JPS58106876A

JPS58106876A - 光電変換素子

Info

Publication number: JPS58106876A
Application number: JP56204538A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Honma; 本間　和明; Toyoji Fukami; 深海　登世司; Tomoyoshi Aono; 青野　朋義; Yoichi Abe; 阿部　陽一; Yasumasa Kobayashi; 保正小林; Koji Ebara; 幸治江原
Original assignee: TOKYO DENKI DAIGAKU
Current assignee: TOKYO DENKI DAIGAKU
Priority date: 1981-12-19
Filing date: 1981-12-19
Publication date: 1983-06-25

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】この発明は、７モルファスシリプン（以下ａ−Ｓｔとい
５）膜中に、バンド・ギャップを増す元素と減らす元素
、ならびに価電子制御用不純吻ｔ、膜の厚さ方向に練度
勾配をつけて含ませることによって、強い内部電界ｔも
たせるとともに、バンド・ギヤツノな場所的に変化させ
たいわゆるダレイブイツト・バンド・ギャップ膜を作成
することによって高い光電変換効率な得られるようにし
た光電変換素子に関するものである。

以下、光電変換素子として太陽電池な例にとって説明す
る。

従来、開発されてきたａ−８ｉ太陽電池の構造は、ショ
ット千−障壁型およびｐ−１−ｎ１ｌｉであり、活性領
域には王として一定のバンド・ギャップのアモルファス
膜が使用されてきた。

変換効率な高めるための工夫として、１−ｓｔｃｔ窓効
果に応用したもの、ｐ−１−ｎ素子を多層構造にして高
電圧な得るようにしたもの、さらにｐ−８１／ａ−８１
Ｇ＠ヘテρ接合を設けたものなどが′報告されているが
、いずれも各領域でのバンド・ギャップは、一定の構造
であり、また、内部電界の効果も十分に活用されていな
いので、６〜７％ｓ度の変換効率にとどまり一普及の最
低線と舊われている１０％以上の高い変換効率を得るに
は至っていない。

この発明は、上記の点にかんがみなされたもので、ダレ
イブイツト・バンド・ギャップのａ　−８１膜な用いる
ことによって、太陽光な直接電気エネルギーに変換する
ための有効な光の吸収波長範囲を広げるとともに、強い
内部電界の形成によって、ａ−８ｉｌｌ［における小さ
なキャリア拡散距離ｔドリフＦで補う構成とすることＫ
よって、広い波長範囲にわたっての収集効率の改善なは
かった光電変換素子を提供するものである。以下この発
明について説明する。

第１図はこの発明の光電変換素子の一実施Ｎ％：示す断
面略図であり、ｔ！１．２図シエそのバンド図である。

ＫＩＦＩＪにおいて、１は＊−８ｉ膜で、ｎ層２゜ブレ
イブイツト・バンド・ギャップ層３．および９層４とか
らなる。５は透明導電性電極で、龜−８ｉ膜１の光入射
面側に設けられ、藝は電極で同じく他面側に設けられる
。。

ａ　−８１膜１は、第２Ｉｇｌのバンド図に示されるよ
うに構成される。すなわち、第２図において、Ｅ、は価
電子帯、Ｅ、は伝導帯、Ｅ、は７工ルミ単位、Ｅ＊ｐｔ
はダレイブイツト・バンド・ギャップな示している。第
１図、第２図に示す実施例では、ダレイブイツト・バン
ド・ギャップＥ、、ｔＹ。

Ｅ、ｐ亀＝ムｚ＋Ｂ　　　（Ａ、Ｂは定数）として、ａ
−８ｉ膜１の膜の厚さ方向（Ｘ方向）に対し連続的に勾
配ｔもたせたものである。

さらに、後述するよう（、ブレイブイツト・バンド・ギ
ャップ層３の厚み方向（Ｘ方向）に価電子制御用不純物
を連続的に濃度勾配ｔっけたものである。

上記の構成によると、価電子制御用不純物の濃度勾配に
よって強い内部電界がａ−８ｉ腰１の内部に形成される
ので、光の入射によって発生したキャリアの拡散距離を
内部電界によるドリフトで補うことができる。さらに、
ａ−８ｉ膜１がブレイブイツト・バンド・ギャップ層３
としてバンド・ギャップを連続的に変化させｋｓ分な有
するので、上記内部電界と相まって広い波長範囲にわた
って収集効率の向上がはかれる。

第３図はこの発明の他の実施例を示す断面略図であり、
第４因はそのバンド図である。

Ｍ３＠の実−例では、ブレイブイツト・バンドギャップ
層３が、第４図のバンド図のように、Ｅ＊１ｔ　＝Ａｅ
”　十Ｂｅ−”　　（ＡＩ　　ＢＴ　　Ｒｋ＠定数）の
指数関数傾斜１１ｋしている点で第１図の直線傾斜型の
実施例と相違し【いる。

