率の向上と光劣化の軽減との実現が可能である。す
なわち、この太陽電池では、各接合（１０，２０）のｉ
層（１２，２２）の膜厚の和を前記シングル接合太陽電
池の場合の１層最適膜厚である４００〜７００ｎｍと同
程度以上にして光電変換効率の向上をはかることができ
る。この際、各ｉ層（１２，２２）の膜厚をシングル接
合の場合のｉ層より小さくすることができ、光劣化の軽
減が実現可能である。なお、ｐ層（１１，２１）及びｎ
層（ＩＬ２３）の膜厚は、シングル接合の場合と同程度
の１０〜５０ｎｍ程度である。

第４図は、３つのｐ−１−ｎ接合を有する従来の３段タ
ンデム型アモルファス太陽電池の断面模式図である。

この太陽電池では、２段目のｐ−１−ｎ接合（２０）の
上にｐ層（３１）、ｉ層（３２）及びｎ層（３３）を順
次成膜して３段目のｐ−１−ｎ接合〈３ｏ〉を形成した
上で裏面外部電極層（４ｏ）を形成している。

したがって、３つのｐ−１−ｎ接合（１０，２０，３０
）が直列接続される。各接合のｉ層（１２，２２，３２
）は、光入射側はど薄くしている。これらのｉ層（１２
゜２２．３２）の膜厚は、２段タンデム型の場合に比べ
ていずれも小さくなっており、光劣化の軽減効果が大き
い。

［発明が解決しようとする課題］ 以上に説明した従来のタンデム型アモルファス太陽電池
では、膜厚方向に形成された複数のｐ−１−ｎ接合が直
列接続されていたために次の問題があった。

すなわち、この太陽電池では、前記のように各接合の１
層膜厚の和を前記シングル接合太陽電池の場合の１層膜
厚と同程度以上にして光電変換効率の向上をはかってい
る。しかも、電流同一の直列条件で各接合の最適動作点
を決定する必要があり、各最適動作点に応じて各接合の
１層膜厚が決定される。ただし、アモルファスシリコン
は太陽光波長における吸収係数が大きい。以上のことか
ら、従来のタンデム型アモルファス太陽電池では入射側
１層に比べて裏面側ｉ層の膜厚を大きくして各接合の電
流バランスをとる必要があり、裏面側ｉ層は、シングル
接合の場合のｉ層より薄くすることができるものの、か
なり厚くなる。したがって、やはり膜厚の大きい裏面側
ｉ層での光劣化によって電池全体の光電変換効率がしだ
いに低下する傾向がある。これを避けようとして接合数
を極端に増やせば、裏面側ｉ層の膜厚を小さくすること
ができるものの、光活性層でないｐ層やｎ層の数が増え
てこれらの層の光吸収ロスが増加するから、かえって光
電変換効率が低下する。

また、時間や季節の違いに基づく太陽光のスベクトル変
化によって各接合の電流バランスが崩れる場合があった
。電流バランスが崩れていずれかの接合が最適動作点か
らずれた状態では電流が最も小さい接合で電池全体の電
流が制限され、場合によっては光電変換効率の大幅な低
下を招くことがあった。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであって、
従来のタンデム型太陽電池以上に光安定性の高い高効率
アモルファス太陽電池を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るアモルファス太陽電池は、前記の課題を解
決するために、金属酸化物を主成分とする透明導電膜層
とメツシュ状あるいはストライプ状の低抵抗金属層とか
らなる複層膜を挟んで光活性層を含む接合をそれぞれ形
成し、前記複層膜を通して両接合を電気的に並列接続し
てなる。

接合の並列接続のための素子構造としては、金属酸化物
を主成分とする第１の透明導電膜層の上にｐ−Ｌ−ｎ接
合を設け、この上に金属酸化物を主成分とする第２の透
明導電膜層とメツシュ状あるいはストライプ状の低抵抗
金属層とからなる複層膜を形成した上で前記とは逆方向
のｐ−１−ｎ接合を設け、更にこの上に外部電極層を設
け、第１の透明導電膜層と外部電極層との間を電気的に
接続してなる構造を採用することができる。

