JPS6239550B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、２種類以上の非晶質半導体材料を組
み合せて用いることにより特性改善がなされた
pinヘテロ接合型非晶質薄膜太陽電池に関するも
のである。 近年各方面から太陽エネルギーの有効利用の方
法が試みられ、太陽電池においても低コスト化を
目的として従来のシリコン単結晶半導体（厚さ
100〜500μｍ）を利用した結晶質太陽電池から、
非晶質シリコン薄膜半導体を利用した非晶質太陽
電池へと開発の方向は進みつつある。 非晶質太陽電池（アモルフアス太陽電池）は半
導体基板が約１μｍ（ミクロン）厚と極めてうす
くできて省資源型であり、且つ比較的簡単な製造
プロセスにより得られるため、低コスト化が望め
る太陽電池として開発が活発に行われつつある。 この種の非晶質薄膜太陽電池としては、モノシ
ラン（SiH₄）ガスのグロー放電法によつて作成さ
れるシリコン及び水素を主たる構成物とする水素
系非晶質シリコン半導体（以下ａ−Si：Ｈと略
す）薄膜太陽電池や、四フツ化シリコン（SiF₄）
ガスのグロー放電によつて作成されるシリコン、
フツ素及び水素を主たる構成物とするフツ素系非
晶質シリコン半導体（以下ａ−si：Ｆ：Ｈと略
す）薄膜太陽電池の開発が進められている。 前者のａ−Si：Ｈを用いた小面積非晶質薄膜太
陽電池はシヨツトキ構造で光電変換効率として
5.5％が、またpin構造で4.5％が得られ、後者の
ａ−Si：Ｆ：Ｈを用いた非晶質薄膜太陽電池につ
いてはシヨツトキ構造でそれ以上の光電変換効率
が得られている。 非晶質薄膜太陽電池の素子構造としてはpin型
構造、シヨツトキ構造及びMIS（金属−絶縁物−
半導体）構造があるが、低コスト化薄膜太陽電池
として望ましい構造はpin型構造である。その理
由は同一基板上での単位素子の直並列接続が容易
なことによる。所でこのpin型薄膜太陽電池を構
成する場合には、電気的光学的に優れたｐ型，ｉ
（真性）型及びｎ型の非晶質半導体を用いること
が望ましい。現在開発の進んでいるａ−Si：Ｆ：
Ｈ膜は、ｉ型或いはｎ型半導体としてかなり優れ
た非晶質シリコン半導体となり得るが、ｐ型不純
物Ｂ（ボロン）等を添加しても電気的光学的にす
ぐれたｐ型半導体にはなり難いことが実験的に判
明した。 本発明はこれらに鑑みてなされたもので、非晶
質薄膜太陽電池の特性向上を図るため、ｉ型或い
はｎ型半導体としてａ−Si：Ｆ：Ｈ膜やａ−Si−
Ｈ膜を用い、ｐ型或いはｎ型半導体として電気的
光学的にすぐれた−族非晶質半導体を用いた
pinヘテロ接合型非晶質薄膜太陽電池を提供す
る。−族非晶質半導体は化学元素の周期律表
において、Ｂ族元素（Ｂ，Al，Ga，In）と
Ｂ族元素（Ｎ，Ｐ，As，Sb）から成り、これら
は四面体結合をなす非晶質半導体材料であり、ａ
−BN，ａ−BP，ａ−AlN，ａ−AlP，ａ−
GaN，ａ−GaP，ａ−GaAs，ａ−InN，ａ−
InP，ａ−InAs，ａ−InSb或いはこれらの合金
（例えばａ−BGaP，ａ−GaInP等）の非晶質薄膜
半導体である。これらの−族非晶質半導体は
グロー放電法やスパツター法或いはイオンプレー
テイング法により形成される。 ａ−Si：Ｈ膜及びａ−Si：Ｆ：Ｈ膜の光学的バ
ンドギアツプはそれぞれ1.55eV及び1.65eVであ
る。一方−族のａ−BP膜は約2.1eV，ａ−
InP膜は約1.3eVと構成元素の組合せにより光学
的バンドギアツプを任意に選択することが出来、
非晶質薄膜太陽電池の構造設計の自由度を増加す
ることが出来る。 実施例 １ 図に本発明によるpinヘテロ接合型非晶質薄膜
太陽電池の具体例を示す。 １は透明ガラス基板で、この上に電子ビーム蒸
着装置によりCr−Au／Agのグリツド電極２をマ
スク蒸着する。次にスパツター装置によりIn−
Sn金属をターゲツトとしてIn₂O₃−SnO₂透明電極
（ITO）３を約700Å厚形成する。この時の面抵抗
は20〜30Ω／□であり、光の透過率は可視域で89
％以上である。 次にこの基板をプラズマCVD
装置にセツトする。水素ベースのホスフイン
（PH₃／H₂5％濃度）ガス及び水素ベースのジボラ
ン（B₂H₆／H₂5％濃度）ガスの混合ガス（たとえ
ばPH₃／H₂＝40cc／分，B₂H₆／H₂＝50c.c.／分）
を用いて基板温度350℃、ガス圧0.5〜2torr、高
周波電力100Wでａ−BP膜４を100〜600Å厚形成
する。ａ−BPはPH₃とB₂H₆の原料ガス比の制御
によりｐ型非晶質半導体となり、成長速度は0.05
〜0.4Å／secである。ａ−BP膜４は淡い褐色を
おびた透明な薄膜である。 次に四フツ化シリコン（SiF₄）ガスと水素との
