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JP2004363580A - Photoelectric conversion device and photovoltaic device - Google Patents

Photoelectric conversion device and photovoltaic device Download PDF

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JP2004363580A JP2004144079A JP2004144079A JP2004363580A JP 2004363580 A JP2004363580 A JP 2004363580A JP 2004144079 A JP2004144079 A JP 2004144079A JP 2004144079 A JP2004144079 A JP 2004144079A JP 2004363580 A JP2004363580 A JP 2004363580A
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Abstract

【課題】 高い信頼性を確保できる高効率な多層型薄膜太陽電池等の光電変換装置および光発電装置を提供すること。
【解決手段】 光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えるとともに、前記光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度に対するTAモードの散乱ピーク強度の比が0.35以下の非晶質系シリコン半導体薄膜で構成した光電変換装置とする。これにより、高い信頼性を確保できる高効率な多層型薄膜太陽電池等の光電変換装置およびそれを用いた光発電装置を提供することができる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly efficient photoelectric conversion device such as a multilayer thin film solar cell and a photovoltaic power generation device which can ensure high reliability.
SOLUTION: A plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer are provided as a laminate, and a photoactive layer of at least one of the photoelectric conversion units is provided with a TO mode scattering peak obtained by a Raman scattering spectrum. The photoelectric conversion device is constituted by an amorphous silicon semiconductor thin film having a ratio of the scattering peak intensity of the TA mode to the intensity of 0.35 or less. This makes it possible to provide a highly efficient photoelectric conversion device such as a multilayer thin-film solar cell and the like and a photovoltaic device using the same, which can ensure high reliability.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層してなる多層型薄膜光電変換装置に関し、特に光活性層として少なくともシリコン(Si)および水素(H)を含有する非晶質系Si半導体薄膜を利用した光電変換装置およびそれを発電手段として用いた光発電装置に関する。   The present invention relates to a multilayer thin-film photoelectric conversion device in which a plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer are stacked, and in particular, an amorphous Si semiconductor containing at least silicon (Si) and hydrogen (H) as a photoactive layer. The present invention relates to a photoelectric conversion device using a thin film and a photovoltaic device using the photoelectric conversion device as a power generation unit.

水素化アモルファスシリコン(以下、a−Si:Hとも記す)に代表される非晶質Si系膜を利用したデバイスは、今日では非常に多岐にわたっているが、近年、エネルギー問題や地球環境問題への世間の関心が高まる中で特に注目を集めてきているのが太陽電池である。   Devices using amorphous Si-based films typified by hydrogenated amorphous silicon (hereinafter also referred to as a-Si: H) are very diversified today. Solar cells have been particularly attracting attention as public interest has increased.

太陽電池における非晶質Siの特長は、結晶質Si(微結晶Siを含む)に比べて光吸収係数が非常に大きいために、光活性層として必要な膜厚は結晶質Siの場合の数分の1でよく(0.5μm程度以下)、PECVD法(プラズマCVD法)などのCVD法(化学気相堆積法)で膜形成する場合、結晶質Siを用いる場合に比べて生産性に非常に優れているということにある。しかしながら一方で、非晶質シリコンには一般にStaebler−Wronski効果と呼ばれる光劣化現象があることが古くから知られており、この膜を用いた太陽電池は光照射によって効率が10〜15%程度も低下してしまうという問題を、現在に至るまで抱え続けている。   The feature of amorphous Si in a solar cell is that the light absorption coefficient is much larger than that of crystalline Si (including microcrystalline Si). When the film is formed by a CVD method (chemical vapor deposition method) such as PECVD method (plasma CVD method), the productivity is much higher than when crystalline Si is used. It is to be excellent. However, on the other hand, it has long been known that amorphous silicon has a photodegradation phenomenon generally called the Staebler-Wronski effect, and a solar cell using this film has an efficiency of about 10 to 15% by light irradiation. The problem of declining continues to this day.

光劣化現象のメカニズムは未だに明確になっていないが、水素に関係した現象であることはまず間違いないとされており、これまでにいくつかのアプローチが試みられている。すなわち、〔1〕膜中Si−H(ダイハイドライド)結合状態を低減する(Si−H(モノハイドライド)結合状態の割合を高める)、〔2〕膜中水素濃度を低減する、〔3〕膜中に微細な結晶粒を適度に含有させる、などである。ただし、前記〔1〕および〔2〕には重なり合う部分がある。 Although the mechanism of the photodegradation phenomenon has not yet been clarified, it is argued that it is a phenomenon related to hydrogen, and several approaches have been tried so far. That is, [1] reducing the Si—H 2 (die hydride) bonding state in the film (increase the ratio of the Si—H (monohydride) bonding state), [2] reducing the hydrogen concentration in the film, [3] For example, fine crystal grains are appropriately contained in the film. However, [1] and [2] have overlapping portions.

前記〔1〕は、膜中のSi−H密度が高い膜では光劣化が大きいという事実に基づいたものである。膜中のSi−H密度の具体的低減方法については、様々な仮説のもと多くの機関で研究が行なわれているが、一例を挙げれば、膜中Si−H結合状態の起源を、気相中の高次シラン分子が膜中に取り込まれること、あるいは製膜表面での膜成長反応を乱す立体障害となることにあると考え、この高次シラン分子の生成反応に関わるSiH分子の生成を低減しようというものがある。具体的にはPECVD法において、VHFプラズマに代表されるような低電子温度のプラズマを用い、また水素希釈率を最適化し(電子温度を極小化し)、さらに基板温度をある程度上げて(上限は350℃程度)製膜表面からの水素脱離反応を促進する、といった試みがなされており、製膜速度2nm/secの条件下で、安定化効率8.2%、光劣化率12%といったa−Si:Hシングル素子特性が得られている(非特許文献1を参照)。しかしながら、該効率及び光劣化率では未だ充分なものとはいえない。 The above [1] is based on the fact that a film having a high Si—H 2 density in the film has a large photodegradation. Research on a specific method of reducing the density of Si—H 2 in a film has been carried out by many organizations under various hypotheses. For example, the origin of the Si—H 2 bond state in the film is described as follows. , considered to be in the high-order silane molecules in the gas phase is sterically hindered disturbing the film growth reaction by incorporated into the film, or film-forming surface, SiH 2 involved in reaction for producing the high-order silane molecules Some attempt to reduce the production of molecules. Specifically, in the PECVD method, plasma having a low electron temperature such as VHF plasma is used, the hydrogen dilution rate is optimized (minimizing the electron temperature), and the substrate temperature is raised to some extent (the upper limit is 350). Attempts have been made to accelerate the hydrogen elimination reaction from the film-forming surface. Under the conditions of a film-forming speed of 2 nm / sec, a-Si having a stabilization efficiency of 8.2% and a light deterioration rate of 12%: H single element characteristics are obtained (see Non-Patent Document 1). However, the efficiency and the light degradation rate are not yet sufficient.

前記〔2〕についても、一例を挙げれば、PECVD法での膜形成において、膜堆積と水素プラズマ処理を交互に繰り返しながら膜成長表層から過剰な水素を引き抜くという方法が提案されている(特許文献1,2,3参照)。しかしながら、この方法では結果的には期待されるような膜中水素濃度の充分な低減は見られない上に、膜堆積と水素プラズマ処理を多数回繰り返すために高製膜速度を得るのが困難で生産性に非常に劣るという問題を抱えている。また高効率と低光劣化率を同時に達成するにも至っていない。   Regarding the above [2], for example, in the film formation by the PECVD method, a method of extracting excess hydrogen from the surface layer of the film growth while alternately repeating film deposition and hydrogen plasma treatment has been proposed (Patent Document 1). 1, 2, 3). However, in this method, the hydrogen concentration in the film is not sufficiently reduced as expected, and it is difficult to obtain a high film formation rate because the film deposition and the hydrogen plasma treatment are repeated many times. The problem is that the productivity is very poor. Moreover, high efficiency and a low light degradation rate have not been achieved at the same time.

前記〔3〕は、非晶質Siと微結晶Siの相境界領域近傍で得られるとされている非晶質系Si膜を用いるもので最近注目を集めている。この膜については未だ定まった名称が与えられておらず、研究期間によって「Protocrystalline Si:H(プロトクリスタルSi)」(非特許文献2参照)と呼ばれたり、「ナノ結晶埋め込み型アモルファスSi(アモルファスマトリックス中に微細な粒径の結晶粒が散在したもの)」(非特許文献3参照)、あるいは「ナノ構造制御Si膜(結晶Siナノクラスタを非晶質Si中に上手く分散させたもの)」(非特許文献4,5参照)と呼ばれたりしているが、共通する概念は、「非晶質的な膜特性を有するが、光劣化が大きく低減された(あるいはほとんど光劣化しない)ナノサイズの結晶粒を含む非晶質系のSi膜」というものである。   The above [3], which uses an amorphous Si film which is said to be obtained near the phase boundary region between amorphous Si and microcrystalline Si, has recently attracted attention. This film has not yet been given a fixed name, and is called “Protocrystalline Si: H (Protocrystalline Si)” (see Non-Patent Document 2) or “Nanocrystal embedded amorphous Si (amorphous Si)” depending on the research period. (Non-Patent Document 3) or "Nanostructure-controlling Si film (Crystalline Si nanoclusters well-dispersed in amorphous Si)" (See Non-Patent Documents 4 and 5), but the common concept is "Nano which has an amorphous film characteristic but has a significantly reduced (or almost no) light degradation. Amorphous Si film containing crystal grains of a size. "

なお、非晶質系Si膜の中で特にこのナノサイズの結晶粒を含んだ膜を特に指定したい場合は、本明細書中では「ナノ結晶粒含有非晶質系Si膜」と呼ぶことにする。   In addition, when it is desired to particularly designate a film including the nano-sized crystal grains among the amorphous Si films, the film is referred to as a “nano crystal grain-containing amorphous Si film” in this specification. I do.

ところで、該ナノ結晶粒含有非晶質系Si膜が、非常に小さな光劣化率を示す(あるいはほとんど光劣化しない)理由としては、少なくとも2つが考えられる。すなわち、(1)膜中にナノサイズの結晶粒が散在分布することによってキャリアの再結合が該結晶粒で優先的に生じ非晶質領域での再結合が減じるため(a−Si:H膜の光劣化はキャリア再結合時に放出されるエネルギーによってアモルファスネットワーク中の弱Si−Siボンドが切断されることによって生ずるとの考え方が有力である)、(2)膜中にナノサイズの結晶粒が散在分布することによって非晶質系Si膜のネットワーク構造自体が光劣化しにくい構造になっているため(歪みの緩和などによる)、とするものであるが、いずれにせよ、膜中に存在するナノサイズの結晶粒が重要な役割を果たしているものと考えられる。
特開平5−166733号公報 特開平6−120152号公報 特開2002−9317号公報 応用物理 第71巻第7号(2002)p.823 トウェンティエイス アイトリプルイー フォトボルタイック スペシャリスツ カンファレンス(28th-IEEE Photovoltaic Specialists Conference)2000年,p.750 第63回秋季応用物理学会予稿集(2002)p.838(25p−ZM−3) 第63回秋季応用物理学会予稿集(2002)p.27(25p−B−4) 第63回秋季応用物理学会予稿集(2002)p.845(24p−ZM−9)
By the way, there are at least two reasons why the amorphous Si film containing nanocrystal grains exhibits a very small light deterioration rate (or hardly any light deterioration). That is, (1) since the recombination of carriers occurs preferentially in the crystal grains due to the scattered distribution of nano-sized crystal grains in the film, the recombination in the amorphous region is reduced (a-Si: H film) Is considered that the photo-deterioration of light is caused by the breakage of the weak Si-Si bond in the amorphous network by the energy released at the time of carrier recombination.) (2) Nano-sized crystal grains are formed in the film. This is because the network structure of the amorphous Si film is hardly deteriorated by light due to the scattered distribution (due to relaxation of strain, etc.), but in any case, it is present in the film. It is thought that nano-sized grains play an important role.
JP-A-5-166733 JP-A-6-120152 JP 2002-9317 A Applied Physics Vol.71 No.7 (2002) p.823 Twenty Ace I Triple E Photovoltaic Specialists Conference (28th-IEEE Photovoltaic Specialists Conference) 2000, p. 750 Proceedings of the 63rd Autumnal Society of Applied Physics (2002) p.838 (25p-ZM-3) Proceedings of the 63rd Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics (2002) p.27 (25p-B-4) Proceedings of the 63rd Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics (2002) p.845 (24p-ZM-9)

しかしながら、ナノ結晶粒含有非晶質系Si膜を用いた太陽電池においても、確かに光劣化率の低減は認められるものの、未だ初期効率が低いということが問題となっていた(例えば、非特許文献3では初期効率6.28%,安定化効率6.03%)。   However, even in a solar cell using an amorphous Si film containing nanocrystal grains, although the photodegradation rate is certainly reduced, there is still a problem that the initial efficiency is low (for example, Non-Patent Document 1). In Reference 3, the initial efficiency is 6.28% and the stabilization efficiency is 6.03%).

そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は高い信頼性を確保できる高効率な多層型薄膜太陽電池等の光電変換装置およびそれを発電手段として用いた光発電装置を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a highly efficient photoelectric conversion device such as a multilayer thin-film solar cell capable of ensuring high reliability and a photovoltaic device using the same as a power generation means. It is to provide a device.