［作　用］ 膜厚方向に形成された接合は、両接合間の複層膜を通し
て低抵抗並列接続される。後者の素子構造では、例えば
複層膜に接する各接合部分がｎ型アモルファス材料であ
る場合は、第１の透明導電膜層に接する１段目の接合部
分と外部電極層に接する２段目の接合部分とは、いずれ
もｐ型アモルファス材料となる。つまり、両ｐ−１−ｎ
接合は、複層膜と外部電極層との間で低抵抗並列接続さ
れる。しかも、複層膜の一部を構成する低抵抗金属層は
、金属をメツシュ状あるいはストライプ状に配したもの
であるから、透光性を有する。したがって、入射光線は
、複層膜に対して裏面側に位置する接合にも到達して光
電される。また、この後層膜で反射された光線は入射側
接合で有効利用される。

両接合については、電圧同一の並列条件で最適動作点を
決定する。各接合電圧は、各接合を構成するアモルファ
ス材料の電気的な性質に主に依存するのであって、直列
の場合の接合電流に比較して入射光量に対する依存性が
小さい。

このため、本発明の場合には電流バランスを考慮する必
要が全くないばかりでなく、電圧マツチングを気遣う必
要もない。したがって、光活性層であるｉ層の膜厚を比
較的自由に選ぶことができる。つまり、従来のタンデム
型アモルファス太陽電池に比べて裏面側１層の膜厚をか
なり薄くすることができる。このようにして１層を薄く
して電界を高めれば、この１層内の電子や正孔の密度を
低減でき、これらの捕獲、再結合速度の低減が実現でき
るから、電池の光劣化を良く軽減することができる。し
かも、時間あるいは季節の違いによる太陽光のスペクト
ル変化に基づく各接合の電流バランスの崩れを考慮する
必要もない。

［実施例］ 第１図は、本発明の実施例に係る２段並列アモルファス
太陽電池の断面模式図である。

ガラス基板（２〉上にＩＴＯｌＳ　ｎ　Ｏ２等の金属酸
化物を主成分とする透明導電膜層（４）を形成した上で
ｐ型アモルファス半導体層（１１）、ｉ型アモルファス
半導体層〈１２〉及びｎ型アモルファス半導体層（１３
）を順次成膜してｐ−１−ｎ接合（ｌＯ）を形成する点
は第３図の２段タンデム型アモルファス太陽電池の場合
と同様であるが、本実施例の場合は、この接合（ｌＯ〉
の上に前記の金属酸化物を主成分とする第２の透明導電
膜層（１４）とメツシュ状あるいはストライプ状の低抵
抗金属層（１５）とからなる複層膜を形成した上で、２
段目のｐ−１−ｎ接合（２０）を形□成する。ただし、
２段目の接合〈２０〉は第３図の場合とは違って０層（
２３）、ｉ層（２２）及び９層（２１〉の順で成膜され
る。両ｐ−１−ｎ接合（１０，２０）部分が例え（ｆい
ｆしｔ、アモルファスシリコンで構成され、２段目接合
（２０〉の更に上に裏面外部電極層（４０）が形成され
る点は第３図の場合と同様である。

裏面外部電極層（４０）は不透明体で構成することがで
きる。更に、第１の透明導電膜層（４）と裏面外部電極
層（４０）との間を電気的に接続する。

この接続は、例えば各層端部を利用して比較的容易に行
うことができる。いわゆるスルーホールコンタクトを用
いても良い。なお、第２の透明導電膜層〈１４）は、裏
面側接合（２０）の形成の際にプラズマに暴露されるこ
とになるから、耐プラズマ性に優れたものが好ましい。

