JPH0851227A - 光起電力装置 - Google Patents

光起電力装置

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JPH0851227A
JPH0851227A JP6184351A JP18435194A JPH0851227A JP H0851227 A JPH0851227 A JP H0851227A JP 6184351 A JP6184351 A JP 6184351A JP 18435194 A JP18435194 A JP 18435194A JP H0851227 A JPH0851227 A JP H0851227A
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hydrogen
photovoltaic device
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generation layer
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景一 佐野
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洋一郎 綾
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光起電力装置に関し、光劣化後の変換効率を
高められるようにした光起電力装置の提供を目的とす
る。 【構成】 未結合手を水素により終端した非晶質シリコ
ンゲルマニウムアロイ4を発電層iに用いた光起電力装
置において、発電層iの全膜厚にわたって水素組成比C
H /CSiが均一であり、ゲルマニウム組成比CGe/CSi
を変化させた発電層iを備える。そして、水素組成比C
H /CSiは好ましくは光劣化後の最適値に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光起電力装置に係り、
特に光劣化後における変換効率を高められるようにした
光起電力装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】未結合手を水素もしくはハロゲン族元素
により終端した非晶質Siアロイ(以下、a−Siアロ
イという。)を発電層に用いた光起電力装置は、シリコ
ン(Si)原子と炭素(C)、窒素(N)、酸素
(O)、ゲルマニウム(Ge)、あるいは錫(Sn)原
子とのアロイ化により光学ギャップを広い範囲で制御で
きることから、太陽光スペクトルの有効利用を目的とし
た積層型光起電力装置として有望視されている。
【0003】発電層を構成する合金型アモルファス半導
体の製膜方法としてはプラズマ分解法が多用され、装置
的には平行平板電極の容量結合型反応装置が用いられる
ことが多い。膜生成用ガスはSiと合金を構成する成分
に対応して選択され、例えば合金型アモルファス半導体
の中で代表的地位を占めるアモルファスシリコン(以
下、a−Siという。)とゲルマニウム(Ge)とをア
ロイ化したa−SiGe:Hは、モノシラン(Si
4 )とゲルマンガス(GeH4 )と水素(H2 )とを
膜生成用ガスとして用いている。
【0004】a−Siアロイは非晶質Si(以下、a−
Siという。)に比べて電気的特性が劣ることから、発
電層内でSi以外の構成原子組成比を変化させることに
より光学ギャップを変化させた、いわゆる、光学ギャッ
プグレーデッド構造を採用してそのキャリヤ収集特性を
改善し、光起電力装置の初期特性を高めることが試みら
れている。
【0005】グレーディングとしては、膜厚が大きくな
るにしたがって単純にSiに対するGeの組成比(CGe
/CSi)が増大するもの、膜厚が大きくなるにしたがっ
て単純にCGe/CSiが減少するもの、及び膜厚の途中ま
で膜厚が大きくなるにしたがってCGe/CSiが増大し、
その後CGe/CSiが減少するものが知られている(App
l. Phys. Lett. 5 June 1989 p2330-2332参照)。
【0006】従来、発電層内でSi以外の構成原子組成
比を変化させるためには、単純に原料ガスの流量比(S
iH4 /GeH4 比)を変化させ、その組成比を変化さ
