JPS59971A - 補償アモルフアスシリコン太陽電池 - 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】 本発明は薄膜太陽電池に関する。さらに詳しくは、本発
明は薄膜アモルファスシリコン太ｌｓ電池に関する。

光電装置、たとえば太陽電池・のどときは太陽光を使用
可能な′電気エネルギーに変換することができる。電気
エネルギーの変換は光電効果として太１−電池分野で良
く知られてｉることの結果として起こる。太陽電池に照
射する木調放射線は電子とホールな生じる半導体層によ
って吸収される。電子およびホールは内蔵された（　ｂ
ｕｉｌｔ−ｉｎ　）電界、たとえば整流接合、つまり太
１１＃ｌ電池のＰ−Ｉ−Ｎ接合のごときによって分離さ
れる。電子昏工Ｎ型領域に向って流れホールを工Ｐ型領
域に向って流れる。

整流接合？横切って電子とホールが分離すると、光成流
として知られる電流および光電圧として知られる′電圧
を生じる。

太陽光から電気エネルギーへの最大変換効率を得るには
半導体材料は約１．５エレクトロンボルトのバンドヤヤ
ツデエネルヤーを持つヘキテアル。

光活性の真性水素化アモルファスシリコン基合金、たと
えば水素化アモルファスシリコンａ−８ｉ：Ｈ、アルい
は水素化フッ化アモルファスシリコンａ−８ｉ：Ｆ；Ｈ
のごときは、製作方法に依存して、約１．７Ｐｍｒ−パ
ン）＆取り入れたｒ−プした水素化アモルファスシリコ
ン合金は理想的パンダギャップエネルギーに近いかある
いはより小さいバンドギャップエネルギーを有する。こ
こに参照する米国特許明細書簡４，２１７，１４８号に
よれば、十分な量のＰ型伝導調節剤たとえばホウ素のご
ときを、わずかにＮ型である真性アモルファスシ１ｒコ
ンに加えて材料をＮ型でなくしかも中性状態に近くする
と教示している。しかしながらちょうど十分なＰ型ｒ−
パントを取り入れて材料を真性和しても材料のパンｒヤ
ヤツノは下がらない。それゆえ、太陽の放射線を吸収す
るのく適切なバンドギャップエネルギーともつと近くに
並んだ比較的低いバンドギャップを真性領域が有した補
償電池を持つことが非常に望ましい。やはり望ましいこ
とは電池を有し、そこで光活性真性領域の比較的大きい
吸収により比較的薄い活性領域を持つ電池の製作ができ
しかもそれゆえ装置のコストを下け、処理時間な早める
ことである。そのうえ、ある方法により作られる補償材
料を持つことが望ましくなろう、つまりその方法にあっ
てはドーピング処理中に導入される欠陥が比較的低いバ
ンドギャップエネルギーのために材料の吸収が増すこと
により相殺される。

出願人はＮ型とＰ型のドーパントの両方を含む光活性真
性領域を取り入れた水素化アモルファスシリコン太閤電
池を発明した。Ｎ型およびＰ型ドーパントをわずかに十
分な量取り入れて光活性真性領域のバンドヤヤツプな下
げ、それゆえ十分な欠陥状態密度を導入して吸収の増加
を相殺することなしに装置の吸収を増加する。ドーパン
トの濃度は光活性真性領域での再結合寿命があるのに十
分なだけ必要であり、該寿命は、電子とホールがそれぞ
れＮ型およびＰ層領域に遷移する時間より長い。

