JPS58191479A - 光電素子及びこれを用いる光検知方法 - 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】 本発明はアモルファス半導体の活性領域を形成する九ｍ
素子に関する。

従来８１．ＧａＡｓ、Ｏｄｅ、Ｃｄ〒θ等の単結晶或い
は多結晶半導体桐材を使用し、それらのｐ−ｎ接合、ヘ
テロ接合あるいはジ■ットキ隔壁を利用したＦ９′ｒｍ
ｌｌｌ太陽亀池はコストが非常に高かった。一方低価格
用として期待されている非晶質（アモルファス）シリコ
ンの太陽電池はいずれも光電変換効率が低いという共通
欠点を有していえ。このためこの変換効率を＾めるべく
゛、アモルファスシリコン光電素子の成分や構造の改善
が行われる一方、入射する光のスペクトル範囲を広く利
用する方法が提案されて米九。例えば導電性基板上Ｋｎ
型、１型およびｐ型のア毫ルファスシリコン層よ）なる
アモルファスシリコン単位素子を複数個積項し、最上部
のアモルファスシリコン単位素子上に導電層を設けた素
子、％に光入射側が薄いもの（特開昭５５−１２５６８
０）や、夫々が光電変換領域を構成する複数個の接合が
入射光の進行方向に沿って配列され、これらの麹合が互
いに並列に作動する様にしたもの（％開昭５６−１４８
８７４）や、或いは起電力発生に関与しない長波長領域
の光エネルギーを熱良導体の基体１郷で熱エネルギーＫ
Ｗ換し、外部に取り出して有効に利用する方法婢がある
。しかしこれらの方法はいずれも次のような欠点を有し
ている。

す表わち最初にあげた複数の単位素子を積層する方法に
おいては生起する起電力の電圧値は積層される各単位素
子の電圧値の和となるが、を流値はこれらの中で最小の
ものと同一になるため、素子自体の電力としては必ずし
も高い変換効率を示すものではなかった。各単位素子の
電流値をＮ−にして入射側を薄くする工夫も、実用上の
困難を伴うＯ 又２番目にあけた方法においては、電流値は各単位素子
の電流値の和となぁか、電圧値ｉｔこれらの中の最小の
ものとなシ素子自体の効率は必ずしも高いものとはなシ
得なかつ良。更に３番目にあげた方式は光エネルギーの
一部−を熱エネルギーに変換して利用しようとするもの
であるから、光起電素子としての本来の目的すなわち、
光エネルギーを電気エネルギーに変換するという目的か
ら逸脱するものであった。又上述の４のを含めて公知の
光起電素子を光検知素子として用いる場合において１、
光源のスペクトル分布の変化や違いを側るときは、異っ
た光スペクトル感度を持つ数種の素子を別々に用い、こ
れらの素子で生起した電力（電圧・電流）を、外部で演
算処理しなければならなかつ九し、光源のスペクトル分
布の変化でなく、光量が変化した時の補正も面倒であっ
た。更に又複数個の光検知素子は、空間的に離れた位置
に設置しなければならない関係上、これらすべての設電
位置を包含する広さ内において、光量及び光スペクトル
が一定であると見なされるような光束に対してのみ使用
が可能であるにすぎず、ビーム状の光に対しては光の分
路器の如き装置を用いねばならなかった。

本発明は従来の光電素子にみられた上述の如き欠点を解
消するものであシ、入射光のもつ光エネルギーを夫々波
長領域に応じ九単位光電素子によシ夫々別個の電力に変
換して、取出しうる単一の光１１９ｊ換素子（光−電圧
変換、光−電流変換、光−電力便換を含む。以下同じ）
であり、その目的の一つは、波長領域毎に別個の電力（
電圧・電流）を取出し得るので、全体としては高効率の
光電変換素子（以下単に光電素子という）を提供すると
とであシ、他の目的は任意の光源のスペクトルに合致し
た効率の良い充電素子を提供することであり、更に他の
目的は、光源のスペクトル変化、殊に狭い光束のスペク
トル変化を単一の素子で容易に検知する光検知方法を提
供しようとする本のである。

本発明に云うｐｉｎ型アモルファス半導体からなる単位
光電素子は、例えば公知の８正、ガスと円、ガス又はこ
れらを１１　、　Ａｒ　、　Ｈｌ等で稀釈した混合ガス
を反応容器中でグロー放電によ）堆積したｐｍ。

上に、　８１Ｂ、ガス又はこれをＨｌ　、　Ａｒ　、　
Ｈｌ　％で稀釈し九混合ガスをグロー放電して１層を堆
積させ、更にその上に８圧、ガスとＢ□−又はこれらを
Ｍｌ　、　Ａｒ　。