前述した目的を達成するために、本発明の光電変換装置は、1)光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えるとともに、前記複数の光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルにより得られるTO(横型光学振動)モードの散乱ピーク強度ITOに対するTA(横型音響振動)モードの散乱ピーク強度ITAの比(ITA/ITO)が0.35以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成したことを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, a photoelectric conversion device of the present invention includes: 1) a plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer as a laminate, and at least one photoelectric conversion unit among the plurality of photoelectric conversion units. of the photoactive layer, the ratio of the scattering peak intensity I TA of TA (horizontal acoustic vibration) mode for scattering peak intensity I tO of tO (horizontal optical vibration) mode obtained by Raman scattering spectrum (I TA / I tO) 0.35 It is characterized by comprising the following amorphous silicon semiconductor thin film.

また、2)光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えるとともに、前記複数の光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成したことを特徴とする。 Also, 2) a plurality of photoelectric conversion units having a photoactive layer are provided as a laminate, and the photoactive layer of at least one of the plurality of photoelectric conversion units is a TO mode of a TO mode obtained from a Raman scattering spectrum. It is characterized by comprising an amorphous silicon semiconductor thin film having a half width of a scattering peak of 65 cm -1 or less.

また、3)前記1)または2)の構成であって、前記複数の光電変換ユニットのうち2つの光電変換ユニットにおいて、光入射側(表面側)に位置する一方の光電変換ユニットの光活性層の光学的バンドギャップが、該光電変換ユニットより裏面側に位置する他方の光電変換ユニットの光活性層の光学的バンドギャップより大きいことを特徴とする。   3) The configuration according to 1) or 2) above, wherein in two of the plurality of photoelectric conversion units, the photoactive layer of one of the photoelectric conversion units located on the light incident side (front surface side) Is larger than the optical band gap of the photoactive layer of the other photoelectric conversion unit located on the back side of the photoelectric conversion unit.

ここで特に、4)上記1)乃至上記3)のいずれかの光電変換装置において、少なくとも2つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOとTAモードの散乱ピーク強度ITAの比(=ITA/ITO)が0.35以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成してもよい。 Here, particularly, 4) in the photoelectric conversion device according to any one of the above 1) to 3), the photoactive layers of at least two photoelectric conversion units are provided with the scattering peak intensities I TO and TA of the TO mode obtained from the Raman scattering spectrum. An amorphous silicon semiconductor thin film having a mode scattering peak intensity I TA ratio (= I TA / I TO ) of 0.35 or less may be used.

また、5)上記1)乃至上記3)のいずれかの光電変換装置において、少なくとも2つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成してもよい。 5) In the photoelectric conversion device according to any one of the above 1) to 3), the photoactive layer of at least two photoelectric conversion units may have a half-width of a TO mode scattering peak obtained from a Raman scattering spectrum of 65 cm -1. It may be composed of the following amorphous silicon semiconductor thin film.

また、6)上記1)乃至上記3)のいずれかの光電変換装置において、全ての光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOとTAモードの散乱ピーク強度ITAの比(ITA/ITO)が0.35以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成してもよい。 6) In the photoelectric conversion device according to any one of the above 1) to 3), the photoactive layers of all the photoelectric conversion units are provided with a TO mode scattering peak intensity I TO obtained from a Raman scattering spectrum and a TA mode scattering. It may be made of an amorphous silicon semiconductor thin film having a peak intensity ITA ratio ( ITA / ITO ) of 0.35 or less.

また、7)上記1)乃至上記3)のいずれかの光電変換装置において、全ての光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成してもよい。 7) In the photoelectric conversion device according to any one of the above 1) to 3), the photoactive layers of all the photoelectric conversion units have a TO mode scattering peak half width of 65 cm −1 or less obtained from a Raman scattering spectrum. And an amorphous silicon semiconductor thin film.

また、8)上記1)乃至上記5)のいずれかの光電変換装置において、光入射側に位置する光電変換ユニットの光活性層を、前記非晶質系シリコン半導体薄膜で構成し、裏面側に位置する光電変換ユニットの光活性層を微結晶シリコン系薄膜より構成してもよい。   8) In the photoelectric conversion device according to any one of 1) to 5) above, the photoactive layer of the photoelectric conversion unit located on the light incident side is formed of the amorphous silicon semiconductor thin film, and The photoactive layer of the located photoelectric conversion unit may be composed of a microcrystalline silicon-based thin film.

また、9)上記1)乃至上記5)のいずれかの光電変換装置において、光入射側に位置する光電変換ユニットの光活性層を前記非晶質系シリコン半導体薄膜より構成し、裏面側の光電変換ユニットを半導体基板を用いた光電変換ユニットより構成してもよい。   9) In the photoelectric conversion device according to any one of 1) to 5) above, the photoactive layer of the photoelectric conversion unit located on the light incident side is formed of the amorphous silicon semiconductor thin film, and the photoelectric conversion layer on the back side is formed. The conversion unit may be constituted by a photoelectric conversion unit using a semiconductor substrate.

また、10)上記1)乃至上記9)のいずれかの光電変換装置において、前記少なくとも2つの光電変換ユニットの間に透明中間層を配置してもよい。   10) In the photoelectric conversion device according to any one of 1) to 9), a transparent intermediate layer may be disposed between the at least two photoelectric conversion units.

また、11)上記10)の光電変換装置において、前記透明中間層と前記透明中間層と接する少なくとも上記10)の光電変換装置において、この光電変換装置は基板上に第1の電極、少なくとも2つの光電変換ユニット、及び第2の電極が順次形成された構造を有しており、前記基板と前記第1の電極の界面は凹凸形状であることとしてもよい。   11) In the photoelectric conversion device of the above 10), in the photoelectric conversion device of the above 10) which is in contact with the transparent intermediate layer and the transparent intermediate layer, the photoelectric conversion device has a first electrode, at least two It may have a structure in which a photoelectric conversion unit and a second electrode are sequentially formed, and an interface between the substrate and the first electrode may have an uneven shape.

また、13)上記10)の光電変換装置において、この光電変換装置は基板上に第1の電極、少なくとも2つの光電変換ユニット、及び第2の電極が順次形成された構造を有しており、前記第1の電極と前記光電変換ユニットの界面は凹凸形状であることとしてもよい。   13) In the photoelectric conversion device according to 10), the photoelectric conversion device has a structure in which a first electrode, at least two photoelectric conversion units, and a second electrode are sequentially formed on a substrate, The interface between the first electrode and the photoelectric conversion unit may have an uneven shape.

また、14)上記10)の光電変換装置において、この光電変換装置は基板上に第1の電極、少なくとも2つの光電変換ユニット、及び第2の電極が順次形成された構造を有しており、前記光電変換ユニットと前記第2の電極の界面は凹凸形状であることとしてもよい。   14) In the photoelectric conversion device according to 10), the photoelectric conversion device has a structure in which a first electrode, at least two photoelectric conversion units, and a second electrode are sequentially formed on a substrate, The interface between the photoelectric conversion unit and the second electrode may have an uneven shape.

また、15)上記10)の光電変換装置において、この光電変換装置は基板上に第1の電極、少なくとも2つの光電変換ユニット、及び第2の電極が順次形成された構造を有しており、前記光電変換ユニットと前記第2の電極の間に透明導電膜を介在させたものであり、前記第透明導電膜と前記第2の電極の界面は凹凸形状であることとしてもよい。   15) In the photoelectric conversion device according to 10), the photoelectric conversion device has a structure in which a first electrode, at least two photoelectric conversion units, and a second electrode are sequentially formed on a substrate, A transparent conductive film may be interposed between the photoelectric conversion unit and the second electrode, and an interface between the second transparent conductive film and the second electrode may have an uneven shape.

また、16)上記12)乃至上記15)のいずれかの光電変換装置において、前記基板が前記第1の電極を兼ねることとしてもよい。   16) In the photoelectric conversion device according to any one of the above 12) to 15), the substrate may also serve as the first electrode.

また、17)上記16)の光電変換装置において、前記非晶質系シリコン半導体薄膜がラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOとTAモードの散乱ピーク強度ITAの比(ITA/ITO)が0.25以下であることとしてもよい。 Further, 17) in the photoelectric conversion device of the above 16), wherein the amorphous type silicon semiconductor thin film is the ratio of the scattering peak intensity I TO and TA mode scattering peak intensity I TA of TO mode obtained by Raman scattering spectrum (I TA / I TO ) may be 0.25 or less.

また、18)上記16)の光電変換装置において、前記非晶質系シリコン半導体薄膜中の光安定化前の初期ESRスピン密度が5×1015/cm以下であることとしてもよい。 18) In the photoelectric conversion device described in 16) above, the initial ESR spin density before light stabilization in the amorphous silicon semiconductor thin film may be 5 × 10 15 / cm 3 or less.

また、19)上記16)の光電変換装置において、前記非晶質系シリコン半導体薄膜中のSi−H(モノハイドライド)結合状態の存在密度のSi−H結合状態の存在密度およびSi−H(ダイハイドライド)結合状態の存在密度の総和に対する割合が0.95以上であることとしてもよい。 19) In the photoelectric conversion device as described in 16) above, the existence density in the Si—H bonding state and the Si—H 2 (Si—H (monohydride) bonding state) in the amorphous silicon semiconductor thin film. The ratio of the existence density of the (die hydride) bonded state to the total density may be 0.95 or more.

また、20)上記16)の光電変換装置において、前記非晶質系シリコン半導体薄膜中の水素量が7原子%以下であることとしてもよい。   20) In the photoelectric conversion device according to 16) above, the amount of hydrogen in the amorphous silicon semiconductor thin film may be 7 atom% or less.

また、21)上記16)の光電変換装置において、前記非晶質系シリコン半導体薄膜中には複数の結晶粒が存在しており、該結晶粒の占める体積分率(結晶化率)が30%以下であることとしてもよい。   21) In the photoelectric conversion device according to 16), a plurality of crystal grains are present in the amorphous silicon semiconductor thin film, and the volume fraction (crystallization rate) occupied by the crystal grains is 30%. The following may be adopted.

また、22)上記16)の光電変換装置において、前記非晶質系シリコン半導体薄膜において、該薄膜中には複数の結晶粒が散在分布しており、該結晶粒の最大粒径は1nm以上5nm以下であることとしてもよい。   22) In the photoelectric conversion device as described in 16) above, in the amorphous silicon semiconductor thin film, a plurality of crystal grains are scattered and distributed in the thin film, and the maximum grain size of the crystal grains is 1 nm to 5 nm. The following may be adopted.

さらに、本発明の光発電装置は、23)上記1)〜上記22)の光電変換装置のいずれかを発電手段として用い、該発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことを特徴とする。   Further, the photovoltaic device of the present invention is characterized in that the photovoltaic device of the present invention is configured to use any one of the photoelectric conversion devices of the above 1) to 22) as a power generating means, and to supply the power generated by the power generating means to a load. And

本発明の光電変換装置は、光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えるとともに、前記光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比ITA/ITOが0.35以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成したので、従来に比してSROが大幅に改善され、低欠陥密度且つ高光安定性を有した光活性層とすることができることから、高い信頼性を確保できる高効率な多層型薄膜太陽電池等の光電変換装置を提供することができる。 The photoelectric conversion device of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer as a laminate, and the photoactive layer of at least one of the photoelectric conversion units is formed by a TO that can be obtained by Raman scattering spectrum. The ratio of the scattering peak intensity I TA of the TA mode to the scattering peak intensity I TO of the mode is made of an amorphous silicon semiconductor thin film in which the ratio I TA / I TO is 0.35 or less. In addition, since a photoactive layer having a low defect density and high light stability can be obtained, a highly efficient photoelectric conversion device such as a multi-layer thin-film solar cell that can ensure high reliability can be provided.

また、本発明の光電変換装置は、光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えるとともに、前記光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成したので、従来に比してSROが大幅に改善され、低欠陥密度且つ高光安定性を有した光活性層とすることができることから、高い信頼性を確保できる高効率な多層型薄膜太陽電池等の光電変換装置を提供することができる。 In addition, the photoelectric conversion device of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer as a laminate, and obtains a photoactive layer of at least one of the photoelectric conversion units from a Raman scattering spectrum. Since the half-width of the scattering peak of the TO mode to be obtained is made of an amorphous silicon semiconductor thin film having a half value width of 65 cm -1 or less, the SRO has been greatly improved as compared with the related art, and a low defect density and high light stability have been obtained. Since a photoactive layer can be used, a highly efficient photoelectric conversion device such as a multilayer thin-film solar cell that can ensure high reliability can be provided.

さらに、本発明の光発電装置によれば、本発明の光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことより、高効率の光発電装置を提供することができる。   Further, according to the photovoltaic device of the present invention, the photoelectric conversion device of the present invention is used as power generating means, and the power generated by the power generating means is supplied to the load, thereby providing a high-efficiency photovoltaic device. can do.

以下に、本発明の光電変換装置およびそれを用いた光発電装置の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of a photoelectric conversion device of the present invention and a photovoltaic device using the same will be described in detail.

