JPS6348197B2 - - Google Patents
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- JPS6348197B2 JPS6348197B2 JP54032993A JP3299379A JPS6348197B2 JP S6348197 B2 JPS6348197 B2 JP S6348197B2 JP 54032993 A JP54032993 A JP 54032993A JP 3299379 A JP3299379 A JP 3299379A JP S6348197 B2 JPS6348197 B2 JP S6348197B2
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- Japan
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- type
- photovoltaic device
- layer
- unit cell
- amorphous silicon
- Prior art date
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
- H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
- H10F10/17—Photovoltaic cells having only PIN junction potential barriers
- H10F10/172—Photovoltaic cells having only PIN junction potential barriers comprising multiple PIN junctions, e.g. tandem cells
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
- H10F71/10—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass the devices comprising amorphous semiconductor material
- H10F71/103—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass the devices comprising amorphous semiconductor material including only Group IV materials
-
- 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells
-
- 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
本発明はアモルフアスシリコン（ａ−Si）を用
いた太陽電池等の光起電力素子に関する。 従来より、各種半導体材料を用いた太陽電池は
存在する。すなわち、Si、GaAs、Cds、CdTe等
の単結晶あるいは多結晶半導体材料を使用し、そ
れらのｐ−ｎ接合、ヘテロ接合あるいはシヨツト
キ隔壁を利用した太陽電池である。また、シラン
（SiH4）をグロー放電分解したａ−Siは置換形不
純物のドーピングにより価電子制御が可能である
ことが最近確かめられ、以来この方法は代替エネ
ルギ源開発の要請に応える低コストの太陽電池製
造方法として着目されるようになつた。グロー放
電によるａ−Si太陽電池はその後いくつかの公開
がなされたが米国特許第4064521号明細書に開示
されたごとく、それまでの太陽電池と同様な接合
を利用したものである。 しかし、上記のような太陽電池は、例えば一つ
のｐ−ｎ接合よりなる太陽電池ユニツトセルから
取り出せる開放電圧Voは接合を作る米導体材料
のエネルギギヤツプによつて決定される。例えば
Si太陽電池においては約0.6V、GaAs太陽電池に
おいては約0.8Vであり、開放電圧Vocは高々1V
である。ところが実際に電池等として使用される
場合、より高い開放電圧の出力を要求されること
が多い。高電圧出力を得る手段として従来より採
用されていた方法は、太陽電池ユニツトセルを複
数個作り、それらを外部で直列に接続する方法で
あつた。太陽電池ユニツトセルを直列に接続する
方法として種々考案されているが、設備面、工数
面などにおいて実装コストが高く、また形状も大
きくなるなどの欠点を有していた。 本発明はｎ型、ｉ型およびｐ型のａ−Si層より
成るａ−Si単位セルを複数個積層することによ
り、単一素子で高電圧の出力を取り出し得る太陽
電池等の光起電力素子を提供するものである。多
層構造を特徴とする太陽電池は、特開昭61−
46888号明細書等に開示されているが、これれら
は原理的に本発明と全く異なり、1V以上の高電
圧出力を得ることは出来ない。 従つて、本発明の一つの目的は、単一素子で高
電圧の出力を得ることのできる光起電力素子を提
供することにある。本発明の他の目的は、単一素
子で高電圧の出力を得、しかもエネルギ変換効率
の高い光起電力素子を提供することにある。本発
明の他の目的は容易に製作可能でコストの高電圧
出力の光起電力素を提供するることにある。本発
明の一つの目的は、任意の光源のスペクトルに合
つた、つまりその光源に対して効率のよい高電圧
出力の光起電力素子を提供することにある。以下