Ｈ！等で稀釈し九混合ガスを反応容器中でグロー放ｔＫ
よりｎ層を堆積させて成るｐｉｎ型のアモルファスシリ
コン光電素子は勿論、光スペクトルに対し、全く同質の
光電変換特性を持つ材料の素子、例えばアモルファスシ
リコンカーバイドやアモルファスシリコンナイトライド
等の非晶性シリコン化合物の積層物をも含むものである
。

以下図を用いて本発明の光電素子の構造につぃて一例を
用いて説明する。ステンレス基板１の上ＫｐＭｉ、ｉ層
、ｎ層から成るアモルファスシリコンゲルマニウムの単
位光電素子２を堆積し、その上にＩＴ□％の透明導電膜
３を堆積する。爽にその上に透明電気絶縁層例えば８１
０ｘ　（Ｘ＝０．３〜２）。

８ＸＩ−ｘ）Ｏｘ　：Ｈ＊　（Ｘ≧０−２）　、　８Ｘ
ｘ−ｘ））！ｚ　：　Ｈ（ｘ≧０．３）の換４を堆積す
る。更にこの上に透明な導電性膜５を堆積し、この上に
アモルファスシリコンカーバイドのｐ層、１層、ｎ層か
ら成る別の単位光電素子６を堆積し、更にその上に透明
導電性膜７を堆積する。次に導電性の基板ｌ及び透明導
電Ｈ３，５，７から外部に電力（電圧又は電流）を取り
出すため、夫々の膜と電気的に連結されている端子８．
９，１０．１１を設ける。　端子８と９とで１つの単位
光電素子、端子１０と１１で別の単位光電素子が構成さ
れ、夫々の電力を個別に外部へ供給することが可能とな
る。この実施例においては入射光は透明導電性ｗｊＡ７
の側から入射し、単位光電素子６の禁止帯幅は約１．８
〜２．８ｅＶ、単位光電素子２の禁止帯幅は約１．１〜
１．８・Ｖとなされておシ、光入射側の方がよシ広くな
っている。これによ多単位光電素子６で＃ｉ電力に？換
され得なかった約０．６層１ｍよりも長い波長の入射光
４、単位光電素子２ではこれを電力に変換することが可
能であるから、これら２ｍの異なる変換特性を持つ単位
光電変換素子の起電力を合算することＫよシ、従来華−
の光電素子では決して得られなかった高効率の光電変換
が可能と゛なる。

又これら２棟の異なる変換特性を持つ異なる材質の変換
素子は、当然のこととして広いスペクトル領域を持つ光
に対する変換特性が異なシ、単位光′＃Ｌ素子６　Ｆｉ
ｏ、６μｍよル短波長の領域に１また単位光電素子２は
０．６μｍより長波長の領域にて夫々起電力を発生する
ので、この光電素子は０．６μ臘を界にして入射光のス
ペクトル変化が生じた時、その変化を正確に検知するこ
とができる０しかも仁の場合、入射光の光量、即ち光子
数が全体として変化してもその変化は、すべての単位光
電素子２及び６に同時に影響し、しかも、これらが−筋
の光路に対して作用するので、鋭いビーム状入射光に対
しても有効に作動する特徴を持つ。

上記の説明は米発明の実施態様の＃１んの一例であり、
豐は単位光電素子を、アモルファスシリコンナイトライ
ド（ａ−ｓｎ　：　ｎ　）アモルファスシリコンカーバ
イド（ａ−８１Ｃ：　ｇ）アモルファスシリコン（ａ−
８１：Ｈ）アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ｆ
ｌｉ珈：Ｈ）アモルファスシリコンチン（ａ−８ｉ８ｎ
　：　Ｈ）　等で構成し、それらの内で禁止帯幅の広い
もの、即ち短い波長で作動するものから禁止帯幅の狭い
もの即ち長い波長域で作動する４のの順に１前者が光入
射−となるよう積層して用いればよい。各半導体の禁止
帯幅は一般に＃ｉ上配の順で広から狭に変化する。又同
種元素の素材であっても、含まれる水素（６）原子の数
を３　ａｔｏｍ−から３０　ａｔｏｍ　％　、好ましく
　＃′１２０ａｔｏｍ−に変えることによっても作動す
る波長域を一整することができる０父上の説明では、単
位光電素子を２個用いた実施例について＃、明したが、
透明導電性膜７の上ＫｆｔＴらたに透明電気絶縁層を設
け、史にこの上にｉ！Ｍ明導電性膜を設け、この上に別
のｐｉｎ型アモルファス牛導体から成る単位光電素子を
積層し、更にこの上に透明導電性膜及び／を友は電極を
設置し、合計３個の独立し九単位光電素子から成る−の
光電素子とする等被数個の独立した単位光電素子を用い
友−の素子とすることも可能である。