第５図、第６図はこの発明の実施例との効果の比較をす
るための比較例の構成を示す断面略図とそのバンド図で
ある。この比較例では、ａ−８１膜１′は、ｎ層２．ダ
レイブイツト・バンド・ギャップ層３′、および９層４
かうなっており、ダレイブイツト・バンド・ギャップ層
３′のダレイブイツト・バンド・ギャップＷ’＊ｐｔは
一定とし、内部電界のみ有するものとしている。以下第
７図、第８Ｌ−ＧＢ型、第３図の実施例ＶＥＸ−ＧＢＩ
Ｉ、第５図の比較例’ｋｃ−Ｂｌｌと定義ｊ６゜第７図
はＡＭＩ（赤道上の海抜零の点における′南中時の垂直
日射量）Ｋおける内部電界と理論変換効率との関係を示
したもので、活性領域であるブレイブイツト・バンド・
ギャップ層３，３′の厚さを０．５μｍとし、各試料と
もｎ層２と９層４の実際の厚さが０．０１μｍ程度に非
常に薄いので無視し、第１図、第３図のブレイブイツト
・バンド・ギャップ層３のダレイブイツト・バンド・ギ
ャップＥ、いは１６０〜１．７＠Ｖの範囲で直線的また
は指数関数的に変化するものとし、第５図のブレイブイ
ツト・バンド・ギヤツノＥ′。、ｔは１．７ｅＶの一定
とした。

第７図かられかるように、内部電界Ｅの増加につれて変
換効率が増加し、１０＠Ｖ／ｍにおいては、ＥＸ＠ＧＢ
型、Ｌ−ＧＢ型ともＣ・Ｂ型にくらべ１．８倍以上に増
加している。

第８図は同じく理論収集効率の比較を示すもので、内部
電界Ｅは１０’Ｖ／ｍとした場合である。

これから、この発明によるＬ−ＧＢ！、ＥＸ−ＧＢ型は
波長範囲が大−に広かつ一〇いることがわかる。

第９図はＥＸ−ＧＢ型の理論収集効率の内部電界依存性
を示すもので、内部電界Ｅが強いはと収集効率が向上す
ることがわがる。

次に、この発明の光電変換素子の製造方法について説明
する。

まず、ダレイブイツト・バンド・ギャップ構造とするた
めには、ａ　−８ｉ膜１のバンド・ギャップを増す九Ｘ
（例えばＣ）の含有率と、バンド・ギャップＹ＃らす元
素（例えばＧｅ　）の含有率ｔ１膜の厚み方向！に対し
、例えば上述したようにＥ＊ｐｔ＝ＡＩ　＋　ＢＥ（１ｐｔ＝　Ａｅ”　＋　Ｂｅ−” のよ５に変化させるようにする。

このため、電極ε上に９層４を形成後、ＳｉＨ。

トＧｅＨ４）混合ガスのグルー放電分・解によってａ　
　Ｓ　ｉｌ　−ｘ　Ｇ　＠ｘ　’１１１な作成し、次い
で、炭化水素系ガスな希釈ガスとして８ｉＨ，ｖグロー
放電分解によってａ−８ｉ、−ｘＣｘＮＹ作成し、上記
Ｘの値を場所的に変化させると、所要のバンド・ギャッ
プｔもつダレイブイツト・バンド・ギャップ層３ができ
る。その後、ａ層２と透明導電性電極５を形成する。、
ブレイブイツト・バンド・ギャップ層３の厚さは構造（
よって種々異なるが、最適値はお！ソ、０．２〜１．５
μｍの範Ｈ内であり、バンド・ギャップの変化幅は約１
．０〜２．２ｓＶまでが可能である。第１０図に膜の厚
み方向の距離ｘＫ対するＧｅとＣの含有率の分布の一例
【示す図である１なお、Ｗ＆工膜の厚みを示す。

次に、内部電界を増すための上記のＣ，Ｇｅ’に：含有
させる工程と同時に行われる不利智濃度について述べる
。

第１１図は膜の厚み方向の距離Ｘに対するｎ形用不純物
の濃度と、ｐ形相不純物の濃度の分布の一例な示す図で
ある。ｎ形用不純物としてはＰ。

ムｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等が、また、Ｐ要用不純物としてｆｌ
Ｂ、　ＡＩ、　Ｇａ、　　Ｉｎ等が用いられる。これに
より内部電界を強（し発生したキャリアを有効に取り出
すことができる。

なお、上記の実施例ではブレイブイツト・、バンド・ギ
ャップＥ＊ｐｔの増減の元素としてＣとＧ＠な用（・た
が、この発明はこれに限定されるものでな（、同様の作
用を行う他の元素（Ｎ、ａｎその他いでもよいことはい
うまでもない。また、第１０図、第１１図では模式的に
含有率や不純物鹸度を得／）りめのドーピングガスの比
率−を示しであるが、この他種々の形をとることができ
る。さらに、バンド・ギャップに傾斜’に４たせるのは
、第１図。

第３図の実施例のように、ブレイブイツト・バンド・ギ
ャップ層３のみならず、両側のｎ層２，２層３に及んで
もよい。また、４１図、、第３図の実施例では光の入射
ｆＡｋｎ層２２反対側Ｙｐ層３として説明してきたが、
ｎ形用不純物とｐ形相不純物の分布の位置間９ｋを逆に
し、光の入射側ｋｐ層３、反対側ｋｎ層２としてもよい
ことはいうまでもない。

