JPS5850034B2 - 光起電力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は光起電力装置の無反射条件の改良、特に薄膜
の活性領域を持つ光起電力装置の無反射特性の微細調整
に関する。

太陽電池の様な光起電力装置における綜合電力発生効率
は光が太陽電池の活性領域に入射吸収される効率に直接
依存する。

光起電力装置の活性領域とは光すなわち太陽輻射が吸収
され、それによって電荷担体を発生させる領域のことで
ある。

太陽電池の電力は活性領域あるいはその内部の半導体接
合によってこれら光により発生した電荷担体を捕集する
ことによって得られる。

単結晶シリコン太陽電池の場合、電荷釦体の拡散距離は
比較的長くて最大的１００μである。

従って、半導体接合から約１００μ以内で発生した電子
正孔対は太陽電池で発生する電力に寄与することになる
。

この場合、光を太陽電池内部まで有効に入射させるため
に、太陽電池表面上に広帯域の反射防止層を具備する必
要がある。

この反射防止層は通常表面に形成された誘電体材料の薄
膜から成り、光の反射を抑制して太陽電池中への光の透
過率を向上する。

一般に、厚さ数μ以下の薄膜活性領域を持つ多くの光起
電力装置の場合、光によって発生した電荷担体の拡散距
離は単結晶シリコンのような良質の結晶材料の厚い活性
領域を持つ光起電力装置の拡散距離に比較して著しく短
かい。

この拡散距離が短かいことは、薄膜材料が多結晶あるい
は非晶質のため電荷担体易動度が低いことによる。

光起電力装置の薄膜活性領域はシラン中におけるグロー
放電によって作られた非晶質シリコンのような材料で形
成し得るが、一般にシラン中のグロー放電によって制作
した非晶質シリコン中の正孔の拡散距離は単結晶シリコ
ン中における１００μに比較して非常に短か（僅かに３
ｏｏｏＡである。

しかしながら、上記のような薄膜活性領域を持つ光起電
力装置は、より高品質の結晶で作られた厚い活性領域を
持つ光起電力装置と比較して安価に製作でき、従って経
済的に有利である。

エアマス−１（ＡＭｌ） の太陽スペクトルは、その
エネルギの相当部分を太陽スペクトルの高波長部分と呼
ばれる波長６０００Å以上の光子中に含み、この６ｏｏ
ｏＡ以上の波長の太陽輻射は、シラン中のグロー放電に
よって作られた非晶質シリコンを含む薄膜活性領域材料
の多くにおいて、これらの材料中で発生する電荷担体の
拡散距離以上の光学吸収距離を示す。

このことは薄膜活性領域を持つ太陽電池を厚い活性領域
を持つ太陽電池の場合と同一の設計理論で製作すると、
太陽スペクトルの高波長部分がこの薄膜の活性領域に少
しも吸収されないため太陽電池の効率は零になってしま
う。

このため、太陽スペクトルの高波長部分の吸収率の高い
薄膜活性領域を持つ光起電力装置を設計することが望ま
しい。

光起電力装置は活性領域を持つ本体と太陽輻射を捕集す
るための入射面を持つ光透過層を具備するが、この発明
ではこの光透過層の厚さを第１の波長の太陽輻射に対し
て入射面が無反射性を呈するように、また光透過層と活
性領域との綜合厚さを第１の波長より長い第２の波長の
太陽輻射に対して上記入射面が無反射性を呈するように
選ぶ。

次に添付図面を参照しつつこの発明をさらに詳細に説明
する。

第１図にこの発明の光起電力装置の第１の実施例を１０
で示す。

この光起電力装置１０はショットキ障壁型太陽電池とし
て例示するが、当業者に明らかなように、この発明は太
陽電池でも光検出器でもよく、また、ＰＮ接合構造、Ｐ
ＩＮ接合構造または異種接合構造等の他の半導体接合を
持つものでもよい。

