JPS6091679A - 光電装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 コ（１）　発明は、望ましくはアモルファスシリコンお
よび水素を含み、大きな開路電圧を有するＰ−エーＮ光
電装置（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｄｅｖｉｃｅ　）
に関する。

〔背景と従来技術〕

Ｐ−Ｘ−Ｎ光電装置は、一般に、Ｐ導電型半導体材料層
と、実質的に真性（ｌ−型）導電型半導体材料層と、Ｎ
型導電型半導体材料層とを含み、そのＰおよびＮ導電型
層に電気的接続をつけて形Ｊ戊されている。この明細書
中で参考として引用するカールソン（Ｃａｒｌｓｏｎ　
）氏の米国特許第４　、０６４　、５２１　？ｊ　ｃ７
）　明ｆ（ＩＩ　書Ｋ　ｕ、シーｙ　ン（ＳｉＨ，）ヲ
含む雰囲気中でのグロー放電を利用して製造したＰ−工
−Ｎ装置を含む光電装置が開示されている。

水素４７ＪＤアモルファスシリコン（ａ−８１：Ｈ）ヲ
含む被着材料は、被着条件によって約１．７ｅＶのエネ
ルギ・バンドギャップを呈する。参考としてこの明＃］
書で引用するパンコーベ（Ｐａｎｋｏｖｅ　）　氏の米
国特許第４，１０９，２７１号には、入射光を通すドー
プ層にバンドギャップの広い水素添加アモルファスシリ
コン度素合金（ａ−３ｉｃ）を用いることが示されてい
る。このａ　−Ｓａｃ合金のバンドギャップは、合金の
組成により約１．７乃至３．２ｅＶの間で変化する。

これら装置の電力発生効率は、電流収集能力と開路電圧
（Ｖｏｃ　）によって決まる。電流収集能力は、光トラ
ッピング技術およびバンドギャップ・エネルギが光入射
面からの距離に従って減少するように王型層を形成する
ことによって改善された。

バンドギャップ・エネルギを減少させることによって、
電荷キＡ・リヤの収集能力を高める内部電界が形成され
ると共に、入射光の吸収率が増加する。

Ｖｏｃは、入射光が透過するＰ型層としてａ−８４Ｃ：
Ｈ合金を用いると、増大することが判った。さらに電圧
出力は、個々のセルを縦続配列することによって増加さ
せることができる。しかし、装置の製造に用いられる材
料または構造を変えることによシ、個々のセルの特性を
改善することが、なお望まれている。

〔発明の概要〕

この発明の装置は、入射光が透過する第１導電型の広い
バンドギャップ・エネルギをもつ第１層と、これとは逆
の導電型を有する第２層との間に、半導体材料の基体を
有する光電装置であって、この半導体材料の基体は、第
１層に最も接近して配置され、第１層と同等またはそれ
以下のエネルギ・バンドギャップを有する第１領域と、
実質的に真性導電型で第１領域よシも小さなエネルギ・
バンドギャップを有する第２領域とを含んでいる。

この装置は、上記基体の第１領域を持っていない装置に
比較して、大きな■○Ｃを示す。

〔詳細な説明と実施例〕

第１図において、光電装置１０は、第１および第２の主
表面１４．１６を有する基板１２を持っている。

第１主表面１４上には、光電装置１０への入射光を透過
させる反射防、止被覆１８が設けられている。第２主表
面１６上には、透光性の導電層２０が設けられている。

この透光性導電層２０上には、第１の導電型、典型的に
はＰ型である第１の広いバンドギャップをもつ半導体層
２２が設けられている。この広いバンドギャップ層２２
上に第２半導体層２３が設けられている。第２半導体層
２３は、広いバンドギャップ。

