JP2000058892A

JP2000058892A - シリコン系薄膜光電変換装置

Info

Publication number: JP2000058892A
Application number: JP11151847A
Authority: JP
Inventors: Hiroko Tawada; 裕子多和田; Akihiko Nakajima; 昭彦中島; Masashi Yoshimi; 雅士吉見
Original assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-02-25

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマＣＶＤ法による低温プロセスを用い
て形成される結晶質シリコン系薄膜光電変換層を含む光
電変換装置の低コスト化と高性能化を図る。【解決手段】シリコン系薄膜光電変換装置は、基板
１、光反射性金属膜１０２を有する裏面電極１０、少な
くとも１つのシリコン系光電変換ユニット１１、および
前面透明電極２を含み、光反射性金属膜１０２および前
面透明電極２の少なくとも一方はシリコン系光電変換ユ
ニット側の面において表面凹凸形状を有し、凹凸の高低
差が０．０１〜２μｍの範囲内にあるとともに、凹凸の
ピッチが高低差より大きくかつその２５倍以下の範囲内
にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜光電変換装置に
関し、特に、シリコン系薄膜光電変換装置の低コスト化
と性能改善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、シリコン薄膜、特に多結晶シリコ
ンや微結晶シリコンのような結晶質シリコンを含む薄膜
を利用した光電変換装置の開発が精力的に行なわれてい
る。これらの開発は、安価な基板上に低温プロセスで良
質の結晶質シリコン薄膜を形成することによって光電変
換装置の低コスト化と高性能化を両立させようという試
みであり、太陽電池だけではなくて光センサ等のさまざ
まな光電変換装置への応用が期待されている。なお、本
願明細書において「多結晶」と「微結晶」と「結晶質」
の用語は、薄膜光電変換装置の技術分野において通常用
いられているように、部分的に非晶質を含むものをも意
味するものとする。

【０００３】しかし、光電変換層が薄膜である場合、そ
の光吸収係数の小さな長波長領域の光に対して十分な吸
収が生じず、光電変換層における光電変換量がその膜厚
によって制限されることになる。特に結晶質シリコンを
含む光電変換層の場合十分な吸収を生じない。このよう
なことから、光電変換層を含む光電変換ユニットに入射
した光をより有効に利用するために、光反射率の高い金
属層を光電変換ユニットの裏側に設け、この金属層に表
面凹凸（表面テクスチャ）構造を設けることによって光
を光電変換ユニット内へ散乱反射させる工夫がなされて
いる。

【０００４】また、光入射側の透明電極にも表面凹凸
（表面テクスチャ）構造を設け、それによって光を光電
変換ユニット内へ散乱させ、さらに金属電極で反射され
た光を乱反射させる工夫もなされている。上記のように
表面テクスチャ構造を有する透明電極を含む光電変換装
置は、たとえば特公平６−１２８４０号公報、特開平７
−２８３４３２号公報などに開示されており、光電変換
効率が向上することが記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、薄膜多結晶
シリコン太陽電池に代表的に用いられているようなシリ
コン系光電変換ユニットは、シリコン系薄膜からなる光
電変換層と導電型層を含んでいる。不純物がドープされ
た導電型層は、そのドープされた不純物による光吸収に
よって光電変換層への入射光の減少を引き起こす。した
がって、このような光電変換に寄与しない不純物による
光吸収を低減して光電変換層への入射光を増大させるた
めには、導電型層の膜厚を必要最小限まで薄くすること
が望まれる。

【０００６】このような状況下において、本発明者たち
は、光電変換層内における光吸収を増大させるために好
ましい乱反射を生じ得る表面凹凸構造を有する前面透明
電極や裏面電極を用いる場合に、それらに接する光電変
換ユニットにおける薄い導電型層に機械的および電気的
な欠陥が生じやすく、得られる太陽電池の開放端電圧の
低下や短絡による歩留まりの低下を招くという問題があ
ることを見出した。

【０００７】本発明者たちによって見出されたこのよう
な先行技術における課題に鑑み、本発明は、安価な基板
が使用可能な低温プロセスのみを用いて形成されるシリ
コン系薄膜光電変換装置において、開放端電圧の低下や
生産歩留まりの低下を招くことなく光閉じ込め効果によ
る光電変換特性の改善を図ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者たちが見出した
上述の課題を解決すべく検討を重ねた結果、光電変換ユ
ニットに含まれる半導体接合を構成するすべての半導体
層をプラズマＣＶＤ法にて低温で形成するシリコン系薄
膜光電変換装置においては、裏面電極または前面透明電
極の光電変換ユニット側の面に形成される表面凹凸構造
における凹凸の高低差とピッチを制御することによっ
て、高い開放端電圧を得ることができかつ光電変換層に
おける光吸収量が増大する高性能の薄膜光電変換装置が
得られることが見出された。

