JP2936269B2 - アモルファス太陽電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高効率アモルファス太陽電池の素子構造に
関する。

［従来の技術］ アモルファスシリコンとその合金が低コスト薄膜太陽
電池の構成材料として注目されている。しかし、これら
の材料を用いた太陽電池を屋外で長時間使用すること、
光電変換効率がしだいに低下することがStaebler−Wron
ski効果として良く知られている。この光劣化を軽減す
ることが大電力アモルファス太陽電池の実用化にとって
最も重要な課題となっている。

さて、１つのｐ−ｉ−ｎ接合を有するシングル接合ア
モルファス太陽電池では、ｉ層を薄くすることが光劣化
の軽減にとって効果的であることが知られている。しか
しながら、光活性層であるｉ層を薄くすることは、この
ｉ層での光吸収量ひいては電池の発生電流を低下させ、
光電変換効率の低下を招くことになる。そこで、薄いｉ
層を含む複数のｐ−ｉ−ｎ接合を積層形成し、各接合間
をオーミック接続したいわゆるタンデム型太陽電池の採
用が考えられる。

第４図は、２つのｐ−ｉ−ｎ接合を有する従来の２段
タンデム型アモルファス太陽電池の断面模式図である。

まず、ガラス基板（２）上に透明電極層（４）が形成
される。この透明電極層（４）の上にｐ型アモルファス
半導体層（11）、ｉ型アモルファス半導体層（12）及び
ｎ型アモルファス半導体層（13）を順次成膜してｐ−ｉ
−ｎ接合（10）を形成する。更にこの上にｐ層（21）、
ｉ層（22）及びｎ層（23）を順次成膜して２段目のｐ−
ｉ−ｎ接合（20）を形成する。両ｐ−ｉ−ｎ接合（10,2
0）の部分は、例えばいずれもアモルファスシリコンで
構成される。２段目のｐ−ｉ−ｎ接合（20）の更に上に
裏面外部電極層（40）が形成される。この裏面外部電極
層（40）は、通例不透明体で構成される。

両ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20）には、ガラス基板（２）
及び透明電極層（４）を順次通して光線が入射する。入
射側接合（10）のｎ層（13）と裏面側接合（20）のｐ層
（21）との間はオーミック接触であって、両接合（10,2
0）が直列接続されている。したがって、透明電極層
（４）と裏面外部電極層（40）との間に両接合（10,2
0）の光起電力の和が開放電圧として現れる。

この２段タンデム型アモルファス太陽電池では、光電
変換効率の向上と光劣化の軽減との実現が可能である。
すなわち、この太陽電池では、各接合（10,20）のｉ層
（12,22）の膜厚の和を前記シングル接合太陽電池の場
合のｉ層最適膜厚である400〜700nmと同程度以上にして
光電変換効率の向上をはかることができる。この際、各
ｉ層（12,22）の膜厚シングル接合の場合のｉ層より小
さくすることができ、光劣化の軽減が実現可能である。
なお、ｐ層（11,21）及びｎ層（13,23）の膜厚は、シン
グル接合の場合と同程度の10〜50nm程度である。

第５図は、３つのｐ−ｉ−ｎ接合有する従来の３段タ
ンデム型アモルファス太陽電池の断面模式図である。

この太陽電池では、２段目のｐ−ｉ−ｎ接合（20）の
上にｐ層（31）、ｉ層（32）及びｎ層（33）を順次成膜
して３段目のｐ−ｉ−ｎ接合（30）を形成した上で裏面
外部電極層（40）を形成している。したがって、３つの
ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20,30）が直列接続される。各接合
のｉ層（12,22,32）は、光入射側ほど薄くしている。こ
れらのｉ層（12,22,32）の膜厚は、２段タンデム型の場
合に比べていずれも小さくなっており、光劣化の軽減効
果が大きい。

［発明が解決しようとする課題］ 以上に説明した従来のタンデム型アモルファス太陽電
池では、膜厚方向に形成された複数のｐ−ｉ−ｎ接合が
直列接続されていたために次の問題があった。

すなわち、この太陽電池では、前記のように各接合の
ｉ層膜厚の和を前記シングル接合太陽電池の場合のｉ層
膜厚と同程度以上にして光電変換効率の向上をはかって
いる。しかも、電流同一の直列条件で各接合の最適動作
点を決定する必要があり、各最適動作点に応じて各接合
のｉ層膜厚が決定される。ただし、アモルファスシリコ
ンは太陽光波長における吸収係数が大きい。以上のこと
から、従来のタンデム型アモルファス太陽電池では入射
側ｉ層に比べて裏面側ｉ層の膜厚を大きくして各接合の
電流バランスをとる必要があり、裏面側ｉ層は、シング
ル接合の場合のｉ層より薄くすることができるものの、
かなり厚くなる。したがって、やはり膜厚の大きい裏面
側ｉ層での光劣化によって電池全体の光電変換効率がし
だいに低下する傾向がある。これを避けようとして接合
数を極端に増やせば、裏面側ｉ層の膜厚を小さくするこ
とができるものの、光活性層でないｐ層やｎ層の数が増
えてこれらの層の光吸収ロスが増加するから、かえって
光電変換効率が低下する。