本発明の非晶質系Si膜を得るために、PECVD法の一種であるCat−PECVD法(熱触媒体内蔵カソード型プラズマCVD法;特開2001−313272号、特願2001−293031号等を参照)を用いて形成した例について説明する。なお、ここでいう非晶質系Si膜とは、後に定義するようにラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が0〜60%の範囲に入るものをいうこととし(すなわち、非晶質Si膜は非晶質系Si膜に含まれる)、逆に結晶質系Si膜とは結晶化率が60〜100%の範囲に入るものをいうこととする。   In order to obtain the amorphous Si film of the present invention, a Cat-PECVD method (a cathodic plasma CVD method with a built-in thermal catalyst; Japanese Patent Application No. 2001-313272, Japanese Patent Application No. 2001-293031, etc.) (See Reference Example). Note that the amorphous Si film here means a film having a crystallization rate defined by a Raman scattering spectrum falling within a range of 0 to 60% as defined later (that is, amorphous Si film). The film is included in the amorphous Si film), whereas the crystalline Si film means a film having a crystallization ratio in the range of 60 to 100%.

<Cat−PECVD法>
Cat−PECVD法を用いた場合、本発明の非晶質系Si膜は、プラズマ励起周波数としてVHF帯(27MHz以上:通常は40〜80MHz程度)を用い、カソード内部に設けられたTa(タンタル)、W(タングステン)あるいはC(カーボン)等の高融点材料から成る熱触媒体の温度を1400〜2000℃、ガス流量比(H/SiH)を2〜20、基板温度を100〜350℃、ガス圧力を13〜665Pa、VHFプラズマパワー密度を0.01〜0.5W/cmと設定した条件下で得られる。ここで、HとSiHとは製膜空間に放出されるまでは、分離された状態でそれぞれ異なったガス導入経路を通して導かれるようにし、Hのガス導入経路にはその経路の一部に前記カソード内に設置された熱触媒体が配設されるが、SiHのガス導入経路には同熱触媒体が配設されないようにする。このようにHのみを熱触媒体で加熱活性化するようにすることで、SiHが熱触媒体によって分解活性化して製膜空間に放出されるまでのガス導入経路中で膜堆積・消費されるのを防ぎつつ、後記する熱触媒体使用効果を得ることができる。
<Cat-PECVD method>
When the Cat-PECVD method is used, the amorphous Si film of the present invention uses a VHF band (27 MHz or more: usually about 40 to 80 MHz) as a plasma excitation frequency and uses Ta (tantalum) provided inside the cathode. , W 1400 to 2000 ° C. the temperature of the thermal catalyst consisting of a refractory material such as (tungsten) or C (carbon), 2-20 gas flow ratio (H 2 / SiH 4), 100~350 ℃ substrate temperature And a gas pressure of 13 to 665 Pa and a VHF plasma power density of 0.01 to 0.5 W / cm 2 . Here, until H 2 and SiH 4 are released into the film forming space, they are led in different states through different gas introduction paths, and the H 2 gas introduction path is part of the paths. The thermal catalyst provided in the cathode is disposed, but the thermal catalyst is not disposed in the SiH 4 gas introduction path. By activating only H 2 by heating with the thermal catalyst in this manner, film deposition / consumption in the gas introduction path until SiH 4 is decomposed and activated by the thermal catalyst and released into the film forming space. The effect of using a thermal catalyst, which will be described later, can be obtained while preventing such a phenomenon.

Cat−PECVD法では熱触媒体を用いることに起因するガスヒーティング効果によって、発熱反応である高次シラン生成反応(Si分子へのSiH挿入反応)が抑制されるので、製膜空間における高次シラン分子の密度を低く抑えることができ、高次シラン分子の膜中への取り込まれや製膜表面での立体障害の発生が低減される。この結果、膜中Si−H結合状態の存在密度が大きく低減された非晶質系Si膜の形成が可能となる。 By a gas heating effects due to the use of thermal catalyst in the cat-PECVD method, the high-order silane formation reaction is exothermic (SiH 2 insertion reaction to Si n H m molecules) is suppressed, a film The density of the higher order silane molecules in the space can be kept low, and the incorporation of the higher order silane molecules into the film and the occurrence of steric hindrance on the film formation surface are reduced. As a result, it becomes possible to form an amorphous Si film in which the existence density of the Si—H 2 bond state in the film is greatly reduced.

また、ガスヒーティング効果はプラズマの電子温度を低下させる効果も有するので、プラズマ空間での原料ガスSiHと電子との1電子衝突反応によるSiH生成(同じく1電子衝突反応によるSiH生成に比べて高い電子温度(衝突エネルギー)を要する)が抑制され、これによっても高次シラン生成反応(Si分子へのSiH挿入反応)を抑制することができる。 In addition, since the gas heating effect also has the effect of lowering the electron temperature of the plasma, the generation of SiH 2 by the one-electron collision reaction between the source gas SiH 4 and the electrons in the plasma space (similarly, the generation of SiH 3 by the one-electron collision reaction). is compared require high electron temperature (collision energy) by) is suppressed, whereby it is possible to suppress the high-order silane formation reaction (SiH 2 insertion reaction to Si n H m molecules) also.

また、Cat−PECVD法では、水素ラジカル生成を促進することもできるので、製膜表面からの水素引き抜き反応を促進し、膜中水素濃度を効果的に低減することができる。   In addition, since the Cat-PECVD method can promote the generation of hydrogen radicals, the hydrogen abstraction reaction from the film formation surface can be promoted, and the hydrogen concentration in the film can be effectively reduced.

また、水素希釈率(ガス流量比H/SiH)を高めたり、熱触媒体温度Tcatを高めたり、VHFパワーを高めたりした製膜条件下では、気相中でSiクラスタ(高次シラン分子がある程度成長したもので通常10nm程度のサイズまでのものをいい、これには非晶質構造を有したものと結晶構造を有したものとがある)の生成が促進されるが、前記ガスヒーティング効果と水素ラジカル生成促進効果等によって、パーティクルや粉体への成長は抑制しつつ、クラスタサイズの制御や密度の制御、さらにはクラスタの結晶化を促進することができる。すなわち、Siクラスタが膜中に取り込まれた場合、膜中に含まれる結晶粒のサイズや密度が制御された高品質なナノ結晶粒含有非晶質系Si膜を形成することができる。 Further, under film forming conditions in which the hydrogen dilution ratio (gas flow ratio H 2 / SiH 4 ) is increased, the temperature of the thermal catalyst Tcat is increased, or the VHF power is increased, Si clusters (higher order silanes) The growth of molecules to some extent usually refers to a size of up to about 10 nm, which includes those having an amorphous structure and those having a crystal structure. Due to the heating effect and the hydrogen radical generation promoting effect, it is possible to control the cluster size and density, and further promote the crystallization of the cluster, while suppressing the growth into particles and powder. That is, when the Si clusters are taken into the film, a high-quality nanocrystalline-particle-containing amorphous Si film in which the size and density of crystal grains contained in the film are controlled can be formed.

以上に述べた効果により本発明に用いられる高品質で光安定性に優れる非晶質系Si膜を得ることができる。なお、Cat−PECVD法では、従来のPECVD法では困難であった製膜条件でも熱触媒体を導入した効果によって結晶化を促進できる作用があるため、以下に述べる結晶化率を制御する点において特に好適である。ここで膜中の結晶化領域の起源としては、(1)製膜表面での結晶化反応に起因するもの、(2)プラズマ空間中で生成されるSi微粒子(ナノメーターサイズの結晶クラスタ)が膜中へ取り込まれることに起因するもの、の少なくとも2種がある。   By the effects described above, a high-quality amorphous Si film used in the present invention and having excellent light stability can be obtained. In the Cat-PECVD method, crystallization can be promoted by the effect of introducing a thermal catalyst even under film forming conditions that were difficult with the conventional PECVD method. Particularly preferred. Here, the origin of the crystallized region in the film is as follows: (1) those caused by the crystallization reaction on the film-forming surface, and (2) Si fine particles (crystal clusters of nanometer size) generated in the plasma space. There are at least two types, which are caused by being taken into the film.

<基板温度>
基板温度については、100℃〜350℃の範囲とする。なぜなら基板温度を100℃よりも低くすると水素引き抜き効果が有効に働かなくなり膜中水素濃度を有効に低減できなくなるからであり、基板温度を350℃よりも高くした場合には、膜成長面からの水素の脱離が顕著となって膜中ダングリングボンド密度が上昇してしまい、高品質な膜が得られなくなるからである。
<Substrate temperature>
The substrate temperature is in the range of 100 ° C to 350 ° C. This is because if the substrate temperature is lower than 100 ° C., the hydrogen extraction effect does not work effectively and the hydrogen concentration in the film cannot be reduced effectively.If the substrate temperature is higher than 350 ° C., This is because the desorption of hydrogen becomes remarkable, the dangling bond density in the film increases, and a high-quality film cannot be obtained.

<ラマン散乱特性>
さて、非晶質系Si膜の構造を記述する場合には秩序度を取り扱う場合が多く、特に短距離秩序(SRO:Short Range Order)は、膜品質や光安定性と非常に密接な関係があるとされている。このSROが反映されるアモルファスネットワークの振動ダイナミクスを評価する代表的手法としては、ラマン散乱分光法が知られている。
<Raman scattering characteristics>
When describing the structure of an amorphous Si film, the degree of order is often handled. Particularly, short range order (SRO) has a very close relationship with film quality and photostability. It is said that there is. Raman scattering spectroscopy is known as a typical method for evaluating the vibration dynamics of an amorphous network in which the SRO is reflected.

一般に、非晶質系Si膜のラマン散乱スペクトルは、480cm−1付近にピークをもつTO(横型光学振動)帯、385cm−1付近にピークをもつLO(縦型光学振動)帯、305cm−1付近にピークをもつLA(縦型音響振動)帯、および160cm−1付近にピークをもつTA(横型音響振動)帯のエネルギー帯から成る。 In general, Raman scattering spectrum of amorphous system Si film, TO (horizontal optical vibration) band having a peak near 480 cm -1, LO (longitudinal optical vibrations) having a peak near 385cm -1 band, 305 cm -1 It is composed of an LA (vertical acoustic vibration) band having a peak in the vicinity, and a TA (horizontal acoustic vibration) band having a peak in the vicinity of 160 cm −1 .

表1に、本発明素子1〜4及び比較用の従来素子1,2で用いた半導体膜に対応するSi膜のラマン散乱測定スペクトルを、Gaussian型+Lorentzian型近似曲線によって、上述した4つのエネルギー帯に分離して得たTA帯の散乱ピーク強度(ITA)とTO帯の散乱ピーク強度(ITO)の比であるTA/TO散乱ピーク強度比(ITA/ITO)と、TO帯の散乱ピークの半値幅(HWTO)とを求めた結果を示す。ここで、ラマンスペクトルの測定は、励起光にHe−Neレーザー(波長632.8nm)を用いたRenishaw製Ramanscope System 1000を使用した。

Figure 2004363580
Table 1 shows the Raman scattering measurement spectra of the Si films corresponding to the semiconductor films used in the devices 1 to 4 of the present invention and the conventional devices 1 and 2 for comparison, using the Gaussian type + Lorentzian type approximation curves to indicate the four energy bands described above. scattering peak intensity of TA bands obtained by separating the (I TA) and the scattering peak intensity of tO band (I tO) which is the ratio TA / tO scattering peak intensity ratio of the (I TA / I tO), the tO band The result of obtaining the half width (HW TO ) of the scattering peak is shown. Here, for the measurement of the Raman spectrum, a Renishaw Ramanscope System 1000 using a He-Ne laser (wavelength 632.8 nm) as the excitation light was used.
Figure 2004363580

Siの結合角θの分布幅Δθは、TA/TO散乱ピーク強度比(以下、ITA/ITO)、またはTO帯半値幅(HWTO)と正の相関関係を有していることが知られている。ここで、ITA/ITOについてみると、従来素子1,2に用いた膜ではITA/ITO=0.36、0.38であった(従来の非晶質Si膜のITA/ITOは小さくとも0.35よりも大きな値をとる)のに対して、本発明素子1〜4に用いた膜では、いずれの膜も0.35以下となり、従来素子1,2の値より低減していることがわかった。さらに、ITA/ITOが0.22以下となり、従来素子の値よりも大きく低減したものも得られていることがわかった。また、HWTOについてみた場合でも、従来素子1,2に用いた膜では、TO帯半値幅が65cm−1,68cm−1であったのに対して、本発明素子1〜4に用いた膜ではこれよりも狭幅化して64cm−1、65cm−1となっていたことがわかる。 It is known that the distribution width Δθ of the bonding angle θ of Si has a positive correlation with the TA / TO scattering peak intensity ratio (hereinafter, I TA / I TO ) or the TO band half-value width (HW TO ). Have been. Here, looking at I TA / I TO , in the films used for the conventional elements 1 and 2, it was I TA / I TO = 0.36 and 0.38 (I TA / I TO of the conventional amorphous Si film was small. On the other hand, in the films used for the devices 1 to 4 of the present invention, all the films are 0.35 or less, which is smaller than the values of the conventional devices 1 and 2. . Further, it was found that the value of I TA / I TO was 0.22 or less, and that a value greatly reduced from the value of the conventional device was obtained. Further, even when viewed with the HW TO, the film used in the conventional device 1, 2, TO band half width 65cm -1, whereas it was 68cm -1, used in the present invention device 1-4 film It can be seen that the widths were narrower than this, being 64 cm -1 and 65 cm -1 .