をもつ層２２上に形成されていると共に、この広いバン
ドギャップをもつ層２２のバンドギャップ・エネルギよ
り大きくないバンドギャップ・エネルギを有する第１領
域２４を含んでいる。第１領域２４は実質的に真性導電
型でおっても良いが、第１層２２と逆の導電型として、
広いバンドギャップをもつ層２２とこの第１領域２４と
の界面にＰＮ接゛合２６が形成されるようにすることが
望ましい。第２半導体層２３の第２領域２８は、実質的
に真性の導電型と、第１領域２４よりも小さなバンドギ
ャップとを有し、第１領域２４上に設けられている。第
２導電型の第：ｓ？ｒ；ｓｏＵ、広いバンドギャップを
もつ層２２とは逆の導電型を有し、第２層３３上に設け
られ、かつこの第３層３０の上には電気的接続部３２が
設けられている。

第２図に示す光電装置５０と上記第１図に示した光７Ｅ
装置１０において同一符号を付けて示した素子は同一の
機能を有し、特性も同じである。光電装置５０は、光が
反射防止波ａｆ１８の面５２を通して逆の方向から装置
５０に入射し、基板５４上の各層の積層順序が逆になっ
ている点で、第１図の光電装置１０と相異している。第
２導電型の第３層３０は、これに対する′電気的接続と
なる基板５４の面上に設けられている。また、この第３
層３０と基板５４との間に別の導電層を間挿することも
できる。第１および第２の領域２４．２８を含む第２半
導体層２３が、この第３層３０上に設けられている。第
２半導体層２３上に広いバンドギャップをもつ半導体層
２２が設けらレテいる。広いバンドギャップをもつ層２
２と第２半導体層２３の第１領域２４との間にＰＮ接合
２６が形成されることが望ましい。広いバンドギャップ
をもつ半導体層２２上に透光性導電層２０が設けられ、
この透光性導電層２０上に反射防と被覆１８が設けられ
ている。

基板１２は、この構造中の他の物を充分に支持し得る強
度を有するガラスのような透光性材料で構成する。基板
５４は、透光性である必要はなく、第３層３０に電気的
接触を形成するに足る導電性をもった材料で構成するの
が望ましい。

反用防市１ｑｂ、　Ｊ、（１ａは、典型的を・ζヶよ、
波長スペクトルのｉｉＪ視部外部分いて約／波長の光学
的厚さを有する、Ｍｇ　ｌ”２のような何月より成る弔
−の光透過層で、広帯域に頁って低反射性を与える。こ
の層は、周知の真空岐１；”１″法または化学的披ｉｈ
法を用いて、形成できる。

光電装置１０および５０に対する入射光が透過する透光
性の導電層２０は、約４００乃至１０００ｒｌ１１の波
長範囲の光に苅して実質的に透明で、通常はインジウト
−スズ酸化物のような透明導′直性酸化物または薄い金
属層からなるものである。或いはまた、装置１０の透光
１１：基板１２と透光性導電層２０との機能を組合わせ
て、実質的に透明で導電性の一つの層とすることもでき
る。

装置に対する入射光が透過する、広いバンドキャップ・
エネルギをもつ半導体層２２は、典型的には約５乃至５
０ｎｌ１１の厚さを有し、かつ約１．７ｅＶのバンドギ
ャップ・エネルギを有する材料で構成される。この層は
、典型的には約１０”／ａｓ”の原子濃度の導電率変更
用ドーパントを含んでいる。もし、この層をＰ型導電姓
とすれば、Ｓ□に対するＣの比が約０．１乃至１である
ドープされたａ　−５３Ｃ：　ト１合金で構成すること
が望ましい。もし、この層をＮ型導電性とすれば、ａ　
−３１，Ｕ　：　Ｈ合金または＋）１に対するＮの比が
！ＸＪ　Ｏ，ｌ乃至ユであるａ−８ｉＮ：１■合金で構
成することができる５、このａ　−Ｓｉ　Ｃおよびａ　
−ＳＩＮ合金は、参考としてこの明細計中で引用する米
国特許第４　、１０９　、２’；／１号の明細書に開示
されている方法を用いて被着させることができる。或い
はまた、この層は、ハロゲンを含むξ４．−８１−また
は通常含まれているよりも過量の水素を含むａ−３１で
構成することもできる。この水素を含むａ−３１層は、
米国特許第４，０６４，５２１号に開７Ｊ＜されている
方法を用いて連続的に被着させることができる。