また、時間や季節の違いに基づく太陽光のスペクトル
変化によって各接合の電流バランスが崩れる場合があっ
た。電流バランスが崩れていずれかの接合が最適動作点
からずれた状態では、電流が最も小さい接合で電池全体
の電流が制限され、場合によっては光電変換効率の大幅
な低下を招くことがあった。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであっ
て、従来のタンデム型太陽電池以上に光安定性の高い高
効率アモルファス太陽電池を提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、第１の透明電極層の上に第１のｐ−ｉ−ｎ
接合を設け、前記第１のｐ−ｉ−ｎ接合の上に、前記第
１のｐ−ｉ−ｎ接合と略同じ面積の第２の透明電極層を
介して、前記第ｐ−ｉ−ｎ接合と略同じ面積の第２のｐ
−ｉ−ｎ接合を設け、前記第２のｐ−ｉ−ｎ接合の上
に、前記第２のｐ−ｉ−ｎ接合と略同じ面積の第３の透
明電極層、透光性絶縁層及び第４の透明電極層を順次介
して、前記第２のｐ−ｉ−ｎ接合と略同じ面積の第３の
ｐ−ｉ−ｎ接合を設け、前記第３のｐ−ｉ−ｎ接合の上
に外部電極層を設け、前記第２の透明電極層及び前記第
４の透明電極層を電気的に接続し、かつ、前記第３の透
明電極層及び前記外部電極層を電気的に接続することに
より、並列接続した前記第２のｐ−ｉ−ｎ接合と前記第
３のｐ−ｉ−ｎ接合に、前記第１のｐ−ｉ−ｎ接合を直
列接続したアモルファス太陽電池である。

［作 用］ 電気的に並列接続された両接合に透明電極層及び透光
性絶縁層を通して光線が入射する。これらの接合につい
ては、電圧同一の並列条件で最適動作点を決定する。各
接合電圧は、各接合を構成するアモルファス材料の電気
的な性質に主に依存するのであって、直列の場合の接合
電流に比較して入射光量に対する依存性が小さい。この
ため、本発明の場合には電流バランスを考慮する必要が
全くないばかりでなく、電圧マッチングを気遣う必要も
ない。したがって、光活性層であるｉ層の膜厚を比較的
自由に選ぶことができる。つまり、従来のタンデム型ア
モルファス太陽電池に比べて裏面側ｉ層の膜厚をかなり
薄くすることができる。このようにしてｉ層を薄くして
電解を高めれば、このｉ層内の電子や正孔の密度を低減
でき、これらの捕獲、再結合速度の低減が実現できるか
ら、電池の光劣化を良く軽減することができる。しか
も、時間あるいは季節の違いによる太陽光のスペクトル
変化に基づく各接合の電流バランスの崩れを考慮する必
要もない。

［実施例］ （参考例１） 第１図は、後から説明する本発明の実施例の参考例１
に係る２段並列アモルファス太陽電池の断面模式図であ
る。なお、参考例１は、実施例の説明のためのものであ
り、本願発明の技術的範囲に含まれるものではない。

透明電極層（４）を形成したガラス基板（２）上にｐ
型アモルファス半導体層（11）、ｉ型アモルファス半導
体層（12）及びｎ型アモルファス半導体層（13）を順次
成膜してｐ−ｉ−ｎ接合（10）を形成する点は第４図の
２段タンデム型アモルファス太陽電池の場合と同様であ
るが、本実施例の場合は、この接合（10）の上に第２の
透明電極層（14）、透光性絶縁層（16）及び第３の透明
電極層（18）を形成した上で２段目のｐ−ｉ−ｎ接合
（20）を形成する。２段目の接合（20）は第４図の場合
と同様にｐ層（21）、ｉ層（22）及びｎ層（23）の順で
成膜される。両ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20）の部分が例え
ばいずれもアモルファスシリコンで構成され、２段目の
接合（20）の更に上に裏面外部電極層（40）が形成され
る点は、第４図の場合と同様である。裏面外部電極層
（40）は不透明体で構成することができる。更に、第１
の透明電極層（４）と第３の透明電極層（18）との間及
び第２の透明電極層（14）と裏面外部電極層（40）との
間を電気的に接続する。この接続は、例えば各層端部を
利用して比較的容易に行うことができる。いわゆるスル
ーホールコンタクトを用いても良い。透明電極層（4,1
6,18）は、ITO、SnO₂等の金属酸化物で構成することが
できる。ただし、第３の透明電極層（18）は、裏面側接
合（20）の形成の際にプラズマに暴露されることになる
から、耐プラズマ性に優れたものが好ましい。この透明
電極層（18）を複層膜にすることも可能である。絶縁層
（16）は光透過性に優れたものが好ましく、SiO₂等が使
用できる。