第１図は補償光活性領域を取り入れたＰ−Ｉ−Ｎ太陽′
畦池を例示する。

第２図は補償光活性真性領域を取り入れたショットキー
障壁太陽電池を例示する。

Ｐ−１−Ｈ太陽電池Ｉｆｆ）と明示し以下太陽電池１・
０と呼ぶ第１図を参照して本発明を本つと明確に例鉦し
よう。最初に述べた文字は太陽電池の入射領域である。

太陽電池１０に照射する太閤の放射線１００は太陽電池
の各層領域の入射面に参照点（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｐ
ｏｉｎｔ　）を形成する。太陽電池１０はステンレス鋼
、モリブデン、チタンアルいは他の適当な材料でできた
電気伝導性の基板１２を含む。任意であるが、基板１２
の入射Ｉｆｉハ非常に反射のよい金属層たとえばアルミ
ニウムあるいはクロムのごときで被覆して光を半導体材
料に反射して戻すことができる。もう一つの選択はガラ
ス基板であって、電気伝導性の材料たとえばスズ酸化物
、インジウムスズ酸化物などのような透明導電酸化物（
以下ＴＣＯと称す〕のごときで被覆したものである。も
し基板１２がＴＣＯで被覆したガラスであるなら、太陽
放射線は基板１１１Ｏ？通過して太陽電池内に入ること
ができる。この状況において、太陽電池を工Ｐ−１−Ｎ
太１場電池あるいはＮ−Ｉ−Ｐ太陽電池のいずれかとし
て働かせることができる。

水素化アモルファスシリコン合金の活性層１４はグロー
放電、化学気相蒸着ＣＶＤ、あるムは反応スパッタリン
グにより基板１２上に析出させる。

活性層１４は異なる伝導率の型智領域１４ａ。

ｆ４ｂおよび１４ｃｋ有する。基板１２に接ししかも基
板上に析出した領域１４ａはＮ＋型にドープされる。領
域１４ａのＮ＋型伝導性は伝導性基板１２へのオーミッ
ク接触を確かにする。領域１４ａが有するのは、約ｉ、
８ｅＶのパンＰギャップ？持つ約１０〜約４０ナノメー
タ好ましくは約２５ナノメータの厚みおよび適当なＮ型
ドーパントたとえばｐＨ，の形態のリンのごときが約５
，０００〜１５．０００容積６万分率容積、　ｐｐｍ好
ましくは約１０．０００容積ｐｐｍであるＮ型ｒ−ピシ
グ濃度である。領域１４ａは基板１２と接触するＮ＋型
から領域１４ｂでのＮ型までｒ−ピング濃度を等級分け
するのが好ましい。

補償光活性真性水素化アモルファスシリコンの領域１４
ｂは領域１４ｂに相接する。領域１４ｂは真性特性を有
するが比較的少ない量のＮ型およびＰ・型ドーパントで
Ｖ−グされる。領域は約１．７〜１．８ｅｖのオーダー
である非補償アモルファスシリコンより低いパンｒヤヤ
ッゾエネルギーを有する。領域１４ｂは太陽電池の光活
性領域であって太陽放射線を吸収して領域１４ａおよび
１４ｃに流れるホールと電子を作り出す。光活性領域１
４ｂは十分なＰ型ドーパントたとえばＢ２Ｈ，の形態の
ホウ素のごときあるいは他の適当なドーパントを取り入
れて材料のバンドヤヤツデを、ドーパントあるい蚤マＮ
＋型領域の無い真性材料のパンドヤヤツデから減らす。

Ｎ型ドーパントの補償量？また領域１４ｂに加えて材料
の欠陥状態密度な減らす。

Ｐ型ドーパントを加えて光学バンドギャップな所望のバ
ンドギャップエネルギー、好マしくハ約Ｌ５ｅＶＩＣ減
らす。しかしながら、Ｐ型ドーパントは材料のフェルミ
単位を非補償光活性真性水素化アモルファスシリコンの
それ以下に下げる。それゆえ、十分な量のＮ型Ｖ−パン
トをやはり加えて真性水素化シリコンのフェルミ準位を
非補償水素化アモルファスシリコンの準位に戻し上げる
。好ましくは目的の太陽′電池が以下のフェルミ準位？
持つようにＮ型ｒ−パントの程度を調節する、つまりシ
ョットキー障壁金属あるいは異なったＦ−デ半導体材料
たとえばＰ型ａ−８ｉ：ＨあるいはＰ型ａ−８ｉ：Ｆ：
Ｈなどのごときのいずれかに接触する補償真性材料に対
して最も広い可能な消衰幅（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ　ｗｉ
ｄｔｈ　）￥与えるような最低の可能な状態密度を通し
て動くフェルミ準位を、約０．６ｅＶ〜約０−８　ｅｖ
好ましくシエ約０．７ｅＶの伝導性活性化エネルギーと
相まって水素化アモルファスシリコンのホトルミネセン
スを最大にするようにＮ型ドーパントの量を加える。