第１の半導体領域２４の厚さは、典型的には］０乃至３
５０ｎＪＴｌ　であシ、望ましい厚さは約２００　ｎｍ
である。この領域は、広いバンドギャップ°をもつ層２
２のエネルギ・バンドギャップと同等またけそれ以下で
あって、第２領域２８よりも大きなエネルギ・バンドキ
ャップを存し、このキャップは領域２４の厚さ全体を通
じてほぼ一定であることが望ましい１．このバンドギＡ
′ツブ・エネルギは１．７ｅＶ　より大きく、約１．＋
ｅＶ乃至２．ＯＧＶの間であることが望ましい。この領
域は、実質的に真性の導電型を有し、これにはドープさ
れていないか、補償されているか、または僅かにＮ型も
しくはＰ型溝′ｌ−Ｆ性である材料が含まれる。また、
これを広いバンドキャップ°をもつ半導体層２２に対し
て逆の導電型として、この広いバンドギャップの層と第
１領域２４との界面２６にＩ）　−Ｎ接合が形成される
ようにすることもできる。それゆえ、このように形成し
た装置は、））　−Ｎ　−Ｉ　−ＮまたはＮ−Ｐ−工−
Ｐ装置である。この領域は広いバンドギャップをもつ層
２２と同じ合金またはより小さなエネルギ・バンドキャ
ップを有する同じ材料の他の組成で構成することもでき
る。充分に長い少数キャリヤ寿命、典型的には１０１秒
よシも長い寿命をもっていれば、どんな広いバンドギャ
ップ・エネルギ材料も使用できる。

また、第１領域２４は、そのバンドギＡ・ツブ・エネル
ギを約１．７ｅＶ　よりも大きな値に増加させるに充分
な量の水素を含むａ−８１で構成することもできる。典
型的には、基材温度約２４０°Ｃで５ＩＨ４を含む雰囲
気中のグロー放電によシ被着させた１−８ｊ−は、約１
０％の水素を含んでいる。この水素の量は、例えば基板
温度を下げることによって、或いは、たとえば２４０°
Ｃの基板温度でジシラン（Ｓｉ２Ｈｒ＋）のような高級
シラン（５ｊ−ｎ　Ｈ２ｎ＋２）を含むグロー放電によ
って層を被着させることにより、増加させることができ
る。この方法によって製造された約２０％の水素を含む
ａ−８１では、バンドギャップ・エネルギが約１．８５
ｅＶになる。このバンドギャップ・エネルギの値は、基
板温度、シランの分子量、ガス流量および放電中におけ
る電力消費量を変化させることによって変えることがで
きる。

第２半導体層２３の第２領域２８の厚さは、典型的には
約１００乃至６００　ｎＪＴ］で、望ましい値は約４０
０ｒ皿である。この第２領域２８は、第１領域２４のバ
ンドギャッグ・エネルギよりも小さくかつ一定値かまた
は厚さに応じて変化するバンドギャップ・エネルギを有
する。この領域は、実質的に真性の導電型を有し、これ
にはドーグされていない材料、補償されていない材料、
補償された拐料または僅かにＮ型またはＰ型溝電性の材
料が含まれる。そしてこの領域番・よバンドギャップが
約Ｌ７ｅＶまたはこれより小さな、水素および／または
ハロゲンを含むａ−８ｉのような材料で構成されている
。或いはまた、第２領域２８は、Ｓｌを含むアモルファ
ス材料の合金であって、ＧｅやＳｎのような第２元素の
ｍ度を空間的に変化させて第１領域からの距離に従って
バンドギャップ・エネルギを減少させた材料で構成する
こともできる。

