JPS6228599B2 - - Google Patents

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JPS6228599B2
JPS6228599B2 JP53157362A JP15736278A JPS6228599B2 JP S6228599 B2 JPS6228599 B2 JP S6228599B2 JP 53157362 A JP53157362 A JP 53157362A JP 15736278 A JP15736278 A JP 15736278A JP S6228599 B2 JPS6228599 B2 JP S6228599B2
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amorphous silicon
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solar cell
metal
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Jon Hanaku Josefu
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RCA Corp
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
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    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は太陽電池、特に無定形シリコン太陽
電池に関する。
この発明は米国エネルギ研究開発行政契約第
EY−76−Ｃ−03−1286号に基く活動中に行われ
たものである。
太陽電池のような光起電力装置は太陽輻射を使
用し得る電気エネルギに変換することができる
が、この太陽電池の半導体材料は単結晶または多
結晶シリコンのような結晶質構造または無定形シ
リコンのような非晶質構造をとることができる。
エネルギ変換は、太陽電池技術の分野において
「光起電力効果」として公知の効果により生ずる
ものであるが、この光起電力効果には次の２つの
基本段階が含まれている。まず半導体の本体に吸
収された太陽輻射によつて電子と正孔が発生さ
れ、次に太陽電池の半導体本体に内蔵された電界
によつてこの電子と正孔とが分離される。この電
子と正孔との分離によつて電流が生成される。太
陽電池内には例えばシヨツトキ障壁により内蔵電
界が発生し、金属（シヨツトキ障壁）と半導体の
本体との接合に発生した電子が半導体本体に向つ
て流れる。
粒状金属としても知られるサーメツトは混合不
能の金属と絶縁体との微細分散混合物より成る複
合材料であり、例えば1974年１月発行のジヤーナ
ル・オブ・アプライド・フイジクス（Journal of
Applied Physics）第45巻第１号掲載のように、
Ｎ型単結晶シリコンおよびガリウム砒素に適用す
るとシヨツトキ障壁として作用することが知られ
ている。しかし1977年４月発行のアイ・イー・イ
ー・イー・トランザクシヨンズ・オン・エレクト
ロニツク・デバイシーズ（IEEE Transactions
On Electronic Devices）第ED−24巻第４号掲
載のように、結晶シリコンと無定形シリコンとの
違いによつて、単結晶シリコンの例から無定形シ
リコンに対するサーメツトの効果は推定すること
はできない。
ここに引用するカールソン（Carlson）の米国
特許第4064521号明細書記載の水素化無定形シリ
コン太陽電池は、太陽輻射を使用し得る電気エネ
ルギに変換することができる。この水素化無定形
シリコン太陽電池はシラン（SiH4）中のグロー放
電により水素化無定形シリコンの本体を形成した
後、この水素化無定形シリコンの被着本体上に白
金その他の高仕事関数金属を蒸着することにより
製造される。この金属蒸着により形成されたシヨ
ツトキ障壁は、その形成直後に示すダイオード特
性が悪いため、約200℃で約15分間焼鈍をする必
要がある。これは時間のかかる処理で、電池完成
品の価格を上昇する原因になる。
この水素化無定形シリコン太陽電池の価格の低
減と処理速度の上昇とを白金被膜のスパツタリン
グにより行う試みがなされたが、これは異常に太
陽電池の短絡および分路の不良率を上昇する結果
になつた。電気的短絡は無定形シリコンの本体に
細孔があつて表裏の電極が接触して起り、分路は
高仕事関数金属によりシヨツトキ障壁が形成され