実施例について詳細に説明する。 第１図は、本発明のａ−Si光起電力素子の製造
に使用する装置の概要を示すブロツク図であり、
１は反応容器、２は放電用陰電極、３は放電用陽
電極、４は加熱回転台、５は基板、６は真空計へ
継がれる管、７は排気ガス口、８は原料ガス供給
管、９は真空引きに継がれる管、１０，１１，１
２はガスタンク、１３，１４，１５は流量計、１
６はコールド・トラツプ、２０，２１，２２は開
閉弁である。 次にこの製造装置の動作の一例を示す。まず、
排気ガス口７に接続された排気ポンプを起動して
反応容器１の内部を10-6Torr程度に減圧したの
ち、加熱回転台４を動作させて、これに載置され
た基板５を加熱しつつ回転させる。加熱操作と前
後して開閉弁２０と２１を開放し、ガスタンク１
０と１１からそれぞれSiH4／H2混合ガスと、
PH3／H2混合ガスを反応容器１に供給する。次
に放電用発電機Ｇを動作させて上記のガスに高周
波電界を印加し、放電用陽電極３と陰電極２との
間でグロー放電を生じさせる。このようにして、
基板５の上にｎ型ａ−Si層を堆積したのち放電を
停止し、これと相対後して開閉弁２０と２１を閉
鎖してガスの供給を停止し、反応容器内に残留す
る原料ガスを排気する。 次に開閉弁２０を開放してガスタンク１０から
SiH4／H2混合ガスを反応容器１に供給し、グロ
ー放電を再開する。このようにして、ｎ型層上に
ｉ型ａ−Si層を堆積したのちグロー放電を停止
し、これと相前後して開閉弁２０を閉鎖して原料
ガスの供給を停止し、残留する原料ガスを排気す
る。 更に、開閉弁２０と２２を開放して、ガスタン
ク１０と１２からそれぞれSiH4／H2混合ガスと
B2H6／H2混合ガスを反応容器１に供給し、グロ
ー放電を再開する。このようにしてｉ型層上にｐ
型ａ−Siを堆積したのち、グロー放電を停止し、
これと相前後して開閉弁２０と２２を閉鎖して原
料ガスの供給を停止し、残留する原料ガスを排気
する。このようにして得られたｎ型、ｉ型および
ｐ型のａ−Si層を総じてａ−Si単位セルと呼ぶ。
引続き、前記と同様にしてｎ型、ｉ型およびｐ型
のａ−Si層を順次堆積することにより、２単位セ
ル以上のａ−Si単位セルを形成する。 更に、公知の電子ビーム蒸着法、RFスパツタ
リング法などにより、最終のａ−Si単セルのｐ型
ａ−Si層上に錫インヂウム酸化物等の透明導電層
を形成する。ただし、第１図にはこの装置を図示
していない。上述の工程によつて基板５上に順次
２単位セル以上のａ−Si単位セルおよび透明導電
層が堆積されて成る多重セル構造のａ−Si光起電
力素子が製作される。この場合、光は透明導電層
側より入射することになる。 次に本発明による具体的一実施例について説明
する。基板５として厚み0.5mm、寸法20×20mmの
表面を鏡面研磨したステンレス鋼を使用した。原
料ガスの体積比はSiH4／H2＝0.1、PH3／H2＝５
×10-4、B2H6／H2＝５×10-4であり、更にこれ
らの混合ガスの体積混合比はSiH4／H2混合ガス
に対してPH3／H2混合ガス、およびB2H6／H2混
合ガスの比がいずれも0.1〜１％のオーダーであ
る。反応容器内の原料ガスの圧力を２〜5Torr、
放電用発電機Ｇの高周波出力を50〜500W（4M
Hz）、ステンレス基板の温度を250〜350℃とした
とき、ｐ型およびｎ型ａ−Si層の成長速度は0.4
〜１Å／sec、ｉ型ａ−Si層の成長速度は0.8〜３
Å／secであつた。ａ−Si層の層厚さは推積時間
の調整などによつて任意の厚さに容易に調整でき
る。 第２図は本発明のａ−Si単位セルの数が３の場
合の光起電力素子の構造の一例を示す断面図であ
り、２３はステンレス鋼の基板、２８，２９，３
０は同順に第1a−Si単位セル２４のｎ型、ｉ型、
ｐ型のａ−Si層、３１，３２，３３は同順に第2a
−Si単位セル２５のｎ型、ｉ型、ｐ型のａ−Si
層、３４，３５，３６は同順に第3a−Si単位セル
２６のｎ型、ｉ型、ｐ型のａ−Si層、２７は透明
導電膜、３７は太陽光線を示す。 第３図Ａは、第２図に示したようなａ−Si単位
セルの数が３の場合の光を照射しない暗状態のバ
ンド構造を模式的に示したもので、Ecは伝導帯
の下端、Evは充満帯の上端、EFはフエルミレベ
ルを示し、３８，３９，４０は同順に第２図の第
１、第２、第３のａ−Si単位セル２４，２５，２
６の武分に相当する。ただし、第３図Ａにはステ
ンレス鋼の基板２３および透明導電膜２７は図示
してない。この光起電力素子に太陽光等の光が第
３のａ−Si単位セル側から照射されるとバンド構
造は第３図Ｂに示すようになり、それぞれのａ−
Si単位セル内では電子・正孔対が生成され、内部
電界によつて分離され、正孔は光入射側へ電子は
その反対側へそれぞれ移動する。しかし、ａ−Si
のドープ層を用いたｐ−ｎ接合では殆んど整流性
はなく、接合を通して流れる電流は拡散過程では
なく、生成・再結合過程にもとづくものが支配的
である。従つてとなり合うａ−Si単位セル間の電
流はｐ−ｎ接合における再結合電流によつてのみ
構成されると考えられる。従つて、第２図に示し
たような光起電力素子の等価回路は第４図に示す
ようなものになる。第４図に於いて、４１，４
２，４３は電流源、４４，４５，４６は整流器、
４７，４８は抵抗をそれぞれ示す。そしてａ−Si
単位セルを直列に接続した効果が得られる。すな
わち、本発明の多重セル構造のａ−Si光起電力素
子の開放電圧Vocはそれぞれのａ−Si単位セルに
於ける開放電圧の和となり、単一のａ−Si単位セ
