JPH06338623A - 薄膜太陽電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】透光性絶縁基板上に透明導電膜、非晶質シリコ
ンを主材料とした光電変換層３、背面電極を順次積層し
てなる薄膜太陽電池において、光電変換層３と背面電極
５の間に０．５〜１２原子％のガリウムドープ酸化亜鉛
層４を介在させたことを特徴とする薄膜太陽電池。 【効果】光電変換効率が高く長期信頼性に優れた太陽電
池を供給することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜太陽電池に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】モノシランガスなどのグロー放電分解や
光分解により形成される非晶質シリコン（以下ａ−Ｓｉ
と略す）薄膜は、気相成長法によって得られ、大面積化
が容易であるため、低コスト太陽電池の光電変換層に用
いられる。効率向上のためには、光電変換層に入射する
光の量が多いことが望ましい。このため、半導体薄膜と
背面金属電極の界面での光の反射量を増大し、太陽電池
の効率を向上させるために波長０．３〜２μｍの光に対
して高い反射率を示す銀等を背面電極として用いること
が一般的であった。しかし銀をシリコン半導体層上に直
接形成し、背面電極として用いても、銀電極層とａ−Ｓ
ｉ層との接合界面が合金化し、金属電極表面の光沢が喪
失されるため光反射特性が低下するという問題が存在し
た。

【０００３】そこで、特公昭５５−１０８７８０号公報
に示されているように、光反射特性の低下を防ぐことを
目的としてａ−Ｓｉ層と背面金属電極間に酸化インジウ
ム−酸化錫の混合物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等
の透明導電層を介在させる方法が提案された。この方法
はａ−Ｓｉ層と背面金属電極層を合金化が起らない程度
に隔てるものであるが、背面金属電極によって反射した
光をａ−Ｓｉ層に入射させ、なおかつ太陽電池の直列抵
抗成分を大きくしないために介在する透明導電層は必然
的に高透明性かつ高導電性である必要がある。高透明で
導電性の大きいＩＴＯ，ＺｎＯ膜を作製するためには基
板温度をある程度高くする必要があるが、太陽電池のａ
−Ｓｉ層は高温にすると熱劣化するため、前記ａ−Ｓｉ
層を熱で劣化させないためには透明導電層を２００℃以
下の比較的低い温度で形成しなければならず、従来技術
で透明度が高く導電性の大きい膜を形成することは困難
であった。

【０００４】また、ａ−Ｓｉ層と背面銀電極層の間に透
明導電膜を介在させると太陽電池の電圧−電流曲線にお
いて曲線因子が大幅に減少するという問題が発生した。
この曲線因子の減少の程度は、透明導電膜介在による電
池の直列抵抗成分の増加だけでは説明できず、透明導電
膜の材質により変化することから、前記透明導電膜は特
定の材料である必要があると推定されるが、この問題に
関しては従来検討されていなかった。

【０００５】さらに、従来の方法においてＩＴＯや３価
のドーピング元素を含有するＺｎＯを透明導電層として
用いた場合には、ＩｎやＡｌ等の３価の元素がａ−Ｓｉ
層へ拡散するためａ−Ｓｉ半導体の特性が劣化し、電池
の光電変換効率が低下したり長期信頼性が低下する等の
問題も予想された。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術が
有していた前述の欠点を解消し、ａ−Ｓｉ膜上に低温で
形成しても背面金属電極の光沢を残存せしめ、背面金属
電極によって反射した光をａ−Ｓｉ層に効果的に再入射
させ、且つ、太陽電池の曲線因子の減少を防ぎ、同時に
３価元素のａ−Ｓｉ層への拡散が生じない安定な薄膜太
陽電池用電極を使用することにより、光電変換効率が高
く、同時に信頼性の高い太陽電池を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決すべくなされたものであり、透光性絶縁基板上に透明
導電膜、非晶質シリコンを主材料とした光電変換層、背
面電極を順次積層してなる薄膜太陽電池において、光電
変換層と背面電極の間にガリウムを含有する酸化亜鉛層
を介在させたことを特徴とする薄膜太陽電池を提供する
ものである。