以上の結果は、本発明素子1〜4に用いた膜のSi結合角のばらつきΔθが、従来のものよりも小さくなっていること、即ちSROが改善されていることを示すものである。このSROに関する構造変化(改善)が、本発明の光劣化率が大幅に低減された高光安定性の光電変換素子を実現している主要な原因となっているものと考えられる。   The above results show that the variation Δθ of the Si bond angle of the films used in the devices 1 to 4 of the present invention is smaller than that of the conventional device, that is, the SRO is improved. It is considered that the structural change (improvement) related to the SRO is a main cause of realizing the photoelectric conversion device of the present invention having a high light stability in which the light deterioration rate is significantly reduced.

なお、表1の光劣化率の結果から明らかなように、前記のSRO改善効果は、ITA/ITOが0.35以下の場合において認められるようになるが、より好ましくは本発明素子1の0.33と本発明素子2の0.22の間の値である0.28未満、さらに好ましくは本発明素子2の0.22以下とすることにより、大幅な光劣化率が認められる。 In addition, as is clear from the results of the photodegradation rate in Table 1, the above-mentioned SRO improvement effect is observed when I TA / I TO is 0.35 or less. When the value is less than 0.28 which is a value between 0.22 and 0.22 of the element 2 of the present invention, and more preferably 0.22 or less of the element 2 of the present invention, a large light deterioration rate is recognized.

<ESRスピン密度>
また、本発明素子に用いた非晶質系Si膜では、電子スピン共鳴法によって計測されるESRスピン密度であるSiダングリングボンド密度が、光照射前(初期)において約3×1015/cmであり、従来素子に用いた膜では5.0×1015/cmを超える値であった。このように、ダングリングボンド密度が5.0×1015/cmを超える膜では、活性層に適用した場合に同層での再結合電流が増大し、高い素子特性が得られない。なお、ESRスピン密度測定には、日本電子製JES−RE3Xを用いた。
<ESR spin density>
Further, in the amorphous Si film used in the device of the present invention, the Si dangling bond density, which is the ESR spin density measured by the electron spin resonance method, is about 3 × 10 15 / cm before light irradiation (initial). 3 , which exceeds 5.0 × 10 15 / cm 3 for the film used in the conventional device. As described above, in a film having a dangling bond density exceeding 5.0 × 10 15 / cm 3 , when applied to an active layer, the recombination current in the same layer increases, and high device characteristics cannot be obtained. In addition, JES-RE3X manufactured by JEOL was used for ESR spin density measurement.

<FT−IR特性(Si−H結合状態割合)>
また、本発明素子に用いた非晶質系Si膜では、FT−IR(フーリエ変換赤外分光)分析によって評価されるSi−H(モノハイドライド)結合状態の存在密度のSi−H結合状態の存在密度およびSi−H(ダイハイドライド)結合状態の存在密度の総和に対する割合(以下、Si−H結合状態割合という)が、0.97以上であった。このSi−H結合状態割合は、従来技術の説明の部分で既に述べたように光劣化と大きな相関を有しており、この割合が高いほど(Si−H結合が支配的であるほど)光劣化が小さくなる。本発明素子に用いたSi膜においては、従来のプラズマCVD法で得られているSi−H結合状態割合0.90程度を大きく上回り、光劣化抑制効果が顕著に現れてくるとされる0.95以上の値が得られている。なお、FT−IR特性の測定には、島津製作所製FTIR−8300を用いた。
<FT-IR characteristic (Si-H bond state ratio)>
Further, in the amorphous Si film used in the device of the present invention, the existence density of the Si—H (monohydride) bonded state evaluated by FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) analysis indicates the existence density of the Si—H bonded state. The ratio of the existing density and the existing density in the Si—H 2 (die hydride) bonding state to the total existing density (hereinafter, referred to as the Si—H bonding state ratio) was 0.97 or more. This Si—H bond state ratio has a large correlation with photodegradation as already described in the description of the related art, and the higher the ratio (the more the Si—H bond is dominant), the higher the light intensity. Deterioration is reduced. In the Si film used in the device of the present invention, the Si-H bond state ratio obtained by the conventional plasma CVD method is about 0.90, which is much larger than 0.95, which is considered to have a remarkable light deterioration suppressing effect. Is obtained. The FT-IR characteristics were measured using FTIR-8300 manufactured by Shimadzu Corporation.

<膜中水素濃度>
また、本発明素子に用いた非晶質系Si膜中の水素濃度については、FT−IR分析により約5原子%と評価算出され、従来素子では10%程度と評価算出された。このとき、膜中水素濃度の算出は630cm−1付近の吸収ピーク面積とA value=1.6×1019cm−2を用いて行なった。このように本発明素子に用いたSi膜は7原子%以下の低水素濃度となっており、これも本発明素子が高光安定性を示すことに大きく寄与しているものと思われる。膜中水素濃度が7%より大きい場合には膜中Si−H結合状態の存在密度の増大を招き、光劣化率は大きくなる。
<Hydrogen concentration in film>
The hydrogen concentration in the amorphous Si film used in the device of the present invention was estimated to be about 5 atomic% by FT-IR analysis, and was estimated to be about 10% in the conventional device. At this time, the calculation of the hydrogen concentration in the film was performed using the absorption peak area near 630 cm −1 and A value = 1.6 × 10 19 cm −2 . As described above, the Si film used in the device of the present invention has a low hydrogen concentration of 7 atomic% or less, which also seems to contribute significantly to the device of the present invention exhibiting high light stability. If the hydrogen concentration in the film is greater than 7%, the density of the Si—H 2 bonded state in the film is increased, and the light deterioration rate is increased.

<光学的バンドギャップ>
また、本発明素子に用いた非晶質系Si膜の光学的バンドギャップエネルギーEg.optは、いわゆる3乗根プロットにて、1.6eV前後と評価され、従来膜は1.8eV程度であった。このように本発明素子に用いたSi膜の光学的バンドギャップエネルギーEg.optは1.7eV以下に狭ギャップ化しており、長波長感度特性に優れる非晶質系Si膜となっていることが確認された。光学的バンドギャップエネルギーEg.optが1.7eVよりも大きい場合には、該膜を光活性層に用いた場合に長波長光を充分に吸収・光電変換できずに光電流が低下し、素子特性の低下を招来する。
<Optical band gap>
The optical bandgap energy Eg.opt of the amorphous Si film used in the device of the present invention was evaluated to be about 1.6 eV by a so-called cube root plot, and the conventional film was about 1.8 eV. Thus, the optical band gap energy Eg.opt of the Si film used in the device of the present invention was narrowed to 1.7 eV or less, and it was confirmed that the Si film was an amorphous Si film having excellent long-wavelength sensitivity characteristics. Was done. When the optical bandgap energy Eg.opt is larger than 1.7 eV, when the film is used as a photoactive layer, long wavelength light cannot be sufficiently absorbed and photoelectric conversion cannot be performed, and the photocurrent decreases, and the device characteristics are reduced. Leads to a decrease in

<バンドギャップ調整元素>
なお、非晶質系Si膜のバンドギャップエネルギーEgは膜中水素濃度によってある程度調節することができるが、膜中水素濃度を低く保ったままEgを調節したい場合には、Eg調整元素を添加すればよい。具体的には、ナローギャップ化に対してはGeまたはSn等、ワイドギャップ化に対してはC、NまたはO等を分子式に含んだガスを製膜空間に導入すればよい。即ち、Geを含有させる場合にはGeH(Hは重水素Dを含む)、Ge2n+2(nは正の整数、以下同様)、GeX(Xはハロゲン元素)等を、Snを含有させる場合にはSnH(Hは重水素Dを含む)、Sn2n+2、SnX(Xはハロゲン元素)、SnR(Rはアルキル基)等を、Cを含有させる場合にはCH(Hは重水素Dを含む)、C、C2n+2、C2n、CX(Xはハロゲン元素)等を、Nを含有させる場合にはN、NO、NO、NH等を、Oを含有させる場合にはO、CO、CO、NO、NO、HO等を導入すればよい。
<Band gap adjusting element>
The bandgap energy Eg of the amorphous Si film can be adjusted to some extent by the hydrogen concentration in the film. However, when it is desired to adjust the Eg while keeping the hydrogen concentration in the film low, it is necessary to add an Eg adjusting element. Just fine. Specifically, a gas containing a molecular formula such as Ge or Sn for narrow gap or C, N or O for wide gap may be introduced into the film forming space. That, GeH 4 in case of incorporating the Ge (H contains deuterium D), Ge n H 2n + 2 (n is a positive integer, the same applies hereinafter) of, GeX 4 (X is a halogen element) such as, containing Sn SnH 4 in the case of (H contains deuterium D), Sn n H 2n + 2, SnX 4 (X is halogen), SnR 4 (R is an alkyl group) and the like, CH 4 in the case of incorporating the C (H includes deuterium D), C 2 H 2 , C n H 2n + 2 , C n H 2n , CX 4 (X is a halogen element), and N 2 , NO n , N When O is contained in 2 O, NH 3, or the like, O 2 , CO, CO 2 , NO n , N 2 O, H 2 O, or the like may be introduced.

<結晶化率>
また、非晶質系Si膜がナノ結晶粒含有非晶質系Si膜である場合、該膜中でナノ結晶粒が占める体積分率として表現される結晶化率の制御は、水素希釈率(ガス流量比H/SiH)、熱触媒体温度(Tcat)、VHFパワー密度、製膜ガス圧力、基板温度、の組み合わせによって0〜100%の範囲で自由に行なうことができるが、結晶化率は30%以下の範囲で調節し、より好適には10%以下の範囲で調節するのが望ましい。結晶化率が30%を超えると非晶質系としての特性が充分に発揮されにくくなり、特性低下を無視できなくなる。
<Crystallization rate>
When the amorphous Si film is an amorphous Si film containing nanocrystal grains, the control of the crystallization rate expressed as a volume fraction occupied by the nanocrystal grains in the film is determined by a hydrogen dilution rate ( Gas flow ratio H 2 / SiH 4 ), thermal catalyst temperature (Tcat), VHF power density, film forming gas pressure, substrate temperature can be freely performed in the range of 0 to 100%. The rate is adjusted within a range of 30% or less, and more preferably, within a range of 10% or less. If the crystallization ratio exceeds 30%, it becomes difficult to sufficiently exhibit the characteristics as an amorphous system, and the deterioration in characteristics cannot be ignored.

このとき、結晶化率を膜厚方向に向かって傾斜分布または階段状分布、あるいは周期分布させることによって、光電変換素子の効率をさらに向上させることも可能である(不図示)。すなわち、傾斜分布または階段状分布とする場合は、光入射側(表面側)から裏面側に向かって結晶化率が上昇するようにする。   At this time, the efficiency of the photoelectric conversion element can be further improved by making the crystallization ratio have a gradient distribution, a stepwise distribution, or a periodic distribution in the film thickness direction (not shown). That is, in the case of a slope distribution or a stepwise distribution, the crystallization rate is increased from the light incident side (front side) to the back side.

このようにすることで、光学的バンドギャップエネルギーが表面側から裏面側に向かって減少するバンドプロファイルを得ることができ、有効な光吸収が行なえるようになるため、光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べてより効率的な光電変換(すなわち高効率化)が可能となる。   By doing so, a band profile in which the optical bandgap energy decreases from the front side to the rear side can be obtained, and effective light absorption can be performed. More efficient photoelectric conversion (that is, higher efficiency) can be performed as compared with the case where the thickness is constant in the thickness direction.

また、周期分布とする場合は、1周期の長さを100nm以下とし、好ましくは10nm以下とする。これにより、光学的バンドギャップエネルギーが周期的に変調したバンドプロファイルを得ることでき、有効な光吸収が行なえるようになるため、光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べてより効率的な光電変換(すなわち高効率化)が可能となる。特に周期長を10nm以下とすると量子サイズ効果(量子井戸構造の形成)が現れ始め、より高効率化することができる。ここで結晶化率の制御(すなわち気相中のナノクラスタのサイズや密度を制御することに還元される)は、熱触媒体の温度制御で行なうのが望ましい。つまり、熱触媒体の温度制御は非常に高速かつ精度よく行なうことができるので、製膜中に結晶化率を高速かつ精度よく制御したい場合に非常に好適である。なお、本明細書中でいう結晶化率は、ラマン散乱分光法によって得られたスペクトルにおける結晶相ピーク強度/(結晶相ピーク強度+非晶質相ピーク強度)で定義されるものとし、ピーク強度は、結晶相ピーク強度=500〜510cm−1でのピーク強度+520cm−1でのピーク強度、また、非晶質相ピーク強度=480cm−1でのピーク強度、で定義するものとする。表1に示した結晶化率は、該ラマン散乱分光法によって評価されたものである。 In the case of a periodic distribution, the length of one period is 100 nm or less, preferably 10 nm or less. As a result, a band profile in which the optical band gap energy is periodically modulated can be obtained, and effective light absorption can be performed. Therefore, compared to a case where the optical band gap energy is constant in the film thickness direction. Thus, more efficient photoelectric conversion (that is, higher efficiency) can be performed. In particular, when the period length is set to 10 nm or less, a quantum size effect (formation of a quantum well structure) starts to appear, and higher efficiency can be achieved. Here, the control of the crystallization ratio (that is, reduction by controlling the size and density of nanoclusters in the gas phase) is desirably performed by controlling the temperature of the thermal catalyst. That is, since the temperature control of the thermal catalyst can be performed very quickly and accurately, it is very suitable for controlling the crystallization rate at high speed and accurately during film formation. The crystallization ratio referred to in the present specification is defined as crystal phase peak intensity / (crystal phase peak intensity + amorphous phase peak intensity) in a spectrum obtained by Raman scattering spectroscopy. a peak intensity at a peak intensity + 520 cm -1 in crystalline phase peak intensity = 500~510cm -1, also intended to peak intensity in the definition of an amorphous phase peak intensity = 480 cm -1. The crystallization ratios shown in Table 1 were evaluated by the Raman scattering spectroscopy.