【０００９】すなわち、本発明によるシリコン系薄膜光
電変換装置は、基板、光反射性金属膜を有する裏面電
極、少なくとも１つのシリコン系光電変換ユニット、お
よび前面透明電極を含み、光反射性金属膜および前面透
明電極の少なくとも一方はシリコン系光電変換ユニット
側の面において表面凹凸構造を有し、凹凸の高低差が
０．０１〜２μｍの範囲内にあるとともに、凹凸のピッ
チが高低差より大きくかつその２５倍以下の範囲内にあ
ることを特徴としている。ここで、表面の凹凸の高低差
とは凸部と凹部の高さの差の平均値を表わし、ピッチと
は隣接する凸部と凸部または凹部と凹部の間の平均距離
を表わしている。

【００１０】本発明では光反射性金属膜のシリコン系光
電変換ユニット側の面が表面凹凸構造を有し、凹凸の高
低差が０．０１〜２μｍの範囲内にあるとともに、凹凸
のピッチが前記高低差より大きくかつその２５倍以下の
範囲内にあることを特徴とするシリコン系薄膜光電変換
装置であってよい。

【００１１】また、前面透明電極のシリコン系光電変換
ユニット側の面が表面凹凸構造を有し、凹凸の高低差が
０．０１〜２μｍの範囲内にあるとともに、凹凸のピッ
チが前記高低差より大きくかつその２５倍以下の範囲内
にあることを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置で
あってよい。

【００１２】これらの太陽電池は光反射性金属膜と前面
透明電極の両者のシリコン系光電変換ユニット側の面が
表面凹凸構造を有し、凹凸の高低差が０．０１〜２μｍ
の範囲内にあるとともに、凹凸のピッチが前記高低差よ
り大きくかつその２５倍以下の範囲内にあることを特徴
とするシリコン系薄膜光電変換装置であってもよい。

【００１３】光反射性金属膜または前面透明電極のシリ
コン系光電変換ユニット側の面の表面凹凸構造は、実質
的に鋭角的な突起を含まない曲線であることが好まし
い。

【００１４】また、光反射性金属膜または前面透明電極
のシリコン系光電変換ユニット側の面の表面凹凸構造
は、実質的に屈曲点を含まない曲線であることが好まし
い。なお屈曲点とは曲線の傾きが不連続的に変化する点
をいう。

【００１５】ところで、金属層とその上の酸化亜鉛（Ｚ
ｎＯ）等の透明導電性酸化物層とを含む裏面電極上にシ
リコン系光電変換ユニットを堆積させた光電変換装置が
近年数多く試みられており、たとえば特開平３−９９４
７７；特開平７−２６３７３１；IEEE 1st World Conf.
on Photovoltaic Energy Conversion，p. 405（199
4）；Applied Physics Letters, Vol. 70, p. 2975 （1
997）などにおいて報告されている。このように、裏面
電極の金属層とシリコン系光電変換ユニットとの間に透
明導電性酸化物層を介在させることによって、それらの
間の熱膨張係数の相違による熱歪みを緩和し、かつ金属
原子がシリコン系光電変換ユニット内へ拡散して混入す
ることを防止し得る。その結果、得られる光電変換装置
の歩留まりと信頼性が向上するのみならず、光感度が改
善されて光電変換特性も向上することが知られている。
本発明においても、このように光反射性金属膜とシリコ
ン系光電変換ユニットの間に透明導電性酸化膜が含まれ
ていてもよい。

【００１６】本発明において、光電変換ユニットの少な
くとも１つが１導電型層と、結晶質シリコン系光電変換
層と、逆導電型層とを含む場合に本発明の効果が顕著に
発現する。

【００１７】本発明による光電変換装置において、金属
膜は、５００〜１２００ｎｍの範囲内の波長の光に対し
て９５％以上の高い反射率を有することが好ましい。

【００１８】より具体的には、金属膜は、Ａｇ、Ａｕ、
Ａｌ、ＣｕおよびＰｔから選択された１つまたはそれを
含む合金によって形成されていることが好ましい。

【００１９】光反射性金属膜とシリコン系光電変換ユニ
ットの間に透明導電性酸化膜が含まれている場合、金属
膜のうち、透明導電性酸化膜との界面はＡｇ、Ａｕ、Ａ
ｌ、ＣｕおよびＰｔから選択された１つまたはそれを含
む合金によって形成されていることが好ましい。

【００２０】結晶質シリコン系光電変換層を用いる場
合、それは４００℃以下の下地温度の下に形成されたも
のであって、８０％以上の体積結晶化分率と、１〜３０
原子％の範囲内の水素含有量と、０．５〜２０μｍの範
囲内の厚さと、その膜面に平行な（１１０）の優先結晶
配向面を有し、そのＸ線回折における（２２０）回折ピ
ークに対する（１１１）回折ピークの強度比が０．２以
下であることが好ましい。

【００２１】また、本発明の光電変換装置は、結晶質シ
リコン系光電変換層を含む光電変換ユニットに加えて、
非晶質シリコン系光電変換層を含む光電変換ユニットの
少なくとも１つが積層されたタンデム型にされていても
よい。

