JPH026235B2

JPH026235B2 -

Info

Publication number: JPH026235B2
Application number: JP55179029A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Yano; Wataru Yamamoto; Kenji Nakatani; Mitsuo Asano; Hiroshi Okaniwa
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1990-02-08
Also published as: JPS57103370A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は電気絶縁性基板上に光起電力要素とし
てシリコンを主成分とする非晶質半導体薄膜を設
けた太陽電池に関する。更に詳しくは電気絶縁性
基板を導電化するために、該基板上に電気伝導率
の高い金属からなる低抵抗の第１の金属層と、そ
の上に積層した非晶質シリコン薄膜と電気的及び
機械的接合の良好な第２の金属層の少なくとも２
層からなる導電層を被着せしめて構成した太陽電
池に関する。非晶質シリコン薄膜を絶縁性基板上に設けた太
陽電池は、特開昭52−16990号（特公昭53−37718
号），特開昭54−149489号，特開昭55−4994号、
さらに特開昭55−29154号各公報に記載されてい
るごとく公知である。さらに非晶質シリコン太陽
電池を製造するに際して可撓性を有する有機高分
子基板を用いる特徴としては、特開昭55−4994号
および特開昭55−29154号公報で開示されている
ごとく、支持基板上に必要な層を連続法で設けた
非晶質シリコン太陽電池の製造を可能ならしめる
こと、また、特開昭54−149489号公報に開示され
ているごとく、可撓性基板上に形成された非晶質
シリコン太陽電池は、従来の太陽電池に比較して
フイルム状であるので、任意に曲げることが可能
であり、その応用が広がることがあげられてい
る。しかるに、本発明者らは上記特許公報記載の方
法で非晶質シリコン太陽電池を作製した場合、有
機高分子基板上の金属導電層に重大な欠陥が存在
することを見い出した。すなわち、電極として充
分な導電性を得るために該導電層に電気伝導率の
高い金属であるAg，Au，Cu，Al等を使用する
と非晶質シリコン膜と密着性が悪くて非晶質シリ
コン膜の剥離を生じたり、非晶質シリコンと導電
層金属の合金化または原子の相互拡散を生じて、
光電変換効率の良い太陽電池が得られない。また、該導電層にステンレス合金やニクロム合
金を用いて充分に抵抗の低い導電層を形成する場
合は、有機高分子基板の可撓性が損われる程度
の、もしくは有機高分子基板と該金属層の膨脹率
差に起因するひずみ応力により該金属層に割れや
剥離が生じる程度の厚さに迄金属を堆積する必要
があり、有機高分子基板の特長を生かした実用的
な使用に耐える太陽電池を作ることができない。かかる事実は、実用的な使用に耐える非晶質シ
リコン太陽電池を有機高分子基板等の電気絶縁性
基板上に作製するには、有機高分子基板等の電気
絶縁性基板と機械的な接合が良好で、電気抵抗が
小さく、かつ非晶質シリコンと電気的及び機械的
な接合が良好（以後、非晶質シリコンと整合性が
良好という）な導電層の開発が不可欠であること
を示している。ここで、電気的接合が良好とは、
太陽電池構成上の必要に応じて非晶質シリコン膜
と低抵抗の非整流性接触や好適な接触電位差と整
流性接触とを与えることを意味する。機械的接触