ル構造の光起電力素子の開放電圧のほぼ単位セル
数倍の開放電圧が得られる。ただし、短絡光電流
Iscはそれぞれのａ−Si単位セルに於ける短絡光
電流の内最も小さな値にほぼ一致する。ところ
が、特開昭51−46888号明細書等で開示されたこ
れまでの多層構造太陽電池では開放電圧は単一層
構造の太陽電池ユニツトセルのそれと殆んど変ら
ず、本発明とは本質的に異る。 第２図に示したようなａ−Si単位セル数が３の
場合のほか、ａ−Si単位セル数が２、４、５およ
び10である試料、および比較のためのａ−Si単位
セル数が１である試料を前述の方法で製作した。
全ての試料のｎ型のａ−Si層の厚さは100〜200Å
で、Ｐ型のａ−Si層の厚みは20〜50Åであり、そ
れぞれの試料に於けるｉ型のａ−Si層の厚さはほ
ぼ同じで表１に示す通りである。
いた太陽電池等の光起電力素子に関する。 従来より、各種半導体材料を用いた太陽電池は
存在する。すなわち、Si、GaAs、Cds、CdTe等
の単結晶あるいは多結晶半導体材料を使用し、そ
れらのｐ−ｎ接合、ヘテロ接合あるいはシヨツト
キ隔壁を利用した太陽電池である。また、シラン
（SiH4）をグロー放電分解したａ−Siは置換形不
純物のドーピングにより価電子制御が可能である
ことが最近確かめられ、以来この方法は代替エネ
ルギ源開発の要請に応える低コストの太陽電池製
造方法として着目されるようになつた。グロー放
電によるａ−Si太陽電池はその後いくつかの公開
がなされたが米国特許第4064521号明細書に開示
されたごとく、それまでの太陽電池と同様な接合
を利用したものである。 しかし、上記のような太陽電池は、例えば一つ
のｐ−ｎ接合よりなる太陽電池ユニツトセルから
取り出せる開放電圧Voは接合を作る米導体材料
のエネルギギヤツプによつて決定される。例えば
Si太陽電池においては約0.6V、GaAs太陽電池に
おいては約0.8Vであり、開放電圧Vocは高々1V
である。ところが実際に電池等として使用される
場合、より高い開放電圧の出力を要求されること
が多い。高電圧出力を得る手段として従来より採
用されていた方法は、太陽電池ユニツトセルを複
数個作り、それらを外部で直列に接続する方法で
あつた。太陽電池ユニツトセルを直列に接続する
方法として種々考案されているが、設備面、工数
面などにおいて実装コストが高く、また形状も大
きくなるなどの欠点を有していた。 本発明はｎ型、ｉ型およびｐ型のａ−Si層より
成るａ−Si単位セルを複数個積層することによ
り、単一素子で高電圧の出力を取り出し得る太陽
電池等の光起電力素子を提供するものである。多
層構造を特徴とする太陽電池は、特開昭61−
46888号明細書等に開示されているが、これれら
は原理的に本発明と全く異なり、1V以上の高電
圧出力を得ることは出来ない。 従つて、本発明の一つの目的は、単一素子で高
電圧の出力を得ることのできる光起電力素子を提
供することにある。本発明の他の目的は、単一素
子で高電圧の出力を得、しかもエネルギ変換効率
の高い光起電力素子を提供することにある。本発
明の他の目的は容易に製作可能でコストの高電圧
出力の光起電力素を提供するることにある。本発
明の一つの目的は、任意の光源のスペクトルに合
つた、つまりその光源に対して効率のよい高電圧
出力の光起電力素子を提供することにある。以下
実施例について詳細に説明する。 第１図は、本発明のａ−Si光起電力素子の製造
に使用する装置の概要を示すブロツク図であり、
１は反応容器、２は放電用陰電極、３は放電用陽
電極、４は加熱回転台、５は基板、６は真空計へ
継がれる管、７は排気ガス口、８は原料ガス供給
管、９は真空引きに継がれる管、１０，１１，１
２はガスタンク、１３，１４，１５は流量計、１
６はコールド・トラツプ、２０，２１，２２は開
閉弁である。 次にこの製造装置の動作の一例を示す。まず、
排気ガス口７に接続された排気ポンプを起動して
反応容器１の内部を10-6Torr程度に減圧したの
ち、加熱回転台４を動作させて、これに載置され
た基板５を加熱しつつ回転させる。加熱操作と前
後して開閉弁２０と２１を開放し、ガスタンク１
０と１１からそれぞれSiH4／H2混合ガスと、
PH3／H2混合ガスを反応容器１に供給する。次
に放電用発電機Ｇを動作させて上記のガスに高周
波電界を印加し、放電用陽電極３と陰電極２との
間でグロー放電を生じさせる。このようにして、
基板５の上にｎ型ａ−Si層を堆積したのち放電を
停止し、これと相対後して開閉弁２０と２１を閉
鎖してガスの供給を停止し、反応容器内に残留す
る原料ガスを排気する。 次に開閉弁２０を開放してガスタンク１０から
SiH4／H2混合ガスを反応容器１に供給し、グロ
ー放電を再開する。このようにして、ｎ型層上に
ｉ型ａ−Si層を堆積したのちグロー放電を停止
し、これと相前後して開閉弁２０を閉鎖して原料
ガスの供給を停止し、残留する原料ガスを排気す
る。 更に、開閉弁２０と２２を開放して、ガスタン
ク１０と１２からそれぞれSiH4／H2混合ガスと
B2H6／H2混合ガスを反応容器１に供給し、グロ
ー放電を再開する。このようにしてｉ型層上にｐ
型ａ−Siを堆積したのち、グロー放電を停止し、
これと相前後して開閉弁２０と２２を閉鎖して原
料ガスの供給を停止し、残留する原料ガスを排気
する。このようにして得られたｎ型、ｉ型および
ｐ型のａ−Si層を総じてａ−Si単位セルと呼ぶ。
引続き、前記と同様にしてｎ型、ｉ型およびｐ型
