JPH05275725A - 光起電力装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体からなる光起電力装置において、それ
ら半導体界面で生じる光キャリアの再結合による損失を
低減し得る光起電力装置及びその製造方法に関する。 【構成】 光電変換層であるｐ型非晶質シリコンカーバ
イド膜(3p)と光活性層(3i)との間に微結晶シリコンカー
バイド膜をバッファ層(3b)として使用したことにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する光起電力装置及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】最近、公害のもととなる従来からの天然
資源によるエネルギーに替え太陽光などの光エネルギー
の利用が、地球環境保全の観点から再び見直され始めて
いる。その中にあってその光エネルギーを電気エネルギ
ーに直接変換する光起電力装置は、電力需要量に見合っ
た投資が比較的容易であることから大きな期待が寄せら
れている。

【０００３】斯る期待に応えるためには、現在得られて
いる光起電力装置の特性、特に総合的な評価値である光
電変換効率を少しでも高め、商用電力とのコスト差を縮
めることが必要である。

【０００４】この様な特性向上の手段としては、光起電
力装置自体の素子構造に工夫を加えるものであったり、
あるいはそれを構成する材料としてより高品質なものを
用いる方法などがある。図４は、従来の非晶質シリコン
を主材料とする光起電力装置の素子構造図で、図中の(4
1)は、ガラスや石英等からなる透光性絶縁基板、(42)は
酸化インジューム錫や酸化錫等からなる透明導電膜、(4
3)は、光電変換層で、これは(43p)の非晶質シリコンカ
ーバイド膜から成るｐ型半導体膜と(43b)の非晶質シリ
コンからなるバッファ層と(43i)の真性の非晶質シリコ
ン膜からなる光活性層、そして(43n)の非晶質シリコン
膜から成るｎ型の半導体膜である。(44)はアルミニュー
ムなどからなる裏面金属膜である。

【０００５】斯る構造にあっても変換効率向上のための
幾つかの工夫が成されている。例えば、光電変換層(43)
におけるバッファ層(43b)は、ｐ型半導体膜(43p)と真性
の半導体膜(43i)との界面を良好なものとするためにこ
れら膜間に配置されているもので、光によって発生した
光キャリアが再結合することによって生じるキャリア損
失を抑制することができる。

【０００６】また、同図の如く透明導電膜(42)の表面に
は通常凹凸形状が施されており、これは、絶縁性基板(4
1)を通過して入射した光(45)が透明導電膜(42)のその凹
凸形状を備えた表面で散乱されることに因り、たとえそ
の絶縁性基板(41)の表面に対して垂直に入射した光であ
ってもこの散乱によって走行経路が曲げられ、光電変換
層(43)を膜厚方向に対して斜めに走行する。このことは
結局光がこの光電変換層(43)内を膜厚分の距離以上に長
く走行することができることとなり、光のこの光電変換
層(43)内に吸収される確率を高め、引いては変換効率の
向上を実現することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この様な従来構造の光
起電力装置における透明導電膜表面の凹凸化による特性
向上は、元来光の屈折、散乱といった光固有の現象を利
用するものであることからこの光起電力装置を再現性よ
く製造することができる一方、光キャリアの再結合によ
る損失を低減化するための界面の高品質化は、その界面
を構成する半導体膜の膜質を単に向上させるのみでは達
成し得ず、むしろこれら半導体膜にとって整合性に優れ
た界面を形成する必要がある。とりわけ、光起電力装置
としての特性を再現性よくするには斯る界面の高品質化
が不可欠である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明光起電力装置の特
徴とするところは、基板上に、透明導電膜と、ｐ型非晶
質シリコンカーバイト膜とバッファ層と光活性層とｎ型
半導体層とからなる光電変換層と、裏面金属膜とを形成
されて成る光起電力装置に於て、このバッファ層を微結
晶シリコンカーバイド膜としたことにあり、またその製
造方法の特徴としては、当初からバッファ層として微結
晶シリコンカーバイド膜を成膜することの他に、バッフ
ァ層として当初非晶質シリコンカーバイド膜を形成し、
その膜表面に水素プラズマ処理を施すことによってこの
膜を微結晶シリコンカーバイド膜としこれを用いること
にある。

【０００９】

【作用】本発明光起電力装置によれば、光電変換層内の
ｐ型非晶質シリコンカーバイド膜と光活性層との間に配
置するバッファ層を微結晶シリコンカーバイド膜とする
ことによりバッファ層の抵抗成分を小さくすることがで
きることから、光起電力装置としての曲線因子が改善で
き、引いては変換効率の向上が成し得る。