一方のｐ−１−ｎ接合（１Ｇ）には、ガラス基板（２）
及び透明導電膜層（４〉を順次通して光線が入射する。

他方のｐ−Ｌ−ｎ接合（２０）には、入射側の接合（ｌ
Ｏ〉並びに第２の透明導電膜層（１４）及び低抵抗金属
層（１５）からなる透光性を有する複層膜を順次通して
、光線が入射する。入射側接合（１０）はｐ層（１１）
が第１の透明導電膜層（４）に接し、裏面側接合（２０
）はｐ層（２１）が裏面外部電極層（４０〉に接する。

しかも、第１の透明導電膜層（４）と裏面外部電極層（
４０〉との間が電気的に接続されている。一方、第２の
透明導電膜層（１４）と低抵抗金属層（１５）とからな
る複層膜に接する接合部分は、いずれもｎ層（ＬＬ２３
）である。

つまり、両ｐ−１−ｎ接合（１０，２０）は、第１及び
第２の透明導電膜層（４，１４）の間で電気的に並列接
続されており、これら透明導電膜層（４，１４）を通し
て両接合（１０，２０）の光電流の和を取出すことがで
きる。ただし、金属酸化物を主成分とする第２の透明導
電膜層（１４）は、光吸収が小さいものの導電率はあま
り高くない。特に、この透明導電膜層（Ｉ４）は、アモ
ルファス半導体層の成膜過程で形成するものであって形
成条件が大きな制約を受けるから、低抵抗化は困難であ
る。

したがって、両接合（１０，２０）間にこれを単独で用
いる場合には電池の光電変換効率への影響が無視できな
い。ところが、本実施°例ではメツシュ状あるいはスト
ライプ状の低抵抗金属層（１５）との複層化により透光
性を維持しながら抵抗値を下げているので、高効率太陽
電池の実現が可能である。

なお、一般にこのような複層膜はガラス基板（２）側の
透明導電膜層（４）として用いた場合、金属部の反射に
よる入射光の減少のために電池の光電変換効率を低下さ
せるため、あまり有効とはならない。ところが、本実施
例のように接合（１０，２０）間の導電層として用いた
場合は、この複層膜に到達する光量が小さい上に低抵抗
金属層（１５）で一部反射した光線も入射側接合（ｌＯ
）で光電変換に有効に寄与するから、損失とはならない
。

さて、両接合（１０，２０）の最適動作点は電圧同一の
並列条件で決定される。これらの接合（１０゜２０）の
電圧は、構成材料であるアモルファスシリコンの電気的
な性質に主に依存するのであって、直列の場合の接合電
流に比較して入射光量に対する依存性が小さい。このた
め、電流バランスを考慮する必要が全くないばかりでな
く、電圧マツチングを気遣う必要もない。したがって、
光活性層であるｉ層（１２，２２）の膜厚を比較的自由
に選ぶことができる。例えば、従来のタンデム型の場合
と違って両ｉ層（１２，２２）を同じ膜厚にしても支障
がなく、各ｉ層（１２，２２）の膜厚を２００ｎｍ程度
にすることができる。つまり、第３図に示す従来のタン
デム型太陽電池に比べて特に裏面側ｉ層（２２）をかな
り薄くすることができ、電池の光劣化が大幅に軽減され
る。

しかも、時間あるいは季節の違いによる太陽光のスペク
トル変化に基づく各接合（１０，２０）の電流バランス
の崩れを考慮する必要もない。

ただし、裏面側接合（２０）はｎ層（２３）側から光が
入射する。一般に、シングル接合太陽電池の場合は光を
ｎ層側から入射した場合の方が、ｐ層側から入射した場
合よりも光劣化の程度が大きいといわれている。しかし
ながら、本実施例に係る太陽電池の場合、裏面側接合（
２０）に到達する光は表面側接合（ｌＯ）による光吸収
のために短波長成分をほとんど含まず、ｉ層（２２）中
で比較的均−に吸収される。この結果、シングル打合太
陽電池の場合とは違って光の入射方向の膨響は小さく、
高い光安定性を有する太陽電池力・得られる。しかも、
再接合（１０，２０）の同−型街分とおしを第２の透明
導電膜層（１４）と低抵抗金属層（１５）とからなる複
層膜で電気的に内部接続することにより再接合の並列接
続を実現しているから、再接合（１０，２０）間を電気
的に絶縁する複雑な製造工程を必要としない。