のａ−Si層を順次堆積することにより、２単位セ
ル以上のａ−Si単位セルを形成する。 更に、公知の電子ビーム蒸着法、RFスパツタ
リング法などにより、最終のａ−Si単セルのｐ型
ａ−Si層上に錫インヂウム酸化物等の透明導電層
を形成する。ただし、第１図にはこの装置を図示
していない。上述の工程によつて基板５上に順次
２単位セル以上のａ−Si単位セルおよび透明導電
層が堆積されて成る多重セル構造のａ−Si光起電
力素子が製作される。この場合、光は透明導電層
側より入射することになる。 次に本発明による具体的一実施例について説明
する。基板５として厚み0.5mm、寸法20×20mmの
表面を鏡面研磨したステンレス鋼を使用した。原
料ガスの体積比はSiH4／H2＝0.1、PH3／H2＝５
×10-4、B2H6／H2＝５×10-4であり、更にこれ
らの混合ガスの体積混合比はSiH4／H2混合ガス
に対してPH3／H2混合ガス、およびB2H6／H2混
合ガスの比がいずれも0.1〜１％のオーダーであ
る。反応容器内の原料ガスの圧力を２〜5Torr、
放電用発電機Ｇの高周波出力を50〜500W（4M
Hz）、ステンレス基板の温度を250〜350℃とした
とき、ｐ型およびｎ型ａ−Si層の成長速度は0.4
〜１Å／sec、ｉ型ａ−Si層の成長速度は0.8〜３
Å／secであつた。ａ−Si層の層厚さは推積時間
の調整などによつて任意の厚さに容易に調整でき
る。 第２図は本発明のａ−Si単位セルの数が３の場
合の光起電力素子の構造の一例を示す断面図であ
り、２３はステンレス鋼の基板、２８，２９，３
０は同順に第1a−Si単位セル２４のｎ型、ｉ型、
ｐ型のａ−Si層、３１，３２，３３は同順に第2a
−Si単位セル２５のｎ型、ｉ型、ｐ型のａ−Si
層、３４，３５，３６は同順に第3a−Si単位セル
２６のｎ型、ｉ型、ｐ型のａ−Si層、２７は透明
導電膜、３７は太陽光線を示す。 第３図Ａは、第２図に示したようなａ−Si単位
セルの数が３の場合の光を照射しない暗状態のバ
ンド構造を模式的に示したもので、Ecは伝導帯
の下端、Evは充満帯の上端、EFはフエルミレベ
ルを示し、３８，３９，４０は同順に第２図の第
１、第２、第３のａ−Si単位セル２４，２５，２
６の武分に相当する。ただし、第３図Ａにはステ
ンレス鋼の基板２３および透明導電膜２７は図示
してない。この光起電力素子に太陽光等の光が第
３のａ−Si単位セル側から照射されるとバンド構
造は第３図Ｂに示すようになり、それぞれのａ−
Si単位セル内では電子・正孔対が生成され、内部
電界によつて分離され、正孔は光入射側へ電子は
その反対側へそれぞれ移動する。しかし、ａ−Si
のドープ層を用いたｐ−ｎ接合では殆んど整流性
はなく、接合を通して流れる電流は拡散過程では
なく、生成・再結合過程にもとづくものが支配的
である。従つてとなり合うａ−Si単位セル間の電
流はｐ−ｎ接合における再結合電流によつてのみ
構成されると考えられる。従つて、第２図に示し
たような光起電力素子の等価回路は第４図に示す
ようなものになる。第４図に於いて、４１，４
２，４３は電流源、４４，４５，４６は整流器、
４７，４８は抵抗をそれぞれ示す。そしてａ−Si
単位セルを直列に接続した効果が得られる。すな
わち、本発明の多重セル構造のａ−Si光起電力素
子の開放電圧Vocはそれぞれのａ−Si単位セルに
於ける開放電圧の和となり、単一のａ−Si単位セ
ル構造の光起電力素子の開放電圧のほぼ単位セル
数倍の開放電圧が得られる。ただし、短絡光電流
Iscはそれぞれのａ−Si単位セルに於ける短絡光
電流の内最も小さな値にほぼ一致する。ところ
が、特開昭51−46888号明細書等で開示されたこ
れまでの多層構造太陽電池では開放電圧は単一層
構造の太陽電池ユニツトセルのそれと殆んど変ら
ず、本発明とは本質的に異る。 第２図に示したようなａ−Si単位セル数が３の
場合のほか、ａ−Si単位セル数が２、４、５およ
び10である試料、および比較のためのａ−Si単位
セル数が１である試料を前述の方法で製作した。
全ての試料のｎ型のａ−Si層の厚さは100〜200Å
で、Ｐ型のａ−Si層の厚みは20〜50Åであり、そ
れぞれの試料に於けるｉ型のａ−Si層の厚さはほ
ぼ同じで表１に示す通りである。
【表】
表１に示した多重セル構造の光起電力素子に80
ｍＷ／cm2の太陽光を照射したときの特性を第５図
に示す。横軸はａ−Si単位セルの数ｍ、縦軸はそ
れぞれの試料の開放電圧Vocである。第５図より
明らかなように、開放電圧Vocはａ−Si単位セル
の数にほぼ比例して増加することがわかる。 以上のように、簡単なバルブ操作により連続し
て容易に製作価能な単一の素子で高開放電圧の光
起電力素子が得られる。ところが、前述のように
それぞれのａ−Si単位セルの厚みがほぼ同じであ
る場合、ａ−Si単位セルの数を増加するにつれ短
絡光電流Iscが減少し、エネルギ変換効率も減少
するため、光検出素子等の信号源としては充分使
用可能だが、電池等のエネルギ源としては余り適
さない。そこで短絡光電流が余り減少せず、エネ
ルギ変換効率も減少しなくする本発明の方法を詳
述する。 前述のように多重セル構造のａ−Si光起電力素
子に於いては、回路的に外部に取り出せる電流
は、それぞれのａ−Si単位セルの光電流の内、最
も小さな値に限定されるため、できるだけ大きな
光電流を得るためには、それぞれのａ−Si単位セ
ル内で吸収される光子数が等しくなるようにそれ
ぞれのａ−Si単位セルの厚さを決定すればよい。 多重ａ−Siセル構造の光起電力素子に於いて