一方のｐ−ｉ−ｎ接合（10）には、ガラス基板（２）
及び透明電極層（４）を順次通して光線が入射する。裏
面側ｐ−ｉ−ｎ接合（20）には、入射側の接合（10）、
第２の透明電極層（14）、透光性絶縁層（16）及び第３
の透明電極層（18）を順次通して光線が入射する。両接
合（10,20）は、ｐ層側（11,21）がいずれも第１の透明
電極層（４）に電気的に接続されており、ｎ層側（13,2
3）がいずれも裏面外部電極層（40）に接続されている
ので、透明電極層（４）と裏面外部電極層（40）とを通
して両接合（10,20）の光電流の和を取出すことができ
る。

両接合（10,20）の最適動作点は、電圧同一の並列条
件で決定される。これらの接合（10,20）の電圧は、構
成材料であるアモルファスシリコンの電気的な性質に主
に依存するのであって、直列の場合の接合電流に比較し
て入射光量に対する依存性が小さい。このため、電流バ
ランスを考慮する必要が全くないばかりでなく、電圧マ
ッチングを気遣う必要もない。したがって、光活性層で
あるｉ層（12,22）の膜厚を比較的自由に選ぶことがで
きる。例えば、従来のタンデム型の場合と違って両ｉ層
（12,22）を同じ膜厚にしても支障がなく、各ｉ層（12,
22）の膜厚を200nm程度にすることができる。つまり、
第４図に示す従来のタンデム型太陽電池に比べて特に裏
面側ｉ層（22）をかなり薄くすることができ、電池の光
劣化が大幅に軽減される。しかも、時間あるいは季節の
違いによる太陽光のスペクトル変化に基づく各接合（1
0,20）の電流バランスの崩れを考慮する必要もない。な
お、入射側ｎ層（13）及び裏面側ｐ層（21）の位置を素
子表面からできるだけ離せば、これらの層による吸収ロ
スが低減され、光電変換効率を高めることができる。

（参考例２） 第２図は、後から説明する本発明の実施例の参考例に
係る第３並列アモルファス太陽電池の断面模式図であ
る。なお、参考例２は、実施例の説明のためのものであ
り、本願発明の技術的範囲に含まれるものではない。

この太陽電池では、第１図の２段目のｐ−ｉ−ｎ接合
（20）の上に更に第４の透明電極層（24）、第２の透光
性絶縁層（26）及び第５の透明電極層（28）を形成した
上で、３段目のｐ−ｉ−ｎ接合（30）を形成する。３段
目の接合（30）も、他の接合（10,20）と同様にｐ層（3
1）、ｉ層（32）及びｎ層（33）の順で成膜される。裏
面外部電極層（40）は、３段目の接合（30）の更に上に
形成される。更に、第１、第３及び第５の透明電極層
（4,18,28）の間、並びに、第２及び第４の透明電極層
（14,24）と裏面外部電極層（40）との間が電気的に接
続される。

３つの接合（10,20,30）は、ｐ層側（11,21,31）がい
ずれも第１の透明電極層（４）に電気的に接続されてお
り、ｎ層側（13,23,33）がいずれも裏面外部電極層（4
0）に接続されているので、透明電極層（４）と裏面外
部電極層（40）とを通して３つの接合（10,20,30）の光
電流の和を取出すことができる。３接合の各ｉ層（12,2
2,32）の膜厚は、第１図の２段目並列太陽電池の場合の
ｉ層に比べていずれも小さくなっており、光劣化の軽減
効果は大きい。

（実施例） 第３図は、本発明の実施例に係る３段直並列アモルフ
ァス太陽電池の断面模式図である。

この太陽電池では、ガラス基板（２）上に透明電極層
（４）、ｐ−ｉ−ｎ接合（10）及び第２の透明電極層
（14）を形成した上に、２段目のｐ−ｉ−ｎ接合（20）
を直接形成している。両接合（10,20）は、いずれもｐ
層（11,21）、ｉ層（12,22）及びｎ層（13,23）の順に
成膜される。更に２段目の接合（20）の上に第３の透明
電極層（24）、透光性絶縁層（26）及び第４の透明電極
層（28）を形成した上で３段目のｐ−ｉ−ｎ接合（30）
を形成する。３段目の接合（30）も、他の接合（10,2
0）と同様にｐ層（31）、ｉ層（32）及びｎ層（33）の
順で成膜される。裏面外部電極層（40）は、３段目の接
合（30）の更に上に形成される。更に、第２の透明電極
層（14）と第４の透明電極層（28）との間及び第３の透
明電極層（24）と裏面外部電極層（40）との間が電気的
に接続される。