ショットキ障壁型太陽電池１０は薄膜活性領域１２を含
む本体１１を有する。

この薄膜活性領域１２の厚さは約０．１〜１０μで、活
性領域とは太陽光線を吸収して電荷担体を発生すること
のできる本体１１０部分を意味し、良好な光吸収特性を
持つ薄膜半導体材料から作られる。

この発明の説明の便宜上活性領域１２はシラン中のグロ
ー放電で作られた非晶質シリコンから成るものとするが
、この活性領域１２は多結晶ガリウム砒素やカドミウム
・テルル等の他の薄膜半導体材料から作ることもできる
。

活性領域１２の一方の表面は基板１４に接している。

この基板１４は入射する太陽輻射を反射すると同時に活
性領域１２と良好な電気的接触を作る例えばアルミニウ
ムのような材料から成り、活性領域１２に対する電気的
接触として働く。

基板１４とは反対側の活性領域１２０表面１３には金属
薄膜１８が被着されている。

この金属薄膜１８は表面１３上で非晶質シリコンの活性
領域１２とショットキ障壁すなわち表面障壁型接合を形
成することのできる連続した金属薄膜である。

通常ドープしない非晶質シリコンは僅かにＮ型であるか
ら、金属薄膜１８はショットキ障壁を形成するためには
４．５ｅＶ以上の高い仕事函数を持つ金属でなげればな
らない。

これに適する高い仕事函数を持つ金属として、白金、イ
ンジウム、ロジウム、パラジウムがあげられる。

さらに、金属薄膜１８は太陽輻射に対して少なくとも半
透明であるように薄く、かつ比較的低い層抵抗を持つも
のでなげればならない。

この金属薄膜１８に必要な光透過特性と低い薄膜抵抗の
値はその金属薄膜が連続薄膜ということと共に薄膜の膜
厚を決定する因子となることは当業者に明らかである。

金属薄膜１８の活性領域１２と反対側の面には太陽輻射
２４が基体１１に入射することができる入射面２２を持
つ光透過層２０が配置されている。

この光透過層２０は２酸化チタン、酸化ジルコニウム、
窒化シリコンのような太陽輻射を実質的に透過させる誘
電体材料から成る。

シラン中のグロー放電によって製作された非晶質シリコ
ンの活性領域１２は約３５００〜５０００大の範囲の太
陽輻射が強く吸収されるような太陽スペクトルに対する
吸収曲線を持つ（以後この領域を高吸収領域と呼ぶ）が
、非晶質シリコンの活性領域１２による吸収は５０００
Å以上の波長の太陽輻射に対して減少する（以後この領
域を低吸収領域と呼ぶ）。

光透過層２００１つの機能は非晶質シリコンの吸収曲線
の高吸収領域の太陽輻射がほとんど反射することなく入
射面２２に入射するようにすることである。

このため光透過層２０の厚さは高吸収領域の第１の所定
波長の太陽光線に対し入射面２２で反射しない様に選択
しなげればならない。

この第１の所定波長は高吸収領域の太陽輻射が活性預域
１２で最大限吸収されて第１の無反射条件が成立するよ
うに選ぶ。

金属薄膜１８の膜厚はこの第１の無反射条件に合致する
とき若干光透過層２０の厚さに影響を及ぼす。

この発明の最も有用な点は、光透過層２０と活性領域１
２との綜合厚さを低吸収領域の第２の所定波長に合わせ
て装置１０の吸収能をこの低吸収領域でも向上させたこ
とにある。

この第２の所定波長は活性領域１２で吸収される低吸収
領域の太陽輻射量を最大にするように選択される。

この吸収能の向上は低吸収領域の太陽輻射に対して入射
面２２で第２の無反射条件が成立するためである。

活性領域１２がシラン中のグロー放電による非晶質シリ
コンで作られる場合、光透過層２０が約５ｏｏｏＡの波
長（第１の所定波長）の太陽輻射に対し無反射性を呈す
るような厚さを持ち、活性領域１２と光透過層２０とが
約６５００穴の波長（第２の所定波長）の太陽輻射に対
し無反射性を呈するような綜合厚さを持つことが望まし
い。