領域１４ｂは約２５０〜約４００ナノメータ、好ましぐ
は約６５０ナノメータの厚み？有する。

補償領域１４ｂの吸収が大きいので層の厚みを薄くでき
る。非補償真性層は約４００〜１０００ナノメータ好ま
しくは約５００ナノメータの厚みを持つことになる。Ｐ
−ピング濃度はＮ型ドーパントについては約５００〜１
５００容積ｐｐｍでＰ型ｐ−・パント［−’）イては約
５００〜１５００容積ｐｐｍである。Ｎ型およびＰ型ｒ
−パントの好ましい敵は約８００〜１０００容積ｐｐｍ
である。光活性領域は約１．６ｅＶ未満好ましくは約１
．４〜１．６　ｅＶで最も好ましくは約１．５ｅＶのバ
ンドギャップエネルギーを持つべきである。対をなすＮ
型およびＰ型−−パントの正確な濃度は、光活性真性領
域からの電子とホールの遷移時間より再結合時間が長い
ように領域１４ｂで調節すべきである。

Ｐ減水素化アモルファスシリコンのｐＡＡｌ１４　ｃは
改良領域１４ｂに相接する。領域１４ｃはＰ型伝導率調
節剤たとえばホウ素、アルミニウム、ガリウムあるいは
インジウムあるいは他や適当なＰ型Ｖ−パントのごとき
を持つ水素化アモルファスシリコン領域である。領域１
４ｃは領域１４ｂでＰ型で層１６でＰ＋型であるのが好
ましい。領域１４ｃは層１６とオーム接触すべきである
。領域１４ｃの厚さは典型的には約２０〜約５０ナノメ
ータで好ましくは約６０ナノメータである。Ｐ型の水素
化アモルファスシリコンの領域１４ｃｖｚ約１．２ｅＶ
未ｆｉのバンドギャップエネルギー？有し約２　ｐ、０
００〜４０，０００容積ｐｐｍ好ましくは約６０．００
０容積ｐｐｍのＰ型ドーゾ濃度である。注記すべきは広
い、すなわち１．８ｅＶより大きいバンドギャップエネ
ルギーのＰ減水素化アモルファスシリコンを作ったが材
料は成長雰囲気にＮＨ３する。いはＣＨ４あるいはＮ２
０ガスを必要とすることである。Ｐ層領域が太閤電池の
入射領域を形成する際ハ広いパンＰギャップ材料が好ま
しい。

ＴＣＯあるφは他の適当な材料から成る透明電極層１６
は領域１４ｃと接触する。ＴＣＯ層１６は太閤放射線に
透明であるべきでありしかも領域１４Ｃに対してオーム
接触を形成す、る。任意であるが、層１６＆′＠完全な
反反射被覆を形成できる。層１６はまた薄い透明金属た
とえば金あるいは金および銀などのごときのこともある
。層１６は約６０オームパー平方（Ω／口）未満の、よ
り好ましくは焉６０Ω／ロ未満で最も好ましくは約２０
０／口未満の直列抵抗を持つことが好ましい。層１６は
典型的には厚みが４分の１波長のオーダーかある。

いは・約７０ナノメータである。

格子電極１８はＴＣＯ層１６上に析出させる。格子電極
は太陽放射線１００による太陽電池の照射（ｉｌｌｕｍ
ｉｎａｔｉｏｎ　）中に生じる電流を引きつける。

格子電極１８は白金、金、銀あるいは他の適当な非常に
伝導性の材料を使うことができる。

本発明の別の実施態様は第２図に例証する。太閤電池２
０は第１図の太閤電池１０と同じ基板１２、領域１４ａ
および１４ｂおよび格子電極１８を有する。しかしなが
ら、太１１電池２０は、光活性補償真性領域１４ｂおよ
び任意の反反射被覆１９であって太陽放射線に透明な５
ｉ０２．　ＺｒＯ２゜Ｎｂ２Ｏδ、　Ｚｎ８あるいは類
似材料から成る被覆と接触するショットキー障壁金属層
１７を組み込む。