は、基板、ａ−Si層、表面透明導電層および空気
の４層構造であるので、これらの光学パラメータ
を用いてマツクスウエルの電磁方程式により、あ
る波長入の入射光束に対するａ−Si層内での任意
の位置における相対的光子束を求めることができ
る。さらに、仮想する光源（例えば太陽光）のス
ペクトルのうちａ−Siの禁止帯（〜1.7eV）に対
応する波長（〜7000Å）より短波長側の光子数分
布を用いて積分によつてこの光源に対する場合の
ａ−Si層内での、光子束を求めることができる。
これを模式的に示したのが第６図である。第６図
には、光入射側からのａ−Si層内の位置ｘに対す
る光子束Φの関係（曲線Ａ）とそれに対するａ−
Si単位セルの数が３の場合のａ−Si層の断面図を
示す。ａ−Si層内の位置ｘに於ける光子束Φはａ
−Si層に入射する光子束Φinに対し、反射損Φが
あり、そしてａ−Si層内に入るにつれて曲線Ａに
従い光子束は減少する。従つてそれぞれのａ−Si
単位セル４９，５０，５１内で吸収される光子数
△Φ1、△Φ2、△Φ3が等しくなるようにそれぞれ
のａ−Si単位セルの厚さを同順にd1、d2、d3とす
ればよい。 ここで、それぞれのａ−Si単位セルが一つのｐ
−ｉ−ｎ ａ−Si光起電力セルとして働くために
は、その厚さは約100Å以上必要であり、またそ
の厚さを1μｍ以上にすることは単に直列抵抗損
失を増加させ、ａ−Si単位セルの性能を低下させ
るのみであるから、それぞれのａ−Si単位セルの
厚さは約100Åから約1μｍまでに設定することが
好ましい。 従つてｍ個のａ−Si単位セルからなるａ−Si多
重セル光起電力素子を設計する場合、最も光入射
側から遠いａ−Si単位セルの厚さを前述の5000〜
7000Åとし、ここで吸収される光子数を△Φｍと
して、光入射側からａ−Si単位セルを１、２、…
ｋ、…ｍと名付けると、それぞれのａ−Si単位セ
ルで吸収される光子数△Φk（ｋ＝１、２、…、ｍ
−１）の間に △Φ1＝△Φ2＝…＝△Φm が成立するように、それぞれのａ−Si単位セルの
厚さと全体のａ−Si層の厚さをセルフコンシステ
ントに定めればよい。 このようにして、任意の光源（例えば太陽光や
螢光灯）のスペクトルにあつた、つまりその光源
に対して効率のよい多重セル構造のａ−Si光起電
力素子を容易に設計することができる。 第７図はこのようにして設計した本発明のａ−
Si単位セル数が３である場合の光起電力素子の構
造の一例を示す断面図であり、５２はステンレス
鋼の基板、５７，５８，５９は同順に第１のａ−
Si単位セル５３のｎ型、ｉ型、ｐ型のａ−Si層、
６０，６１，６２は同順に第２のａ−Si単位セル
５４のｎ型、ｉ型、ｐ型のａ−Si層、６３，６
４，６５は同順に第３のａ−Si単位セル５５のｎ
型、ｉ型、ｐ型のａ−Si層、５６は透明導電層、
６６は太陽光線を示す。 第７図に示したような、ａ−Si単位セル数が３
の場合のほか、ａ−Si単位セル数が２、４および
５である試料、および比較のためのａ−Si単位セ
ル数が１である試料を前述の方法で製作した。全
ての試料のｎ型のａ−Si層の厚さは100〜200Åで
ｐ型のａ−Si層の厚さは20〜50Åであり、それぞ
れの試料に於けるｉ型のａ−Si層の厚さは表２に
示すとうりである。
ｍＷ／cm2の太陽光を照射したときの特性を第５図
に示す。横軸はａ−Si単位セルの数ｍ、縦軸はそ
れぞれの試料の開放電圧Vocである。第５図より
明らかなように、開放電圧Vocはａ−Si単位セル
の数にほぼ比例して増加することがわかる。 以上のように、簡単なバルブ操作により連続し
て容易に製作価能な単一の素子で高開放電圧の光
起電力素子が得られる。ところが、前述のように
それぞれのａ−Si単位セルの厚みがほぼ同じであ
る場合、ａ−Si単位セルの数を増加するにつれ短
絡光電流Iscが減少し、エネルギ変換効率も減少
するため、光検出素子等の信号源としては充分使
用可能だが、電池等のエネルギ源としては余り適
さない。そこで短絡光電流が余り減少せず、エネ
ルギ変換効率も減少しなくする本発明の方法を詳
述する。 前述のように多重セル構造のａ−Si光起電力素
子に於いては、回路的に外部に取り出せる電流
は、それぞれのａ−Si単位セルの光電流の内、最
も小さな値に限定されるため、できるだけ大きな
光電流を得るためには、それぞれのａ−Si単位セ
ル内で吸収される光子数が等しくなるようにそれ
ぞれのａ−Si単位セルの厚さを決定すればよい。 多重ａ−Siセル構造の光起電力素子に於いて
は、基板、ａ−Si層、表面透明導電層および空気
の４層構造であるので、これらの光学パラメータ
を用いてマツクスウエルの電磁方程式により、あ
る波長入の入射光束に対するａ−Si層内での任意
の位置における相対的光子束を求めることができ
る。さらに、仮想する光源（例えば太陽光）のス
ペクトルのうちａ−Siの禁止帯（〜1.7eV）に対
応する波長（〜7000Å）より短波長側の光子数分
布を用いて積分によつてこの光源に対する場合の
ａ−Si層内での、光子束を求めることができる。
これを模式的に示したのが第６図である。第６図
には、光入射側からのａ−Si層内の位置ｘに対す
る光子束Φの関係（曲線Ａ）とそれに対するａ−
Si単位セルの数が３の場合のａ−Si層の断面図を
示す。ａ−Si層内の位置ｘに於ける光子束Φはａ
−Si層に入射する光子束Φinに対し、反射損Φが
あり、そしてａ−Si層内に入るにつれて曲線Ａに
従い光子束は減少する。従つてそれぞれのａ−Si
