JPS62198171A - 光電変換半導体装置 - 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】 本発明は、太陽光の如き連続光において、短波長側の光
を利用して第１の光電変換装置により光起電力を発生せ
しめるとともに、さらに長波長側の光を有効利用して第
２の充電変換装置により光起電力を発注させることによ
りより広い波長領域の光を電気に変換せしめる光電変換
装置に関する。

本発明はかかる目的のため、従来より行われている光照
射面側の電極を透光性にするに加えて、非単結晶半導体
の裏面に設けられている電極をも金属の面電極とするの
ではなく、透光性電極とせしめた第１の光電変換装置を
設ける。この第１の光電変換装置を透過してきた光を第
２の光電変換装置に導入し、この第２の装置においても
光起電力を発生させる。特に第１と第２の光電変換装置
を張り合わせた時の構造に関する。

従来、広い波長範囲を利用するための光電変換装置はア
モルファス太陽電池が代表的である。第２図にその縦断
面図の一例が示されているが、照射光（１００）に対し
基板（３８）上に電極（３７）を設け、この上側にＮ型
半導体（３６）　、　Ｉ型半導体（３５）、　　Ｐ型半
導体（３４）よりなる°第３の光電変換装置、さらにこ
れに密接してＮ型半導体（３３）　、　Ｔ型半導体（３
２）、Ｐ型半導体（３１）よりなる第２の光電変換装置
、さらにこの上面にＮ型半導体（３０）　、　Ｉ型半導
体（２９）、Ｐ型半導体（２８）よりなる第１の光電変
換装置、さらにその上の透明電極（２７）　、透光性樹
脂媒体（２６）、　透光性基板（２５）よりなる光電変
換装置が知られている。

かかるタンデム構造の光電変換装置は漸次半導体を積層
してゆくことができるため、多量生産に優れるという特
徴を有する。

しかし基板の一方の側（（３８）側）にのみ光電変換装
置を積層していくため、その一つがピンホールで破壊す
るとすべてがショー１−シてしまい、生産歩留りがきわ
めて悪いという欠点を有する。

さらにこのタンデム構造において、その光学的エネルギ
バント巾（Ｅｇ）は、第１図に示す如く、光照射により
光起電力を発生するＩ型半導体（２９）。

（３２）　、　（３５）は入射光側より内部に向かって
漸次小さくさせる必要がある。その時、ＨＩＪ半導体層
（２９）、（３２）　（３５）は５ｉｘＧｅ＋−ｘ（０
＜Ｘ＜１）を用い、（２９）はＸ＝１．（３２）はＸ　
＝　０．８．　（３５）はＸ＝０．６とより内部（基板
側）の半導体になる従って高価なゲルマニュームの添力
ｎｆｆ１を多（しなければならない。

加えてこの内部の方がより長波長光を吸収しなければな
らないため厚さもより厚くしなければならない。このた
め高価なゲルマニュームをより多量に用いなければなら
ず、低価格化を求める光電変換装置として二重に大問題
であった。

本発明はかかる問題点を解かんとするものであって第１
図にその縦断面図の一例を示す。

第１図において入射光（１００）側に位置する第１の光
電変換装置（１５）は透光性基板（１）上の第１の透光
性電極（２）、光照射により光起電力を発生するＰＩＮ
接合を有する非単結晶半導体（３）および透光性の工面
電極（４）よりなる。さらにこの第１０光電変換装置を
透光した長波長側の光（１００’）は透光性媒体（５）
（ここではＥＶＡを用いた）を経て第２の光電変換装置
（１６）に至る。この第２の光電変換装置は透光性の第
４の電極（６）、光照射により光起電力を発生する第２
０ＰＩＮまたはＮＩＰ接合を有する非単結晶半導体（７
）、裏面の第３の電極（８）よりなる。この第２の光電
変換装置は第２の基板（９）上に第１の基板上に設ける
のと大部分の工程を同一工程で形成させ得る。この構造
において、第２の非単結晶半導体の特にＩ型非単結晶半
導体の光学的エネルギバンド巾は、第１の非単結晶半導
体のＩ型非単結晶半導体と同一材料を用いつつも小さく
することによって成就させる。特にこの第２のＩ型非単
結晶半導体は、第１のＩ型非単結晶半導体に比べてその
結晶化を大きくしたものを用いる。

即ち、例えば、第１の非単結晶半導体の■型半導体は水
素またはハロゲン元素が添加された「アモルファスシリ
コン」半導体により設けられる。さらに第２の非単結晶
半導体は水素またはハロゲン元素が添加された「多結晶
シリコン半導体」により設けられる。