本発明に係る光電素子は、上述の構造上、全体として厚
みの大きい素子となる傾向があるが、層が厚いと光の吸
収抵抗値の増加％によシ、変換効率が低下する。特にｐ
層及びｎ層の厚みが大きいと内部電界の影４１により充
電流密度が低下する。従ってこの層の厚みは製膜技術が
許す＠夛薄いことが望ましい。アモルファスシリコンゲ
ルマニウム、アモルファスシリコンナイトライド、アモ
ルファスシリコンカーバイド、アモルファスシリコンカ
ーボンナイトライドから得られる素子においては、その
ｐ層又＃′ｉｎ層の厚みが３０ムから３００ムとシわけ
約５ＯＡから２００ムであることが実際上の高効率を得
るためには望ましい。

又とのＸＪＩ−及びｎ層の電気伝導度は約１Ｏ−９（Ω
・１）−１以上で且つ光学的禁止帯の幅は、約１．６ｅ
Ｖ以上が特開昭５８−１９１４７９（４） 望ましく、特に電気伝導度が約１０４（Ω・ｃＩＩｓ）
−”以上で且つ光学的禁止帯幅が１．９ｅＶ以上である
ことが一層望ましい。

なお上記実施例においては、基板１ｔｊステンレス１１
！ｌたが、ステンレス以外の他の金属板でも、ガラス板
上に透明導電績を蒸着したものでもよい０又基板ｌ上の
単位光電素子の堆積もｎ−１−ｐの順にしてもよい。又
光入射方向も基板１から違い方に限ったわけではなく、
上述の如く、透明ガラス板Ｋａ明導電膜を蒸着したもの
を基板ｌとする場合等では、基板の側から光を入射する
ことも可能である。但しこの場合にけ先に述べた異なる
禁止帯幅を持つ単位光電素子の積層順序を逆にすること
が必要である０父上記実施例においては透明な電気絶縁
層（ｔたは膜）４を挾んでエテ０（インジウム錫酸化物
）　Ｂｏｏ＠　、　Ｉｎ０１叫の透明な導電性膜を用い
ているがこれは必ずしも必須の要件ではない〇広い面積
を要する太陽光起電力素子として用いる時は平面方向の
電気抵抗値を下げる上で有用であるが、光検知用センナ
−素子として用いる場合の如く小面積で十分な場合ＫＦ
ｉこの層を省略し、直接端子電極を設けることも可能で
あ〉、好ましき一例としてコンタクト部のみ金属又は酸
化物でオーミックコンタクトを得ることもできる０又本
説明での透明な電気絶縁層（または膜）４ＦｉＯ，Ｖ、
Ｄ。

や蒸着等によって作成しても良いが、予め作成され良電
気的絶縁性のある膜やフィルムを用いることも可能であ
る。従って予め複数個の単位光電素子を予め別々に作成
しておき、これらを集めて上述の構造になる様積層して
作成することも可能である。

なお図面では発明思想を明解にする丸め、基板１より離
れるに従い順次受光面積を小さくするが如き実施例が図
示されているが、これは必ずしも実際の成形された製品
の形態を示すものではなく、面積・形状の略々同じもの
や、逆に基板から離れるに従い面積の大きくなるものも
含まれる仁とは勿論である。

上記実施例では、２２！の単位光電素子を用い禁止帯幅
約１．８θＶ１即ち波長にして約０．６μｍにて作動域
を異にする場合について述べているが各単位素子の作動
域に一部分重な如合う分野があって本勿論適用可能であ
り、又３種以上の単位素子を積層して入射側の第１１第
２番目の単位素子で光電変換されなかつ九波長領域の光
を第３番目以降の単位素子で変換することも勿論可能で
ある０本発明の応用については第一に一定の入射光に対
し、高い変換効率を持つ光起電力素子、所謂太陽電池と
しての利用が可能である。但しとの場合、各単位素子に
て生起した電力は異なるのがｉ通であるから、夫々の電
力を有効に利用するための外部システムが必要であるこ
とは勿論である。

又別の応用としては波長領域の広い入射光のスペクトル
変化を検知する光検知素子としての利用がある。

従来この目的の為ＫＦｉ夫々が異なる波長領域にて感応
する別種（別性能、別構造、別材’Ｊ）の素子を棒数個
配列し、各々の素子で感応した出力信号（例えば光起電
素子で変化され生起した電圧）を外部に取り出し、適当
な信号処理装置を用いて処埋することによシ光のスペク
トルの状況やその変化具合を検知してい九〇しかし上述
の方法では、数ケの素子を完全に空間内又は平面内の一
点に設置することは不可能であシ、入射光路に沿って設
置することも困難であシ、光の分路器の如きもので光路
を分割して夫々を別の位置で調定せねばならなかった。