ず、その障壁形成が不完全かオーム接触が形成さ
れることにより無定形シリコンの本体中に電荷が
不足するために起る。この電気的短絡および分路
は太陽電池の効率を著しく低下させるか完全に零
にしてしまう。背面電極もまた無定形シリコン太
陽電池の短絡または分路を生じ易く、その全体の
性能および太陽輻射の可使電気エネルギへの変換
をさらに劣化することがある。その上この短絡や
分路を生ずる太陽電池の欠陥の問題は、太陽電池
の寸法の増大と共に増大する。
従つてスパツタリングまたは同時複合スパツタ
リング（異種材料の同時スパツタリング）により
無定形シリコンに被着することにより処理速度を
上昇し、電気的短絡および分路の効果を最小にす
ると共に局部化し得る材料を発見することが極め
て望まれて来た。
この発明によれば、水素化無定形シリコンの本
体の太陽輻射入射面に透明の高仕事関数金属サー
メツトを被着し、入射面と反対側の面に金属サー
メツトの厚膜を被着してその無定形シリコン層の
背面電極を形成する。
ここで使用し得るサーメツトは次のような化学
式を有する。
ＭxＩ(1-x) 但し、Ｍは金属、Ｉは絶縁体またはセラミツク
絶縁体で、ｘはサーメツトの全容積に対する金属
の割合で約0.10から約1.00まで変えることができ
る。絶縁体ＩはSiO2、Al2O3、Si3N4、BN、
MgO、TiO2、ZrO2、SiwOyNz（酸窒化シリコ
ン）、禁止帯幅約4eV以上で可視光全波長域に対
し透明なセラミツク等から成る群より選択され
る。
太陽輻射が入射するサーメツトすなわち前面サ
ーメツトは白金、イリジウム、ロジウム、レニウ
ム等の透明高仕事関数金属を含んでいる。この金
属の濃度ｘはサーメツト全容積の約0.10から約
0.85まで変えることができるが、約0.25〜0.45が
望ましい。このサーメツト層の厚さは約50〜200
Åである。サーメツトは水素化無定形シリコン太
陽電池ではシヨツトキ障壁のような働らきをし、
PN型またはPIN型水素化無定形シリコン太陽電
池ではＰ＋型層によく接着する。またサーメツト
はその上に被着される透明導電性酸化物電極と良
好なオーム接触を形成する。
厚膜金属サーメツトすなわち背面電極サーメツ
トは前面サーメツトより約20〜100倍厚く、相異
なる金属の使用により無定形シリコン太陽電池の
電気的短絡および分路を局部化し、防止するバラ
スト抵抗型接触を形成する。この厚膜サーメツト
に適する金属はニツケル、ニオブ、モリブデン、
タングステン、チタン等である。
背面サーメツトの抵抗はＮ型水素化無定形シリ
コン層の抵抗の１〜0.01倍であることを要し、ｘ
は全サーメツト容積の約0.20から約0.75まで変え
られるが約40〜0.55が望ましい。好ましくはその
金属がサーメツト中の誘電体および水素化無定形
シリコンの本体と反応してはならない。さらにこ
の厚膜金属サーメツトは容易に酸化してはならな
い。厚さ約2000〜15000Å、好ましくは約5000〜
12000Åのこのサーメツト被膜の比抵抗は約10〜
104Ωcmの範囲で可変である。またこの厚膜金属
サーメツトの厚さは無定形シリコン層の短絡およ
び分路の効果を最小にするため半導体層と同等ま
たはそれより厚くする必要がある。
次に添付図面を参照しつつこの発明をその実施
例についてさらに詳細に説明する。
第１図は反転型水素化無定形シリコンシヨツト
キ障壁太陽電池１０を示す。この太陽電池１０は
ガラス基板１２を有し、これを通して太陽輻射１
００が入射する。このガラスは高い光透過率を有
し、膨張係数が無定形シリコンとできるだけ一致
している必要がある。さらにガラスの表面は生成
される多層構体の細孔や短絡を防止するためにで
きるだけ平滑でなければならない。
この基板１２上に酸化インジウム錫、酸化錫、
錫酸カドミウムまたは酸化アンチモン錫等の透明
導電性酸化物層１４が被着される。この透明導電
性酸化物層１４は反射防止被膜および無定形シリ
コン太陽電池１０の電極として働らく。できれば
この透明導電性酸化物は抵抗が約10Ω／□以下
で、次に同時複合スパツタリングにより被着さ
れ、太陽輻射の入射を受けて水素化無定形シリコ
ン層１８に対するシヨツトキ障壁の働らきをする
サーメツト層１６に対してオーム接触を形成する
必要がある。この透明導電性酸化物の厚さは約
2000〜10000Åである。この透明導電性酸化物の
厚さは公知の方法によりその反射防止性に関して
最適としなければならない。面積33cm2以上の大面
積水素化無定形シリコン電池には公知の格子構体
を追加して、太陽電池の動作中に発生する電流を
引出すようにすることができる。導線１５は透明