単位セル４９，５０，５１内で吸収される光子数
△Φ1、△Φ2、△Φ3が等しくなるようにそれぞれ
のａ−Si単位セルの厚さを同順にd1、d2、d3とす
ればよい。 ここで、それぞれのａ−Si単位セルが一つのｐ
−ｉ−ｎ ａ−Si光起電力セルとして働くために
は、その厚さは約100Å以上必要であり、またそ
の厚さを1μｍ以上にすることは単に直列抵抗損
失を増加させ、ａ−Si単位セルの性能を低下させ
るのみであるから、それぞれのａ−Si単位セルの
厚さは約100Åから約1μｍまでに設定することが
好ましい。 従つてｍ個のａ−Si単位セルからなるａ−Si多
重セル光起電力素子を設計する場合、最も光入射
側から遠いａ−Si単位セルの厚さを前述の5000〜
7000Åとし、ここで吸収される光子数を△Φｍと
して、光入射側からａ−Si単位セルを１、２、…
ｋ、…ｍと名付けると、それぞれのａ−Si単位セ
ルで吸収される光子数△Φk（ｋ＝１、２、…、ｍ
−１）の間に △Φ1＝△Φ2＝…＝△Φm が成立するように、それぞれのａ−Si単位セルの
厚さと全体のａ−Si層の厚さをセルフコンシステ
ントに定めればよい。 このようにして、任意の光源（例えば太陽光や
螢光灯）のスペクトルにあつた、つまりその光源
に対して効率のよい多重セル構造のａ−Si光起電
力素子を容易に設計することができる。 第７図はこのようにして設計した本発明のａ−
Si単位セル数が３である場合の光起電力素子の構
造の一例を示す断面図であり、５２はステンレス
鋼の基板、５７，５８，５９は同順に第１のａ−
Si単位セル５３のｎ型、ｉ型、ｐ型のａ−Si層、
６０，６１，６２は同順に第２のａ−Si単位セル
５４のｎ型、ｉ型、ｐ型のａ−Si層、６３，６
４，６５は同順に第３のａ−Si単位セル５５のｎ
型、ｉ型、ｐ型のａ−Si層、５６は透明導電層、
６６は太陽光線を示す。 第７図に示したような、ａ−Si単位セル数が３
の場合のほか、ａ−Si単位セル数が２、４および
５である試料、および比較のためのａ−Si単位セ
ル数が１である試料を前述の方法で製作した。全
ての試料のｎ型のａ−Si層の厚さは100〜200Åで
ｐ型のａ−Si層の厚さは20〜50Åであり、それぞ
れの試料に於けるｉ型のａ−Si層の厚さは表２に
示すとうりである。
【表】
表２に示した構造の光起電力素子に80ｍＷ／cm2
の太陽光を照射したときの特性を第８図に示す。
横軸はａ−Si単位セル数ｍ、縦軸はそれぞれの試
料の開放電圧Vocとエネルギ変換効率ηである。
第８図より明らかなように、それぞれのａ−Si単
位セルで吸収される光子数を等しくし、それぞれ
のａ−Si単位セルの光電流を等しくすべく、それ
ぞれのａ−Si単位セルの厚さを光入射側より次第
に大きくするように分布させることにより開放電
圧Vocはａ−Si単位セル数にほぼ比例して増加
し、しかもエネルギ変換効率は殆んど減少しな
い。 以上のように、簡単なバルブ操作により、連続
して容易に製作可能な単一素子で高間放電圧のし
かも高エネルギ変換効率の光起電力素子が得られ
る。 なお、ｐ−ｉ−ｎ構造の光起電力素子に於いて
は、内部電界は殆んどｉ型層のｐ型層に近い領域
に生じるので、この部分で多くの電子・正孔が生
成されることが大きな光電流を得るためには必要
であり、また、ｎ型層近傍で生成された電子・正
孔は、この内部電界のある領域まで拡散せねばな
らないので、損失が多い。従つて光はｐ型層側か
ら入射することが望ましい。 以上の説明は基板上に順次ｎ型、ｉ型、ｐ型の
ａ−Si層を形成した場合について述べたが、逆に
基板上に順次ｐ型、ｉ型、ｎ型のａ−Si層を形成
しても同様の効果が得られる。また、上記説明は
基板がステンレス鋼の場合につき述べたが、ａ−
Si層上に形成する導電層が金属の方が製造が容易
な場合など、基板が透明導電性膜を付したガラス
板あるいはフイルムのごとき透明導電性物質であ
つてもよい。また、透明導電膜上にａ−Si層を形
成する場合、透明導電膜が劣化したり良質なａ−
Si層が得られ難い場合があり、この様な場合には
導電性基板としてはステンレス鋼や他の金属など
の導電性基板を使用することができる。 以上詳細に説明したように、本発明の多重セル
構造のａ−Si光起電力素子は簡単な構造の単一素
子で高電圧を出し得る。また、本発明の多重セル
構造のａ−Si光起電力素子は単一素子で高電圧を
得、しかもエネルギ変換効率が高い。また本発明
の光起電力素子は任意の光源に対してエネルギ変
換効率が高くなるように容易に設計され得る。ま
た、本発明の光起電力素子はバルブ操作等の非常
に簡単な操作で連続的に製作し得るため非常に低
コストである。
の太陽光を照射したときの特性を第８図に示す。
横軸はａ−Si単位セル数ｍ、縦軸はそれぞれの試
料の開放電圧Vocとエネルギ変換効率ηである。
第８図より明らかなように、それぞれのａ−Si単
位セルで吸収される光子数を等しくし、それぞれ
のａ−Si単位セルの光電流を等しくすべく、それ
ぞれのａ−Si単位セルの厚さを光入射側より次第
に大きくするように分布させることにより開放電
圧Vocはａ−Si単位セル数にほぼ比例して増加
し、しかもエネルギ変換効率は殆んど減少しな
い。 以上のように、簡単なバルブ操作により、連続
して容易に製作可能な単一素子で高間放電圧のし
かも高エネルギ変換効率の光起電力素子が得られ
る。 なお、ｐ−ｉ−ｎ構造の光起電力素子に於いて
は、内部電界は殆んどｉ型層のｐ型層に近い領域
に生じるので、この部分で多くの電子・正孔が生