この場合、第２の所定波長は第１の所定波長よりも長い
。

当業者に周知のごとく、無反射層または無反射条件の設
計においである特定の輻射波長を選ぶと、その無反射条
件は入射面における反射がその波長で最低になるように
働ら（。

この選択波長近傍（僅かに長波長側もしくは短波長側）
の太陽輻射に対しても入射面は比較的低い反射率を持つ
が、輻射波長が選択波長からづれるに従がってその入射
面の反射率は高くなる。

第２図には第１および第２の所定波長５０００Ａおよび
６５００穴に対する入射面２２の反射率が４２５０〜６
７５０大の波長範囲の太陽輻射に対して比較的低いこと
が示されている。

太陽電池１０の動作時には、活性領域１２を最初に通過
する間に吸収されない第２の所定波長近傍の太陽輻射が
反射基板１４によって反射されて活性領域１２に戻され
、次に活性領域１２を通過する間に吸収される。

しかし、第２の所定波長近傍の太陽輻射が活性領域１２
の２回目の通過で吸収されなくても、入射面２２は第２
の所定波長近傍の太陽輻射を反射しないため、この太陽
輻射は入射面２２から装置１０を出ていくことができな
い。

このため活性領域１２によって僅かしか吸収されないこ
の太陽輻射は光透過層２０と活性領域１２との内部でほ
とんど捕捉され、それによって活性領域１２中での吸収
される確率が高くなる。

この太陽輻射の捕捉は、吸収されやすい第１の所定波長
の輻射に対しては普通これが活性領域１２の最初の通過
で吸収されてしまうために起らない。

第３図に従来型のシラン中のグロー放電によって製作し
た非晶質シリコンの活性領域を持つ太陽電池とこの発明
の太陽電池の太陽輻射吸収効率の比較を示す。

図中の曲線Ａは従来型の非晶質シリコンの太陽電池の吸
収効率を、曲線Ｂはこの発明の太陽電池１０の吸収効率
を示す。

ここで比較のため選んだ従来型の太陽電池にシラン中の
グロー放電によって製作した厚さ約１０μの活性領域を
持つもので、この活性領域はアルミニウムのような材料
の基板に隣接して形成されている。

この活性領域の背面接触部と反対側の表面には白金の薄
膜が被着されてショットキ障壁を形成している。

この白金薄膜の厚さは約７５久である。

活性領域と反対側の白金薄膜面には厚さ約３４０人の酸
化チタン（Ｔ ｉ０２ ）の反射防止層が形成され、波
長的５ｏｏｏＡの太陽輻射に対して無反射状態を呈する
ようになっている。

この発明の太陽電池１０の光透過層２０と金属薄膜１８
とは上記従来型の太陽電池と同一材料、同一厚さのもの
で、やはり５ｏｏｏＡの太陽輻射に対し無反射状態を呈
する。

しかし活性領域１また厚さ約３２５０久でアルミニウム
の反射基板１４上にあり、この活性領域１２の厚さは光
透過層２０との綜合厚さが約６５００Ａの太陽輻射に対
する第２の無反射状態を呈するように選ばれているため
、第３図においてこの発明の太陽電池１０を示す曲線Ｂ
の下に斜線で示されるように、明らかに太陽光子束の吸
収の増加が見られる。

従来型の非晶質シリコンの太陽電池の光子変換効率は約
２８％であるのに対し、この発明の太陽電池１０の変換
効率は約３３％となり、従来型の太陽電池の初期効率に
比べ１８％も増加している。