【００２２】本発明によるシリコン系薄膜光電変換装置
では、光反射性金属膜を有する裏面電極、少なくとも１
つのシリコン系光電変換ユニット、および前面透明電極
を基板上にこの順序で積層されていてもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１の模式的な断面図を参照し
て、本発明の第１の実施の形態によるシリコン系薄膜光
電変換装置が説明される。この光電変換装置の基板１に
は、ステンレス等の金属、有機フィルム、セラミック
ス、または低融点の安価なガラス等が用いられ得る。

【００２４】基板１上に配置される裏面電極１０とし
て、光反射性金属膜１０２が形成される。裏面電極１０
としては光反射性金属膜１０２と透明導電性酸化膜１０
３を含む複合層が好ましい。光反射性金属膜１０２は、
真空蒸着またはスパッタ等の方法によって基板１上に形
成することができる。反射性金属膜１０２は、Ａｇ、Ａ
ｕ、Ａｌ、ＣｕおよびＰｔから選択された１つまたはそ
れを含む合金によって形成されることが好ましい。たと
えば、ガラス基板１上に光反射性の高いＡｇ層１０２を
１００〜３３０℃の範囲内の基板温度、より好ましくは
２００〜３００℃の基板温度の下に真空蒸着法によって
形成することができる。また、ガラス基板１とＡｇ層１
０２との間に２０〜５０ｎｍの範囲内の厚さを有するＴ
ｉ層１０１を挿入することにより、ガラス基板１とＡｇ
層１０２との間の付着性を向上させることができる。な
お、このようなＴｉ層１０１も、蒸着またはスパッタに
よって形成することができる。透明導電性酸化膜１０３
としては酸化亜鉛が好ましい。

【００２５】反射性金属膜１０２の上表面における凹凸
構造は、たとえば、基板１の表面を予めエッチング等に
よって凹凸構造に加工し、その凹凸構造を自分自身の上
表面に伝達し得るような薄い金属膜１０２を形成するこ
とによって得ることができる。この代わりに、基板１上
に凹凸表面を有する透明導電性酸化物層（図示せず）を
堆積した後に、その凹凸構造を自分自身の上表面に伝達
し得るような薄い金属膜１０２を形成することによって
も得られる。

【００２６】光反射性金属膜１０２の表面凹凸構造にお
ける凹凸の高低差は０．０１〜２μｍの範囲内にあると
ともに、凹凸のピッチはその高低差より大きくて２５倍
以下である。凹凸の高低差は０．０１〜１μがより好ま
しく、０．０１〜０．５μがさらに好ましく、０．０２
〜０．１μが特に好ましい。凹凸のピッチの具体的範囲
は０．３〜１μにあることが好ましく、０．５〜０．８
μにあることがより好ましい。また、凹凸断面形状は鋭
角的な突起を含まないことが好ましく、実質的に屈曲点
を含まないことがさらに好ましい。なお、このような表
面凹凸構造は、金属膜１０２の断面のＴＥＭ（透過型電
子顕微鏡）写真やＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による表面
観察によって測定され得る。

【００２７】反射性金属膜１０２の表面凹凸構造におい
て、凹凸の高低差がピッチに対して大き過ぎれば凹部と
凸部の角度が鋭くなり、その上に堆積されるシリコン系
光電変換ユニット中の半導体接合の形成がうまくいか
ず、最終的に得られる光電変換装置の開放端電圧や製造
歩留まりの低下を招く。すなわち、反射性金属膜１０２
の表面凹凸構造における凹凸の高低差とピッチに関して
最適値が存在し、凹凸の高低差に対して十分な間隔のピ
ッチを付与して凹部と凸部の角度を緩やかにすることに
よって、高い開放端電圧が得られることが見出された。
このような知見に基づいて、本発明で規定するような高
低差とピッチを含む表面凹凸構造を有する光反射性金属
層１０２を利用することによって、開放端電圧の低下や
製造歩留まりの低下を伴うことなく、光閉じ込め効果を
改善して高性能の光電変換装置を得ることができる。

【００２８】光反射性金属膜１０２上に形成される透明
導電性酸化膜１０３は、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ等か
ら選択された少なくとも１以上の層から形成されること
が好ましく、中でもＺｎＯを主成分とする膜が特に好ま
しい。光電変換ユニット１１に隣接して配置される透明
導電性酸化膜１０３の平均結晶粒径は１００ｎｍ以上で
あることが好ましく、それを満たすためには１００〜４
５０℃の範囲内の下地温度の下で透明導電性酸化膜１０
３を形成することが望まれる。なお、ＺｎＯを主成分と
する透明導電性酸化膜１０３の膜厚は５０ｎｍ〜１μｍ
の範囲内にあることが好ましく、その比抵抗は１．５×
１０^-3Ωｃｍ以下であることが好ましい。