導電性酸化物層１４にオーム接触を形成してい
る。この透明導電性酸化物層１４上には約3MHz
以上の無線周波数により透明高仕事関数金属サー
メツト層１６が厚さ約20〜200Å、好ましくは約
80〜120Åに共スパツタリングされている。
水素化無定形シリコン層１８は米国特許第
4064521号の方法により被着され、Ｉ型または絶
縁型層１８ｂからＮ＋型層１８ａまで変化してい
る。Ｎ＋型層１８ａは厚さ約400Å、Ｉ型層は約
5000〜10000Åである。
水素化無定形シリコン層１８の上には約3MHz
以上の無線周波数による適当な金属と絶縁体との
同時複合パツタリングにより厚膜金属サーメツト
層２０が厚さ約5000〜15000Åに被着され、さら
にその厚膜サーメツト層をニオブ、アルミニウ
ム、ニツケル等の適当な金属の厚さ約1000Åの層
２２が被覆してそれとオーム接触を形成してい
る。この金属接触２２上には必要に応じて被覆
（図示せず）を形成してもよい。この金属電極層
２２には太陽輻射１００による電池の照射中に発
生する電流を引出する導線２３その他の適当な手
段が取付けられている。
水素化無定形シリコンの本体１８中へ太陽輻射
１００が吸収されることにより電荷担体すなわち
電子と正孔が発生し、これが厚膜金属サーメツト
２０または高仕事関数金属サーメツト１６の方に
移動し、収集されて電池から電流として生成され
る。
第２図は反転型PIN無定形シリコン太陽電池３
０を示す。この太陽電池３０は表面に厚さ約2000
〜5000Åの透明導電性酸化物層３４を被着された
ガラス基板３２を有する。この透明導電性酸化物
層３４の上には透明高仕事関数金属サーメツト層
３６が厚さ約50〜200Åに被着されてこれとオー
ム接触を形成している。透明導電性酸化物層３４
には導線３５がオーム接触をして取付けられ、太
陽輻射１００による太陽電池３０の照射中に発生
される電流を引出すようなつている。透明高仕事
関数金属サーメツト層３６上にはPIN型水素化無
定形シリコン層３８が前述のカールソン特許の方
法により被着されている。水素化無定形シリコン
Ｐ＋型層３８ｃは厚さ約100〜300Åで、高仕事関
数金属サーメツト層３６によく接着している。Ｉ
型層３８ｂの厚さは約5000〜10000Åである。Ｎ
型層３８ａは厚さ約200〜500ÅでＩ型層３８ｂ上
に被着されている。この無定形シリコン層３８の
上には厚さ約5000〜15000Åの厚膜金属サーメツ
ト層４０が被着されている。この厚膜金属サーメ
ツト層４０は無定形シリコン層３８とオーム接触
を形成している。厚膜金属サーメツト層４０の上
には金属層４２が被着されている。この金属層４
２は厚膜金属サーメツト層４０に対するオーム接
触を形成する。金属層４２には導線４３がオーム
接触で取付けられ、太陽電池３０の動作中に発生
される電流を引出すようになつている。
太陽輻射入射面に高仕事関数金属サーメツトを
用いると共に厚膜金属サーメツトを用いると、無
定形シリコン太陽電池を１つの処理室内で連続工
程により製造し得るようになる。このように太陽
電池を連続工程で製造すると処理時間が短縮され
る上、サーメツト層により余計な短絡や分路を太
陽電池構体中に生ずることなく大面積の太陽電池
が作れるようになる。
１例として特にその平滑さのために適している
フロートガラスを基板に選び、超音波洗浄槽中の
洗剤溶液で洗浄した後水で洗浄し、約100℃の無
塵熱風で乾燥する。このガラス基板上に酸化イン
ジウム錫を無線周波スパツタリングで抵抗が約10
Ω／□になるように被着する。無線周波発生器を
周波数約15.6MHzで動作させ、スパツタリング
のターゲツトを直径14.6cmの円板とする。次に基
板の周囲の細い輪郭を覆うように雲母のマスクを
形成して酸化インジウム錫上に次の被膜が被着さ
れないようにし、導線その他適当な電流導通手段
を取付けるスペースを形成する。全体を約５×
107mmHgの真空度まで排気し、基板を約230℃に
加熱してアルゴンガスを約５cm3／分の割合で導入
する。このアルゴンガス流量はスパツタリング室
内のアルゴン分圧が約５mmHgになるように維持
する。まず基板を遮蔽して15分間ターゲツトを予
備スパツタした後、遮蔽を除去して約1.2分間ス
パツタリングを継続し、この間に白金含有量が全
容積の約25〜40％のPt−SiO2サーメツトを厚さ
約80Åに被着する。室内の圧力を５×10-7mmHg
にして基板を約330℃にさらに加熱し、前記カー
ルソンの特許の方法により適当にドープされた無
定形シリコン層を被着する。しかし、電力源とし
て直流放電の代りに無線周波容量性放電を用い