【０００８】さらに本発明は、前記酸化亜鉛層が亜鉛に
対して０．５原子％以上１２原子％以下のガリウムを含
有する酸化亜鉛層であることを特徴とする薄膜太陽電池
を提供するものである。

【０００９】すなわち本発明は、ａ−Ｓｉが熱劣化を引
き起こさないような低温で作製しても透明度が高く導電
性が大きく、且つ含有元素のａ−Ｓｉ層中への熱拡散が
起りにくいＺｎＯ層をａ−Ｓｉ層と背面金属電極の間に
介在させることにより、背面金属電極の光沢を残存せし
め、背面金属電極によって反射した光をａ−Ｓｉ層に効
果的に再入射させ、なおかつ太陽電池の曲線因子の減少
を防ぐことで前述の課題が解決された高効率で信頼性の
高い太陽電池を提供するものである。

【００１０】本発明に従い、ＺｎＯ透明導電膜中のガリ
ウム濃度を原子比で０．５％以上、１２％以下に制御す
れば、高い透過率を保ちながら比抵抗値が２×１０^-4Ω
・ｃｍの膜をａ−Ｓｉ層の熱劣化の起らない低温で形成
することが可能である。さらにこのＺｎＯを太陽電池の
ａ−Ｓｉ層と背面金属電極の間に介在させても太陽電池
の曲線因子の減少は見られない。このような特性を示す
ＺｎＯへの添加元素はガリウムに限定される。すなわ
ち、亜鉛に対して０．５％以上１２％以下の範囲のガリ
ウムを添加することにより上述の欠点を解消した太陽電
池を提供することが可能である。

【００１１】

【作用】本発明になる太陽電池の構成に示されるよう
に、ａ−Ｓｉ層と背面金属電極の間に介在させるＺｎＯ
膜中のガリウム濃度を前記のごとく制御すれば、ａ−Ｓ
ｉ層の熱劣化がおこらない２００℃以下の低温でも透明
度が高く導電性の大きな高品質のＺｎＯ膜を作製するこ
とが可能となる。さらにＺｎＯ層の介在により背面金属
電極とａ−Ｓｉが隔てられているために合金化が起ら
ず、背面金属電極の金属光沢は保たれる。また、ＺｎＯ
層の透明性が高いため、反射により光電変換層へ再入射
する光の量が増大する。

【００１２】また、前述したように、従来からａ−Ｓｉ
層と背面金属電極層の間にある種の透明導電膜を介在さ
せると太陽電池の電圧−電流曲線において曲線因子が大
幅に減少するという問題が存在していた。この曲線因子
の減少は透明導電膜介在による電池の直列抵抗成分の増
加を考慮しても説明できないことから透明導電膜の介在
によりａ−Ｓｉ層／透明導電膜界面あるいは透明導電膜
／背面銀電極界面に新たに電気的なバリアが形成された
ために生じたと推定される。これに対して本発明の太陽
電池においては曲線因子の減少は見られなかった。すな
わち本発明の太陽電池においてはａ−Ｓｉ層／透明導電
膜界面もしくは透明導電膜／背面金属電極界面に電気的
なバリアが形成されることはない。