混合ガス（混合比９：１）を原料とし、流量50
c.c.／分、基板温度350℃、高周波電力100W，ガス
圧1torrでプラズマCVDによりフツ素系アモルフ
アスシリコン膜（ａ−Si：Ｆ：Ｈ）５を膜厚5000
〜10000Å形成する。成長速度は１〜４Å／secで
あり、電気的には真性（ｉ）型である。更にこの
四フツ化シリコンガス（SiF₄／H₂）にｎ型ドープ
剤フオスフイン（PH₃／H₂濃度0.1％）を0.1〜１
％添加してｎ⁺型のａ−Si：Ｆ：Ｈ膜６を300〜
500Å厚形成する。電子ビーム蒸着装置により
Al／Ag裏面電極７を１〜５μｍ厚形成する。最
後にモノシランガス（SiH₄／H₂）、アンモニア
（NH₃）、酸化窒素ガス（N₂O）を原料として同じ
くプラズマCVD装置によりシリコンオキシナイ
トライド膜（SixOyNz，Ｎに対するＯの割合は
１〜15％）を700〜1500Å厚形成し、太陽電池の
パシベーシヨンを行う。シリコンオキシナイトラ
イド膜は高周波電力50W、基板温度350℃、ガス
圧１〜2torrで作成された。 上記実施例中、ｐ型ａ−BP膜４形成の際、原
料ガスPH₃／H₂，B₂H₆／H₂にジメメチルアエン
（（CH₃）₂Zn）をH₂ガスのバブリングにより0.1〜
１％添加してグロー放電を行つた所低抵抗のｐ⁺
型ａ−BP膜が得られた。また同様に原料ガス
PH₃／H₂，B₂H₆／H₂に四フツ化シリコンガス
（SiF₄）を0.05〜１％添加してグロー放電を行つた
所低抵抗のｎ⁺型ａ−BP膜が得られた。 第１図に示すITO／ｐ⁺ａ−BP／ｉ−ａ−Si：
Ｆ：Ｈ／ｎ⁺−ａ−Si：Ｆ：Ｈ／Al−Agのpinヘ
テロ接合型太陽電池は太陽光AMI下において、
開放電圧0.75V、短絡電流15mA／cm²、FF＝
0.53、光電変換効率η＝5.9％のすぐれた特性を
示した。 実施例 ２ 実施例１とほぼ同様のpinヘテロ接合構造太陽
電池において、ｎ⁺層６を−族からなるａ−
InPとした太陽電池について説明する。 電気的ｎ型のａ−InPは、原料ガスとして水素
ベースのフオスフイン（PH₃／H₂濃度５〜10％）
とトリメチールインジウム（（C₂H₅）₃In）を用い
てプラズマCVD法により作成することが出来
る。 次に上記発明のグロー放電法により作成される
−族非晶質半導体の原料ガス及ドープ剤の関
係を示す。

【表】 上記の−族非晶質薄膜は電気的にｎ⁺型或
いはｐ⁺型となり、pinヘテロ接合型非晶質薄膜太
陽電池のｎ⁺層或いはｐ⁺層として任意に組合せて
用いることが出来る。 これまでは−族非晶質薄膜半導体の作成法
としてグロー放電によるプラズマCVD法につい
て説明したが、これらの各薄膜はスパツター法、
反応性スパツター法やイオンプレーテイング法に
より電気的光学的にすぐれた非晶質膜を作ること
が出来る。 以上本発明によれば、−族非晶質薄膜を、
フツ素系非晶質シリコン或いは水素系非晶質シリ
コン半導体材料からなる層と組合せて薄膜太陽電
池を構成することにより、従来のフツ素系非晶質
シリコン或いは水素系非晶質シリコン半導体材料
の薄膜太陽電池に比べてpin層構造の選択が容易
になり、装置設計の自由度が増すと共に効率の改
善された太陽電池を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明によるガラス／ITO／ｐ⁺−ａ−
BP／ｉ−ａ−Si：Ｆ：Ｈ／ｎ⁺−ａ−Si：Ｆ：
Ｈ／Al−Ag／Si−Ｏ−Ｎ構造のpinヘテロ接合型
非晶質薄膜太陽電池の断面図である。 １……ガラス基板、２……グリツド電極Al／
Ag、３……ITO透明導電膜、４……ｐ⁺型ａ−
BP膜、５……ｉ型ａ−Si：Ｆ：Ｈ膜、６……ｎ⁺
型ａ−Si：Ｆ：Ｈ膜、７……裏面電極Al／Ag、
８……Si−Ｏ−Ｎ膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ pin構造を基本単位とするヘテロ接合型非晶
   質薄膜太陽電池において、ｐ型或いはｎ型非晶質
   半導体を−族非晶質半導体材料で形成し、少
   なくともｉ（真性）型半導体をフツ素系非晶質シ
   リコン或いは水素系非晶質シリコン半導体材料で
   形成することを特徴とするヘテロ接合型非晶質薄
   膜太陽電池。 ２ 請求の範囲第１項において、−族非晶質
   半導体を、グロー放電法、スパツター法或いはイ
   オンプレーテイング法によつて作成される非晶質
   ボロンナイトライド（以下ａ−BNと記す）、ａ−
   BP，ａ−AlN，ａ−AlP，ａ−GaN，ａ−GaP，
   ａ−GaAs，ａ−InN，ａ−InP，ａ−InAs，ａ−
   InSb或いはこれらの合金等の非晶質薄膜半導体
   で形成したことを特徴とするpinヘテロ接合型非
   晶質薄膜太陽電池。