【００２９】裏面電極１０上には、シリコン系光電変換
ユニット１１が形成される。この光電変換ユニット１１
に含まれるすべての半導体層が、４００℃以下の下地温
度の条件の下にプラズマＣＶＤ法によって堆積される。
プラズマＣＶＤ法としては、一般によく知られている平
行平板型のＲＦプラズマＣＶＤを用い得る他、周波数が
１５０ＭＨｚ以下のＲＦ帯からＶＨＦ帯までの高周波電
源を利用するプラズマＣＶＤを用いてもよい。

【００３０】裏面電極１０上には、まず光電変換ユニッ
ト１１に含まれる１導電型層１１１が堆積される。この
１導電型層１１１としては、たとえば導電型決定不純物
原子であるリンがドープされたｎ型シリコン系薄膜、ま
たはボロンがドープされたｐ型シリコン系薄膜などが用
いられ得る。しかし、この１導電型層１１１についての
これらの条件は限定的なものではなく、不純物原子とし
ては、たとえばｎ型層においては窒素等でもよい。ま
た、１導電型層１１１の材料としては、非晶質シリコン
の他に非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコンゲル
マニウム等の合金材料の他に、多結晶もしくは部分的に
非晶質を含む微結晶のシリコンまたはその合金材料を用
いることもできる。なお、望まれる場合には、堆積され
たこのような１導電型層１１１にパルスレーザ光を照射
することにより、その結晶化分率や導電型決定不純物原
子によるキャリア濃度を制御することもできる。

【００３１】１導電型層１１１上には、光電変換層１１
２として、非晶質シリコン系薄膜光電変換層または結晶
質シリコン系薄膜光電変換層が堆積される。結晶質シリ
コン系光電変換層１１２としては、ノンドープの真性半
導体の多結晶シリコン薄膜や体積結晶化分率が８０％以
上の微結晶シリコン膜、または微量の不純物を含む弱ｐ
型もしくは弱ｎ型で光電変換機能を十分に備えているシ
リコン系薄膜材料が用いられ得る。しかし、この光電変
換層１１２はこれらに限定されず、シリコンカーバイド
やシリコンゲルマニウム等の合金材料を用いて形成され
てもよい。

【００３２】このような光電変換層１１２の厚さは０．
１〜２０μｍの範囲内にある。非晶質シリコン系薄膜光
電変換層１１２の場合はその厚さが０．１〜２μｍの範
囲にあることが好ましく、０．１５〜０．５μｍの範囲
にあることが好ましい。他方、結晶質シリコン系薄膜光
電変換層１１２としての必要かつ十分な膜厚の範囲は
０．５〜２０μｍである。また、結晶質光電変換層１１
２は４００℃以下の低温で形成されるので、結晶粒界や
粒内における欠陥を終端または不活性化させる水素原子
を多く含み、その水素含有量は１〜３０原子％の範囲内
にある。さらに、結晶質シリコン系薄膜光電変換層１１
２に含まれる結晶粒の多くは下地層から上方に柱状に延
びて成長しており、その膜面に平行に（１１０）の優先
結晶配向面を有し、そのＸ線回折における（２２０）回
折ピークに対する（１１１）回折ピークの強度比は０．
２以下であることが好ましい。

【００３３】光電変換層１１２上には、１導電型層１１
１とは逆タイプの逆導電型層１１３としてのシリコン系
薄膜が堆積される。この逆導電型層１１３としては、た
とえば導電型決定不純物原子であるボロンがドープされ
たｐ型シリコン系薄膜、またはリンがドープされたｎ型
シリコン系薄膜などが用いられ得るが、ｐ型シリコン系
薄膜が好ましい。しかし、この逆導電型層１１３につい
てのこれらの条件は限定的なものではなく、不純物原子
としては、たとえばｐ型層においてはアルミニウム等で
もよい。また、逆導電型層１１３の材料としては、非晶
質シリコンの他に非晶質シリコンカーバイドや非晶質シ
リコンゲルマニウム等の合金材料を用いてもよく、多結
晶もしくは部分的に非晶質を含む微結晶のシリコンまた
はその合金材料を用いることもできる。

【００３４】ここで、裏面電極１０の表面１Ａが実質的
に平坦である場合でも、その上に堆積される光電変換ユ
ニット１１が結晶質光電変換層である場合には、その上
面１Ｂには微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造が形成
される。また、裏面電極１０の上表面１Ａが凹凸テクス
チャ構造を有する場合、光電変換ユニット１１の上面１
Ｂのテクスチャ構造における微細な凹凸のピッチは、裏
面電極１０の上面１Ａのそれに比べて小さくなってい
る。これは、光電変換ユニット１１に含まれる結晶質光
電変換層１１２がその堆積時に自然に凹凸テクスチャ構
造を生じることによるものであり、これによって、光電
変換ユニット１１の上面１Ｂが、広範囲の波長領域の入
射光を散乱させるのに適した微細な表面凹凸テクスチャ
構造になり、光電変換装置における光閉じ込め効果も大
きくなる。

