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JPH07105520B2 - 非晶質半導体太陽電池 - Google Patents

非晶質半導体太陽電池

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Publication number
JPH07105520B2
JPH07105520B2 JP2003193A JP319390A JPH07105520B2 JP H07105520 B2 JPH07105520 B2 JP H07105520B2 JP 2003193 A JP2003193 A JP 2003193A JP 319390 A JP319390 A JP 319390A JP H07105520 B2 JPH07105520 B2 JP H07105520B2
Authority
JP
Japan
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layer
solar cell
type impurity
band gap
amorphous semiconductor
Prior art date
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JP2003193A
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JPH03208376A (ja
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荘太 森内
行彦 中田
晃敏 横田
康美 井上
仁 三宮
学 伊藤
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548Amorphous silicon PV cells

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はPIN構造を有する非晶質半導体太陽電池に関
し、特にバンドギャップを変化させたI層を備えた非晶
質半導体太陽電池に関するものである。
〔従来の技術〕
非晶質半導体太陽電池の光電変換効率を向上させる為
に、非晶質シリコン(a−Si)よりもバンドギャップの
狭い非晶質シリコン・ゲルマニウム(a−SiGe)や、バ
ンドギャップの広い非晶質シリコン・カーボン(a−Si
C)などa−Si系合金をI層に用いた太陽電池の研究が
進められている。
この理由はa−Siよりバンドギャップの狭い材料は、長
波長光に対する感度の向上に有効であり、他方a−Siよ
りバンドギャップの広い材料は、短波長光に対する電圧
因子損失の低減に有効であるからである。さらにこれら
の材料を用いた太陽電池を複数個積層した、積層型太陽
電池がこれらの材料の有効性を生かし、高効率化を達成
しうる太陽電池として開発が進められている。
かつて、これらa−si系合金材料をI層に用いた太陽電
池は、a−SiをI層に用いた太陽電池に比べ、低い変換
効率しか得られていなかったが、近年における研究によ
って、以下のような問題点が明らかとなり、それに対す
る改良がなされている。
まず第1にI層とP層との界面の問題である。例えばI
層としてバンドギャップの狭いa−SiGeを用い、P層と
してa−SiCを用いた場合、該界面においてバンドギャ
ップの不連続が生じ、これが界面での再結合を増加さ
せ、開放電圧(Voc)や曲線因子(F.F.)の低下の原因
となっていた。これに対し第7図で示したバンド構造図
のごとく該界面に界面層を導入し、そのバンドギャップ
に勾配をつけて、バンドギャップの不連続をなくすこと
によって、VocやF.F.が向上することが既に報告されて
いる。
第2にa−Si系合金の膜質がa−Siに比べて劣ることで
ある。従ってこれらa−Si系合金材料とI層の全域に用
いた太陽電池では、F.F.の低下が著しい。これに対し第
8図で示したバンド構造図のごとく、I層中で合金材料
の組成比を変化させ、バンドギャップを変化させること
によってI層の膜質を部分的に膜質の良好なa−Siの膜
質に近づけ長波長光に対する高い感度や電圧因子損失の
低減などa−Si系合金材料の特長を保ちつつ、F.F.を向
上させうることが最近報告された(特開昭64−7118
2)。またこの時I層のバンドギャップを連続的に変化
させ勾配をつけることによって電界が生じ、その電界が
キャリアの移動を促進する働きのあることが示されてい
る。
以上のごとく、a−Si系合金材料を用いた太陽電池は近
年改良がなされているものの、その有効性を十分に生か
した高効率の太陽電池を得るには至っておらず、その特
性の改善が必要とされていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来のa−Si系合金材料をI層に用いた太陽電池におい
ては、特にF.F.がa−Si太陽電池のF.F.に比べて低く、
またVocもI層のバンドギャップから予想される値に比
べて低い値しか得られていなかった。これは光発生した
キャリアの分離と電極への収集が不十分であること、及
びI層とドープ層との界面におけるキャリアの再結合や
逆方向拡散が大きいことがその原因であると考えられ