<結晶粒径>
ここで、本発明に用いられる非晶質系Si膜がナノサイズの結晶Si粒を含むナノ結晶粒含有非晶質系Si膜である場合は、該非晶質系Si膜中に含有されるナノ結晶粒の最大粒径は1nm以上5nm以下、より好ましくは1.5nm以上3nm以下とする。最大粒径が1nmより小さいと、これを構成するSi原子数が少なすぎて非晶質Si膜に対する有意なバンドギャップエネルギーの低下を実現できず、実質的に非晶質Si膜と同じ膜特性となる。また、最大粒径が5nmを超えるようになると、非晶質中に適度な距離間隔で散在分布させることが困難となり、キャリアの再結合を結晶粒で優先的に生じさせる効果や、非晶質マトリックスのネットワーク構造(後に述べるSROなど)を改善する効果が低減する。
<Crystal size>
Here, when the amorphous Si film used in the present invention is a nanocrystal grain-containing amorphous Si film containing nanosized crystalline Si grains, the nanocrystal grain contained in the amorphous Si film is used. The maximum grain size of the crystal grains is 1 nm or more and 5 nm or less, more preferably 1.5 nm or more and 3 nm or less. If the maximum particle size is smaller than 1 nm, the number of Si atoms constituting the same is too small to significantly reduce the band gap energy of the amorphous Si film, and substantially the same film characteristics as the amorphous Si film It becomes. Further, when the maximum particle size exceeds 5 nm, it becomes difficult to disperse and distribute the particles at appropriate distances in the amorphous phase, and the effect of preferentially causing the recombination of carriers in the crystal grains and the effect of the amorphous phase are considered. The effect of improving the matrix network structure (such as SRO described later) is reduced.

このとき、結晶粒の存在密度分布あるいは結晶粒径分布を膜厚方向に向かって傾斜分布または階段状分布、あるいは周期分布させることによって、光電変換素子の効率をさらに向上させることも可能である(不図示)。すなわち、傾斜分布または階段状分布とする場合は、光入射側(表面側)から裏面側に向かって結晶粒の存在密度分布あるいは結晶粒径分布が上昇するようにする。このようにすることで、光学的バンドギャップエネルギーが光入射側の表面側から裏面側に向かって減少するバンドプロファイルを得ることができ、前述したように光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べてより効率的な光電変換(すなわち高効率化)が可能となる。また、周期分布とする場合は、1周期の長さを100nm以下とし、好ましくは10nm以下とする。   At this time, the efficiency of the photoelectric conversion element can be further improved by making the existence density distribution or the crystal grain size distribution of the crystal grains have a gradient distribution, a stepwise distribution, or a periodic distribution in the film thickness direction. Not shown). That is, in the case of a gradient distribution or a stepwise distribution, the density distribution of crystal grains or the crystal grain size distribution increases from the light incident side (front side) to the back side. This makes it possible to obtain a band profile in which the optical bandgap energy decreases from the front surface side on the light incident side toward the back surface, and the optical bandgap energy increases in the film thickness direction as described above. Thus, more efficient photoelectric conversion (that is, higher efficiency) can be performed as compared with a fixed case. In the case of a periodic distribution, the length of one period is 100 nm or less, preferably 10 nm or less.

以上により、光学的バンドギャップエネルギーが周期的に変調したバンドプロファイルを得ることでき、前述したように光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べてより効率的な光電変換(すなわち高効率化)が可能となる。特に周期長を10nm以下とすると、量子サイズ効果(量子井戸構造の形成)が現れ始め、より高効率化することができる。ここで、結晶粒の制御(すなわち気相中のナノクラスタのサイズや密度を制御することに還元される)は、熱触媒体の温度制御で行なうのが望ましい。なぜなら熱触媒体の温度制御は非常に高速かつ精度よく行なうことができるので、製膜中に結晶粒を高速かつ精度よく制御したい場合に好適だからである。   As described above, it is possible to obtain a band profile in which the optical bandgap energy is periodically modulated. As described above, more efficient photoelectric conversion (compared to the case where the optical bandgap energy is constant in the film thickness direction). That is, high efficiency) can be achieved. In particular, when the period length is set to 10 nm or less, a quantum size effect (formation of a quantum well structure) starts to appear, and higher efficiency can be achieved. Here, it is desirable to control the crystal grains (that is, reduce by controlling the size and density of the nanoclusters in the gas phase) by controlling the temperature of the thermal catalyst. This is because the temperature control of the thermal catalyst can be performed at a very high speed and with high accuracy, which is suitable for controlling the crystal grains at high speed and with high accuracy during film formation.

<光電変換装置>
次に、本発明に係る光電変換装置について多層型薄膜Si系太陽電池を例にとりその実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
<Photoelectric conversion device>
Next, an embodiment of the photoelectric conversion device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings, taking a multilayer thin-film Si-based solar cell as an example.

図1は、スーパーストレート構造タンデム型の薄膜Si太陽電池素子を模式的に図示したものである。この薄膜Si太陽電池素子は、光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備え、これら複数の光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比ITA/ITOが0.35以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成している。また、光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えてなり、これら複数の光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成したものである。さらに、これら複数の光電変換ユニットのうち少なくとも2つの光電変換ユニットにおいて、光が入射する表面側に位置する光電変換ユニットの光活性層の光学的バンドギャップは、この光電変換ユニットより裏面側に位置する光電変換ユニットの光活性層の光学的バンドギャップより大きい。 FIG. 1 schematically illustrates a tandem type thin film Si solar cell element having a super straight structure. The thin-film Si solar cell element includes a plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer as a stacked body, and a photoactive layer of at least one photoelectric conversion unit among the plurality of photoelectric conversion units is obtained by a Raman scattering spectrum. It is composed of an amorphous silicon semiconductor thin film in which the ratio I TA / I TO of the scattering peak intensity I TA of the TA mode to the scattering peak intensity I TO of the TO mode is 0.35 or less. Further, a plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer are provided as a laminate, and the photoactive layer of at least one of the plurality of photoelectric conversion units is provided with a TO mode scattering obtained from a Raman scattering spectrum. It is composed of an amorphous silicon semiconductor thin film having a peak half width of 65 cm -1 or less. Furthermore, in at least two of the plurality of photoelectric conversion units, the optical band gap of the photoactive layer of the photoelectric conversion unit located on the front side where light is incident is located on the back side of the photoelectric conversion unit. Larger than the optical band gap of the photoactive layer of the photoelectric conversion unit.

図1において、101は透光性基板、102は受光面側電極、103は一導電型半導体層、104は非晶質系Si光活性層、105は逆導電型半導体層、106は入射させる光に対して透明な中間層、107は一導電型層半導体層、108はSi光活性層、109は逆導電型半導体層、110は透明導電層、111は裏面側電極、112,113はそれぞれ発電電力を取り出すための取出電極である。なお、図中の太い矢印は光(hν)の入射方向を示す。   In FIG. 1, 101 is a translucent substrate, 102 is a light receiving surface side electrode, 103 is a semiconductor layer of one conductivity type, 104 is an amorphous Si photoactive layer, 105 is a semiconductor layer of opposite conductivity type, and 106 is light to be incident. Intermediate layer 107, one conductive layer semiconductor layer 107, Si photoactive layer 108, opposite conductive semiconductor layer 109, transparent conductive layer 110, back side electrode 111, and power generation 112 and 113 respectively. An extraction electrode for extracting electric power. The thick arrow in the figure indicates the incident direction of light (hν).

このような薄膜シリコン系太陽電池の製造にあたっては、まず、透光性基板101を用意する。透光性基板101としては、ガラス、プラスチック、樹脂などを材料とした板材あるいはフィルム材などを用いることができる。   In manufacturing such a thin-film silicon-based solar cell, first, the translucent substrate 101 is prepared. As the light-transmitting substrate 101, a plate material or a film material made of glass, plastic, resin, or the like can be used.

ここで、透光性基板101の後述する薄膜が形成される側の面には、凹凸構造(不図示)を形成しておくことが望ましい。この凹凸構造は後述する光閉じ込め効果をより促進する働きをすることができる。この凹凸構造を形成する方法としては、エッチング法、ブラスト法などがある。この凹凸形状の最大高さ(Rmax)は0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、さらに好ましくは0.3μm以上に設定する。また、この凹凸形状の算術平均粗さ(Ra)は0.01μm以上、より好ましくは0.05μm以上に設定する。必要であれば適当なエッチング処理で所望の凹凸形状に追加工することもできる。このように、凹凸形状の最大高さ(Rmax)及び算術平均粗さ(Ra)前記範囲とするのは、前記範囲未満では入射光の散乱効果が弱く、十分な光閉じ込め構造の実現が難しいからである。なお、このような凹凸形状は断面TEM(透過型電子顕微鏡)写真の画像処理や、AFM(原子間力顕微鏡)による表面形状測定により決定することができる(凹凸形状の決定方法は以下においても同様である)。   Here, it is desirable to form a concavo-convex structure (not shown) on the surface of the light-transmitting substrate 101 on which a thin film to be described later is formed. This uneven structure can function to further promote the light confinement effect described later. As a method of forming the uneven structure, there are an etching method, a blast method, and the like. The maximum height (Rmax) of the uneven shape is set to 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and further preferably 0.3 μm or more. The arithmetic mean roughness (Ra) of the uneven shape is set to 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more. If necessary, an additional etching process can be performed to obtain a desired uneven shape. As described above, the maximum height (Rmax) and the arithmetic average roughness (Ra) of the concavo-convex shape are set to the above-mentioned ranges, because the scattering effect of incident light is weak below the above ranges, and it is difficult to realize a sufficient light confinement structure. It is. In addition, such an uneven shape can be determined by image processing of a cross-sectional TEM (transmission electron microscope) photograph or surface shape measurement by AFM (atomic force microscope). Is).

次に、受光面側電極102となる透明導電膜を形成する。透明導電膜の材料としては、SnO、ITO、ZnOなどの公知の材料を用いることができるが、後工程でSi膜を形成する際に、SiHとHを使用することに起因した水素ガス雰囲気に曝されることになるので、耐還元性に優れるZnO膜を少なくとも最終表面として形成するのが望ましい。製膜方法としては、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法など公知の技術を用いることができる。受光面側電極102の膜厚は、反射防止効果と低抵抗化を考慮して60〜数100nm程度の範囲で調節する。このとき受光面側電極102の表面は、形成条件を調整して自生的な凹凸形状とする。この凹凸形状の最大高さ(Rmax)は0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、さらに好ましくは0.3μm以上に設定する。また、この凹凸形状の算術平均粗さ(Ra)は0.01μm以上、より好ましくは0.05μm以上に設定する。必要であれば適当なエッチング処理で所望の凹凸形状に追加工することもできる。凹凸形状の最大高さ(Rmax)及び算術平均粗さ(Ra)が前記範囲未満では入射光の散乱効果が弱く、十分な光閉じ込め構造の実現が難しい。 Next, a transparent conductive film to be the light receiving surface side electrode 102 is formed. As a material of the transparent conductive film, a known material such as SnO 2 , ITO, or ZnO can be used. However, when a Si film is formed in a later step, hydrogen caused by using SiH 4 and H 2 is used. Since it is exposed to a gas atmosphere, it is desirable to form a ZnO film having excellent reduction resistance at least as a final surface. Known techniques such as a CVD method, a vapor deposition method, an ion plating method, and a sputtering method can be used as a film forming method. The thickness of the light receiving surface side electrode 102 is adjusted in the range of about 60 to several hundreds nm in consideration of the antireflection effect and the reduction in resistance. At this time, the surface of the light receiving surface side electrode 102 is formed into a spontaneous uneven shape by adjusting the forming conditions. The maximum height (Rmax) of the uneven shape is set to 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and further preferably 0.3 μm or more. The arithmetic mean roughness (Ra) of the uneven shape is set to 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more. If necessary, an additional etching process can be performed to obtain a desired uneven shape. If the maximum height (Rmax) and the arithmetic average roughness (Ra) of the concavo-convex shape are less than the above ranges, the scattering effect of incident light is weak, and it is difficult to realize a sufficient light confinement structure.

次に、水素化非晶質シリコン膜を光活性層に含む第1の光電変換ユニットを形成する。製膜方法としては、プラズマCVD(PECVD)法や触媒CVD(Cat−CVD)法の他に、前述したCat−PECVD法を用いることができる。   Next, a first photoelectric conversion unit including the hydrogenated amorphous silicon film in the photoactive layer is formed. As the film forming method, the above-described Cat-PECVD method can be used in addition to the plasma CVD (PECVD) method and the catalytic CVD (Cat-CVD) method.