太陽電池２０においては、照射中に生じる光′電流は基
板１２、層１Ｔおよび格子電極１８により集、／ めて引き出される。任意であり１１例示していないが、
Ｎｂ２０１５１８ｉｎ、およびＴａ２０５のような約２
〜５ナノメータのオーダの絶縁層を領域１４ｂおよび層
１１の間に挿入して従来技術でＭＩ８装置として知られ
るものを作ることもできる。好ましい太陽電池はまた基
板１２上にアルミニウムあるいはクロムの薄い反射する
金属層を含むことになる。

比較的少量のＰ型「−パントのみを用いてわずかにＮ型
の真性アモルファスシリコンを真に真性にしても、光活
性領域のバンドギャップを理想的バンドギャップエネル
ギーのｉ、５ｅＶに十分下げることはない。追加のＰ型
ドーパン日エバンドギキツデエネルギーな下げしかも光
活性領域の吸収を増すけれども、ホトルミネセンスは減
少する。

Ｎ型ドーパントの添加はＰ型ｒ−パントｖ補償ししかも
ホトルミネセンスを増す。ドーパントの量は、Ｐ型ドー
パントを光活性領域に取り入れることからくる欠陥位置
の増加により吸収の増大が相殺されないように調節しな
ければならない。

電池は従来技術、たとえば米国特許明細書箱４．０６４
，５２１号、第４，２１７，１４８号：第４，２２６，
８９８号に開示の方法のごときにおいて知られる方法に
より作ることができ、該特許はすべて引例によりここに
完全に組み込まれて、いや。

た・とえば、Ｐ型あるいは２型の水素化アモルファスシ
リコンは８１Ｈ４＋　Ｂ２Ｈ６＋　ＳｉＨ４＋　Ｂ２　
＋Ｂ２Ｈ６゜ＳｉＦ４　＋　Ｈ２＋　Ｂ２Ｈ，、５ｉ（
４！２Ｈ２＋　Ｈ２＋　Ｂ２Ｈ，、水素化シリコンガス
足丁水素およびＰｍｒ−パントなどからつくることがで
きる。広いバンドヤヤツデのＰ型材料はＳｉＨ４＋　Ｃ
Ｈ４＋　Ｂ２Ｈ６＊　ＳｉＨ４＋　Ｎ２０　＋Ｂ２Ｈ６
１ＳｉＨ，＋　ＮＨ３＋　Ｂ２Ｈ６，水素化シリコンガ
スおよびＣＨ４あるいはＮＨ３などから作ることができ
る。補償真性アモルイアスシリコンはＳｉ、Ｈ，＋Ｂ２
Ｈ。

＋　ｐＨ３１８１Ｆ４　＋　Ｂ２　＋　Ｂ２Ｈ６＋　Ｐ
Ｈ３＋　８１Ｈ４＋　８２　＋Ｂ２Ｈ，＋　ＰＨ３，他
の水素化シリコンガス、水素、ジボラン、ホスフィンな
どから作ることができる。

Ｎ型あるいはＮ＋型材料はＰ型材料と同じ物質から作る
ことができるが、ＰＨ３，Ａ８Ｈ３あるいは他の適当な
Ｎ型ドーパントでＰ型ｒ−パン）＆置換する。適切な基
板温度は約２５０〜３５０００であり０．２〜２Ｗ／ｃ
ｒｎ２の′電力密度、５〜５０ＳＣＣＭの流速および０
．１〜２　Ｔｏｒｒの析出圧とする。

適当なグロー放電装置）Ｘ　ＰＷＳ　４５０　Ｃｏｙｏ
ｔｅで、カリフォルニアのＭｏｕｎｔａｉｎ　Ｖｉｅｗ
にあるＰａｃｉｆｉｃＷｅｓｔｅｒｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ
、　Ｉｎｃ、の製品であるか、あるいシエマサチューセ
ッツのＷｏｂｕｒｎにあるＰｌａｓｍａ　−Ｔｈｅｒｍ
の子会社であるＰｌａｓｍａ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、　Ｉｎ
ｃ、のＭｏｄｅｌ　２３０６である。