る。
本発明は上記の点に鑑みて創案されたものであり、I層
内におけるバンドギャップの変化に新たな改良を加える
ことによって、a−Si系合金材料の特長を生かし、光電
変換効率の向上を図った非晶質半導体太陽電池を提供す
ることを目的としている。
〔課題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するために本発明の非晶質半導体太陽
電池は、非晶質半導体膜からなり、光入射側から、p型
不純物ドープ層、i層、n型不純物ドープ層の順のPIN
構造を有する非晶質半導体太陽電池において、前記p型
不純物ドープ層の側端部と接する前記i層のバンドギャ
ップは、前記p型不純物ドープ層のバンドギャップより
広く不連続であり、前記p型不純物ドープ層側から漸減
して、前記p型不純物ドープ層及び前記n型不純物ドー
プ層のバンドギャップよりも狭い領域を有することを特
徴とする。
さらに、前記非晶質半導体太陽電池において、前記領域
と前記n型不純物ドープ層との間の前記i層のバンドギ
ャップは不連続に変化してなることを特徴とする。
〔作用〕
上記のようにI層のP型不純物ドープ層端におけるバン
ドギャップを、該P型不純物ドープ層のバンドギャップ
よりも広くすることによって、キャリアの再結合と逆方
向拡散を低減することができ、F.F.とVocを大巾に向上
することができる。従来I層とP型不純物ドープ層との
間でバンドギャップを連続的につなぐことは、界面での
バンドギャップの不連続に起因する界面準位を介した再
結合を低減すること、及び導電帯あるいは価電子帯に存
在するキャリアの移動を、バンドギャップのバリアによ
って阻止されることのないように意図されたものであ
る。発明者はI層のバンドギャップをP型不純物ドープ
層端において、該P型不純物ドープ層のバンドギャップ
より大きくしても、界面準位を介した再結合は増加しな
いこと、実質的に拡散電位が拡大した効果によって、逆
方向拡散が抑制されることを見い出した。
また、I層のバンドギャップの上記のような構造によっ
て、I層内におけるバンドギャップの差が大きくなり、
バンドギャップの勾配に起因する電界を強めることがで
きる。その結果光発生キャリアの分離と電極への移動
が、促進され、F.F.の向上が実現しうる。
一方I層中において、バンドギャップが、該I層の両方
のバンドギャップよりも狭い領域を有することは、上記
のごとく、バンドギャップに勾配をつける作用のほか次
の作用がある。
即ちI層にa−SiC等a−Siよりバンドギャップの広い
材料を適用した場合には、バンドギャップを狭くしてa
−Siの膜質に近づけることによって電圧因子損失を抑制
したまま、F.F.を向上させることが可能となる。
またI層にa−SiGe等a−Siよりバンドギャップの狭い
材料を適用した場合には、バンドギャップの狭い領域で
長波長光の吸収を有効に行うことができる。勿論I層中
でa−SiCからa−SiGeまで連続的にバンドギャップを
変化させることで、上記の2つの効果を組合わせること
も可能である。本発明は以上のような作用を太陽電池に
適用するものである。
〔実施例〕 以下図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
第1図は本発明の一実施例として非晶質半導体太陽電池
の構造を模式的に示す断面図である。第1図において、
1はステンレス基板である。このステンレス基板上にN
型a−Si層2を膜厚1000Å程度堆積し、その上に真性層
3として、組成を次第に変えた、I型a−SiGe層3a、I
型a−SiC層3bをあわせて3000Å程度堆積しさらにその
上にP型a−SiC層4を膜厚100Å程度堆積してPIN構造
を形成する。この上に透明導電膜5を厚厚600Å程度形
成し、最後にAlの集電極6を形成する。この時真性層3
の形成においては、まずN/I界面ではa−Siを形成し次
第に膜中のGeの組成を増やし膜厚2200Åまで堆積し、次
いで膜中のGeの組成を減らし膜厚2600Åの時点でGeの組
成を0とし次いでカーボンの組成を0から次第に増やし
て膜厚3000Åまで形成するように構成している。このよ
うな元素の組成を変化させるには、真性層3をプラズマ
CVD法によって形成する際に、シランガス(SiH4)とゲ
ルマンガス(GeH4)およびSiH4とメタンガス(CH4)の
流量比を第2図のごとく変えて形成することによって実
現される。
即ちN/I界面ではGeH4の流量は0であり、次第にGeH4
流量を増やし膜厚2200Åの時点でGeH4/(SiH4+GeH4
=15%として、次いでGeH4の流量を次第に減らし膜厚26
00Åの時点でSiH4のみとし、次いでCH4の流量を0から
次第に増やし膜厚3000Åの時点でCH4/(CH4+SiH4)=5
0%となるように形成する。ここでCH4/(CH4+SiH4)=
50%とした時のバンドギャップは2.1eVであり、P型a
−SiCのバンドギャップは1.9eVである。
このようにSiH4とGeH4あるいはSiH4とCH4の流量比を変
えることでI層のバンドギャップを第3図のごとく勾配
をつけて形成することが可能である。
上記のように構成したa−SiGe太陽電池と、従来の構造
を持つ太陽電池の電流−電圧特性を第4図に示してい
る。ここで従来の構造とは、実施例に示したI層作製時