まず、一導電型半導体層103を形成する。すなわち、導電型決定元素を高濃度にドープしたワイドギャップを有するp型の非晶質Si層を前記受光面側電極102上に形成する。膜厚は2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素(例えばB(ボロン))濃度については1×1018〜1021/cm程度として、実質的にはp型とする。なお製膜時に用いるSiH、H、およびドーピング用ガスであるBなどのガスに加えてCHなどのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSi1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 First, the one conductivity type semiconductor layer 103 is formed. That is, a p-type amorphous Si layer having a wide gap and doped with a conductivity type determining element at a high concentration is formed on the light receiving surface side electrode 102. The thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm. The concentration of a doping element (for example, B (boron)) is set to about 1 × 10 18 to 10 21 / cm 3 , and is substantially a p + type. The Si x C 1-x film can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing C (carbon) such as CH 4 in addition to SiH 4 and H 2 used in forming the film and a gas such as B 2 H 6 as a doping gas. And is very effective in forming a window layer with small light absorption loss, and also effective in reducing a dark current component for improving an open circuit voltage. A similar effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen) in addition to C.

次に、前記一導電型半導体層3上に実質的にi型の光活性層104を形成する。この光活性層104については、Cat−PECVD法で製膜した既述の高品質・高光安定性の非晶質系Si膜を用いる。このとき、製膜条件は前述した条件内で選定することが好ましく、特にプラズマ励起周波数を60MHz、触媒体温度を1600〜1800℃、H/SiH流量比を5〜10、基板温度を200〜250℃、ガス圧力を133〜200Pa、RFパワー密度を0.1〜0.2W/cmと設定する。このような製膜条件とすることで、既述の高品質・高光安定性の非晶質系Si膜を2nm/secという高製膜速度で形成することができる。ここで、ノンドープ膜は、実際にはわずかにn型特性を示すのが通例であるので、この場合はp型化ドープ元素をわずかに含ませて実質的にi型となるように調整することができる。なお、内部電界強度分布の微調整を目的に、n型あるいはp型とする場合もある。 Next, a substantially i-type photoactive layer 104 is formed on the one conductivity type semiconductor layer 3. As the photoactive layer 104, the above-described high-quality and high-stable amorphous Si film formed by the Cat-PECVD method is used. At this time, it is preferable that the film forming conditions are selected within the above-mentioned conditions. In particular, the plasma excitation frequency is 60 MHz, the catalyst temperature is 1600 to 1800 ° C., the H 2 / SiH 4 flow ratio is 5 to 10, and the substrate temperature is 200. 250250 ° C., gas pressure 133133200 Pa, RF power density 0.10.10.2 W / cm 2 . Under such film forming conditions, the above-described high-quality, high-stable amorphous Si film can be formed at a high film forming rate of 2 nm / sec. Here, since the non-doped film generally shows a slight n-type characteristic, in this case, the non-doped film is adjusted to be substantially i-type by slightly including the p-type doping element. Can be. In some cases, for the purpose of fine adjustment of the internal electric field intensity distribution, an n - type or a p - type may be used.

実質的にi型の光活性層104の膜厚は0.5μm以下、より好ましくは0.3μm以下で形成することが望ましい。なぜなら、第2の光電変換ユニットに入射する光量が制限されるため、第2の光電変換ユニットの光電流の発生量が少なくなり、結果として、タンデム太陽電池としての特性が低下するからである。   It is desirable that the thickness of the substantially i-type photoactive layer 104 is 0.5 μm or less, more preferably 0.3 μm or less. This is because the amount of light incident on the second photoelectric conversion unit is limited, so that the amount of photocurrent generated by the second photoelectric conversion unit decreases, and as a result, the characteristics of the tandem solar cell deteriorate.

次いで、実質的にi型の光活性層104上に逆導電型半導体層105を形成する。すなわち、一導電型半導体層103とは反対の導電型(すなわちn型)の導電型決定元素(例えばP(リン))を高濃度にドープしたワイドギャップを有する非晶質Si層を形成する。膜厚は2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1021/cm程度として、実質的にはn型とする。なお製膜時に用いるSiH、H、およびドーピング用ガスであるPHなどのガスに加えてCHなどのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSi1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 Next, a reverse conductivity type semiconductor layer 105 is formed substantially on the i-type photoactive layer 104. That is, an amorphous Si layer having a wide gap, which is doped with a conductivity type determining element (for example, P (phosphorus)) of a conductivity type opposite to that of the one conductivity type semiconductor layer 103 (that is, n-type), is formed. The thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm. The doping element concentration is set to about 1 × 10 18 to 10 21 / cm 3 , and is substantially an n + type. In addition, if an appropriate amount of a gas containing C (carbon) such as CH 4 is mixed in addition to SiH 4 and H 2 used for film formation and a gas such as PH 3 as a doping gas, a Si x C 1-x film is obtained. As a result, it is possible to form a film with less light absorption loss, and it is also effective in reducing the dark current component for improving the open-circuit voltage. The same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing N (nitrogen) in addition to C.

なお、接合特性をより改善するために、p型層(またはn型層)と光活性層との間や光活性層とn型層(またはp型層)との間に実質的にi型の非単結晶Si層や非単結晶Si1−x層を挿入してもよい。このときの挿入層の厚さは0.5〜50nm程度とする。なぜなら、0.5nmより薄い場合は接合特性の改善効果が得られず、また、50nmより厚い場合はキャリア走行の障壁となることや、抵抗成分が無視できなくなること等の悪影響が生じるからである。 In order to further improve the junction characteristics, an i-type layer is substantially formed between the p-type layer (or n-type layer) and the photoactive layer or between the photoactive layer and the n-type layer (or p-type layer). non-single-crystal Si layer and the non-single-crystal Si x C 1-x layer may be inserted. At this time, the thickness of the insertion layer is about 0.5 to 50 nm. This is because if the thickness is less than 0.5 nm, the effect of improving the junction characteristics cannot be obtained, and if the thickness is more than 50 nm, adverse effects such as a barrier for carrier traveling and a non-negligible resistance component occur.

ここで、第1の光電変換ユニットと後に述べる第2の光電変換ユニットとの接合部において良好な再結合特性を実現するためには(つまりオーミックコンタクト的な電気的接続特性を実現するためには)、前記逆導電型半導体層105と後記一導電型半導体層107において、少なくとも両者が接する部分では結晶化率を高めておくことが望ましい。このとき結晶化率を60%以上とするとトンネル接合特性が得られ、良好な逆接合再結合特性を実現することができる。なお、該結晶質逆接合は、逆導電型半導体層105に続いて同一導電型の微結晶Si層を5〜30nm程度形成し、続いて逆導電型の微結晶Si層を5〜30nm程度形成し、続いて一導電型半導体層107を形成する、というように、逆導電型半導体層105と一導電型半導体層107とは独立に専用の結晶質Si層を挿入して形成してもよい(不図示)。   Here, in order to realize good recombination characteristics at the junction between the first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit described later (that is, in order to realize ohmic contact-like electrical connection characteristics, It is desirable to increase the crystallization ratio in at least a portion where the opposite conductivity type semiconductor layer 105 and the later-described one conductivity type semiconductor layer 107 are in contact with each other. At this time, if the crystallization ratio is set to 60% or more, tunnel junction characteristics can be obtained, and good reverse junction recombination characteristics can be realized. Note that the crystalline reverse junction is formed by forming a microcrystalline Si layer of the same conductivity type about 5 to 30 nm following the reverse conductivity type semiconductor layer 105 and subsequently forming a microcrystalline Si layer of the opposite conductivity type about 5 to 30 nm. Then, the one-conductivity-type semiconductor layer 107 may be formed, for example, by inserting a dedicated crystalline Si layer independently of the opposite-conductivity-type semiconductor layer 105 and the one-conductivity-type semiconductor layer 107. (Not shown).

また、第1の光電変換ユニットと第2の光電変換ユニットの間のオーミックコンタクト的な電気的接続特性を実現させるためには、透明導電膜、薄い金属層、あるいは薄いシリサイド層(Siと金属の合金層)を導電性の中間層106として挿入する方法も用いることができる。ここで透明導電膜を用いる場合は、この透明導電膜の存在によって光学的効果(反射及び透過特性)をも導入することができるので高効率化の点で非常に優れている。すなわち、該透明導電膜厚を調整することによって、短波長光は該透明導電膜で反射させて第1の光電変換ユニットに優先的に再入射させ、また長波長光は反射防止効果と同じ原理によって第2の光電変換ユニットに優先的に閉じ込めることができ、光エネルギーのより効率的な光電変換が可能となるのである。また、この中間層を用いることで第1の光電変換ユニットの光活性層の膜厚を薄くすることが可能となり、特に光劣化のある材料である非晶質シリコンを光活性層とした光電変換ユニットの光劣化低減に有効である。   Further, in order to realize an ohmic contact electrical connection characteristic between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit, a transparent conductive film, a thin metal layer, or a thin silicide layer (of Si and metal) An alloy layer) may be inserted as the conductive intermediate layer 106. Here, when a transparent conductive film is used, an optical effect (reflection and transmission characteristics) can be introduced by the presence of the transparent conductive film, so that the use of the transparent conductive film is extremely excellent in terms of high efficiency. That is, by adjusting the thickness of the transparent conductive film, short-wavelength light is reflected by the transparent conductive film and re-enters the first photoelectric conversion unit preferentially. Accordingly, the second photoelectric conversion unit can be preferentially confined to the second photoelectric conversion unit, and more efficient photoelectric conversion of light energy becomes possible. The use of this intermediate layer makes it possible to reduce the thickness of the photoactive layer of the first photoelectric conversion unit. This is effective for reducing light deterioration of the unit.

透明導電膜の材料としては金属酸化物材料としてのSnO、ITO、ZnO、TiOなどの他に、シリコン酸化物材料、シリコン炭化物材料、シリコン窒化物材料、ダイヤモンドライクカーボン等の炭素材料などを用いることができる。製膜方法としては、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、およびゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。必要であれば適当なドープ元素を含んだ材料を製膜時に製膜原料に混ぜることよって導電性を付与して制御することができる。 Examples of the material of the transparent conductive film include carbon materials such as silicon oxide materials, silicon carbide materials, silicon nitride materials, and diamond-like carbon in addition to SnO 2 , ITO, ZnO, and TiO 2 as metal oxide materials. Can be used. As the film forming method, a known technique such as a CVD method, an evaporation method, an ion plating method, a sputtering method, and a sol-gel method can be used. If necessary, conductivity can be imparted and controlled by adding a material containing an appropriate doping element to a film forming material during film formation.

膜厚は材質によっても異なるが、10nm〜300nm程度で適宜調節する。   The film thickness varies depending on the material, but is appropriately adjusted at about 10 nm to 300 nm.

このとき中間層106の表面のうち、少なくとも1つの光電変換ユニットと接する表面は凹凸形状とすることが望ましい。第2の光電変換ユニットとの界面に凹凸形状を形成するには、中間層106の形成条件を調整して自生的な凹凸形状とする。必要であれば適当なエッチング処理で所望の凹凸形状に追加工することもできる。また、第1の光電変換ユニットを形成する面(受光面側電極102)の凹凸形状を引き継ぐ形で第1の光電変換ユニットを形成することで、第1の光電変換ユニットとの界面に凹凸形状を形成することができる。この凹凸形状の最大高さ(Rmax)は0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、さらに好ましくは0.3μm以上に設定する。また、この凹凸形状の算術平均粗さ(Ra)は0.01μm以上、より好ましくは0.05μm以上に設定する。なぜなら凹凸形状の最大高さ(Rmax)及び算術平均粗さ(Ra)が前記範囲未満では入射光の散乱効果が弱く、十分な光閉じ込め構造の実現が難しいからである。 At this time, among the surfaces of the intermediate layer 106, it is desirable that the surface in contact with at least one photoelectric conversion unit has an uneven shape. In order to form an uneven shape on the interface with the second photoelectric conversion unit, the formation condition of the intermediate layer 106 is adjusted to obtain a spontaneous uneven shape. If necessary, an additional etching process can be performed to obtain a desired uneven shape. In addition, by forming the first photoelectric conversion unit so as to take over the uneven shape of the surface (light receiving surface side electrode 102) on which the first photoelectric conversion unit is formed, the uneven shape is formed at the interface with the first photoelectric conversion unit. Can be formed. The maximum height (Rmax) of the uneven shape is set to 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and further preferably 0.3 μm or more. The arithmetic mean roughness (Ra) of the uneven shape is set to 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more. This is because if the maximum height (Rmax) and the arithmetic average roughness (Ra) of the concavo-convex shape are less than the above ranges, the scattering effect of incident light is weak and it is difficult to realize a sufficient light confinement structure.

次に、第2の光電変換ユニットを形成する。   Next, a second photoelectric conversion unit is formed.

まず、逆導電型半導体層105とは、反対の導電型(すなわちp型)の一導電型半導体層107を形成する。すなわち導電型決定元素を高濃度にドープした微結晶Si層を前記中間層106上に形成する。膜厚は10〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1×1021/cm程度として、実質的にはp型とする。なお、製膜時に用いるSiH、H、およびドーピング用ガスであるBなどのガスに加えてCHなどのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSi1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 First, a semiconductor layer 107 of one conductivity type opposite to the conductivity type of the semiconductor layer 105 (that is, p-type) is formed. That is, a microcrystalline Si layer doped with a conductivity type determining element at a high concentration is formed on the intermediate layer 106. The thickness is adjusted in the range of about 10 to 100 nm. The doping element concentration is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 , and is substantially a p + -type. Incidentally, it used during film SiH 4, H 2, and when an appropriate mixture of gas containing C (carbon), such as CH 4 in addition to the gas such as B 2 H 6 is a doping gas Si x C 1-x A film is obtained, which is very effective for forming a window layer with small light absorption loss, and also effective for reducing a dark current component for improving an open circuit voltage. The same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing N (nitrogen) in addition to C.