が良好であるとは非晶質シリコンとの密着性が良
好なことを意味する。上記二概念とも太陽電池製
造時及び使用時における温度，湿度，経時変化及
び曲げに関する安定性を含んでいる。本発明者らは、かかる要求特性を具備した電気
絶縁性基板の導電化法を鋭意研究した結果本発明
に到達した。すなわち本発明は、電気絶縁性の基
板，当該基板上に設けられた金属層及び当該金属
上にシリコンを主成分とした非晶質半導体薄膜か
らなる光起電力要素とからなる太陽電池であつ
て、当該金属層が、基板に接するところのAg，
Au，Pt，Cu，Al及びNiからなる群から選ばれ
た単一金属あるいは合金の層である電気伝導率の
良好な第１の金属層と光起電力要素に接するとこ
ろのMo，Cr，Ｗ，Fe，Ti及びTaからなる群か
ら選ばれた単一金属あるいはその合金，ステンレ
ス合金又はケイ素鋼合金の層である半導体薄膜と
電気的及び機械的接合の良好な第２の金属層との
少なくとも２層からなることを特徴とする太陽電
池である。本発明において電気絶縁性基板とは、後述の通
り、電気絶縁性の基板であれば特に限定されない
が、中でも表面抵抗が1000MΩ／□以上の有機高
分子シート，可撓性を有する有機高分子フイル
ム，有機高分子成型品，金属表面を有機高分子材
料で被覆した複合材料等の有機高分子化合物基板
に効果的である。更に詳しくは、これら有機高分
子材料としては、ポリエチレンテレフタレート樹
脂，ポリエチレンナフタレート樹脂，芳香族ポリ
エステル樹脂，芳香族ポリアミド樹脂，ポリアリ
レート樹脂，ポリスルホン樹脂，ポリイミド樹脂
が太陽電池製造工程上要求される150℃以上の耐
熱性を備えるので好適である。上記有機高分子材料を太陽電池の基板として使
用する場合、少なくとも表面抵抗が100Ω／□以
下、好ましくは10Ω／□以下の導電層を積層する
ことが必要である。本発明においては、この導電
層を下記の電気伝導率の高い第１の金属層と後述
の非晶質半導体層と電気的及び機械的接合の良好
な第２の金属層との複層構成とする。第１の金属
層には電極材料として公知の電気伝導率の高い金
属であるAg，Au，Pt，Cu，Al，Niの中より選
んだ単一金属、および／またはその合金を使用す
る。上記金属は有機高分子材料と機械的接合が良
いことはもちろん、熱伝導率が高いので太陽電池
動作時に高い放熱性が得られる。また、上記金属
層は延展性に富むので有機高分子基板材料と非晶
質シリコン半導体膜の熱膨脹率差や吸湿膨脹差に
より生じる応力を緩和して光起電力部の劣化を防
止する。かかる金属層を有機高分子基板等の電気
絶縁性基板上に0.005μｍ〜20μｍ、さらに好まし
くは0.01μｍ〜5μｍの厚さに蒸着法やスパツタ法
のような物理的手法やメツキ法のような化学的手
法により堆積したもの、さらには前記金属フイル
ムをラミネートしたものが該導電層として好適で
ある。なかでも前記物理的手法で堆積したものが
好適である。該金属層の厚さが0.005μｍ以下では
導電性が不充分であり、20μｍを越えると基板を
曲げた場合に金属層が割れたり、基板の可撓性が
損われて好ましくない。該金属層の厚さが0.01μ
ｍ〜5μｍの範囲では充分な導電性と可撓性が得
られる。しかしながら、従来公知のかかる良導電性の金
属を積層した第１の金属層のみの導電性基板は非
晶質シリコン膜との整合性が充分でなく、非晶質
シリコン膜の剥離，非晶質シリコン膜と導電層金
属の望ましくない合金化や原子の相互拡散、およ
び／または非晶質シリコン膜と不必要な電流整流
性接触を形成する。この難点は前記第１の金属層
上に非晶質シリコン膜と整合性の良い下記の第２
の金属層をさらに積層することにより解決され