特にこの第１及び第２の半導体はともに弗素または珪素
が添加されたゲルマニュームの添加のないより珪素に近
い珪素を主成分として設けられている。

かかる構造とした時の光学的エネルギバンド巾をその番
号を対応させて第３図（図面における厚さは任意スケー
ルである）に示す。

かかる第３図の構造とすると、基板側よりＰＩＮ接合を
有しているため、第１の非単結晶半導体（３）と第２の
非単結晶半導体（７）はともに同じ被膜形成装置を用い
て形成し、装置を節約し得る。そしてこの第１の非単結
晶半導体（３）はＰ型半導体（３−１）、Ｉ型非単結晶
半導体（３−２）　、　Ｎ型半導体（３−３）をともに
グロー放電プラズマＣＶＤ法により１５０〜２５０℃の
温度で形成させ得る。他方、第２の非単結晶半導体（７
）のＰ型半導体（７−１）、Ｎ型半導体（９−３）は同
様にグロー放電プラズマＣＶＤ法を用いて形成するが、
その厚さは１〜１０μを有する。Ｉ型の第２の非単結晶
半導体（７−２）はＥＣＲ（電子ザイクロトロン共鳴を
用い高い被膜成長速度を有し、かつ残留応力も少ない）
ＰＣＶＤ法で形成してもよい。

基板との密着性向上のため、さらにこの時の基板の温度
を３５０〜９００℃好ましくは４００〜７００℃の温度
で形成する。すると前者のアモルファス構造のＩ型非単
結晶半導体（３−２）は光学的エネルギバンド巾として
１．７〜１．８ｅＶを有し、後者のＩ型非単結晶半導体
（７−２）は１．４〜ｌ　、　６ｅＶを有せしめること
ができる。

さらにこの後者の第２の非単結晶半導体はかかる半ｍ体
を形成してしまった後、活性水素アニールを２００〜５
００℃の温度で行い、残存する再結合中心密度をさらに
中和減少させた。かくしてガラス基板（１）　、　（９
）上に透光性導電膜（２）１反射性電極（８）、非単結
晶半導体（３）　、　（７）　、内側面の透光性導電膜
（４）　、　（６）をそれぞれ形成し、それぞれ独立に
光照射をし光電変換効率を測定する。その後良品のみを
選別しそれらを中間の媒体としてＥＶＡを挿入し全体を
加熱しラミネートし一体化した。この際に第１の光電変
換装置と第２の光電変換装置の電気的直列接続部は意図
的にずらし、第１の光電変換装置の直列接続部は第２の
光電変換装置の発電区域の上にくるようにした。これに
より光の有効利用をすることができた。すると２つのガ
ラス基板（１）　、　（９）は合わせガラスとして作用
させ、機械強度を約２倍とすることができる。

以下を図面に従って本発明を記す。

実施例１ 第１図は本発明の縦断面図を示す。

図面において、第１の光電変換装置の作製は以下の如く
に行った。即ちガラス基板（１）上に酸化スズよりなる
透光性ｍ電膜（２）をスパッタ法またはＣＶＤ法で形成
した。この後、第１のレーザ加工工程（１７）にて複数
の区域に切断する。さらにこの後、プラズマＣＶＤ法に
よりＰ型非単結晶半導体（Ｓｉｘｃ＋−ｘ（０＜Ｘ〈１
））厚さ１００〜２００人）−１型非単結晶半導体（Ｓ
ｉ厚さ０．１〜０．４　μ代表的には０．２５μ）−Ｎ
型非単結晶半導体（微結晶化したＳｉ厚さ１００〜３０
０人）を積層して形成する。さらに第２のレーザ加工工
程により第２の溝または穴（１８）を形成した。

さらにこの上面に第２の電極を透光性導電膜例えば酸化
亜鉛（４）をスパッタ法により積層した。

その後この透明導電膜に対し第３のレーザ加工処理を施
した。

かくして第１の基板（１）上に第１の光電変換装！（１
５）を集積化して作ることができた。

次に第２の光電変換装置（１６）を以下の如くにして作
製する。

第２の基板（９）上に金属モリブデンをスパッタ法にて
０，１　μの厚さに形成した。さらにその上にスパッタ
法にて酸化スズを０．３　μの厚さに形成した。さらに
この導体に対し第４のレーザ加工処理を施し、第４の開
溝（２１）を設けた。

この後この上面にグロー放電プラズマＣＶＤ法によりＰ
型半導体（ＳｉｘＣ＋−ｘ　Ｏ＜Ｘ〈１　　厚さ１００
〜２００人）を形成した。さらにＥＣＲ（電子サイクロ
トロン共鳴）プラズマＣＶＤ法を用い■型シリコン半導
体（厚さ１〜１０μ）を３５０〜９００℃例えば４５０
℃の温度で２〜５μの厚さに形成する。さらにＮ型微結
晶シリコン半導体を同様に４５０℃の温度で１００〜３
００人の厚さに形成する。かくして基板側よりＰＩＮ接
合を積層して有する非単結晶半導体を作製する。この後
これら全体に対し活性水素中で水素アニールを３００℃
の温度で行い、半導体中の再結合中心密度をさらに１／
ｌＯに減少させる。