【００１０】尚、本発明光起電力装置の特徴である微結
晶シリコンカーバイド膜としては、３種類ある。即ち、
非晶質シリコンカーバイド膜内に微結晶シリコンを含有
することによって構成されて成るもの（以下、第１のμ
ｃ−ＳｉＣと称する。）、非晶質シリコンカーバイド膜
内に化学量論的組成比の微結晶シリコンカーバイドを含
有することによって構成されて成るもの（以下、第２の
μｃ−ＳｉＣと称する。）、更に非晶質シリコンカーバ
イド膜内にカーボンがドープされた微結晶シリコンを含
有して成るもの（以下、第３のμｃ−ＳｉＣと称す
る。）の３種類がある。

【００１１】これらは、いずれも本発明の作用効果を同
様に呈するものである。以下では、微結晶シリコンカー
バイド膜と称するときは、これら全てを指すものとす
る。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明光起電力装置を説明するため
の実施例素子構造図である。図中の(1)はガラス等の透
光性絶縁基板、(2)は本装置の電極となる酸化インジュ
ーム錫や酸化錫、酸化インジュームなどからなる透明導
電膜、(3)は光電変換層で、これは、非晶質シリコンカ
ーバイド膜から成るｐ型半導体膜(3p)と、本発明の特徴
である、膜厚が２５〜３００Åの微結晶シリコンカーバ
イド膜からなるバッファ層(3b)と真性（ｉ型）の非晶質
シリコン膜からなる光活性層(3i)、そして非晶質シリコ
ン膜から成るｎ型の半導体膜(3n)から成る。(4)はアル
ミニュームなどからなる裏面金属膜である。特に、上記
バッファ層(3b)としての好ましい膜厚は、５０〜１５０
Åである。

【００１３】表１は、本実施例のｐ型半導体膜(3p)、光
活性層(3i)そしてｎ型半導体膜(3n)の代表的な形成条件
を示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】尚、本実施例では、本発明の特徴である微
結晶シリコンカーバイド膜を形成するにあたって微結晶
化されていない非晶質シリコンカーバイド膜を水素プラ
ズマ処理することによって形成した。具体的には、ｐ型
半導体膜(3p)の形成に引き続いて従来周知の非晶質シリ
コンカーバイド膜を形成した後に、その膜の表面に水素
プラズマ処理を施すものである。これにより、この非晶
質シリコンカーバイド膜全体を微結晶化させることとな
る。

【００１６】表２に、水素プラズマ処理を施す前の非晶
質シリコンカーバイド膜の代表的な形成条件を示すとと
もに、その水素プラズマ処理条件についても同様に示し
ている。

【００１７】

【表２】

【００１８】尚、同表には、本発明で使用する微結晶シ
リコンカーバイド膜の前述した３種類についてそれぞれ
の形成及び処理条件の代表的な範囲について示してい
る。

【００１９】次に、前記実施例光起電力装置の電気特性
について説明する。図２は、実施例で行った水素プラズ
マ処理の処理時間と、その光起電力装置の特性との関係
を示している。この水素プラズマ処理の処理時間と微結
晶化との関係は、その時間が長いほど十分微結晶化した
微結晶シリコンカーバイド膜が得られることである。

【００２０】尚、同図の縦軸は、この水素プラズマ処理
を施さなかった光起電力装置（開放電圧（Ｖ_OCO），短
絡電流（Ｉ_SCO），曲線因子（ＦＦ_O ），変換効率
（η_O））との各特性毎の比を示したもので、従って１
より大きいものほど水素プラズマ処理による効果を享受
していることとなる。尚、本例における微結晶シリコン
カーバイドとしては第３のμｃ−ＳｉＣとし、その膜厚
は約１００Åである。

【００２１】同図によれば、開放電圧（Ｖ_OC）と短絡電
流（Ｉ_SC）とは、20分以内の処理時間ではほとんど変化
がない。一方曲線因子（Ｆ．Ｆ．）は、約15分の水素プ
ラズマ処理を施すことによって1.02まで急速に特性が向
上している。そしてこれが反映した結果として、変換効
率（η）も1.02まで向上している。

【００２２】一方、処理時間を20分以上とすると、短絡
電流以外のすべて特性が低下している。これは、水素プ
ラズマ処理により微結晶化が促進された結果微結晶シリ
コンカーバイド膜中の微結晶粒が増加しこれら微結晶粒
が相互に接触するような状態となるからで、これに因り
この微結晶シリコンカーバイド膜自体の抵抗は十分小さ
くなるものの粒界におけるキャリアの再結合が増加する
ことから上記諸特性の低下が生じてしまうのである。

【００２３】この様な微結晶粒の接触については、本発
明者等は水素プラズマ処理後のその微結晶シリコンカー
バイド膜を電子顕微鏡による観察から確認している。

【００２４】斯る結果から、バッファ層として微結晶シ
リコンカーバイド膜を使用することによって、光電変換
層内で発生した光キャリアの再結合による損失を受ける
ことなく外部に電気として取り出せていることが分か
る。