２段目の接合（20）は第２の透明電極層（14）を通し
て１段目の接合（10）に対して電気的に直列接続されて
いる。２段目及び３段目の接合（20,30）は、ｐ層側（2
1,31）がいずれも第２の透明電極層（14）に電気的に接
続されており、ｎ層側（23,33）がいずれも裏面外部電
極層（40）に接続されている。つまり、３つの接合（1
0,20,30）が透明電極層（４）と裏面外部電極層（40）
との間で直並列接続されている。この場合にも、３接合
の各ｉ層（12,22,32）の膜厚は、第１図の２段並列太陽
電池の場合のｉ層に比べていずれも小さくなっており、
光劣化の軽減効果が大きい。しかも、第２図の３段並列
アモルファス太陽電池の場合に比べて透光性絶縁層（1
6）の形成工程と透明電極層（18）の形成工程とを省略
することができ、製造工程が簡略化される。

以上に説明した本発明の実施例に係るアモルファス太
陽電池ではガラス基板（４）を使用しているが、透明な
基板であればその材質は問わない。

各ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20,30）を構成するアモルファ
ス半導体材料は、アモルファスシリコンに限らず、Siと
Ｃ若しくはこれらの水素化物、ハロゲン化物及びこれら
の材料とGe、Ｃ等との合金等を使用することができる。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係るアモルファス太
陽電池は、光活性層を含む複数の接合を膜厚方向に形成
するに際し少なくとも一部の接合を電気的に分離した上
でこれを並列接続したものであり、更に具体的には透明
電極層の上にｐ−ｉ−ｎ接合を設け、この接合の上に透
明電極層、透光性絶縁層及び透明電極層を順次介して更
にｐ−ｉ−ｎ接合を設け、更に後者の接合の上に外部電
極層を設けておき、これらの透明電極層及び外部電極層
を通して両接合を電気的に並列接続したものであるか
ら、電圧同一の並列条件で各接合の最適動作点が決定さ
れ、各接合の電流バランスを考慮する必要がない。した
がって、従来のタンデム型アモルファス太陽電池に比べ
て裏面側ｉ層の膜厚をかなり薄くすることができ、電池
の光劣化を良く軽減することができる。しかも、時間あ
るいは季節の違いによる太陽光スペクトル変化に基づく
各接合の電流バランスの崩れを考慮する必要もない。

したがって、本発明によれば、従来のタンデム型太陽
電池以上に光安定性の高い高効率アモルファス太陽電池
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の参考例１に係る２段並列ア
モルファス太陽電池の断面模式図、 第２図は、本発明の他の実施例の参考例２に係る３段並
列アモルファス太陽電池の断面模式図、 第３図は、本発明の実施例に係る３段直並列アモルファ
ス太陽電池の断面模式図、 第４図は、従来の２段タンデム型アモルファス太陽電池
の断面模式図、 第５図は、従来の３段タンデム型アモルファス太陽電池
の断面模式図である。 符号の説明 ２……ガラス基板、 4,14,18,24,28……透明電極層、 10,20,30……ｐ−ｉ−ｎ接合、 11,21,31……ｐ型アモルファス半導体層、 12,22,32……ｉ型アモルファス半導体層、 13,23,33……ｎ型アモルファス半導体層、 16,26……透光性絶縁層、 40……裏面外部電極層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−191479（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−161081（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−75567（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−48871（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−152177（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 31/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の透明電極層の上に第１のｐ−ｉ−ｎ
   接合を設け、 前記第１のｐ−ｉ−ｎ接合の上に、前記第１のｐ−ｉ−
   ｎ接合と略同じ面積の第２の透明電極層を介して、前記
   第1p−ｉ−ｎ接合と略同じ面積の第２のｐ−ｉ−ｎ接合
   を設け、 前記第２のｐ−ｉ−ｎ接合の上に、前記第２のｐ−ｉ−
   ｎ接合と略同じ面積の第３の透明電極層、透光性絶縁層
   及び第４の透明電極層を順次介して、前記第２のｐ−ｉ
   −ｎ接合と略同じ面積の第３のｐ−ｉ−ｎ接合を設け、 前記第３のｐ−ｉ−ｎ接合の上に外部電極層を設け、 前記第２の透明電極層及び前記第４の透明電極層を電気
   的に接続し、かつ、前記第３の透明電極層及び前記外部
   電極層を電気的に接続することにより、 並列接続した前記第２のｐ−ｉ−ｎ接合と前記第３のｐ
   −ｉ−ｎ接合に、前記第１のｐ−ｉ−ｎ接合を直列接続
   した ことを特徴とするアモルファス太陽電池。