【００３５】光電変換ユニット１１の積層が終了した後
に、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂およびＺｎＯから選択された１以
上の層を含む透明導電性酸化膜が前面透明電極２として
形成される。光電変換ユニット１１が表面凹凸構造を有
する場合、前面透明電極２の光電変換ユニット側の面に
はその表面凹凸構造に従った凹凸構造が形成される。ま
た、前面透明電極２自体も、その製膜時に表面に凹凸構
造を生じる傾向を有している。前面透明電極２の光電変
換ユニット側の面も凹凸の高低差が０．０１〜２μｍの
範囲内にあるとともに、凹凸のピッチがその高低差より
大きくかつ２５倍以下の範囲内にあることが好ましい。

【００３６】なお、本発明の第１の実施の形態におい
て、反射性金属膜１０２または前面透明電極２のいずれ
か一方あるいは双方が前述の凹凸の高低差とピッチを有
していれば本発明の効果が発現する。図１の薄膜光電変
換装置の場合、反射性金属膜１０２が前述の凹凸の高低
差とピッチを有する場合に本発明の効果はもっとも大き
く発現される。この場合、前面透明電極２は反射性金属
膜１０２と同様な凹凸の高低差とピッチを有するか、さ
らに微細な凹凸構造を有することが好ましい。

【００３７】さらに、この前面透明電極２上のグリッド
電極３として、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕおよびＰｔから
選択された少なくとも１以上の金属またはこれらの合金
の層を含む櫛型状の金属電極が形成されて、光電変換装
置が完成する。このようなシリコン系薄膜光電変換装置
において、光電変換されるべき光４は前面透明電極２側
から照射される。

【００３８】図２は、図１の第１の実施の形態に代わり
得る第２の実施の形態によるシリコン系薄膜光電変換装
置を示している。なお、図１と２において、同一の参照
番号は互いに対応する部分を示している。図２の薄膜光
電変換装置では、ガラス等の透明な基板１上に前面透明
電極２が形成される。光電変換されるべき光４は透明な
基板１側から入射される。前面透明電極２の材料として
はＩＴＯ、ＳｎＯ₂およびＺｎＯから選択される１以上
の層を含む透明導電性酸化膜が用いられうる。これらの
材料のうち、透過率、導電率および化学安定性の観点か
らはＳｎＯ₂が特に好適であり、加工性、導電率および
透過率の観点からはＩＴＯも好適である。透明電極２
は、真空蒸着、熱ＣＶＤまたはスパッタなどの方法によ
って基板１上に形成され得る。前面透明電極２上にシリ
コン系薄膜光電変換ユニット１１が形成される。光電変
換ユニット１１としては、図１に示された光電変換ユニ
ットと同様のものが用いられ得る。光入射側の導電型層
１１３としてはｐ型が好ましい。

【００３９】光電変換ユニット１１上に裏面電極１０と
して、光反射性金属膜１０２が形成される。しかし、裏
面電極１０としては、光反射性金属膜１０２と透明導電
性酸化膜１０３を含む複合膜が好ましい。すなわち、裏
面電極１０も、図１に示されたのと同様のものが用いら
れ得る。

【００４０】図２の薄膜光電変換装置の場合、前面透明
電極２がシリコン系薄膜光電変換ユニット１１側の面に
おいて表面凹凸構造を有し、凹凸の高低差が０．０１〜
２μｍの範囲内にあるとともに、凹凸のピッチがその高
低差より大きくかつ２５倍以下の範囲内にあるときに本
発明の効果が最も大きく発現される。この場合、反射性
金属膜１０２は前面透明電極２と同様な凹凸の高低差と
ピッチを有するか、さらに微細な凹凸構造を有すること
が好ましい。

【００４１】このような前面透明電極の表面凹凸構造
は、基板１の表面にエッチングなどにより凹凸構造を形
成し、その上に薄い透明電極２を形成して、透明電極２
の表面を基板１の凹凸構造に沿った凹凸構造にする方
法、基板１上に急峻な凹凸表面を有する透明電極層を堆
積した後に、還元雰囲気下などでエッチング処理、プラ
ズマ処理、電子線処理、コロナ処理などにより所望の緩
やかな凹凸構造に加工する方法、または急峻な凹凸表面
を有するＳｎＯ₂からなる下層上にＺｎＯ等の他の導電
層からなる層を形成することによって表面を緩やかな凹
凸構造にする方法等によって得られる。

【００４２】たとえば、まず下地基板１の温度を約３５
０℃以上、好ましくは約４５０〜５５０℃に設定し、Ｓ
ｎＣｌ₄、Ｏ₂、ＣＨ₃ＯＨ、ＨＦ、Ｈ₂Ｏなどを原料とし
て常圧熱ＣＶＤによりＳｎＯ₂からなる透明電極２を形
成する。ＳｎＯ₂の場合、たとえば常圧熱ＣＶＤ時に基
板温度や各原料の導入量を変化させることによって表面
の凹凸構造をある程度調整することができる。また、Ｓ
ｎＯ₂層上にＺｎ層を蒸着した後、ＨＣｌなどを用いて
エッチングすることにより、所望の緩やかな凹凸構造を
得ることができる。この際、Ｚｎ蒸着量を変えてエッチ
ング量を変化させることにより、表面凹凸構造を調整す
ることができる。