【００２５】また、水素プラズマ処理による微結晶シリ
コンカーバイド膜の形成は、その処理時間を制御するこ
とによって極めて容易に行えるという特徴を有してい
る。

【００２６】前記実施例光起電力装置では、本発明の特
徴である微結晶シリコンカーバイド膜としては水素プラ
スマ処理を施すことによって形成したが、本発明はこれ
に限られるものではなく、バッファ層としての形成当初
から微結晶シリコンカーバイド膜としたものを使用して
もよいことは言うまでもない。この場合の代表的な微結
晶シリコンカーバイド膜の形成条件を表３に示す。同表
にあっても、３種類の微結晶シリコンカーバイド膜につ
いてそれぞれ示す。

【００２７】

【表３】

【００２８】又、本発明は実施例で説明したような、基
板側から入射した光のみを利用する構造に限られるもの
ではなく、膜形成面側からの光入射を利用する構造であ
ってもよい。斯る構造の代表的な光起電力装置として図
３にその素子構造図を示す。図中の符号は、図１と同一
の材料については、同符号を付している。

【００２９】基板としてステンレス基板等の非透光性基
板(31)と光入射側の透明導電膜(32)を使用していること
以外は、図１のものと同様である。

【００３０】斯る構造の光起電力装置にあっても、本発
明の光キャリア再結合の低減化等の十分な効果を呈する
ものである。

【００３１】

【発明の効果】本発明光起電力装置ではｐ型半導体膜と
光活性層との間に微結晶シリコンカーバイド膜からなる
バッファ層を配置することから、従来にあっては光キャ
リアの損失の大きな原因となっていた膜中でのキャリア
再結合を抑制でき、引いては変換効率の向上が成し得
る。とりわけ、その光起電力装置の特性値のうち曲線因
子の向上が著しい。

【００３２】また、本発明光起電力装置としては、当初
から微結晶シリコンカーバイド膜を形成し配置すること
のみならず、まず非晶質シリコンカーバイド膜の形成
後、これに水素プラズマ処理を施すことによって事後的
に微結晶シリコンカーバイド膜を得ることができること
から、より簡便に且つより再現性よく本発明光起電力装
置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光起電力装置を説明するための素子構造
断面図である。

【図２】前記光起電力装置の形成で使用する水素プラズ
マ処理の処理時間と、電気特性との関係を説明するため
の特性図である。

【図３】本発明光起電力装置の他の実施例の素子構造断
面図である。

【図４】従来例光起電力装置の素子構造断面図である。

【符号の説明】

(1)…透光性基板 (2)…透明導
電膜 (3p)…ｐ型非晶質シリコンカーバイド膜 (3b)…バッフ
ァ層 (3i)…光活性層 (3n)…ｎ型半
導体層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透光性基板上に、透明導電膜と、ｐ型非
   晶質シリコンカーバイト膜とバッファ層と光活性層とｎ
   型半導体層とから成る光電変換層と、裏面金属膜とを順
   次形成されて成る光起電力装置に於て、前記バッファ層
   を微結晶シリコンカーバイド膜としたことを特徴とする
   光起電力装置。
2. 【請求項２】 透明導電膜が形成された透光性基板上
   に、ｐ型非晶質シリコンカーバイド膜と非晶質シリコン
   カーバイド膜を順次形成した後、前記非晶質シリコンカ
   ーバイド膜に水素プラズマ処理を施すことにより、該非
   晶質シリコンカーバイド膜を微結晶シリコンカーバイド
   膜とするとともに、該膜上に光活性層とｎ型半導体層、
   そして裏面金属膜とを順次形成することを特徴とする光
   起電力装置の製造方法。
3. 【請求項３】 非透光性基板上に、裏面金属膜と、ｎ型
   半導体層と光活性層とバッファ層とｐ型非晶質シリコン
   カーバイト膜とからなる光電変換層と、透明導電膜とを
   順次形成されて成る光起電力装置に於て、前記バッファ
   層を微結晶シリコンカーバイド膜としたことを特徴とす
   る光起電力装置。
4. 【請求項４】 裏面金属膜が形成された非透光性基板上
   に、ｎ型半導体層と光活性層と非晶質シリコンカーバイ
   ド膜を順次形成した後、前記非晶質シリコンカーバイド
   膜に水素プラズマ処理を施すことにより、該非晶質シリ
   コンカーバイド膜を微結晶シリコンカーバイド膜とする
   とともに、該膜上にｐ型非晶質シリコンカーバイド膜を
   形成したことを特徴とする光起電力装置の製造方法。