次に、前記一導電型半導体層107上に、実質的にi型のSi光活性層108を形成する。Si光活性層108については、Cat−PECVD法を用いて形成された既述の高品質・高光安定性の非晶質系シリコン膜を用いる場合は膜厚を0.5〜1μm程度の範囲で調節し、微結晶シリコン膜に代表される結晶質Si膜を用いる場合は膜厚を1〜3μm程度で調整することが望ましい。このとき、既述の高品質・高光安定性の非晶質系Si膜を用いる場合は、プラズマ励起周波数を60MHz、触媒体温度を1600〜2000℃、H/SiH流量比を5〜10、基板温度を200〜250℃、ガス圧力を133〜200Pa、およびVHFパワー密度を0.1〜0.3W/cmの製膜条件とし、光学的バンドギャップは第1の光活性層と同等もしくは第1の光活性層より小さくするのが望ましい。光学的バンドギャップの調整については既述した通りである。結晶質系Si膜を用いる場合は、前記条件に対して、H/SiH流量比を5〜20、ガス圧力を200〜665Pa、VHFパワー密度を0.2〜0.5W/cmとする。このような製膜条件とすることで、既述の高品質・高光安定性の非晶質系Si膜、あるいは結晶質系Si膜を2nm/secという高製膜速度で形成することができる。ここで、ノンドープ膜は実際にはわずかにn型特性を示すのが通例であるので、この場合はp型化ドープ元素をわずかに含ませて実質的にi型となるように調整することができる。なお、内部電界強度分布の微調整を目的に、n型あるいはp型とする場合もある。また、該光活性層108に前記結晶質Si膜を用いる場合は、膜構造として、(110)面配向の柱状結晶粒の集合体として製膜後の表面形状が光閉じ込めに適した自生的な凹凸構造となるようにするのが望ましい。 Next, a substantially i-type Si photoactive layer 108 is formed on the one conductivity type semiconductor layer 107. For the Si photoactive layer 108, when using the above-mentioned high-quality and photostable amorphous silicon film formed by using the Cat-PECVD method, the film thickness is adjusted in the range of about 0.5 to 1 μm. When a crystalline Si film typified by a microcrystalline silicon film is used, it is desirable to adjust the film thickness to about 1 to 3 μm. At this time, when using the above-mentioned high-quality and high-stable amorphous Si film, the plasma excitation frequency is 60 MHz, the catalyst temperature is 1600 to 2000 ° C., and the H 2 / SiH 4 flow ratio is 5 to 10 μm. The substrate temperature was set to 200 to 250 ° C., the gas pressure was set to 133 to 200 Pa, the VHF power density was set to 0.1 to 0.3 W / cm 2 , and the optical band gap was equal to or equal to that of the first photoactive layer. It is desirable that the size be smaller than the photoactive layer. The adjustment of the optical band gap is as described above. When a crystalline Si film is used, the flow rate ratio of H 2 / SiH 4 is 5 to 20, the gas pressure is 200 to 665 Pa, and the VHF power density is 0.2 to 0.5 W / cm 2 . Under such film forming conditions, the above-described high-quality, high-stable amorphous Si film or crystalline Si film can be formed at a high film forming rate of 2 nm / sec. Here, since the non-doped film usually actually shows a slight n-type characteristic, in this case, it is necessary to include a small amount of the p-type doping element and adjust the film to be substantially i-type. it can. In some cases, for the purpose of fine adjustment of the internal electric field intensity distribution, an n - type or a p - type may be used. In the case where the crystalline Si film is used for the photoactive layer 108, the film structure is an aggregate of (110) -oriented columnar crystal grains, and the surface shape after film formation is a spontaneous suitable for light confinement. It is desirable to have an uneven structure.

次いで、実質的にi型のシリコン光活性層108上に逆導電型半導体層109を形成する。すなわち、一導電型半導体層107とは反対の導電型(すなわちn型)の導電型決定元素を高濃度にドープした非晶質シリコン層または微結晶Si層を形成する。膜厚は2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1×1021/cm程度として、実質的にはn型とする。なお製膜時に用いるSiH、H、およびドーピング用ガスであるPHなどのガスに加えてCHなどのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSi1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 Next, a reverse conductivity type semiconductor layer 109 is formed substantially on the i-type silicon photoactive layer. That is, an amorphous silicon layer or a microcrystalline Si layer in which a conductive type determining element having a conductivity type opposite to that of the one conductivity type semiconductor layer 107 (that is, n-type) is heavily doped is formed. The thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm. The doping element concentration is set to about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 , and is substantially n + type. In addition, if an appropriate amount of a gas containing C (carbon) such as CH 4 is mixed in addition to SiH 4 and H 2 used for film formation and a gas such as PH 3 as a doping gas, a Si x C 1-x film is obtained. As a result, it is possible to form a film with less light absorption loss, and it is also effective in reducing the dark current component for improving the open-circuit voltage. A similar effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen) in addition to C.

なお、接合特性をより改善するために、p型層(n型層)と光活性層との間や光活性層とn型層(p型層)との間に実質的にi型の非単結晶Si層や非単結晶Si1−x層を挿入してもよい。このときの挿入層の厚さは0.5〜50nm程度とする。 In order to further improve the junction characteristics, an i-type non-conductive layer is formed between the p-type layer (n-type layer) and the photoactive layer or between the photoactive layer and the n-type layer (p-type layer). the single-crystal Si layer and the non-single-crystal Si x C 1-x layer may be inserted. At this time, the thickness of the insertion layer is about 0.5 to 50 nm.

また、逆導電型半導体層109の形成条件は微結晶Si光活性層108の表面に形成した光閉じ込めに適した自生的な凹凸構造を残すような条件となるようにするのが望ましい。前述した微結晶Si光活性層108及び逆導電型半導体層109の形成条件により、第2の光電変換ユニットと後述するこの上に形成される第2の電極の界面を凹凸形状とすることができる。この凹凸形状の最大高さ(Rmax)は0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、さらに好ましくは0.3μm以上に設定する。また、この凹凸形状の算術平均粗さ(Ra)は0.01μm以上、より好ましくは0.05μm以上に設定する。凹凸形状の最大高さ(Rmax)及び算術平均粗さ(Ra)が前記範囲未満では入射光の散乱効果が弱く、十分な光閉じ込め構造の実現が難しい。 Further, it is preferable that the formation condition of the opposite conductivity type semiconductor layer 109 is such that a spontaneous uneven structure suitable for light confinement formed on the surface of the microcrystalline Si photoactive layer 108 is left. By the formation conditions of the microcrystalline Si photoactive layer 108 and the opposite conductivity type semiconductor layer 109 described above, the interface between the second photoelectric conversion unit and a second electrode formed above, which will be described later, can be made uneven. . The maximum height (Rmax) of the uneven shape is set to 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and further preferably 0.3 μm or more. The arithmetic mean roughness (Ra) of the uneven shape is set to 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more. If the maximum height (Rmax) and the arithmetic average roughness (Ra) of the concavo-convex shape are less than the above ranges, the scattering effect of incident light is weak, and it is difficult to realize a sufficient light confinement structure.

次に、第2の電極である裏面側電極111となる金属膜を形成する。金属材料としては、導電特性および光反射特性に優れるAl(アルミニウム)、Ag(銀)などを用いるのが望ましい。製膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スクリーン印刷法などの公知の技術を使用できる。例えばAgをスパッタリング法によりシート抵抗が1Ω/□程度以下となるように適当な膜厚に堆積する。具体的には1μm程度堆積するとシート抵抗0.1Ω/□以下が実現される。   Next, a metal film to be the back electrode 111 as a second electrode is formed. As the metal material, it is desirable to use Al (aluminum), Ag (silver), or the like, which has excellent conductivity and light reflection properties. As the film forming method, known techniques such as an evaporation method, a sputtering method, an ion plating method, and a screen printing method can be used. For example, Ag is deposited by a sputtering method to an appropriate film thickness such that the sheet resistance becomes about 1 Ω / □ or less. Specifically, a sheet resistance of 0.1 Ω / □ or less can be realized by depositing about 1 μm.

必要に応じて、第2の光電変換ユニットと裏面側電極111の間に、透明導電層110を形成する。この透明導電層110は第2の光電変換ユニットで吸収されなかった入射光を反射させ、再度第2の光電変換ユニットに入射させて、第2の光電変換ユニットでの発電に寄与させるために有効である。透明導電層110の材料としては金属酸化物材料としてのSnO、ITO、ZnO、TiOなどの他に、シリコン酸化物材料、シリコン炭化物材料、シリコン窒化物材料、ダイヤモンドライクカーボン等の炭素材料などを用いることができる。製膜方法としては、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、およびゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。必要であれば適当なドープ元素を含んだ材料を製膜時に製膜原料に混ぜることよって導電性を付与して制御することができる。 As necessary, a transparent conductive layer 110 is formed between the second photoelectric conversion unit and the back surface side electrode 111. The transparent conductive layer 110 is effective for reflecting incident light that has not been absorbed by the second photoelectric conversion unit and causing it to be incident again on the second photoelectric conversion unit, thereby contributing to power generation in the second photoelectric conversion unit. It is. Examples of the material of the transparent conductive layer 110 include carbon materials such as silicon oxide materials, silicon carbide materials, silicon nitride materials, and diamond-like carbon, in addition to SnO 2 , ITO, ZnO, and TiO 2 as metal oxide materials. Can be used. As the film forming method, a known technique such as a CVD method, an evaporation method, an ion plating method, a sputtering method, and a sol-gel method can be used. If necessary, conductivity can be imparted and controlled by adding a material containing an appropriate doping element to a film forming material during film formation.

膜厚は材質によっても異なるが、10nm〜100nm程度で適宜調節する。   Although the film thickness varies depending on the material, it is appropriately adjusted at about 10 nm to 100 nm.

このとき裏面側電極111と接する表面は凹凸形状とすることが望ましい。凹凸形状を形成するには、透明導電層110の形成条件を調整して自生的な凹凸形状とする。必要であれば適当なエッチング処理で所望の凹凸形状に追加工することもできる。また、第2の光電変換ユニットで形成された凹凸形状を引き継ぐ形で透明導電層110を形成することでも凹凸形状を形成することができる。 At this time, it is desirable that the surface in contact with the back side electrode 111 has an uneven shape. In order to form the uneven shape, the formation condition of the transparent conductive layer 110 is adjusted to obtain a spontaneous uneven shape. If necessary, an additional etching process can be performed to obtain a desired uneven shape. Alternatively, the uneven shape can be formed by forming the transparent conductive layer 110 so as to take over the uneven shape formed by the second photoelectric conversion unit.

この凹凸形状の最大高さ(Rmax)は0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、さらに好ましくは0.3μm以上に設定する。また、この凹凸形状の算術平均粗さ(Ra)は0.01μm以上、より好ましくは0.05μm以上に設定する。凹凸形状の最大高さ(Rmax)及び算術平均粗さ(Ra)が前記範囲未満では入射光の散乱効果が弱く、十分な光閉じ込め構造の実現が難しい。   The maximum height (Rmax) of the uneven shape is set to 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and further preferably 0.3 μm or more. The arithmetic mean roughness (Ra) of the uneven shape is set to 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more. If the maximum height (Rmax) and the arithmetic average roughness (Ra) of the concavo-convex shape are less than the above ranges, the scattering effect of incident light is weak, and it is difficult to realize a sufficient light confinement structure.

表面側の取出電極112及び裏面側の取出電極113については、例えばAl、Ag等を受光面側電極102上に真空成膜技術、プリント及び焼成技術、さらに、メッキ技術等を用いて形成することができる。   The extraction electrode 112 on the front side and the extraction electrode 113 on the back side, for example, Al, Ag, etc. may be formed on the light receiving surface side electrode 102 using a vacuum film forming technique, a printing and baking technique, and a plating technique. Can be.

<素子特性>
以上によって作製された素子の特性(初期特性及び光照射試験後の特性あるいは変化率)を表1に従来例と比較して示す。ここで、光照射試験は、温度48±2℃のもとで、AM1.5の擬似太陽光(ソーラーシミュレーター光)を、100mW/cmの光照射強度にて連続200時間照射する条件で行なうものとし、表1における安定化効率とは、該光照射試験後に測定した効率のことである。なお、本表に示した素子は、第2の光電変換ユニットの光活性層108を微結晶Si膜で形成した場合のものである。
<Device characteristics>
Table 1 shows the characteristics (initial characteristics and characteristics or rate of change after the light irradiation test) of the element manufactured as described above in comparison with the conventional example. Here, the light irradiation test is performed under the conditions of irradiating AM1.5 pseudo sunlight (solar simulator light) at a light irradiation intensity of 100 mW / cm 2 for 200 hours at a temperature of 48 ± 2 ° C. The stabilization efficiency in Table 1 means the efficiency measured after the light irradiation test. Note that the elements shown in this table are obtained when the photoactive layer 108 of the second photoelectric conversion unit is formed using a microcrystalline Si film.