る。本発明者らの研究の結果、第２の金属層を構
成する非晶質シリコン膜と整合性の良い金属とし
ては、Mo，Cr，Ｗ，Fe，Ti，Taの中より選ん
だ単一金属および／またはその合金や、ステンレ
ス合金，ケイ素鋼合金が使用できることが判明し
た。第２の金属層は電極として必要な導電性を主
目的とした第１の金属層と非晶質シリコン膜が接
する部分がない連続膜であることが必要であり、
その厚さは0.01μｍ〜2.0μｍ、さらに好ましくは
0.02μｍ〜1μｍの範囲が好適である。層の厚さが
0.01μｍ以下では連続膜の形成が困難であるか、
または第１の金属層の金属原子の拡散によるしみ
出しを生じ、2.0μｍを越えると第２の金属層自体
の割れや基板からの剥離を生じる。第２の金属層
の厚さが0.01μｍ〜1μｍの範囲では充分な可撓性
と非晶質シリコン膜との整合性を得ることができ
る。従来公知の単層の導電層を用いる方法に従え
ば、前記第２の金属層の非晶質シリコン膜と良好
な整合性が得られる金属を該導電層に使用する
と、割れや剥離の制約から導電層の抵抗が高くな
り、この抵抗が光起電力部で発生される電流の直
列抵抗となつて光・電力変換効率を低下させ、該
導電層に前記第１の金属層の電気伝導率の高い金
属を使用すると非晶質シリコン膜との整合性が悪
くなつてしまう。いずれにしても前述の特許公報
等に開示されている方法では実用的な太陽電池、
殊に大面積，高出力電流の太陽電池の実現に困難
がある。しかし、前述の少なくとも二層の第１，
第２の金属層を有機高分子基板上に積層した面上
に、光起電力要素として非晶質シリコンや非晶質
シリコンカーバイド合金，非晶質シリコンゲルマ
ニウムのようなシリコンを主成分とする非晶質半
導体薄膜を堆積する本発明によれば、大面積，高
出力電流の太陽電池を製作することができる。一
例として光起電力要素に非晶質シリコン薄膜を用
いる場合について述べる。基板上に非晶質シリコ
ン薄膜を堆積するにはグロー放電法，スパタリン
グ法，イオンプレーテイング法等公知の方法を用
いる。例えば、グロー放電法の場合、10〜
0.1Torrに維持された真空槽内で該基板を100℃
〜400℃に加熱した基板ホルダーに密着させる。
この基板ホルダーを一方の電極とし、それと対向
する電極との間に、13.56MHzの高周波電力を供
給する。真空槽内にはシラン（SiH₄），ジボラン
（B₂H₆），ホスフイン（PH₃）ガスを導入してグ
ロー放電を起し、所定の構造に前記ガスの分解生
成物を堆積せしめ、光起電力要素である非晶質シ
リコン薄膜を設ける。この上に、例えばシヨツト
キー接合セルの場合シヨツトキー障壁金属として
白金，金，パラジウム等をスパツタ法や真空蒸着
法で100Å前後の膜厚で堆積する。またヘテロ
（フエイス）接合セルの場合は、酸化インジウム，
酸化錫，錫酸カドミウム薄膜を200〜3000Å前後
の膜厚なるようにスパツタ法や真空蒸着法で堆積
し、表面電極を形成する。次に、収集電極をシヨツトキー障壁金属，ヘテ
ロ（フエイス）電極表面上に設けて非晶質シリコ
ン太陽電池デバイスとする。本発明になる非晶質シリコン太陽電池の代表例
としては、基板としての有機高分子シートあるい
は可撓性を有する有機高分子フイルム；その上に
設けられた導電層としての電気導電率の高い第１
の金属層，及び非晶質シリコン膜と整合性の良い
第２の金属層との複層金属層；及びその上に設け
られた非晶質シリコン膜，シヨツトキー障壁金属
またはヘテロ（フエイス）電極，及び電流収集電
極とからなる光起電力要素とからなる基本構造を
もつている。本発明の非晶質シリコン太陽電池の好ましい例