第２図は、本発明の他の実施例に係る３段直並列アモル
ファス太陽電池の断面模式図であるこの太陽電池では、
ガラス基板（２）上にＩＴＯ１ＳｎＯ２等の金属酸化物
を主成分とする透明導電膜層（４〉とｐ−１−ｎ接合（
１０）とを順次形成した上で、更に第１図と同様の構造
を有する２段並列アモルファス太陽電池を形成している
。１段目の接合（ｌＯ〉は、ｐ層（１１）、ｉ層（１２
）及びｎ層（１３）の順に成膜される。この接合（１Ｇ
）の上に前記金属酸化物を主成分とする第２の透明導電
膜層（１４）とメツシュ状あるいはストライプ状の低抵
抗金属層（１５〉とからなる複層膜を形成した上で、２
段目のｐ−１−ｎ接合（２０〉を或〆膜する。この接合
（２０）は、１段目の接合（１０）と同様にｐ層（２１
）、ｉ層（２２）及びｎ層（２３〉の順に成膜される。

この２段目後合（２０）の上に、前記金属酸化物を主成
分とする第３の透明導電膜層（２４）とメツシュ状ある
いはストライプ状の低抵抗金属層（２５）とからなる複
層膜を形成した上で３段目のｐ−１−ｎ接合（３０）を
形成する。ただし、３段目の接合（２０）は、ｎ層（３
３）、ｉ層（３２）及びｐ層（３１）の順で成膜される
。３段目の接合（３０〉の更に上には裏面外部電極層（
４０〉が形成される。更に、第２の透明導電膜層（１４
）と低抵抗金属層（１５）とからなる複層膜と裏面外部
電極層〈４０〉との間を電気的に接続する。

２段目の接合（２０〉は第２の透明導電膜層（１４）と
低抵抗金属層（１５〉とからなる複層膜を通して、１段
目の接合（１０）に対して低抵抗直列接続されている。

２段目及び３段目の接合（２０，３０）は、第２及び第
３の透明導電膜層（１４，２４）の間で低抵抗並列接続
されている。つまり、３つの接合（１０，２０，８０＞
が第１及び第３の透明導電膜層（４゜２４）の間におい
て低抵抗で直並列接続されている。３接合の各ｉ層（１
２，２２，１２）の膜厚は、第１図の２段並列太陽電池
の場合のｉ層に比べていずれも小さくなっており、光劣
化の軽減効果が大きい。なお、この場合にも最裏面側接
合（３ｏ〉はｎ層（３３）側から光が入射するが、シン
グル接合太陽電池の場合とは違って光の入射方向の影響
は小さく、高い光安定性を有する太陽電池が得られる。