太陽電池１０を製造するときは、例えばアルミニウムの
基板１４を通常のグロー放電装置中に置き、実質的にシ
ランの雰囲気中でグロー放電を行なって基板１４上に非
晶質シリコンの活性領域１２を被着した後、その活性領
域１２を含む基板１４を通常の蒸着装置に入れて活性領
域１２上に金属薄膜１８を蒸着し、さらにその金属薄膜
１８上に光透過層２０を被着形成する。

第４図にこの発明の光起電力装置の第２の実施例を１１
０で示す。

第１の実施例で説明したのと同様に、第２の実施例もシ
ョットキ障壁型太陽電池であるとする。

太陽電池１１０の本体１１１は光吸収特性の良い薄膜半
導体材料の活性領域１１２を持つ。

この場合も説明の便宜上、活性領域１１２はシラン中の
グロー放電によって形成される非晶質シリコンから戒る
ものとするが、第１の実施例と異なり、この活性領域１
１２はシラン中のグロー放電によって形成されたドープ
されていない非晶質シリコンの第１層１１３と、この第
１層１１３に隣接して、シランとドーピングガスとの混
合気体中のグロー放電によって形成されたドープされた
非晶質シリコンの第２層１１５から成る。

第２層１１５は高濃度にドープして、たとエバ０．１原
子％の燐を含むことが望ましい。

第１層１１３を原さ約３ｏｏｏ久とすれば第２層１１５
は通常約２００人の厚さとなる。

活性領域１１２、評言すればその第１層１１３は基板１
１４の表面上にあり、この基板１１４も第１の実施例の
基板１４と同様に太陽輻射を反射する材料で作られるが
、この場合は同時に活性領域１１２とショットキ障壁す
なわち表面障壁型接合を形成することのできる材料でも
ある。

基板１１４に適する材料としてロジウム、イリジウム、
白金等の金属があげられる。

第２層１１５の基板１１４と反対側の面にはこの第２層
１１５に対し良好な電気的接触すなわちオーム接触を作
ることのできる金材料からなる金属層１１７がある。

白金がこの材料の１例である。金属層１１７もまた太陽
輻射に対して実質的に透明で、通常約５０Ａ程度の比較
的薄い厚さのものである。

金属層１１７０表面には入射面１２２を持つ太陽輻射透
過層１２０が形成されている。

第１の実施例の透過層２０と同様に、この透過層１２０
も太陽輻射に対して実質的に透明であると同時に金属層
１１７と良好な電気的接触を作ることのできるものであ
る。

光透過層１２００条件を満たすことのできる材料として
、例えば酸化インジウム錫がある。

金属層１１７０目的は光透過層１２０と活性領域１１２
との間で電気的接触を形成し、整流性の接合を作らない
ようにすることである。

さらに、金属層１１７に隣接して第２層１１５のような
高濃度ドープ層があるため金属層１１７と活性領域１１
２間で良好な電気的接触が形成される。

ドープされていない非晶質シリコンの第１層１１３は僅
かにＮ型であるから、第２層１１５としては同一の導電
型で高濃度にドープしたものでなげればならない。

例えば第２層１１５は燐のようなＮ型不純物でドープす
ることができる。

この発明の第１の実施例と同様に、太陽電池１１０の光
透過層１２０は第１の所定波長に対し入射面１２２で第
１の無反射条件を満たす様な厚さを持ち、さらに光透過
層１２０と活性領域１１２との綜合厚さは第２の所定波
長に対し入射面１２２で第２の無反射条件を満たすよう
に選定されている。

第１の実施例の場合と同様、金属層１１７の厚さは第１
の無反射条件を満足させる光透過層１２０の厚さに若干
影響を及ぼす。

第２の実施例では光透過層１２０と活性領域１１２との
間に電気的整流作用防止用の金属層１１７を設けたが、
この整流作用はドープした第２層１１５単独でも、すな
わち金属層１１７なしでも防止し得ることは容易に考え
られる。