【００１３】さらに、前記ガリウムをドープしたＺｎＯ
膜はＡｌ、Ｂ、Ｉｎ等他の３価金属をドープしたＺｎＯ
膜に比べ、膜そのものが非常に安定であるためａ−Ｓｉ
中への元素拡散が起りにくいと考えられる。この安定性
の違いはドーピング元素のイオン半径の違いによるもの
と推定される。すなわちＡｌ、Ｂのイオン半径はそれぞ
れＺｎに比べて小さすぎ、逆にＩｎは大きすぎるのに対
して、Ｇａのイオン半径はＺｎのそれに最も近いため格
子点のＺｎをＧａで置換した場合に固溶による格子歪が
最も小さくなると考えられる。つまり、Ｇａドープをし
た膜が構造的に最も安定となるため、結果として他層へ
の元素拡散が起りにくくなるものと考えられる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の実施例について図表を参照しな
がら詳細に説明する。図１は本発明になる薄膜太陽電池
の要部の断面構造を示したものである。この太陽電池は
次のようにして作製された。ガラス基板１上に透明電極
２としてＳｎＯ₂ を常圧ＣＶＤ法で製膜し、その上にａ
−Ｓｉ：Ｈ薄膜を用いてｐ−ｉ−ｎ接合を有する光電変
換層３をプラズマＣＶＤ法により積層した。光電変換層
３に用いるものはａ−ＳｉＣ：Ｈ、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ、
ａ−ＳｉＮ：Ｈ、ａ−ＳｉＳｎ：Ｈ等を挙げることがで
きる。次いで、前記光電変換層３の上部にガリウム（Ｇ
ａ）ドープのＺｎＯ層４をスパッタリング法により約５
００Å形成した。スパッタリングは真空装置をあらかじ
め１０^-6Ｔｏｒｒ以下に排気した後、Ａｒガスを０．０
１Ｔｏｒｒ導入して行ない、スパッタリングパワーは５
０Ｗとした。また、ＺｎＯ層中のガリウム含有量は亜鉛
に対し０．５〜１２％、作製温度は室温（２５℃）〜２
００℃とした。ＺｎＯ層４の膜厚は、本実施例では５０
０Åとしたが、膜厚が増大するほど光の吸収が増えるた
めＺｎＯ自体の特性を失わない程度に薄いことが望まし
い。また、該ガリウムドープＺｎＯ層の形成方法に関し
ては特に限定されず、スパッタリング法、真空蒸着法等
の物理蒸着法やＣＶＤ法等の化学蒸着法が用いられる
が、より低温基板温度で良好な導電膜特性が得られる物
理蒸着法が好ましい。本実施例ではスパッタリング法と
して直流法を用いているが、これを高周波法で行っても
よいことはいうまでもない。最後に該ガリウムドープＺ
ｎＯ層上に背面金属電極層５としてＡｇをスパッタリン
グ法により約２０００Å形成し、最終的に５×５ｍｍ²
の大きさの太陽電池を作製した。

【００１５】一方、比較例として図１と同じ構成の太陽
電池においてガリウムドープＺｎＯ層４を介在させず光
電変換層３の上に直接Ａｇ電極５を形成した太陽電池
（比較例１）、ガリウムドープＺｎＯ層４の代りにＩＴ
Ｏを介在させた太陽電池（比較例２）、ガリウムドープ
ＺｎＯ層４のガリウムドープ量を０％（ノンドープ）と
した太陽電池（比較例３）、同じくガリウムドープ量を
１５％とした太陽電池（比較例４、５、６）、そしてガ
リウムドープＺｎＯ層４の代りにＡｌをＺｎに対し３％
ドーピングしたＺｎＯ層を介在させた太陽電池（比較例
７、８、９）をそれぞれ作製した。比較例２〜９におい
てＩＴＯおよびＺｎＯの膜厚は実施例１のＺｎＯ層４の
膜厚と同じである。

【００１６】太陽電池特性の評価は各太陽電池にソーラ
ーシミュレーターでＡＭ−１の光を照射したときの電圧
−電流特性を測定し、短絡電流（Ｉｓｃ）、開放端電圧
（Ｖｏｃ）、曲線因子（ＦＦ）、光電変換効率（η）を
相対比較することにより行なった。

【００１７】表１に電極作製時の基板温度が室温の時の
評価結果を示す。各値はガリウムドープＺｎＯ層４を介
在させず光電変換層３の上に直接Ａｇ電極５を形成した
場合（比較例１）の値を１．００としたときの相対値で
示してある。