におけるCH4ガスの流量変化をP層端でCH4/(CH4+Si
H4)=25%としてバンドギャップをP層と同じ1.9eVと
したものでありその時のバンド構造図は第8図のように
なっている。測定時の光源はAMIスペクトル100mW/cm2
光を波長660nm以上の光だけ透過するようなフィルター
を通し、長波長の光により行った。第4図において破線
で示した曲線が従来のa−SiGe太陽電池の電流−電圧特
性であり、実線で示した曲線が本発明の実施例によるa
−SiGe太陽電池の電流−電圧特性である。またこれらの
特性を下表に示している。下表に示したように、開放電
圧と曲線因子が向上し、最大出力で約13%の向上が見ら
れる。このことは、I層のP層端におけるバンドギャッ
プをP層よりも広くすることで、キャリアの逆方向の拡
散と、再結合との低減ができていることを示している。
次に本発明による他の実施例について述べる。非晶質太
陽電池の構造を示す断面図は第1図と同様であるが、I
層におけるGeの組成の変化法を変えたものである。I層
の形成の際におけるSiH4とGeH4の流量比及びSiH4とCH4
の流量比を第5図のごとく変えて形成したものである。
I層のN/I界面側の半分をa−Siとし、P/I界面側では、
GeH4(GeH4/SiH4)=7.5%から15%に増やし次いでGeH4
の流量比を次第に減らし膜厚2600Åの時点でSiH4のみと
して、次いでCH4の流量を0から次第に増やして膜厚300
0Åの時点でCH4/(CH4+SiH4)=50%となるように形成
する。この時のバンドギャップは第6図のごとくなって
いる。
上記のように構成したa−SiGe太陽電池の電流−電圧特
性を第4図中の一点鎖線で示す。また、その特性を下表
に示す。下表に示したように本実施例においては、従来
と比較して短絡電流は減少するものの、開放電圧と曲線
因子が向上し、最大出力で約8%の向上が見られる。こ
のように、I層中において、そのバンドギャップがステ
ップ状に変化しても特性は大きく低下することはなく、
むしろ特性の良いa−Si膜を用いることで開放電圧と曲
線因子が向上することがわかった。
〔発明の効果〕 以上のように本発明によれば、I層とP型不純物ドープ
層との界面において該I層のバンドギャップを該P型不
純物ドープ層のバンドギャップよりも広くしかつI層中
でバンドギャップの変化させることによって高効率の太
陽電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例としてのa−SiGe太陽電池の
構造を模式的に示す断面図、第2図は本発明による一実
施例におけるI層の作製時におけるGeH4/(SiH4+Ge
H4)及びCH4/(CH4+SiH4)の時間的変化図、第3図は
該実施例により作製された太陽電池のバンド構造図、第
4図は本発明によるa−SiGe太陽電池の電流−電圧特性
の1例を示す図、第5図は本発明による他の実施例にお
けるGeH4/(SiH4+GeH4)及びCH4/(SiH4+CH4)の時間
的変化図、第6図は該実施例により作製された太陽電池
のバンド構造図、第7図,第8図は実施例において比較
を行った従来の構造を持つ太陽電池のバンド構造図であ
る。 1……ステンレス基板、2……N型a−Si層、3……真
性層、3a……I型a−SiGe層、3b……I型a−SiC層、
4……P型a−SiC層、5……透明導電膜層、6……Al
集電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 康美 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 三宮 仁 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 伊藤 学 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−55077(JP,A) 特開 昭63−199466(JP,A) 特開 昭64−71182(JP,A) 特開 昭60−258975(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】非晶質半導体膜からなり、光入射側から、
    p型不純物ドープ層、i層、n型不純物ドープ層の順の
    PIN構造を有する非晶質半導体太陽電池において、 前記p型不純物ドープ層の側端部と接する前記i層のバ
    ンドギャップは、前記p型不純物ドープ層のバンドギャ
    ップより広く不連続であり、前記p型不純物ドープ層側
    から漸減して、前記p型不純物ドープ層及び前記n型不
    純物ドープ層のバンドギャップよりも狭い領域を有する
    ことを特徴とする非晶質半導体太陽電池。
  2. 【請求項2】前記領域と前記n型不純物ドープ層との間
    の前記i層のバンドギャップは不連続に変化してなるこ
    とを特徴とする請求項第1項記載の非晶質半導体太陽電
    池。
JP2003193A 1990-01-09 1990-01-09 非晶質半導体太陽電池 Expired - Fee Related JPH07105520B2 (ja)

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