る。P+型水素化無定形シリコンを厚さ約200Åに
被着するには約25秒を要する。またＩ型層は約11
分間で約5000Åに、Ｎ型層はこのＩ型層上に約２
分間で約900Åに被着する。この無定形シリコン
層上に全容積の約40〜55％のニツケルを含むNi
−SiO2サーメツトのターゲツトから無線周波ス
パツタリングにより厚膜サーメツト層を被着す
る。このサーメツト層を約9000Åに被着するには
約60分で充分である。この厚膜サーメツトを被着
した後マスクを除去し、無定形シリコン太陽電池
上に小型のマスクを置いて無線周波スパツタリン
グにより約30分で厚さ約5000Åにアルミニウムを
被着する。次にこのアルミニウム層に導線を取付
け、無定形シリコン太陽電池の照射中に発生する
電流を引出すようにする。
この無定形シリコン層の被着中SiH4の流量は
20cm3／分とし、このSiH4にＰ＋ドーピングのと
き0.05％のB2H6を、Ｎ＋ドーピングのとき0.1％
のPH3を添加した。無定形シリコン層の被着中ガ
スの全圧は約0.02mmHgとした。
この厚膜サーメツトは非反転型PIN構体、NP
構体、Ｉ型接合太陽電池、ヘテロ接合光起電力太
陽電池等のほかの無定形シリコン太陽電池にも使
用し得ることは当業者に自明である。またこの厚
膜サーメツトを無定形シリコンが吸収しない太陽
輻射すなわち太陽スペクトルの赤外部を吸収する
ようにすると、このサーメツトを用いた太陽電池
は、下側に適当な熱交換媒体を循環させた光熱変
換器として２役を演ずることができる。従つて、
この発明は上記実施例のみに限定されず、太陽電
池の設計に通常の知識を有する者に自明の改変も
含むことを知るべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は厚膜金属サーメツト層を有する透明高
仕事関数金属サーメツトシヨツトキ障壁水素化無
定形シリコン太陽電池の断面図、第２図は透明高
仕事関数金属サーメツト層および厚膜金属サーメ
ツト層を有する反転型PIN水素化無定形シリコン
太陽電池の断面図である。 １０，３０…太陽電池、１２，３２…ガラス基
板、１４，３４…透明導電性酸化物層、１５，３
５…導線、１６，３６…透明高仕事関数金属サー
メツト層、１８，３８…水素化無定形シリコン
層、２０，４０…厚膜金属サーメツト層、２２，
４２…金属層、２３，４３…導線。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 水素化された無定形シリコンの本体を含み、
    この本体はその太陽輻射入射面においてその本体
    とオーム接触をする手段を有すると共に、その入
    射面と反対側の面において上記本体とオーム接触
    をする金属層を有する無定形シリコン太陽電池に
    おいて、上記オーム接触をする手段と上記水素化
    された無定形シリコンの本体との間にその両者に
    接触して設けられた透明で高い仕事関数を持つ金
    属サーメツト層と、上記入射面と反対側の面にお
    いて上記水素化された無定形シリコンの本体とオ
    ーム接触をする金属層と上記水素化された無定形
    シリコンの本体との間に設けられた厚膜サーメツ
    ト層とを含むことを特徴とする無定形シリコン太
    陽電池。
JP15736278A 1978-04-24 1978-12-18 Armophous silicon solar battery Granted JPS54141594A (en)

Applications Claiming Priority (1)

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US05/899,564 US4162505A (en) 1978-04-24 1978-04-24 Inverted amorphous silicon solar cell utilizing cermet layers

Publications (2)

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JPS54141594A JPS54141594A (en) 1979-11-02
JPS6228599B2 true JPS6228599B2 (ja) 1987-06-22

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ID=25411225

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