表1から分かるように、本発明素子では、既述の高品質・高光安定性の非晶質Si膜を用いたことで、高製膜速度で光活性層104を形成したにもかかわらず高い初期変換効率を有しており、特に光劣化率については従来素子よりも極めて低く7%以下の値にまで大幅に低減された特性を示している。また同表より、ラマンピーク強度比TA/TOが0.35以下、あるいはTO帯半値幅が65cm−1以下である場合に低い光劣化率が得られていることもわかる。 As can be seen from Table 1, in the device of the present invention, the use of the above-described high-quality and high-stable amorphous Si film makes it possible to form the photoactive layer 104 at a high film-forming rate, but the photo-active layer 104 is high. It has an initial conversion efficiency, and particularly shows a characteristic that the light deterioration rate is extremely lower than that of the conventional device and is greatly reduced to a value of 7% or less. The table also shows that a low photodegradation rate is obtained when the Raman peak intensity ratio TA / TO is 0.35 or less, or the TO band half width is 65 cm -1 or less.

以上により、本発明のSi膜が高品質、且つ高光安定性を有していることがデバイス特性からも実証された。   From the above, it has been proved from the device characteristics that the Si film of the present invention has high quality and high light stability.

<光発電装置>
上述した光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段からの発電電力を負荷へ供給するように成した光発電装置とすることができる。すなわち、上述した光電変換装置を1以上(複数の光電変換装置の場合、これらを直列、並列または直並列に)接続したものを発電手段として用い(複数の光電変換装置の場合、これらを直列、並列または直並列に接続したものを発電手段として用い)、この発電手段から直接、直流負荷へ発電電力を供給するようにしてもよい。
<Photovoltaic device>
A photovoltaic device can be provided in which the above-described photoelectric conversion device is used as power generation means, and power generated from the power generation means is supplied to a load. That is, one or more of the above-described photoelectric conversion devices (in the case of a plurality of photoelectric conversion devices, these are connected in series, in parallel, or in series-parallel) are used as power generation means (in the case of a plurality of photoelectric conversion devices, these are connected in series, What is connected in parallel or series-parallel is used as the power generating means), and the generated power may be supplied directly to the DC load.

また、上述した発電手段の直流の発電電力をインバータなどの電力変換手段により発電電力を適当な交流電力に変換させるようにして、この変換した電力を商用電源系統や各種の電気機器などの交流負荷に供給することが可能な光発電装置を構成してもよい。   In addition, the DC power generated by the above-described power generation means is converted into appropriate AC power by power conversion means such as an inverter, and the converted power is converted into an AC load such as a commercial power supply system or various electric devices. A photovoltaic device that can be supplied to

さらに、このような光発電装置を日当たりのよい建物の屋根や壁等に設置するなどして、各種態様の太陽光発電システム等の光発電装置として利用することも可能である。   Further, such a photovoltaic device can be used as a photovoltaic device such as a photovoltaic power generation system of various modes by installing the photovoltaic device on a roof or a wall of a sunny building.

<一般化>
以上、本発明の実施形態を例示したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができる。
<Generalization>
As described above, the embodiment of the present invention has been exemplified, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be in any form without departing from the object of the invention.

以上の実施形態の説明では、本発明の非晶質系Si膜を、光電変換ユニットが2つあるタンデム型の太陽電池に対して適用した例について説明したが、光電変換ユニットが3つあるトリプル接合型の太陽電池(不図示)、さらにはそれ以上の数の半導体接合を有する多接合型の太陽電池(不図示)においても適用することができ、同様の効果を得ることができる。この場合、2つ以上の光活性層、さらに好ましくは全ての光活性層を本発明の非晶質系Si膜とすることで、高効率・高光安定性の太陽電池が期待される。また、この光電変換ユニットが2つ以上積層された太陽電池においては、光が入射する表面側に位置する光電変換ユニットの光活性層の光学的バンドギャップを、該光電変換ユニットより裏面側に位置する光電変換ユニットの光活性層の光学的バンドギャップより大きくすることで、光吸収が有効に行なわれる。   In the above description of the embodiment, an example in which the amorphous Si film of the present invention is applied to a tandem solar cell having two photoelectric conversion units has been described, but a triple having three photoelectric conversion units has been described. The present invention can be applied to a junction type solar cell (not shown) and further to a multi-junction type solar cell (not shown) having a larger number of semiconductor junctions, and similar effects can be obtained. In this case, a solar cell with high efficiency and high photostability can be expected by using two or more photoactive layers, more preferably all the photoactive layers, as the amorphous Si film of the present invention. In a solar cell in which two or more photoelectric conversion units are stacked, the optical band gap of the photoactive layer of the photoelectric conversion unit located on the front side where light is incident is positioned on the back side of the photoelectric conversion unit. By making the optical band gap larger than the optical band gap of the photoactive layer of the photoelectric conversion unit, light absorption is effectively performed.

また、光入射側の光活性層としては従来例の非晶質Siとすることも可能である。   Further, as the photoactive layer on the light incident side, amorphous Si of a conventional example can be used.

また、裏面側の光電変換ユニットとして半導体基板を用いた光電変換ユニットとすることも可能である。この場合、半導体基板としては、単結晶Si基板、多結晶Si基板、GaAs基板等が利用可能である。   Further, a photoelectric conversion unit using a semiconductor substrate can be used as the photoelectric conversion unit on the back side. In this case, as the semiconductor substrate, a single crystal Si substrate, a polycrystalline Si substrate, a GaAs substrate, or the like can be used.

また以上の実施形態説明では、半導体接合層pinが受光面側からpinの順で形成した太陽電池について説明したが、受光面側からnipの順で形成した太陽電池についても同様の効果が得られる。   Further, in the above description of the embodiment, the solar cell in which the semiconductor bonding layer pin is formed in the order of pin from the light receiving surface side has been described. However, the same effect can be obtained with the solar cell formed in the order of nip from the light receiving surface side. .

また、光が基板側から入射するスーパーストレート型太陽電池について説明したが、光が半導体膜側から入射するサブストレート型太陽電池(不図示)に対しても同様の効果が得られる。なお、サブストレート型とした場合は、基板は透光性基板に限定されるものではなくステンレスなどの不透光性基板を用いてもよく、また第1の電極は金属材料とし、第2の電極は透光性材料とする。また、基板が第1の電極を兼ねるようにすることも可能である。   Further, the superstrate type solar cell in which light is incident from the substrate side has been described, but the same effect can be obtained for a substrate type solar cell (not shown) in which light is incident from the semiconductor film side. In the case of a substrate type, the substrate is not limited to a light-transmitting substrate, but may be a non-light-transmitting substrate such as stainless steel. The electrodes are made of a light-transmitting material. It is also possible that the substrate also serves as the first electrode.

また、本発明の非晶質系Si膜を、PECVD法の一種であるCat−PECVD法を用いて形成した場合について説明したが、製法はこれに限るものではなく、製膜条件を調節することによる従来のPECVD法での形成可能性を排除するものではない。また同じく製膜条件を調節することによるCat−CVD法(触媒CVD法)等に代表されるPECVD法以外のCVD法での形成可能性を排除するものではない。   Further, the case where the amorphous Si film of the present invention is formed by using the Cat-PECVD method, which is a kind of the PECVD method, has been described. However, the manufacturing method is not limited to this, and the film forming conditions may be adjusted. However, this does not exclude the possibility of formation by the conventional PECVD method. In addition, the possibility of forming by a CVD method other than the PECVD method typified by the Cat-CVD method (catalytic CVD method) by adjusting the film forming conditions is not excluded.

また、光電変換素子の光活性層にCat−PECVD法で形成した高品質・高光安定性の非晶質系Si膜を用いた例について説明したが、同等の膜特性を有する非晶質系Si膜が得られさえすれば特にCat−PECVD法に限定する必要はなく他のCVD法を用いてもよい。   In addition, although an example in which a high-quality and high-stable amorphous Si film formed by a Cat-PECVD method is used for the photoactive layer of the photoelectric conversion element has been described, the amorphous Si film having the same film characteristics is used. As long as a film can be obtained, there is no particular limitation to the Cat-PECVD method, and another CVD method may be used.

また、本発明の非晶質系Si膜は、太陽電池以外にも、フォトダイオードや、フォトトランジスタ、光センサ、等の光電変換装置一般に適用可能である。   Further, the amorphous Si film of the present invention can be applied to photoelectric conversion devices such as photodiodes, phototransistors, and optical sensors in addition to solar cells.

<まとめ>
以上のように、本発明の光電変換装置は、光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えるとともに、前記光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比ITA/ITOが0.35以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成したので、従来に比してSROが大幅に改善され、低欠陥密度且つ高光安定性を有した光活性層とすることができることから、高い信頼性を確保できる高効率な多層型薄膜太陽電池等の光電変換装置を提供することができる。
<Summary>
As described above, the photoelectric conversion device of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer as a stacked body, and the Raman scattering of the photoactive layer of at least one of the photoelectric conversion units. The ratio of the TA mode scattering peak intensity I TA to the TO mode scattering peak intensity I TO obtained from the spectrum, I TA / I TO is 0.35 or less. Provided is a highly efficient photoelectric conversion device such as a multi-layer thin-film solar cell or the like which can ensure high reliability because the SRO can be significantly improved and a photoactive layer having low defect density and high light stability can be obtained. Can be.

また、本発明の光電変換装置は、光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えるとともに、前記光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成したので、従来に比してSROが大幅に改善され、低欠陥密度且つ高光安定性を有した光活性層とすることができることから、高い信頼性を確保できる高効率な多層型薄膜太陽電池等の光電変換装置を提供することができる。 In addition, the photoelectric conversion device of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer as a laminate, and obtains a photoactive layer of at least one of the photoelectric conversion units from a Raman scattering spectrum. Since the half-width of the scattering peak of the TO mode to be obtained is made of an amorphous silicon semiconductor thin film having a half value width of 65 cm -1 or less, the SRO has been greatly improved as compared with the related art, and a low defect density and high light stability have been obtained. Since a photoactive layer can be used, a highly efficient photoelectric conversion device such as a multilayer thin-film solar cell that can ensure high reliability can be provided.

さらに、本発明の光発電装置によれば、本発明の光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことより、高効率の光発電装置を提供することができる。   Further, according to the photovoltaic device of the present invention, the photoelectric conversion device of the present invention is used as power generating means, and the power generated by the power generating means is supplied to the load, thereby providing a high-efficiency photovoltaic device. can do.

本発明の多層型薄膜シリコン系太陽電池の一実施形態を模式的に示す断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which shows typically one Embodiment of the multilayer type thin film silicon solar cell of this invention.

符号の説明Explanation of reference numerals

101:透光性基板
102:受光面側電極
103:一導電型半導体層
104:非晶質系Si光活性層
105:逆導電型半導体層
106:中間層
107:一導電型半導体層
108:Si光活性層
109:逆導電型半導体層
110:透明導電層
111:裏面側電極
112,113:取出電極
101: Translucent substrate
102: Light receiving surface side electrode
103: One conductivity type semiconductor layer
104: Amorphous Si photoactive layer
105: reverse conductivity type semiconductor layer
106: Middle class
107: One conductivity type semiconductor layer
108: Si photoactive layer
109: reverse conductivity type semiconductor layer
110: Transparent conductive layer
111: Back side electrode
112, 113: extraction electrode

Claims (4)

光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えるとともに、前記複数の光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度に対するTAモードの散乱ピーク強度の比が0.35以下の非晶質系シリコン半導体薄膜で構成したことを特徴とする光電変換装置。 A plurality of photoelectric conversion units each having a photoactive layer are provided as a laminate, and the photoactive layer of at least one photoelectric conversion unit among the plurality of photoelectric conversion units is provided with a TO mode scattering peak intensity obtained by a Raman scattering spectrum. A photoelectric conversion device comprising an amorphous silicon semiconductor thin film having a TA mode scattering peak intensity ratio of 0.35 or less. 光活性層を有する光電変換ユニットの複数を積層体として備えるとともに、前記複数の光電変換ユニットのうち少なくとも1つの光電変換ユニットの光活性層を、ラマン散乱スペクトルより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下である非晶質系シリコン半導体薄膜で構成したことを特徴とする光電変換装置。 A plurality of photoelectric conversion units having a photoactive layer are provided as a laminate, and the photoactive layer of at least one of the plurality of photoelectric conversion units is set to a half of a TO mode scattering peak obtained from a Raman scattering spectrum. A photoelectric conversion device comprising an amorphous silicon semiconductor thin film having a value width of 65 cm -1 or less. 前記複数の光電変換ユニットのうち2つの光電変換ユニットにおいて、光入射側に位置する一方の光電変換ユニットの光活性層の光学的バンドギャップが、他方の光電変換ユニットの光活性層の光学的バンドギャップより大きいことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光電変換装置。 In two of the plurality of photoelectric conversion units, the optical band gap of the photoactive layer of one of the photoelectric conversion units located on the light incident side is the optical band of the photoactive layer of the other photoelectric conversion unit. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is larger than the gap. 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光電変換装置を発電手段として用い、該発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことを特徴とする光発電装置。 A photovoltaic device using the photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3 as power generation means, and supplying power generated by the power generation means to a load.
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