【００１８】

【表１】

【００１９】実施例１と比較例１によれば、ａ−Ｓｉ層
と背面金属電極間に前記ガリウムドープのＺｎＯ透明導
電層を介在させることにより、介在させない場合に比べ
て短絡電流Ｉｓｃが約７％増加し、かつ曲線因子ＦＦが
約８％増加した結果、光電変換効率ηが１６％も向上し
た。Ｉｓｃの増加は、高透明、低抵抗なガリウムドープ
ＺｎＯの介在によりＡｇの合金化が防がれ、Ａｇ電極本
来の光沢が保持された結果であると考えられる。このＩ
ｓｃ値は比較例２のＩＴＯを介在した場合に比べて４％
大きい。これはガリウムドープＺｎＯが低温においても
透明度が高く導電性の大きい膜を形成することが可能で
あるのに対し、ＩＴＯではこれが困難なためである。こ
の結果は前記ガリウムドープＺｎＯを用いることで、従
来のＩＴＯを用いた場合に比べ背面Ａｇ電極による光の
反射が有効活用できることを示している。

【００２０】比較例３は室温で作製したノンドープＺｎ
Ｏを介在させた例である。Ｉｓｃ、ＦＦの大幅な減少に
より光電変換効率ηが大幅に減少している。この現象は
面積５×５ｍｍ² 、厚さ５００ÅのノンドープのＺｎＯ
の抵抗計算値約２×１０^-5Ωの増加を考慮しても説明で
きないことからＺｎＯ膜の介在により新たに電気的なバ
リア等が形成されたために発生したと推定される。この
結果より、透明導電層の種類によってはａ−ＳｉとＡｇ
電極間へ介在させることにより曲線因子の低下が起こる
場合があり、前記透明導電層としては曲線因子の低下が
起らない特定の透明導電膜を介在させる必要があること
がわかる。すなわちノンドープのＺｎＯはａ−ＳｉとＡ
ｇ電極間の介在層として不適当であることがわかる。こ
れに対し、実施例１からもわかるようにガリウム６％ド
ープのＺｎＯを介在させた場合には曲線因子の低下は起
らず、むしろ増加する。

【００２１】次に、ＺｎＯに含有される３価元素のａ−
Ｓｉ層への熱拡散について調べた。ガリウム６％ドープ
ＺｎＯ、ガリウム０．５％ドープＺｎＯ、ガリウム１２
％ドープＺｎＯ、ガリウム１５％ドープＺｎＯ、アルミ
ニウム（Ａｌ）３％ドープＺｎＯのおのおのの透明導電
層を室温、１００℃、２００℃で作製した場合の太陽電
池の評価結果を表２に示す。表中の値はガリウム６％ド
ープＺｎＯを２５℃で作製した場合（実施例１）の値を
１．００として相対値で示してある。

【００２２】

【表２】

【００２３】実施例１、２、３はガリウム６％ドープの
ＺｎＯの例である。２００℃においてもＶｏｃ，ＦＦの
減少は見られない。またガリウム０．５％ドープＺｎＯ
（実施例４、５、６）、ガリウム１２％ドープＺｎＯ
（実施例７、８、９）においても同様の結果が得られて
いる。

【００２４】ＺｎＯ中に過度のガリウムが含有された場
合の一例としてガリウム１５％ドープのＺｎＯの例を比
較例４、５、６に示す。表２より明らかなように、２０
０℃においてＶｏｃ、ＦＦが減少している。以上の結果
からガリウムのドープ量が一定の範囲にあるＺｎＯ膜の
みが熱的に非常に安定であり、他層への元素拡散が起り
にくいと考えられる。