せており、したがって、例えば図7に示すように、a−
SiGe:HのSiに対するGe組成比(CGe/CSi
が増大すれば、終端元素である水素のSiに対する組成
比(CH /CSi)が減少するという関係になっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、a−Siで
発電層が構成されている光起電力装置において、SiH
2 の高次の結合がある時には膜質が悪化し、変換効率が
低下するため、水素量CH を適宜制御することが推奨さ
れている。
【0008】そこで、a−Siアロイで発電層が構成さ
れている光起電力装置、例えば、a−SiGe:Hで発
電層が構成されている光起電力装置において、水素量C
H が変換効率に与える影響を求めたところ、a−Siで
発電層が構成されている光起電力装置と同様に水素量C
H がある量に達するまでは変換効率が水素量CH に比例
して増大するが、ある量を越えると急激に変換効率が低
下することを発見したのである。また、SiH4 /Ge
4 比を変化させて発電層の成長に対応してGe量を変
化させるとCH /CSiも変化するが、発電層の成長速度
(デポレート)と圧力とを制御することによって発電層
の全膜厚にわたって終端元素量、即ち、CH /CSiを全
膜厚にわたって均一にすることができ、しかも、CGe
Siを任意に変化させることができることを発見したの
である。
【0009】本発明は、係る知見に基づいて完成された
ものであり、変換効率を高められるようにした光起電力
装置の提供を目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、未結合手を水
素もしくはハロゲン族元素により終端したa−Siアロ
イを発電層に用いた光起電力装置において、上記の目的
を達成するため、発電層の全膜厚にわたって終端元素の
シリコン元素に対する組成比が均一であり、シリコン以
外のアロイ構成原子の組成比を変化させた発電層を備え
ることを特徴とする。
【0011】ここで、a−Siアロイとは、Si原子と
他の原子、例えばC、N、O、Ge、Snのいずれかの
原子で構成された非晶質半導体材料を意味している。
【0012】
【作用】本発明によれば、発電層の全膜厚にわたって終
端元素のシリコン元素に対する組成比が均一であるた
め、未結合手やSi−H2 の高次の結合が最小となる最
適の均一な膜質を形成することができ、光劣化による変
換効率の低下を減少させることができる。
【0013】本発明において、終端元素のシリコン元素
に対する組成比をどの程度に設定するかは自由である
が、最高の初期特性が得られる初期の最適値よりも多く
することはSi−H2 の高次の結合が増大し、初期特性
及び光劣化後の特性を低下させるので好ましくなく、ま
た、光劣化後に最高の特性が得られる光劣化後の最適値
よりも少なくすると未結合手が増大して初期特性及び光
劣化後の特性を低下させるので好ましくない。最も好ま
しいのは初期特性の最適値よりも少ない光劣化後の最適
値にすることである。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体
的に説明する。
【0015】本発明の一実施例に係る光起電力装置は図
1の断面模式図に示すように、ガラス基板に順次積層さ
れる透明電極1、p型a−Si層2、膜厚200Åのa
−Si層3、膜厚1300Åのa−SiGe層4、膜厚
200Åのa−Si層5、n型a−Si層6及び裏面電
極7を備え、上記a−Si層3、a−SiGe層4、a
−Si層5によりi層(発電層)が構成される。
【0016】図2に示すように、このi層におけるGe
のグラディエーションプロフィルは、成長量0から20
0Åのa−Si層3内ではほぼ直線的に増大し、200
〜1300Åの間のa−SiGe層4内ではほぼ一定値
(ここではCGe/CSi=29%)とし、1300〜17
00Åの間のa−Si層5内ではほぼ直線的に減少する
等脚台形となっている。又、このi層における水素組成
比CH /CSiは全膜厚にわたって一定値(ここでは0.
098%)にしてある。
【0017】なお、このa−SiGeの基本的な形成条
件は表1に示す通りであり、デポレートを制御する反応
圧力とRFパワーとを制御することにより、膜厚全体に
わたって終端元素量、即ち、CH /CSiが一定値(0.