これに対し、本発明の充電素子は一体として構成され、
夫々の単位光電素子の位置も極めて接近して居Ｆ）（１
ｍ以下、０．ｌ■以下も可能）空間的に略々同一位置と
見なし得る０更に党略を考えると、これは分路器等を用
いずとも１本の光路に沿った光（光束）で検知できるの
で極めて構造の簡単な検知システムを構成することが可
能となる。従って従来の如き空間的に異なる位置の光検
知システムでは、正確に入射光の状態を測夛得ない様な
光（例えばビーム状の光）のスペクトル変化を醐ること
も本発明素子を用いることＫより可能となる。更に本発
明に係る光電素子の各単位素子の電極対に生じる起電力
を用い、演算処理を行うことも可能である。

以上詳細Ｋｍ明しえように本発明の多段セル構造のアモ
ルファス牛導体からなる光電素子は、これを構成する単
位素子毎に１光起電素子として機能する波長領域が異な
シ、同一の入射光に対してそ持つ素子となる。又この素
子を光検知素子として用いれば非常に細い光束の光の波
長スペクトルの変化を極めて簡単Ｋｍ定することができ
るので非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光起電素子の構成を示す断面図であり
、ｌＦｉ基板、２及び６はｐｉｎ型アモルファス牛導体
からなる単位光電素子、３，５．７は透明導電膜、４ｉ
ｊ透明な電気絶縁層、８　、９　、１０．１１は基板又
は透明導電膜に電気的に接続され、８と９゜１０と１１
が夫々対をなし、各々の対から独立し九電力を外部に堆
出すための電極等の手段〇特許出願人　鐘淵化学工業・
株式会社 代理人弁理士内田敏彦

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　　ｐｉｎ型アモルファス半導体から成る単位光電
   素子の複数個を、相互間に光透過性の電気ＩＰ３縁ノー
   を介在させ、しかも各単位光電素子のダ光面が平行にな
   るようにして基板上に積層すると共に、単位光電素子の
   夫々には、該素子に生起する電力を個別に取り出すため
   の手段が設けられていることを特徴とする光電素子。 ２、前記複数個の単位光電素子は、各素子中における真
   性層の禁止帯幅が広い順に積層されておシ、最も広い禁
   止帯幅の真性層を有する単位光電素子を光入射側とする
   ものであることを特徴とする特許を−・求の範囲第１項
   にｂピ載の光電素子。 ３、前記各単位光電素子は、ｐｉｎ型のアモルファスシ
   リコンナイトライド、アモルファスシリコンカーバイト
   、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマ
   ニウム及びアモルファスシリコンチンから選ばれ九−撞
   又は数種のｐｉｎ型アモルファス半導体であることを特
   徴とする％ＦＦ話求０軛囲第１，２項に記載の光電素子
   。 ４、前記複数個の単位光電素子は、その水素原子包含割
   合が、３　ａｔｏｍ−乃至３Ｑ　ａｔｏｍ−の範囲内で
   すべて異っていることを特徴とする％ｆ’ｆｊＡ求の範
   囲第３項に記載の光電素子。 ５、前記電気絶縁ｍけ、二層の透明導ｉｔ層によってサ
   ンドイッチされていることを特徴とする特肚藷求の範囲
   第１乃至第４項に記載の光電素子。 ６、前記単位光電素子を構成するｐｉｎ型アモルファス
   半碑体の９層及び／又Ｆｉｎ　Ｊ＠は、アモルファスシ
   リコンナイトライド、アモルファスシリコンカーバイド
   、アモルファス−シリコンカーボンナイトライドから選
   はれたアモルファス半導体のドープ層であることを特徴
   とする％ｆ−ｆｐ求のに！１四第１項乃至第５項に記載
   の光重°素子。 ７、前−ｃｐｉｎルミｎ型アモルファスの９層又は０層
   の厚みは、ｆｌＩ５０〜１５０ムであることを％督とす
   る待１ｔｌＩ８　＊の範囲第６項に記載の光電素子。 ８、前１５ｐｉｎ型アモルファス半導体のｐ層又Ｆｉｎ
   層はその電気伝導度が約１０”−”（Ω・信）−１以上
   であり、且つ光学的禁止帯の−が約１．９ｅＶ以上であ
   ることを特徴とする特許精求の範囲第６項又は第７瑣に
   記載の光電素子。 ９、　　ｐｉｎ型アモルファス半導体からなる単位光電
   素子の複数個を、相互間に光透過性の電気粕鰍層を介在
   させ、しかも各単位光電素子の受光向が平行になるよう
   Ｋして、基板上に積層してなる光−素子を用い、各単位
   光電素子から個別に取出した複数の光起電力のうち、任
   意の光起電−力と残りの一つ又ｉｊａ数の光起電力とを
   比較測定することにより、入射光のスペクトル変化を検
   知することを特徴とする光検知方法。