成されることが大きな光電流を得るためには必要
であり、また、ｎ型層近傍で生成された電子・正
孔は、この内部電界のある領域まで拡散せねばな
らないので、損失が多い。従つて光はｐ型層側か
ら入射することが望ましい。 以上の説明は基板上に順次ｎ型、ｉ型、ｐ型の
ａ−Si層を形成した場合について述べたが、逆に
基板上に順次ｐ型、ｉ型、ｎ型のａ−Si層を形成
しても同様の効果が得られる。また、上記説明は
基板がステンレス鋼の場合につき述べたが、ａ−
Si層上に形成する導電層が金属の方が製造が容易
な場合など、基板が透明導電性膜を付したガラス
板あるいはフイルムのごとき透明導電性物質であ
つてもよい。また、透明導電膜上にａ−Si層を形
成する場合、透明導電膜が劣化したり良質なａ−
Si層が得られ難い場合があり、この様な場合には
導電性基板としてはステンレス鋼や他の金属など
の導電性基板を使用することができる。 以上詳細に説明したように、本発明の多重セル
構造のａ−Si光起電力素子は簡単な構造の単一素
子で高電圧を出し得る。また、本発明の多重セル
構造のａ−Si光起電力素子は単一素子で高電圧を
得、しかもエネルギ変換効率が高い。また本発明
の光起電力素子は任意の光源に対してエネルギ変
換効率が高くなるように容易に設計され得る。ま
た、本発明の光起電力素子はバルブ操作等の非常
に簡単な操作で連続的に製作し得るため非常に低
コストである。
第１図は、本発明の光起電力素子の製造に使用
する装置の概要を示すブロツク図、第２図、第７
図は本発明の光起電力素子の一例を示す断面図、
第３図は本発明の光起電力素子のバンド構造を示
す図であり、Ａは暗状態、Ｂは光照射状態の場合
のバンド構造を示す。第４図は本発明の光起電力
素子の等価回路を示す図、第５図、第８図は、本
発明の光起電力素子の特性の一例を示す図、第６
図は、本発明の光起電力素子の設計原理を示す図
である。 １は反応容器、２は放電用陰電極、３は放電用
陽電極、４は加熱回転台、５は基板、４１，４
２，４３は電流源、４４，４５，４６は整流器、
４７，４８は抵抗を示す。
する装置の概要を示すブロツク図、第２図、第７
図は本発明の光起電力素子の一例を示す断面図、
第３図は本発明の光起電力素子のバンド構造を示
す図であり、Ａは暗状態、Ｂは光照射状態の場合
のバンド構造を示す。第４図は本発明の光起電力
素子の等価回路を示す図、第５図、第８図は、本
発明の光起電力素子の特性の一例を示す図、第６
図は、本発明の光起電力素子の設計原理を示す図
である。 １は反応容器、２は放電用陰電極、３は放電用
陽電極、４は加熱回転台、５は基板、４１，４
２，４３は電流源、４４，４５，４６は整流器、
４７，４８は抵抗を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 導電性基板上にｎ型、ｉ型およびｐ型のアモ
ルフアスシリコン層よりなるアモルフアスシリコ
ン単位セルが複数個積層され、最上部のアモルフ
アスシリコン単位セル上に導電層が設けられ、隣
り合う単位セル間に形成されるpn接合は電子・
正孔の再結合の過程によつて殆んど整流性を有し
ないことを特徴とする光起電力素子。 ２ アモルフアスシリコン単位セルの厚さは光入
射側が薄いことを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の光起電力素子。 ３ アモルフアスシリコン単位セルが光入射側よ
り順次ｎ型、ｉ型およびｐ型のアモルフアスシリ
コン層であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項または第２項記載の光起電力素子。 ４ アモルフアスシリコン単位セルが光入射側よ
り順次ｐ型、ｉ型およびｎ型のアモルフアスシリ
コン層であることを特徴する特許請求の範囲第１
項または第２項記載の光起電力素子。 ５ 導電層が透明導電膜であることを特徴とする
特許請求の範囲第３項または第４項記載の光起電
力素子。 ６ 導電性基板が透明導電膜を有する基板である
ことを特徴とする特許請求の範囲第３項ないし第
５項いずれか記載の光起電力素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3299379A JPS55125680A (en) | 1979-03-20 | 1979-03-20 | Photovoltaic element |
| US06/130,536 US4271328A (en) | 1979-03-20 | 1980-03-14 | Photovoltaic device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3299379A JPS55125680A (en) | 1979-03-20 | 1979-03-20 | Photovoltaic element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS55125680A JPS55125680A (en) | 1980-09-27 |
| JPS6348197B2 true JPS6348197B2 (ja) | 1988-09-28 |
Family