この後これらに対し第５のレーザ加工処理を施し、半導
体に溝または穴（２２）を作った。さらにこの上に酸化
亜鉛の透光性導電膜をスパッタ法で積層し、ここに第６
のレーザ加工工程を施し、第６の開溝（２３）を設ける
。かくして連結部（２４）にて複数の素子は互いに直列
に連結させることができた。

この第１の光電変換装置の連結部（２０）は第２の光電
変換装置の発電区域上になるようにした。これにより光
の連結部での有効利用を図ることが出来た。

さらに外部電極取り出し用のハンダ付（１３）　、　（
１４）を行い、外部取り出しリード（１１）　、　（１
２）を設ける。

そしてこの２つの光電変換装置を互いに内側に配し、そ
の間にＥＶＡ　（５）を介在せしめた。そしてラミネー
ト法を用いこれら全体を真空引きし、さらに１５０℃に
加熱をした。するとＥＶＡは溶け２つの基板間には残留
空気を除去した状態で一体物として互いに密着させるこ
とができた。

図面において、これら全体をその周辺部をブチルゴムに
よりアルミニューム枠（７）で一体化した。

第１図は光電変換装置の左側の一部のみを示したが、右
方向も同様である。

本実施例では、光電変換装置を集積化構造とするために
レーザ光を用いた為その連結部のｒｔＪ４まおよそ５０
〜２００μｍである。１０ｃｍ角基板全基板た場合、そ
の連結の総面積は１２段の集積の場合、１００ｍｍＸ０
．０５Ｘ１１＝５５ｍｍ”　、１００ｍｍＸ０．２　Ｘ
１１＝２２０ｍｍ”となり本発明のように連結部を第１
．第２の光電変換装置でずらすことにより、０．５５〜
２．２ｚもの光をさらに有効に利用を図れることとなる
。

この結果節２の光電変換装置の発生する電流が増大する
こととなる。さらにレーザ光を用いない方法（例えば金
属マスク等）によればさらにその割合が増加することと
なる。

以下に本実施例で得られた特性を示す。

第１．第２の光電変換装置とも１０ｃｍ角で１２段の集
積化構造となっている。

開放電圧　　（Ｖ）　　　１９．２５ 短絡電流　（ｍＡ／ｃｍ”）　９４．５０曲線因子　　
　　　　０．６６ 効率　　　　（χ）　　　７．６８ 比較例として１０ｃｍ口の基板を用いて集積化した場合
の結果を示す。この場合、第１の光電変換装置は１２ゲ
の直列とし、第２の光電変換装置を１２ケの直列接続と
し、連結部を上下で重なるようにしてこれらを互いに直
列に連結した。

開放電圧（Ｖ）　　　　　　１９．２ 短絡電流（ｍＡ／ｃｍ”）　　　　　　１３．０曲線因
子　　　　　　　０．６６ 変換効率（Ｘ）　　　　　　６．６８ このようにして第１の光電変換装置の連結部を第２の光
電変換装置の発電区域上に置くことにより約１．１χ電
流値が増大した。

加えて入射光側の光電変換装置のｌ型半導体層の厚さが
０．２５μと薄いため、光照射により劣化するいわゆる
ステブラ・ロンスキ−効果がほとんど観察されず、きわ
めて安定な光電変換装置とすることができた。

本発明において、第２の光電変換装置は基板側よりＰＩ
Ｎ接合を有せしめた。しかしこの構造は基板側よりＮＩ
Ｐ接合とさせることも可能である。

実施例２ 実施例１にて示した第１の光電変換装置の作成方法と同
一方法により形成した光電変換装置を連結部が重ならな
いように上下２枚重ね合わせた本実施例においては、基
板は４００＋ｎ＋ｎ　Ｘ　６００ｍｍの大きさの物を用
い、７２段の集積構造とし連結部の総面積は４００　Ｘ
ｏ、Ｉ　Ｘ７２＝２．８００ｍｍ’、よって１．２ｚ分
の光をさらに利用することができた。

この際上下の光電変換装置の連結部の特に平行である必
要はない。

このように連結部をずらすことにより従来は全く利用せ
ず、そのまま装置外に放出していた光を有効に利用する
ことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のタンデム構造の光電変換装置の縦断面
図を示す。 第２図は従来のタンデム構造の光電変換装置を示す。 第３図は本発明の光電変換装置のエネルギーバンド図を
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、透光性基板上に形成された複数の光電変換領域を直
   列に接続し、光入射面側及び裏面側に設けられた一対の
   電極はともに透光性電極よりなる第１の光電変換装置と
   前記第１の光電変換装置を透過した光により光起電力を
   発生し、複数の光電変換領域を直列に接続してなる第２
   の光電変換装置とにより構成される光電変換装置におい
   て、第１の光電変換装置の光電変換領域の接続領域は、
   第２の光電変換装置の光電変換領域上に設けられている
   ことを特徴とする光電変換装置。