以上詳細に説明したように、この発明はアモルファスシ
リコン膜を使用した光電変換素子において、アモルファ
スシリコン膜なブレイブイツト・バンド・ギャップ膜と
し、光入射両側な広いバンド・ギャップとし、他面側を
狭いバンド・ギャップとし、その間を連続的に変化させ
るようにし、また、価電子制御用不純物についても連続
的に濃度勾配なつけて強い内部電界な形成させたので、
入射光の広い波長範囲にわたって光電変換が行われ、そ
のため収集効率を格段と向上させることかで７きる。し
たがつ文、アモルファスシリコン膜の低価格性を損５こ
となく為変換効率が実現でき、特に太陽電池として今後
の広い利用が期待されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例な示す断面略図、第２図は
そのバンド図、第３図はこの発明の他の実施例を示す断
面略図、ｆ＠４図・工そのバンド図、第５図は比較例を
示す断面略図、第６図はそのバンド図、第７図を工内部
電界と理論変換効率との関係な示す特性図、第８図は理
論収集効率の比較を示す特性図、第９図はＥＸ・ＱＢ屋
の理−収集効率の内部電界依存性を示−ｔＩｌ＃性図、
第１Ｏ図はＧｅとＣの含有率の分布の一例奮示す図、第
１１図は価電子制御の不純物濃度の分布の−ＩＰｌｔ’
示す図である。図中、１はａ−ａｔ膜、２はｎ層、３はダレイブイツト
・バンド・ギャップ層、４は２層、５は透明導電性電極
、６は電極、Ｅ、２．はブレイブイツト・バンド・ギャ
ップである。ス＝ＯＷ第３図　　　　　　　　第＾＝Ｕ　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｗ５図Ｘ＝ＯＷ第１０図第１１図Ｕ　　　　　　　　−Ｘ　　　　　　　　　　　　　Ｗ
第１頁の続き０発　明　者　小林保止東京都千代田区神田錦町２丁目２番地学校法人東京電機大学工学部内０発　明　者　江原幸治東京都千代田区神田錦町２丁目２番地学校法人東京電機大学工学部内手続補正書印釦昭和５７年１１月１８日特許庁長官殿１、事件の表示　特願昭５８−２０４５３８号２、発明
の名称　光電変換素子３、補正をする者事件との関イ系　特許出願人住所　東京都千代田区神田錦町２丁目２番地名称　学校
法人　東京電機大学代表者　　理事長　蓮　見　孝　雄４、代　理　人〒１５０東京都渋谷区桜丘町３１番１６号　臭の松ビル６ｐｌ明
細書の特許請求の範囲の欄、発明の詳細な説明の欄およ
び図面６、補正の内容（１）明細書の特許請求の範囲を別紙のように補正する
。（２）明細書第４頁９行の「連続的に勾配を」を、「連
続的にバンド・ギャップの変化を」と補正する。（３）同じく第７頁１１行の「・・・・・・に対し、例
えば」を、「・旧・・に対して変化させ、Ｅ　ａｐｔが
、例えば」と補正する。（４）同じく第８頁７行の「第１Ｏ図に」を、「第１０
図は」と補正する。（５）同じく第９頁１０〜１１行、１２行、１４〜１５
行の「２層３」を、いずれも「２層４」と補正する。（８）図面の第３図、第４図、第５図、お・よび第６図
を別紙のように・補正する。以上２、特許請求の範囲アモルファスシリコン膜の光入射面側に透明導電性電極
を、他面側に電極を設けてなる光電変換素子において、
前記アモルファスシリコン膜にバンド・ギャップを増す
元素およびバンド・ギャップを減らす元素をその厚さ方
向に連続的に濃度勾配をつけて含有させて前記光入射面
側のバンド・ギャップを広く他面側を狭く連続的に変化
させて前記アモルファスシリコン膜をブレイブイツト舎
バンド・ギャップ−とするとともに、価電子制御用不純
物を前記アモルファスシリコン膜の憚さ方向に連続的に
濃度勾配をつけて含有させキャリア収集を有効に行うた
めの強い内部電界を形成させたことを特徴とする光電変
換素子。

Claims

【特許請求の範囲】アモルファスシリコン膜の光入射面側に透明導電性電極
ｔ、他面側に電極を設けてなる光電変換素子において、
前記アモルファスシリコン膜にバンド・ギャップを増す
元素およびバンド・ギャップを減らす元素をその厚さ方
向に連続的に浸度勾配ｔつけ【含有させて前記光入射面
側のバンド・ギャップな広く他面側！狭く連続的に変化
させて前記７そルファスシリコン膜ｔグレイデイット・
バンド・ギャップ膜とするとともに、価電子制御用不純
物を前記アモルファスシリコン膜の厚さ方向に連続的に
濃度勾配ｔつけて含有させ強い内部電界を形成させたこ
とｔ’！黴とする光電変換素子。