油種的には、第３層３０は、典型的には、約５乃至５０
ｎｒｒＩの厚すで、アモルファスシリコン半導体材料で
構成されている。普通、この第３層３０は第２層２３の
隣接部分と同じバンドギャップ・エネルギを有する。こ
の層は広いバンドギャップをもつ層２２と逆の導電型を
何し、典型的には約１０２Ｉ／／ｆｆ２の原子濃度で導
″亀率変更ドーパントを含んでいる。。

電気接続部３２は典型的には第３層３０とオーム接触を
形成する金属で構成される。通常この層は、真空蒸着法
またはスパッタリング法によって順次被着されたチタニ
ウムの層とアルミニウムの層とで構成される。

約１．７ｅＶ　のバンドギャップ・エネルギを有するａ
−８１は約５乃至２０原子％の濃度、典型的には約ｌＯ
原子％の濃度の水素を含んでいるものと理解されたい。

バンドギャップ・エネルギが１．７８Ｖよシ大きなａ−
３１は、水素濃度の増加に従ってバンドギャップ・エネ
ルギが増加するという関係で、１５原子％よシ多い水素
を含む。これら材料は、また、フッ素、塩素、しゆう素
またはよう素のようなハロゲンを含むこともある。

この発明による光電装置の利点は、電流収集効率または
この装置の総合効率を犠牲にすることな（Ｖｏｃを増加
させ得ることである。■型層のバンドギャツ７°を増大
させることによって、一層高いＶＯＣを持った装置を得
られるが、そうすると太陽スペクトルのピーク近傍にお
ける吸収が大幅に減少して短絡回路゛Ｌ匡流Ｊｓｃが減
少することになる。

この発明の発明者は、少なくとも約１．７ｅＶ望ましく
は、１．７乃至２．ｏｅＶのバンドギＡ１ツブ・エネル
ギをイ］する材１；１の先人Ａ、）面、望１しくはｌ）
　Ｎ接合に第１領域２４を最も妾近させると共に、半導
体層２３の第２領域２８のバンドギャップ・エネルギを
より小さく望−ましくはｉ、７ｅＶまたはそれ以下にす
ることによって、よシ高い回路゛厩圧が得られることを
見出しだ。第２領域のバンドギャップ・エネルギを１．
７　ｅ　Ｖまたはそれ以下にすることによって、大陽光
束のピーク近傍およびよシ長い波長における光を効率良
く確実に吸収できる。

第２層２３の第１および第２領域２４．２８の相対的な
厚さも、第２層２３全体の厚さと同様に重要である。最
適効率を潜るには、この第２層２３全体の厚さは、光に
よって発生したキャリヤの集収長と同等程度とすべきで
ある。最適の全体厚さは、第２層２３を構成している異
なる材料の品質によって決−まる。今日のａ　−３１：
　Ｈおよび他の元素を含むこの材料の合金では、通常こ
の厚さは約５００乃至８００ｎｍであり、典型的には約
６００ｎｍである。

第２領域２８が太陽ヌベク）／しのピーク近傍の光を吸
収するのに充分な厚さを有する一方で、第２層２３の第
１領域２４は、Ｐ−Ｎ接合２６に隣接する空間電荷領域
の相当部分、望１しくに少なくとも５０％または全部を
含むに充分な厚さとすべきである。

第１領域２４の厚さは、第２領域の厚さよシも常に小さ
い。この発明の発明者は、厚さが６００ｎｍのａ−３Ｉ
層において、電流収集効率を維持しながら最大ＶＯＣを
生成するため第１領域と第２領域の厚さの最適の折衷値
は、第１領域２４が約２００ｎｍ。