【００４３】次に、図３の模式的な断面図を参照して、
本発明の第３の実施の形態によるタンデム型シリコン系
薄膜光電変換装置が説明される。図３のタンデム型光電
変換装置においては、基板１上の複数の層２０１〜２０
３および２１１〜２１３が、図１の基板１上の複数の層
１０１〜１０３および１１１〜１１３に対応して同様に
形成される。

【００４４】しかし、図３のタンデム型光電変換装置に
おいては、後方光電変換ユニットとして結晶質シリコン
系光電変換層を含む第１のユニット２１を用い、この上
に前方光電変換ユニットとしての第２のユニット２２が
さらに重ねて形成される。第２の光電変換ユニット２２
は、プラズマＣＶＤ法にて順次堆積された第１導電型の
微結晶または非晶質のシリコン系薄膜２２１、実質的に
真性半導体である非晶質シリコン系薄膜光電変換層２２
２、および逆導電型の微結晶または非晶質のシリコン系
薄膜２２３を含んでいる。第２の光電変換ユニット２２
上には、前面透明電極２および櫛型金属電極３が図１の
場合と同様に形成され、これによって図３に示されてい
るようなタンデム型光電変換装置が完成する。

【００４５】図４は、図３の第３の実施の形態に代わり
得る第４の実施の形態によるタンデム型光電変換装置を
示している。図３と４の光電変換装置の関係は、図１と
２の関係に類似しており、図３と４中の同一の参照番号
は互いに対応する部分を表わしている。

【００４６】以下において、本発明のいくつかの実施例
によるシリコン系薄膜光電変換装置が比較例による光電
変換装置とともに説明される。

【００４７】（実施例１）図１を参照して説明された第
１の実施の形態に対応して、シリコン系薄膜光電変換装
置が実施例１として作製された。この実施例１において
は、ガラス基板１上に裏面電極１０が形成された。裏面
電極１０は、順次堆積された厚さ２０ｎｍのＴｉ層１０
１、厚さ３００ｎｍのＡｇ層１０２、および厚さ１００
ｎｍのＺｎＯ層１０３を含んでいる。これらのうち、光
反射性金属膜として働くＡｇ層１０２は、真空蒸着によ
って堆積された。裏面電極１０上には、シリコン系薄膜
光電変換ユニット１１に含まれるｎ型層１１１、ノンド
ープの結晶質シリコン系光電変換層１１２、およびｐ型
層１１３がプラズマＣＶＤ法によって形成された。ま
た、光電変換ユニット１１上の前面電極２としては厚さ
８０ｎｍの透明導電性ＩＴＯ膜が形成され、その上に電
流取出し用の櫛型Ａｇ電極３が形成された。

【００４８】光電変換ユニット１１に含まれるノンドー
プの結晶質シリコン系光電変換層１１２は３００℃の下
地温度の下でＲＦプラズマＣＶＤ法によって堆積され、
その膜厚は１．５μｍにされた。この結晶質光電変換層
１１２において、２次イオン質量分析法によって求めら
れた水素含有量は２．３原子％であり、Ｘ線回折におけ
る（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピーク
の強度比は０．０８４であった。

【００４９】このような実施例１による光電変換装置に
入射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ²の
光量で照射したときの出力特性においては、開放端電圧
が０．５５０Ｖ、短絡電流密度が２２．５ｍＡ／ｃ
ｍ²、曲線因子が７６．８％、そして変換効率が９．５
０％であった。

【００５０】（実施例２〜５および比較例１〜２）実施
例２〜５および比較例１〜２においては、光反射性金属
薄膜であるＡｇ層１０２を形成する際の下地温度と蒸着
速度を変化させることによってその表面凹凸状態が種々
に変えられたこと以外は、実施例１と同じ方法と条件の
下でシリコン系薄膜光電変換装置が作製された。得られ
たＡｇ層１０２の表面凹凸構造における凹凸の高低差、
ピッチ、およびピッチ／高低差が、光電変換装置の種々
の光電変換特性とともに表１に示されている。なお、表
１においては、実施例１に関する結果も示されている。

【００５１】

【表１】

【００５２】図５のグラフでは、実施例１〜３による光
電変換装置における光吸収特性が示されている。すなわ
ち、このグラフにおいて、横軸は光の波長を表わし、縦
軸は光電変換装置の外部量子効率を表わしている。ま
た、実線の曲線Ａ、点線の曲線Ｂおよび一点鎖線の曲線
Ｃは、それぞれ実施例１、２および３による光電変換装
置における分光感度特性を表わしている。なお、いずれ
の実施例と比較例においても、結晶質光電変換層１１２
の厚さが比較的薄い１．５μｍに設定されたのは、６０
０〜１０００ｎｍの長波長領域における光閉じ込め効果
の影響を大きくして確認しやすくするためである。