この発明の第１および第２の実施例は本体内におけるシ
ョットキ障壁の位置が異なるが、その動作は本質的に同
じである。

シラン中のグロー放電によって形成した非晶質シリコン
の活性領域１１２と白金の基板１１４を用いる場合、金
属層１１７の膜厚を約５０Ａ、酸化インジウム錫の光透
過層１２０の厚さを約５２５久とすると、第１の無反射
条件は約５０００人の波長で成立する。

さらに、活性領域１１２の厚さは約３２０ＯＡで、活性
領域１１２と光透過層１２０との綜合厚さが約６５００
穴の波長の太陽輻射に対し入射面１２２で第２の無反射
条件を形成するようになっている。

太陽電池１１０を製造するときは、まず白金の基板１１
４を通常のグロー放電装置に入れ、実質的なシラン雰囲
気中でグロー放電を行なって第１層１１３を被着した後
、ホスフィンのようなドーピングガスをグロー放電雰囲
気中に導入して第２層１１５を被着し、次にこの活性領
域１１２を持つ基板１１４を通常の蒸着装置に入れて金
属層１１７と光透過層１２０とを蒸着する。

この発明の第１の実施例において活性領域１２に電気的
接触を形成する手段は基板１４および金属薄膜１８であ
るが、第２の実施例において活性領域１１２に電気的接
触を形成する手段は基板１１４と金属層１１７に直列に
入った光透過層１２０である。

この発明の第１および第２の実施例において活性領域と
接触する基板表面を粗面化するか傾げることによって吸
収されない太陽輻射を捕捉する入射面の能力を向上し得
ることはこの発明により容易に予想することができる。

この発明の光起電力装置は優れた太陽光子変換効率を持
つ装置を具現する無反射条件の設計基準を提供するもの
に外ならない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の光起電力装置の第１の実施例を示す
断面図である。 第２図は第１の所定波長が約５０００人、第２の所定波
長が約６５００大のこの発明の光起電力装置の太陽輻射
波長対反射率の図表である。 第３図は従来法による太陽電池とこの発明の光起電力装
置との太陽輻射吸収効率の比較を示す図表である。 第４図はこの発明の光起電力装置の第２の実施例を示す
断面図である。 １０．１１０・・・・・・太陽電池、１１，１１１・・
・・・・本体、１２，１１２・・・・・・活性領域、１
４，１１４・・・・・・基板、１８，１１７・・・・・
・金属薄膜、２０゜１２０・・・・・・光透過層、２２
，１２２・・・・・・光入射面、１１３・・・・・・活
性領域の第１層、１１５・・・・・・活性領域の第２層
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 太陽輻射が入射することのできる入射面を持ち、そ
   の入射面が太陽輻射スペクトルの第１の所定波長の入射
   太陽輻射に対し実質的に無反射性を呈するような厚さを
   持つ太陽輻射透過層と、この透過層との綜合厚さが、上
   記入射面が太陽輻射スペクトル中で上記第１の所定波長
   よりも長い第２の所定波長の入射太陽輻射に対し実質的
   に無反射性を呈するような活性領域とを含む本体を持つ
   光起電力装置。 ２ 太陽輻射が入射することのできる入射面を持ち、そ
   の入射面が太陽輻射スペクトルの第１の所定波長の入射
   太陽輻射に対し実質的に無反射性を呈するような厚さを
   持つ太陽幅対透過層と、この透過層との綜合厚さが、上
   記入射面が太陽輻射スペクトル中で上記第１の所定波長
   よりも長い第２の所定波長の入射太陽輻射に対し実質的
   に無反射性を呈するような活性領域と、上記透過層と活
   性領域との間にあって両者に隣接する金属層とを有し、
   この金属層は上記活性領域と表面障壁型接合を形成する
   ことができる材料から成る光起電力装置。 ３ 上記活性領域が同一の導電型の第１層と第２層とを
   含み、上記第１層より第２層の方が高い不純物濃度を持
   つ特許請求の範囲第１項記載の光起電力装置。