さらに詳しくいえば、伝導性基板をｉロー放電装置内に
置き、圧力を約１０”−’　Ｔｏｒｒに下げる。

その後で基板は約２８０°Ｃに加熱する。シランあるい
はシラン足すメタンあるいはＳｉＨ，＋　ＮＨ３および
ホスフィンを約２０８０ＣＭの流速で室内に導入して約
９．５　Ｔｏｒｒの圧力を設定する。次に、グロー放電
電極を約１Ｗ／ｃｒｎ２の電力に上げしかもＮ型水素化
アモルファスシリコンの層な約１０゛〜４０ナノメータ
の厚さに析出さ・せる。その後でＮ型ドーパントの態度
？減らしてＢ２Ｈ，のようなＰ型ドーパントを導入して
薄膜が約５００〜約１５００容積ｐｐｍのオーダのホウ
素およびリンの濃度な持つようにする。光活性真性領域
は約３５０す／メータ厚の層に成長するのに約２０分か
かる。改良した補償領域は約１．６ｅＶ未滴のバンドギ
ャップを有する。もし材料が補償されなかったならば、
。

バンドギャップエネルギーは約ｉ、ｊ３ｅＶとなろう。

その後で、Ｎ型ドーパントを成端ししかもＰ型ドーパン
ト濃度を増して薄い高度１／Ｃｌ５−−１１．りＰ型、
好ましくはｔ型の領域を約３０ナノメータの厚みで約３
０，０００容積ｐｐｍのＰ型ｒ−ベントを含むよう釦成
長させる。

二者択一的に、゛水素化アモルファスシリコンはハロゲ
ン化、すなわち太閤電池を約８部のＳｉＦ。

対１部のＢ２の比率の８１Ｆ４およびＢ２で作ることに
よりａ−８１：Ｆ：Ｈにできる。

水素化アモルファスシリコン層の析出の後で、Ｔ２Ｏ層
を水素化アモルファスシリコン層上に析出させ、次に格
子電極をＴＣ’Ｏ層上に従来技術に既知の方法たとえば
蒸着、ホトリソグラフィなどの方法のごときにより析出
させる。もしくは、づト別によりここに組み込まれる米
国特許明細書！４．１６２，５０５号和教示されるサー
メツト層を電池に組込むことができる。

Ｐ−Ｉ−Ｎ水素化アモルファスシリコン太陽電池用に構
成を例証したけれども、真性水素化アモルファスシリコ
ンの補償愕域はショットキー障壁太陽電池、ヘテロ接合
太陽電池、ＭＩ８太陽電池、ＮＩＰ太陽電池、あるいは
水素化アモルファスシリコンの真性領域を組み込む同様
の半導体太陽電池にやはり組み込むことができる。水素
化アモルファスシリコンはまたハロゲンな取り入れるこ
とができる。太陽電池は、引例によりここに組込むが、
米国特詐明細書第４，３１６，０４９号に開示のような
バッテリーとして作ることができる。太１−［池技術に
おける通常技術の一つに対し明らかである改変は本発明
の観点の範囲内である。