においては絶縁性有機高分子材料基板上に電気抵
抗が低く、かつ、基板と非晶質シリコン薄膜の間
に生じるひずみ応力を緩和する効果をもつた第１
の金属層と非晶質シリコンと整合性の良い第２の
金属層との少なくとも二層以上の金属層を積層し
た複層板を光起電力要素の支持板として使用する
ことに大きな特徴をもつている。かかる構成の導
電化支持板はその導電層が非晶質シリコンとの整
合性が良く、かつその膜厚が薄くて内部応力が小
さくクラツク等の発生がないので有機高分子基板
等の可撓性，軽量性という利点を損うことなしに
光・電力変換効率が高く、耐久性に富み、曲げに
耐える画期的な太陽電池の実現を可能にするもの
である。もちろん上記の絶縁性材料の導電化法は
有機高分子材料以外の絶縁性材料であるガラス
板，セラミツク板，可撓性を有するセラミツクス
シートを太陽電池用基板として用いる場合にも適
用できる。なお、以上の本発明の太陽電池を実用に供する
時は公知のように通常過酷な使用環境条件に耐え
る太陽電池表面保護層を設けて使用される。該表
面保護層は可撓性太陽電池の場合その可撓性を損
わない様に、ふつ素樹脂フイルムのごとき可撓性
を有し、且つ耐候性に優れた有機樹脂フイルムが
通常使用される。以下、実施例をあげて本発明を説明する。実施例１電気絶縁性の可撓性を有する基板として有機高
分子フイルム具体的には厚さ125μｍのポリイミ
ド樹脂フイルムを用いた。この基板上に導電層と
してRFスパツタ法でステンレス合金（SUS304）
をターゲツトとして種々の厚さに該合金を堆積さ
せ室温における表面抵抗を測定した。スパツタリ
ングはAr圧力0.5ミリメートル（mTorr）雰囲気
中でRF電力500Wを投入して実施した。かかる導
電化有機高分子フイルムの表面抵抗と導電層の厚
さの関係を第１図に曲線１として示した。また同
様な有機高分子フイルム上に前記と同様な手法
で、導電層としてAl，ステンレス合金の各ター
ゲツトを用いて第１の金属層として種々の厚さの
Al膜を堆積させその上に第２の金属層として厚
さ0.05μｍのステンレス合金膜を積層した導電化
フイルムを作製し、室温の表面抵抗と導電層全体
の厚さの関係を測定して第１図に曲線２として示
す結果を得た。第１図の曲線１と２から明らかな
ようにAlを第１の金属層として複層した導電層
はステンレス合金のみの導電層に比較してはるか
に高い導電率が得られる。例えば1Ω／□程度の
表面抵抗を実現しようとする場合、Alを第１の
金属層とし、その上に第２の金属層としてステン
レス合金を積層した複層導電層では金属層の厚さ
が0.1μｍもあれば良く、基板の可撓性を損うこと
はなかつた。一方、ステンレス合金のみの導電層
では1μｍを越える厚さが必要となる。このよう
な厚い導電層を被着した基板ではしばしば該導電
層に割れや剥離部が生じた。更に詳しくは10×10
cm²の前記有機高分子フイルム上にステンレス合金
層のみの導電層を被着させた場合、層の厚さ2μ
ｍでは約40％の確率で層の厚さ3μｍでは90％以
上の確率で導電層表面の一部または全面に割れや
剥離部を生じた。実施例２電気絶縁性の可撓性を有する基板として実施例
１と同様に厚さ125μｍのポリイミド樹脂フイル
ムを用い、該フイルム上の導電層として、厚さ
0.4μｍのステンレス合金単独を被着させた基板，
基板厚さ0.05μｍのAlの第１の金属層の上に厚
さ0.1μｍのステンレス合金の第２の金属層を積層
させた基板，厚さ0.05μｍのNiの第１の金属層
の上に厚さ0.1μｍのステンレス合金の第２の金属
層を積層させた基板をスパッタ法で作製した。ス
パツタリングはAr圧力0.5ミリメートル