【００２５】また、比較例７、８、９にドーピング元素
がＡｌの例を示す。Ｚｎに対するＡｌの添加量を０〜５
％の範囲で変化させた実験を行なった結果、３％の場合
に光電変換効率ηの最高値が得られたため、本比較例に
おいてはＡｌをＺｎに対し３％ドーピングした例を示し
た。表２より２００℃で作製した場合にＶｏｃ，ＦＦが
減少していることがわかる。ａ−Ｓｉ層を熱劣化させな
いためには２００℃以下で高透明かつ導電性の大きいＺ
ｎＯ膜を作製し、ａ−Ｓｉ層と背面Ａｇ電極を隔てる必
要がある。この温度範囲では基板温度が高い程透明度は
高く、導電性の大きなＺｎＯ膜が作製できると考えられ
るが、基板温度が２００℃の場合には膜中のＡｌがａ−
Ｓｉ中へ熱拡散したことによりａ−Ｓｉの特性劣化が起
り、そのため電池の光電変換効率が低下したと考えられ
る。前述のように、ドーピング元素がガリウムの場合に
は同条件で作製しても光電変換効率の低下が起らないこ
とから、このような元素拡散を防止するためにはＺｎＯ
のドーピング元素はガリウムでなければならないことは
明らかである。

【００２６】以上の結果より、ａ−Ｓｉ層と背面金属電
極間に介在させる透明導電膜はガリウムドープのＺｎＯ
でなければならず、そのガリウム含有量はＺｎに対し
０．５〜１２原子％でなければならないことは明らかで
ある。また、前記ガリウムドープＺｎＯ層の介在によ
り、背面金属電極の光沢を残存せしめ、背面金属電極に
よって反射した光をａ−Ｓｉ層に効果的に再入射させ、
且つ、太陽電池の曲線因子の減少を防ぎ、同時に３価元
素のａ−Ｓｉ層への拡散を防止することが可能となるた
め、薄膜太陽電池の光電変換効率が大幅に向上すること
は明らかである。また、非常に安定なガリウムドープＺ
ｎＯ層を用いることで、電池の長期信頼性も向上すると
考えられる。

【００２７】

【発明の効果】本発明は低温で作製しても透明度が高く
導電性が大きくかつ安定であるという特徴を有するガリ
ウムドープＺｎＯ膜を太陽電池の背面金属電極と前記シ
リコン半導体層間に介在することにより、背面金属電極
の光沢を残存せしめ、背面金属電極によって反射した光
をａ−Ｓｉ層に効果的に再入射させ、且つ、太陽電池の
曲線因子の減少を防ぎ、同時に３価元素のａ−Ｓｉ層へ
の拡散を防止するという優れた効果を有する。このた
め、光電変換効率が高く長期信頼性に優れた太陽電池を
供給することが可能となる。

【００２８】また、ＧａドープＺｎＯは従来のＩＴＯや
ＡｌドープＺｎＯ等の透明導電膜に比べ材料費が安いた
め、より低価格で効率の高い薄膜太陽電池を製造するこ
とができるという利点がある。

【００２９】本発明は単なるｐｉｎ太陽電池ばかりでな
く、タンデムセルにも適用可能である。また、背面金属
電極を用いず、ガリウムドープＺｎＯ層自体を背面電極
とした電池構成も可能である。さらに、本発明はａ−Ｓ
ｉ：Ｈ、ａ−ＳｉＣ：Ｈ太陽電池ばかりではなくａ−Ｓ
ｉＧｅ：Ｈ、ａ−ＳｉＮ：Ｈ、ａ−ＳｉＳｎ：Ｈ等の合
金型アモルファス太陽電池や、ＣｕＩｎＳｅ₂ 等のカル
コパイライト系、１２族−１６族系（たとえばＣｄ−Ｔ
ｅ等）をはじめとする薄膜太陽電池一般に幅広く適用す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非晶質シリコン太陽電池の断面図

【符号の説明】

１：ガラス基板 ２：透明電極 ３：光電変換層 ４：ガリウムドープＺｎＯ層 ５：背面金属電極層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透光性絶縁基板上に透明導電膜、非晶質シ
   リコンを主材料とした光電変換層、背面電極を順次積層
   してなる薄膜太陽電池において、光電変換層と背面電極
   の間にガリウムを含有する酸化亜鉛層を介在させたこと
   を特徴とする薄膜太陽電池。
2. 【請求項２】前記酸化亜鉛層が亜鉛に対して０．５原子
   ％以上１２原子％以下のガリウムを含有する酸化亜鉛層
   であることを特徴とする請求項１記載の薄膜太陽電池。