098%)に固定されるようにしている。
【0018】
【表1】
【0019】この光起電力装置のa−SiGe層4の
(αhν)1/3 プロットにより求めたた光学ギャップを
1.32eVと一定にした場合、図3に示すように、水
素量CH と赤色フィルター下の初期の変換効率との関係
は、水素量CH が約9at%以下では水素量CH の増大
にほぼ比例して変換効率が増大するが、約9at%を越
えると変換効率が低下し、CH =約9at%で極大値と
なることが分かる。極大値よりも水素量CH が少ない領
域での変換効率の低下は、水素もしくはハロゲン族元素
により終端されていない未結合手が存在するためと思わ
れ、極大値よりも水素量CH が多い領域の変換効率の低
下は、SiH2 の高次の結合が生じて膜質が低下したた
めと思われる。
【0020】又、表2に示す条件に従ってこの光起電力
装置の光劣化後の水素量CH と赤色フィルター下の初期
変換効率との関係を求めたところ、図4に示すように、
上記の初期変換効率に比べれば水素量CH が少ない約7
at%で最高値が得られ、図3及び図4から光劣化前後
では最適の水素量CH が異なり、光劣化後の最適値は低
水素側にシフトすることが分かる。
【0021】
【表2】
【0022】次に、この光起電力装置のa−SiGe層
4の光学ギャップを変化させ、1.50eV、1.43
eV、1.36eV場合に付いても同様の実験を行い、
各光学ギャップにおける劣化後の最適水素量を求めたと
ころ図5に示す結果が得られた。この図5の縦軸は水素
量CH を示すが、これを水素組成比CH /CSiに置き換
えると図6に示すようになり、CH /CSi=0.098
(%)に各光学ギャップの光劣化後の最適組成が存在す
ることが分かる。
【0023】以上の結果を踏まえて、Ge組成比を図1
に示すように変化させ、水素組成比CH /CSiを一定値
(0.098%)にしてキャリヤの輸送特性も同時に向
上させた場合の光劣化前後の赤色フィルター下の上記一
実施例の太陽電池特性を調べたところ、表3に示す結果
が得られた。また、比較のために、図7に示す従来の光
学ギャップグレーデッド構造の光起電力装置の太陽電池
特性を調べたところ、表4に示す結果が得られた。
【0024】
【表3】
【0025】
【表4】
【0026】これら表3と表4から明らかなように、上
記一実施例によれば劣化率が4%と大きく改善されるの
に加え、劣化後の赤色フィルター下での変換効率(Ef
f)も3.45%と非常に高い太陽電池特性を得ること
ができた。
【0027】なお、この実施例によれば、水素量CH
光劣化後の最適値に設定しているので、おそらく、i層
に注入されたキャリアが素早く電極に収集され再結合す
る確率が低くなり、i層に注入されたキャリヤが再結合
する際に欠陥を誘起してi層の膜質を低下させることが
少なくなっているために光劣化が小さくなったものと思
われる。
【0028】上記の一実施例では、Geのグラディエー
ションプロフィルを等脚台形にしているが、このプロフ
ィルを不等脚台形にしたり、山形にしたりすることは自
由である。
【0029】また、上記実施例の説明ではa−SiG
e:Hに関してのみ述べたが、Si原子とC原子とのア
ロイ、Si原子とN原子とのアロイ、Si原子とO原子
とのアロイ、Si原子とSn原子とのアロイについても
同様の結果が得られている。
【0030】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、終端元素量が全膜厚にわたって一定値に固定されて
いるので、水素もしくはハロゲン族元素により終端され
ていない未結合手やSi−H2 の高次の結合が最小にな
る最適の均一な膜質を形成することができ、光劣化によ
る変換効率の低下を減少させることができるのである。
【0031】本発明において、特に水素量CH を初期の
最適値よりも小さく光劣化後の最適値以上に設定する場
合には一層光劣化後の変換効率を高めることができ、実
用上一層好ましい設計ができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の断面模式図である。
【図2】本発明の実施例の発電層の組成分布図である。
【図3】本発明の実施例の初期の水素量と変換効率との
関係を示す特性図である。
【図4】本発明の実施例の光劣化後の水素量と変換効率
との関係を示す特性図である。
【図5】本発明の実施例の光学ギャップと劣化後最適水
素量との関係を示す特性図である。
【図6】本発明の実施例の光学ギャップと劣化後最適組
成比との関係を示す特性図である。
【図7】従来例の発電層の組成分布図である。
【符号の説明】
3 a−Si層 4 a−SiGe層 5 a−Si層 CH /CSi 水素組成比 CGe/CSi Geの組成比

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 未結合手を水素もしくはハロゲン族元素
    により終端した非晶質シリコンアロイを発電層に用いた
    光起電力装置において、 発電層の全膜厚にわたって終端元素のシリコン元素に対
    する組成比が均一であり、シリコン以外のアロイ構成原
    子の組成比を変化させた発電層を備えることを特徴とす
    る光起電力装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7667133B2 (en) 2003-10-29 2010-02-23 The University Of Toledo Hybrid window layer for photovoltaic cells
US7750234B2 (en) 2002-11-27 2010-07-06 The University Of Toledo Integrated photoelectrochemical cell and system having a liquid electrolyte

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US7750234B2 (en) 2002-11-27 2010-07-06 The University Of Toledo Integrated photoelectrochemical cell and system having a liquid electrolyte
US7667133B2 (en) 2003-10-29 2010-02-23 The University Of Toledo Hybrid window layer for photovoltaic cells
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