【００５３】表１と図５のグラフから理解されるよう
に、Ａｇ層１０２の表面凹凸におけるピッチ／高低差の
比率が小さくなるほど、すなわち表面の凹凸が激しくな
るほど６００〜１０００ｎｍの長波長領域における外部
量子効率が高くなっており、これは光閉じ込め効果が高
まっていることを表わしている。

【００５４】他方、表１に示されている開放端電圧は、
図５に示された分光感度特性の傾向と必ずしも一致して
おらず、Ａｇ層１０２の表面凹凸におけるピッチ／高低
差の比率が約１０〜２０の範囲内で比較的高い値を示し
ている。

【００５５】ところで、比較例１と２では、それぞれ、
Ａｇ層１０２の表面凹凸におけるピッチ／高低差の比率
が極端に小さな場合と大きい場合が示されている。これ
らの比較例においても、よりなだらかな表面凹凸を含む
比較例２の方が、高い開放端電圧値を示している。ただ
し、図５に示されているのと同様な分光感度特性の測定
結果によれば、比較例２の方が比較例１に比べて光閉じ
込め効果が低くなっていた。また、原因は明らかではな
いが、比較例１のように表面凹凸状態が激し過ぎても、
実施例に比べて却って光閉じ込め効果が低くなるという
結果が得られた。

【００５６】以上のように、光を反射する金属薄膜１０
２の表面は光電変換ユニット１１内に光を閉じ込めるた
めにある程度凹凸構造を有することが望まれるが、その
凹凸の高低差が大き過ぎて凹部と凸部の角度が鋭くなれ
ば、その上に形成される光電変換ユニット１１内の半導
体接合の形成がうまくいかず、光電変換装置の開放端電
圧や製造歩留まりの低下を招くことになる。このような
ことから、光反射性金属膜１０２の表面凹凸状態のパラ
メータには、適切な範囲が存在することがわかる。すな
わち、その表面凹凸状態は、０．０１〜２μｍの範囲内
の高低差を有し、かつ凹凸のピッチ／高低差の比率が１
倍より大きくて２５倍以下であることが好ましく、４〜
２０倍の範囲内にあることがより好ましい。

【００５７】（実施例６）図３を参照して説明された本
発明の第３の実施の形態に対応して、実施例６としてタ
ンデム型光電変換装置が作製された。この実施例７のタ
ンデム型光電変換装置においては、ガラス基板１上の要
素２０１〜２０３および２１１〜２１３が、実施例１の
対応する要素１０１〜１０３および１１１〜１１３と同
様に形成された。ただし、結晶質シリコン系光電変換層
２１２の膜厚は、３．０μｍの厚さに設定された。後方
光電変換ユニットとしての第１のユニット２１上には、
前方光電変換ユニットとしての第２のユニット２２がさ
らに積層された。この第２の光電変換ユニット２２は、
順次積層されたｎ型層２２１、非晶質シリコン系光電変
換層２２２、およびｐ型層２２３を含んでいる。非晶質
光電変換層２２２の厚さは、３００ｎｍに設定された。
第２の光電変換ユニット２２上には、実施例１の場合と
同様に、透明前面電極２と櫛型Ａｇ電極３が形成され
た。

【００５８】このような実施例６による非晶質／結晶質
型のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置に対して入
射光４としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ²の光
量で照射したときの出力特性としては、開放端電圧が
１．４２Ｖ、短絡電流密度が１３．０ｍＡ／ｃｍ²、曲
線因子が７３．５％、そして変換効率が１３．６％であ
った。

【００５９】以上のように、本発明によれば、高い光閉
じ込め効果と高い開放端電圧を兼ね備えたシリコン系薄
膜光電変換装置を提供することができ、シリコン系薄膜
光電変換装置の低コスト化と高性能化に大きく貢献する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるシリコン系薄
膜光電変換装置を説明するための模式的な断面図であ
る。

【図２】本発明の第２の実施の形態によるシリコン系薄
膜光電変換装置を説明するための模式的な断面図であ
る。

【図３】本発明の第３の実施の形態による非晶質／結晶
質型のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を説明す
るための模式的な断面図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態による非晶質／結晶
質型のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を説明す
るための模式的な断面図である。