（mTorr）雰囲気中でRF電力500Wを投入し、タ
ーゲツトにAl，ステンレス合金（SUS304），Ni
を使用して実施した。かかる導電化フイルム基板
上にシラン，ジボラン，フオスフインのガスを用
いてRFグロー放電法により同一条件で非晶質シ
リコン薄膜を堆積させ、その上にInとSnの酸化
物の透明電極とPdの櫛型収集電極を蒸着して基
板／ｎ―ｉ―ｐ（非晶質シリコン）／透明電極構
成の太陽電池を作製し、電池の耐湿性を調べた。耐湿性の試験は、太陽電池を相対湿度80％の雰
囲気中に24時間放置した後相対湿度30％の雰囲気
中に移管し、48時間後に再び相対湿度80％の雰囲
気に露呈した場合の光・電力変換効率の劣化を測
定して行つた。結果を第２図に示す。第２図より
明らかなようにポリイミドフイルム上にステンレ
ス合金のみを積層した基板上の太陽電池は、Al
やNiの層の上にステンレス合金を積層した基板
上の太陽電池に比較して、光・電力変換効率の劣
化がはるかに急速であつた。かかる劣化は主とし
て有機高分子フイルムとステンレス合金や非晶質
シリコン薄膜の吸湿膨脹率差により生じるひずみ
応力に起因する金属層の微細なクラツクによるも
のと思われる。第１の金属層のAlやNiはこれら
の劣化要因を緩和する効果を有することがわか
る。実施例３非晶質シリコン光起電力層と電気的接合のよい
第２の金属層の金属を選択するため、Au，Ag，
Cu，Mo，Cr，Ti，Ｗ，Fe，Ta，ステンレス合
金（SUS），ケイ素鋼の金属板をターゲツトして
スパツタリング法を用い、10^-4TorrのAr雰囲気
中で厚さ125μｍのポリイミド樹脂フイルム上に
約0.1μｍの厚みに夫々の金属層を堆積した基板を
作成し、これら基板上に以下のようにして太陽電
池を形成し、その太陽電池特性に及ぼす影響を調
べた。太陽電池は実施例２と同様にRFグロー放電法
により、ｎ―ｉ―ｐ形非晶質シリコン膜を堆積し
た。さらに透明電極として酸化インジユーム電極
をEB蒸着法を用いて堆積した。そして、これら
金属層と非晶質シリコン層との接合の良否を示す
指標として、太陽電池特性の中でも電気的接合の
良，不良を示すと云われる曲線因子を測定し評価
した。その結果を表１に示した。

【表】

【表】比較例のAu，Ag，Cuを除いた本発明の第２の
金属層の金属は曲線因子が50％以上であり、太陽
電池として実用に供し得る良好な接合が得られて
おり、本発明の効果は明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１のSUS導電層とAl／SUS導
電層の層厚と表面抵抗の関係を示すものであり、
第２図は実施例２のSUS導電層，Al／SUS導電
層及びNi／SUS導電層を用いた太陽電池の耐久
性を示すものである。

Claims

【特許請求の範囲】１電気絶縁性の基板，当該基板上に設けられた
金属層及び当該金属上にシリコンを主成分とした
非晶質半導体薄膜からなる光起電力要素とからな
る太陽電池であつて、当該金属層が、基板に接す
るところのAg，Au，Pt，Cu，Al及びNiからな
る群から選ばれた単一金属あるいは合金の層であ
る電気伝導率の良好な第１の金属層と光起電力要
素に接するところのMo，Cr，Ｗ，Fe，Ti及び
Taからなる群から選ばれた単一金属あるいはそ
の合金，ステンレス合金又はケイ素鋼合金の層で
ある半導体薄膜と電気的及び機械的接合の良好な
第２の金属層との少なくとも２層からなることを
特徴とする太陽電池。２当該基板が、有機高分子化合物である特許請
求の範囲第１項記載の太陽電池。３当該基板が可撓性を有する特許請求の範囲第
２項記載の太陽電池。