ID=12374371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3299379A Granted JPS55125680A (en) | 1979-03-20 | 1979-03-20 | Photovoltaic element |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4271328A (ja) |
| JP (1) | JPS55125680A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010534922A (ja) * | 2007-04-09 | 2010-11-11 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア | 高効率の縦列太陽電池用の低抵抗トンネル接合 |
Families Citing this family (45)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4381233A (en) * | 1980-05-19 | 1983-04-26 | Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha | Photoelectrolyzer |
| JPS5835988A (ja) * | 1981-08-28 | 1983-03-02 | Taiyo Yuden Co Ltd | アモルフアスシリコン太陽電池 |
| US4379943A (en) | 1981-12-14 | 1983-04-12 | Energy Conversion Devices, Inc. | Current enhanced photovoltaic device |
| JPS58139478A (ja) * | 1982-02-15 | 1983-08-18 | Agency Of Ind Science & Technol | アモルフアス太陽電池 |
| JPS58122671U (ja) * | 1982-02-16 | 1983-08-20 | セイレイ工業株式会社 | 小型管理機の移動用車輪 |
| US4419533A (en) * | 1982-03-03 | 1983-12-06 | Energy Conversion Devices, Inc. | Photovoltaic device having incident radiation directing means for total internal reflection |
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| US4485125A (en) * | 1982-03-19 | 1984-11-27 | Energy Conversion Devices, Inc. | Method for continuously producing tandem amorphous photovoltaic cells |
| JPS58171869A (ja) * | 1982-04-02 | 1983-10-08 | Sanyo Electric Co Ltd | 光起電力装置 |
| JPS58171870A (ja) * | 1982-04-02 | 1983-10-08 | Sanyo Electric Co Ltd | 光起電力装置 |
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| NL8204056A (nl) * | 1982-10-21 | 1984-05-16 | Oce Nederland Bv | Fotogeleidend element voor toepassing in elektrofotografische kopieerprocessen. |
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| JPH0614560B2 (ja) * | 1983-03-11 | 1994-02-23 | キヤノン株式会社 | フォトセンサ |
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| FR2545275B1 (fr) * | 1983-04-27 | 1987-03-06 | Rca Corp | Photodetecteur tandem |
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Family Cites Families (2)
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1979
- 1979-03-20 JP JP3299379A patent/JPS55125680A/ja active Granted
-
1980
- 1980-03-14 US US06/130,536 patent/US4271328A/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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|---|---|
| JPS55125680A (en) | 1980-09-27 |
| US4271328A (en) | 1981-06-02 |
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