以上に説明した本発明の実施例に係るアモルファス太陽
電池ではいずれもガラス基板（４）を使用しているが、
透明な基板であればその材質は問わない。また、ｐ型ア
モルファス半導体層（１１）側から光が入射するいわゆ
るｐ側入射型について説明したが、ｎ側入射型の場合に
も本発明は適用可能である。各ｐ−１−ｎ接合（１Ｇ、
２０．３０〉を構成するアモルファス半導体材料は、ア
モルファスシリコンに限らず、ｓｉとＣ若しくはこれら
の水素化物、ハロゲン化物及びこれらの材料とＧｅ、Ｃ
等との合金等を使用することができる。また、以上のア
モルファス太陽電池を膜面方向に複数直列接続して集積
型太陽電池を構成しても良い。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係るアモルファス太陽
電池は、金属酸化物を主成分とする透明導電膜層とメツ
シュ状あるいはストライプ状の低抵抗金属層とからなる
複層膜を挟んで光活性層を含む接合をそれぞれ形成し、
複層膜を通して両接２合を電気的に並列接続してなるか
ら、電圧同一の並列条件で各接合の最適動作点が決定さ
れ、各接合の電流バランスを考慮する必要がない。更に
具体的には、金属酸化物を主成分とする第１の透明導電
膜層の上にｐ−１−ｎ接合を設け、この上に金属酸化物
を主成分とする第２の透明導電膜層とメツシュ状あるい
はストライプ状の低抵抗金属層とからなる複層膜を形成
した上で前記とは逆方向のｐ−１−ｎ接合を設け、更に
この上に外部電極層を設け、第１の透明導電膜層と外部
電極層との間を電気的に接続した素子構造を採用する場
合にも、両接合が並列接続され、電圧同一の並列条件で
各接合の最適動作点が決定される。したがって、各接合
の電流バランスを考慮する必要がなく、従来のタンデム
型アモルファス太陽電池に比べて裏面側ｉ層の膜厚をか
なり薄くすることができる。

以上のことから、本発明に係るアモルファス太陽電池で
は、電池の光劣化を良く軽減することができる。また、
時間あるいは季節の違いによる太陽光のスペクトル変化
に基づく各接合の電流バランスの崩れを考慮する必要も
ない。しかも、金属酸化物を主成分とする透明導電膜層
をメツシュ状あるいはストライプ状の低抵抗金属層と複
層化することにより、再接合間の導電層の透光性を維持
しながら抵抗値を下げているので、高効率太陽電池の実
現が可能である。

したがって、本発明によれば、従来のタンデム型太陽電
池以上に光安定性が高い高効率アモルファス太陽電池を
提供することができる。

しかも、後者の素子構造を採用する場合には、両接合の
同一型部分とおしを第２の透明導電膜層と低抵抗金属層
とからなる複層膜で電気的に内部接続することにより両
接合の並列接続を実現しているから、再接合間を電気的
に絶縁する複雑な製造工程を必要としない。したがって
、電池の製造が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係る２段並列アモルファス
太陽電池の断面模式図、 第２図は、本発明の他の実施例に係る３段直並列アモル
ファス太陽電池の断面模式図、第３図は、従来の２段タ
ンデム型アモルファス太陽電池の断面模式図、 第４図は、従来の３段タンデム型アモルファス太陽電池
の断面模式図である。 符号の説明 ２・・・ガラス基板、４．１４．２４・・・透明導電膜
層、１０．２０．３０−ｐ　−ｉ　−ｎ接合、１１．２
１．１ｌ−ｎ型アモルファス半導体層、１２．２２．３
２・・・ｌ型アモルファス半導体層、１３，２３．Ｈ・
・・ｎ型アモルファス半導体層、ｌＦ、２ｓ・・・低抵
抗金属層、４ｏ・・・裏面外部電極層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属酸化物を主成分とする透明導電膜層とメッシュ
   状あるいはストライプ状の低抵抗金属層とからなる複層
   膜を挟んで光活性層を含む接合をそれぞれ形成し、前記
   複層膜を通して両接合を電気的に並列接続してなるアモ
   ルファス太陽電池。 ２、金属酸化物を主成分とする第１の透明導電膜層の上
   にｐ−ｉ−ｎ接合を設け、この上に金属酸化物を主成分
   とする第２の透明導電膜層とメッシュ状あるいはストラ
   イプ状の低抵抗金属層とからなる複層膜を形成した上で
   前記とは逆方向のｐ−ｉ−ｎ接合を設け、更にこの上に
   外部電極層を設け、第１の透明導電膜層と外部電極層と
   の間を電気的に接続してなるアモルファス太陽電池。