【図面の簡単な説明】

第１図はＰ−Ｉ−Ｎ、ｔＩｓ電池・を示す。 第２図はショットキー障壁太陽電池を示す。 １２・・・基板、１４・・・水素化アモルファスシリコ
ン合金、１４ａ＝−Ｎ＋型、１４　ｂ−・・真性、１４
ｃ・・・Ｐ型、１６・・・透明導電膜、１１・・・ショ
ットキー障壁金属層、１８・・・格子成極、１９・・・
反反射被覆、“代理人　　浅　村　　　皓 外部２名 図面の浄凹（内容に変更なＬ） ＦＩＧ　　　Ｉ ＦＩＧ、−２ 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和５８　年特許願第　６３５１６　　　号３、補正を
する者 事件との関係　特許出願人 住　　所 氏　　名　　　　。 （名　称）　　ン工７゛ロン　リサー卒コンツマニー４
、代理人 ５、補正命令の日付 昭和５８年７月２６日 ６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１水Ｘ化アモルファスシリコン太陽電池であって、
   電気伝導性の基板、光活性真性水素化アモルファスシリ
   コンの少なくとも一つの光活性領域に関して異なる伝導
   率の領域を有する水素化アモルファスシリコンの層、水
   素化アモルファスシリコンの該層が反対の第１および第
   ２の主要表向を有し表向で該第１の主要表面が該電気伝
   導性の基板と接触する該層、および該第２の主要な表面
   を電気的に接触させる手段から構成される上記太閤電池
   において、光活性真性水素化アモルファスシリコン領域
   が適当なＮ型およびＰ、型のドーパントで補償されて物
   質のパンｒヤヤッゾを約１．６　ｅＶ未満に低減し、光
   活性真性領域の再結合寿命が該光活性真性領域において
   太陽電池の照射中に該領域から生ずる空孔と域子の遷移
   時間より長いように該ドーｆ濃度を調整する改良方法。 （２）Ｐ型およびＮ型ｒ−パント濃度が約５００〜１５
   ００容積ｐｐｍである、特許請求の範囲第１項に従う太
   陽電池。 （３）光活性真性領域が約１．５　ｅｖのバンドギャッ
   プを有する特許請求の範囲第２項に従う太閤電池。 （４）電池がＰ−Ｉ−Ｎ太陽電池である、特許請求の範
   囲第１項に従う太陽電池。 （５）　　太１−眠池がＮＩＰ太陽電池である、特許請
   求の範囲第１項に従う太陽電池。 （６）　　特許請求の範囲第１項に従う太陽１池であっ
   て、電気的に伝導性の基板と接触するＮ＋型領領域該Ｎ
   ＋型領領域接触する光活性の補償真性領域および光活性
   真性領域と接触してショットキー障壁太爾醒池を形成す
   るショットキー障壁金属ｌ＠から該゛電池が構成される
   上記太陽電池。 （７）　　′＃許請求の範囲第１項、第６項、第４項あ
   るいは第５項に記載の太陽電池であって、シランおよび
   ジボラン：シラン、アンモニアおよびジボラン、７ラン
   メタンおよびジボラン、あるいはシラン、望素酸化物お
   よびジボランから成る雰囲気からＰ型物質を作る上記太
   −゛峨池。 １８）　　光活性の補償真性領域をシラン、ジボラン、
   およびホスフィンから成る雰囲気から作る、特許請求の
   範囲第１項あるいを工第３項に記載の太陽電池。 （９）水素化アモルファスシリコン［サラ［）＼ａ）ｆ
   ンを取り入れる、特許請求の範囲第８項に記載の太陽電
   池。 ｌ１ｌ）　　特許請求の範囲第１項に従う太陽１池であ
   って、光活性の補償真性領域が、Ｎ型およびｐ＃１のド
   ーパントで補償されるハロゲンを取り入れる水素化アモ
   ルファスシリコンである上記太陽電池。 旧）　水素化アモルファスシリコン太陽電池に組み込ま
   れる光活性真性水素化アモルファスシリコン領域のバン
   ドギャップエネルギ、−に減少させる方法であって、該
   方法が、 光活性真性水素化アモルフ石スシリコン領域のパンｒギ
   ャップエネルギーを約１．６ｅＶ未滴に減少させるのに
   十分な量該層の成長中に適当なＰ型ドーパントおよびＮ
   ｍ１−”−パントを取り入れ、該Ｎ型およびＰ型ドーパ
   ントの該ドーピング濃度がでは照射中の該光活性領域か
   ら出るホールと電子の遷移時間より再結合寿命の方が長
   い ことを特徴とする上記方法。 口２、特許請求の範囲第１１項に従う方法であって、Ｎ
   型およびＰ型ドーパントをグロ放電装置の中に、Ｎ型お
   よびＰ型ドーパント濃度な５００〜約１５００容積ｐｐ
   ｍのオーダーで含む真性領域を作るのに十分な量取り入
   れる上記方法。 ０３　　基板の温度が析出巾約２００〜約６００℃であ
   る、特許請求の範囲第１２項に記載の方法。 Ｉ　水素化アモルファスシリコン用の成長雰囲気がシリ
   コン−水素−ノ１０ｒンガスから成る、特許請求の範囲
   第１６項に記載の方法。 ｕ９　　雰囲気が８１Ｆ４およびＨ２足すドーパントガ
   スである、特許請求の範囲第１４項に記載の方法。