【図５】本発明の実施例によるいくつかの光電変換装置
における外部量子効率の光波長依存性を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１：ガラス等の基板２：透明導電性酸化膜３：櫛型金属電極４：照射光１０、２０：裏面電極１１、２１：結晶質シリコン系光電変換ユニット２２：非晶質シリコン系光電変換ユニット１０１、２０１：Ｔｉ等の金属膜１０２、２０２：Ａｇ等の金属膜１０３、２０３：ＺｎＯ等の透明導電性酸化膜１１１、２１１、２２１：１導電型層１１２、２１２：結晶質シリコン系光電変換層２２２：非晶質シリコン系光電変換層１１３、２１３、２２３：逆導電型層１Ａ、２Ａ：下地電極の上表面１Ｂ、２Ｂ：結晶質シリコン系光電変換ユニットの上表
面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板、光反射性金属膜を有する裏面電
極、少なくとも１つのシリコン系光電変換ユニット、お
よび前面透明電極を含み、前記光反射性金属膜および前記前面透明電極の少なくと
も１つはシリコン系光電変換ユニット側の面において表
面凹凸構造を有し、凹凸の高低差が０．０１〜２μｍの
範囲内にあるとともに、凹凸のピッチが前記高低差より
大きくかつその２５倍以下の範囲内にあることを特徴と
するシリコン系薄膜光電変換装置。
【請求項２】前記光反射性金属膜のシリコン系光電変
換ユニット側の面が表面凹凸構造を有し、凹凸の高低差
が０．０１〜２μｍの範囲内にあるとともに、凹凸のピ
ッチが前記高低差より大きくかつその２５倍以下の範囲
内にあることを特徴とする請求項１に記載のシリコン系
薄膜光電変換装置。
【請求項３】前記前面透明電極のシリコン系光電変換
ユニット側の面が表面凹凸構造を有し、凹凸の高低差が
０．０１〜２μｍの範囲内にあるとともに、凹凸のピッ
チが前記高低差より大きくかつその２５倍以下の範囲内
にあることを特徴とする請求項１に記載のシリコン系薄
膜光電変換装置。
【請求項４】前記光反射性金属膜と前記前面透明電極
の両者のシリコン系光電変換ユニット側の面が表面凹凸
構造を有し、凹凸の高低差が０．０１〜２μｍの範囲内
にあるとともに、凹凸のピッチが前記高低差より大きく
かつその２５倍以下の範囲内にあることを特徴とする請
求項１に記載のシリコン系薄膜光電変換装置。
【請求項５】前記光反射性金属膜または前記前面透明
電極のシリコン系光電変換ユニット側の面の表面凹凸構
造は実質的に鋭角的な突起を含まない曲線であることを
特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のシリコン
系薄膜光電変換装置。
【請求項６】前記光反射性金属膜または前記前面透明
電極のシリコン系光電変換ユニット側の面の表面凹凸構
造は実質的に屈曲点を含まない曲線であることを特徴と
する請求項１から４のいずれかに記載のシリコン系薄膜
光電変換装置。
【請求項７】前記裏面電極はシリコン系光電変換ユニ
ット側に透明導電性酸化膜を含むことを特徴とする請求
項１から４のいずれかに記載のシリコン系薄膜光電変換
装置。
【請求項８】前記光電変換ユニットの少なくとも１つ
は１導電型層と、結晶質シリコン系光電変換層と、逆導
電型層とを含むことを特徴とする請求項１から４のいず
れかに記載のシリコン系薄膜光電変換装置。
【請求項９】前記裏面電極中の金属膜は５００〜１２
００ｎｍの範囲内の波長の光に対して９５％以上の高い
反射率を有することを特徴とする請求項１から４のいず
れかに記載のシリコン系薄膜光電変換装置。
【請求項１０】前記裏面電極中の金属膜はＡｇ、Ａ
ｕ、Ａｌ、ＣｕおよびＰｔから選択された１つまたはそ
れを含む合金によって形成されていることを特徴とする
請求項１から４のいずれかに記載のシリコン系薄膜光電
変換装置。
【請求項１１】前記裏面電極中の金属膜のうち、前記
透明導電性酸化膜との界面はＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕお
よびＰｔから選択された１つまたはそれを含む合金によ
って形成されていることを特徴とする請求項７に記載の
シリコン系薄膜光電変換装置。
【請求項１２】前記結晶質シリコン系光電変換層は４
００℃以下の下地温度の下に形成されたものであって、
８０％以上の体積結晶化分率と、１〜３０原子％の範囲
内の水素含有量と、０．５〜２０μｍの範囲内の厚さ
と、その膜面に平行な（１１０）の優先結晶配向面を有
し、そのＸ線回折における（２２０）回折ピークに対す
る（１１１）回折ピークの強度比が０．２以下であるこ
とを特徴とする請求項８に記載のシリコン系薄膜光電変
換装置。
【請求項１３】前記シリコン系光電変換装置は、前記
結晶質シリコン系光電変換層を含む結晶質光電変換ユニ
ットに加えて、非晶質シリコン系光電変換層を含む非晶
質光電変換ユニットの少なくとも１つが積層されたタン
デム型であることを特徴とする請求項８に記載のシリコ
ン系薄膜光電変換装置。
【請求項１４】光反射性金属膜を有する裏面電極、少
なくとも１つのシリコン系光電変換ユニット、および前
面透明電極は基板上にこの順序で積層されることと特徴
とする請求項１から１３のいずれかに記載のシリコン系
薄膜光電変換装置。