第２領域２８が約４００ｎｍであることを見出した。

この発明の実施例を次に示すが、この発明はこの実施例
の諸元に限定されるものではない。

〔実　施　例〕

適当なドーパントを含むＳ４　Ｈ４中のグロー放電によ
る被着法を使用して、参照用の光電装置を製作した。こ
れらの装置は、ガラス基板上のＳｎ　０２層と、５ＩＨ
４、ＣＨ４およびＢ２Ｈ６を含む雰囲気中のクロー放電
下で形成された２、ｏｅＶのバンドギャップ・エネルギ
を佇する１２ｎｌＴｌの厚さの５ｉ−ｏ、５Ｃｏ、　ｓ
よりなるＰ型層と、Ｓ　ｉ、　Ｉニー（４を含む雰囲気
中のクロー放電−［−で形成された約１．’６８ｅＶの
バンドギー＼′ツブをイ」する５　８０　ｎｕｌｌの厚
さのｌ尤−３土工型層と、Ｓｊ、　１．１およびＰＨ３
を含む雰囲気中のグロー放電下で形成された厚さ５０　
ｎ１ｌｌのａ−８４よりなるＮ型層と、スパッタリング
によって被着されたＴｉ−Ａ６電気接触部とで構成され
ている。これら装置のうちの最良のものは、ＡＭ−１の
照明Ｉゞで■○ｅが０．８２■、Ｊｓｃが１２．９　ｍ
Ａであった。

」二記の参照用装置で１史川し７たのと同じ形式である
Ｓ　ｒｌ　Ｏ２導゛市性層の上にそれぞれの層を被着す
ることにより、この発明の光、往装置を製作した。これ
らの層Ｖよ、参照用装置のものと同様に厚さが１２＋１
Ｊｎ（７）２ｅＶのバンドギＡ’　７プを有するａ−Ｓ
工ｏ、　ｓ　Ｃｏ、　５のＰ２ｉ！！層と、２４０”Ｃ
の基板温度で５ｉ−２Ｈ６を含む雰囲気中の（ｉｃグロ
ー放電により形成された厚さが２０　Ｏｒｎｏのボ′）
１．８５ｅＶのバンドギャップを持つ第１の土型層と、
ＳＬＨ、、Ｈを含む雰囲気中のグロー放電で形成さノま
た１、６８ｅＶのハンドギＡ１ツブを持つａ−３１より
成る厚さが３８０ｒｌｌｎの第２工型層と、参照用装置
におけると同様の５０ｎｉＴｌの厚さのＮ型のａ−３１
層と、スパッタリング法で被着したＴ１−Ａｌの電気接
触部より成るものである。これらの装置４のうちの最良
のものは、ＡＭ−１の照明下で、ｖｏｃ　＝　０．９２
４　ｅ　Ｖ、Ｊ’ｓｃ　＝　９．９７＋ＴＩＡを示しだ
。

第１工型層として他の工型層よシも広いバンドギャップ
・エネルギを有する材剥を使用したことによって、Ｖｏ
ｃを１０％以上増加させることができた。、−ｆ　ｓ　
ｃが低いのは、Ｓ”ＬＨ２の初期イ２料の質と、Ｓ’、
１−２　Ｈ６中における第１工型層の最適成長条件が確
定されていないという事実に哉くものと思われる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明による光電装置の２つの
実施例の縦断面図である。 １０・・・光電装置、２２・・・第１層、２３・・・基
体、２４・・・第１領域、２８・・・第２領域、３ｏ・
・・第２層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　装置への人Ｊ１＝１光を透過させる第１導電型
   の広いバンドキＡ′ツブ・エネルギを持つ第１層と、こ
   の第１層とは逆の第２導電型を有する第２層との間に、
   形成された半導体材料の基体を含み、この基体は、上記
   第１層に最も接近した第１領域と、実質的に真性導’ｔ
   ｌｆ、型を有する第２領域とを有し、この第１領域のバ
   ンドギャップ・エネルギは、一定で第２領域のバンドギ
   ャップ・エネルギよシは大きいが上記第１層のバンドギ
   ャップ・エネルギよりは大きくなく、まだ上記第２領域
   のバンドキャップ・エネルギは１．７ｅＶまたはそれ以
   下で、」二記第１領域の厚さは第２領域の厚さよシも薄
   いことを特徴とする光電装置。