JPH0750793B2

JPH0750793B2 - 薄膜光電変換素子

Info

Publication number: JPH0750793B2
Application number: JP60119854A
Authority: JP
Inventors: 順彦藤田
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1985-06-04
Filing date: 1985-06-04
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPS61278171A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は薄膜光電変換素子に関する。さらに詳しく言え
ば、薄膜光電変換素子の変換効率等の諸特性の改善に関
する。

従来の技術光電変換素子はその用途から、光エネルギーを電気エネ
ルギーに変換するエネルギー変換素子と光情報を電気情
報に変換する情報変換素子に大別することができる。

前者のエネルギー変換素子の代表として、光起電力効果
を利用した太陽電池がある。太陽電池は最近のエネルギ
ー事情に照して、今後の新エネルギー源として期待さ
れ、広範な研究、開発が行なわれており、すでに一部で
は実用化されている。この太陽電池を始めとするエネル
ギー変換素子の開発、研究に係る今後の課題は、低価格
化とエネルギー変換効率の大幅な改善にあるものと思わ
れる。

一方、情報変換素子としては光起電力効果を利用したフ
ォトダイオードおよびフォトトランジスタや光導電効果
を利用した光導電セルなどがある。これらの情報変換素
子は近年の光通信技術の発光に伴って各種のものが開発
され実用化されているが、今後の情報変換素子の研究動
向の１つとして集積化がある。すなわち、同一基板上に
情報変換素子と電気素子あるいは他の光素子とを形成し
て情報の高速処理を可能とするものである。

このような情況の下で、最近エネルギー変換素子の低価
格化あるいは情報変換素子の集積化を目的としてこれら
光電変換素子の薄膜化が注目されている。光電変換素子
を薄膜で構成すれば、素子の集積化が可能になるばかり
でなく、高価な半導体材料が節約され、また量産に適し
た薄膜形成法を用いることができるので製造コストの低
減が実現される。

しかしながら、薄膜化により光電変換素子の低価格化お
よび集積化の問題は解決されるものの、光電変換効率等
の特性の点ではまだ不十分であり、さらに改善すべき余
地が多分に残されている。

光起電力効果による、光エネルギーの電気エネルギーへ
の変換は、まず光電変換素子に入射した光が半導体活性
領域に吸収され、そこで電子と正孔とを形成し、かくし
て発生した電子と正孔とが素子の内部電界によって分離
されることに基づく。これを光電流あるいは光電位とし
て外部に取出し、動力源等として利用することができ
る。この内部電界は各種手段によって実現することがで
き、例えばpin型接合、ショットキー障壁などがよく知
られている。

一方、光導電効果においては、光電変換素子に入射した
光が半導体に吸収され、この光エネルギーにより形成さ
れた電子と正孔とがキャリヤとなって半導体の電気伝導
度が増加することに基づく。この半導体に外部からバイ
アス電圧を加えることによって、電気的出力を得ること
ができる。

従って、光起電力効果あるいは光導電効果を利用する光
電変換素子において、半導体領域に吸収される光量が大
きいほど、すなわち光の強さを一定とすれば半導体領域
内への光の浸透深さ（光路長）が長いほど、形成される
電子および正孔の濃度が増して変換効率が向上すること
がわかる。

薄膜光電変換素子の従来例１としてアモルファスシリコ
ン（以下、ａ−Siとする）薄膜太陽電池の構成を第５図
に示す。すなわち、平坦なガラス基板11と、その上面に
設けられたSnO₂透明電極層12と、透明電極層12の上に設
けられたａ−Si層13と、ａ−Si層13の上に設けられたAl
電極層14から構成されている。ここで、ａ−Si層13はpi
n型接合構造を有しており、透明電極層12の上に順次ｐ
型ａ−Si層、ｉ型ａ−Si層およびｎ型ａ−Si層が積層さ
れている。

このような構成にして、ガラス基板11側から入射した光
をａ−Si層13に導き、ここで光電変換させて、SnO₂透明
電極層12とAl電極層14との間に起電力を生じさせるもの
である。

しかしながら、ガラス基板11の表面、ガラス基板11と透
明電極12との界面および透明電極12とａ−Si層13との界
面における入射光の反射が原因となって、ａ−Si層13に
入射される光量が小さくなってしまう。さらに、各層の
界面が平坦かつ平行であるので、例えば光がガラス基板
11に垂直に入射したときには、ａ−Si層13にも同様に垂
直に入射することになり、光はａ−Si層13内を最短距離
を通って通過しようとする。

その結果、素子の変換効率が低下してしまい、所望の特
性を得ることができなかった。

そこで、光電変換効率の向上を目的として考案された従
来例２の構成を第６図に示す。この従来例２は第５図の
従来例１において、SnO₂透明電極層12の表面に微細な凹
凸を形成し、その上にａ−Si層13を設けるものである。
SnO₂透明電極層12は例えばCVD法により形成することが
できるが、表面の微細な凹凸は、CVD反応時の温度ある
いは圧力等の設定条件の変更によって形成される。この
微細な凹凸が設けられたことにより、ガラス基板11から
透明電極層12に入射した光は、透明電極層12とａ−Si層
13との界面で不規則な方向に屈折あるいは回折してａ−
Si層13内に浸透する。従って、ガラス基板11に垂直に入
射した光の大部分がａ−Si層13内では斜めに進行するの
で、ａ−Si層13内における光路長が長くなり、この結果
光電変換効率が向上する。

しかしながら、一般に透過性をよくするために透明電極
層12の厚さは数μｍ以下に設定され非常に薄いので、こ
の透明電極層12に規則性のある所望の凹凸を形成するこ
とは現在の技術では困難である。従って、形成された凹
凸状態が不均一となり、ａ−Si層13内における光路長の
長大化が十分にはなされないとともに、この凹凸のある
透明電極層12の上に形成されるａ−Si層13の膜厚が不均
一となるので透明電極層12とAl電極層14との間のシャン
ト抵抗が小さくなるなど、素子の特性劣化の原因が生じ
てしまう。

このようにして作製された第５図および第６図のような
構成の従来例１、２に係る太陽電池の諸特性を以下の第
１表に示す。ただし、従来例２は厚さ１μｍの透明電極
層12の表面に約0.1μｍの凹凸を設けたものである。

第１表に示されるように、透明電極層12の表面に微細な
凹凸を形成した従来例２の諸特性は従来例１よりもわず
かに変換効率が大きいものの、まだ不十分なものであっ
た。

また、これら従来例の他、反射損失を減少させるために
反射防止膜などを設ける方法法もあるが、反射防止膜で
は特定の波長域の光にしか有効でないので、十分な特性
を得ることはできなかった。

発明が解決しようとする問題点以上述べたように、太陽電池その他の光電変換素子にお
いて、薄膜化することにより低価格化および集積化の問
題は解決されつつある。しかしながら、変換効率等の諸
特性は依然として不十分であり、さらに一層の改善が望
まれている。

そこで、本発明の目的は、変換効率など諸特性の優れた
薄膜光電変換素子を提供することにある。

問題点を解決するための手段本発明者は、変換効率等各種特性の優れた薄膜光電変換
素子を開発すべく種々検討、研究した結果、基板表面に
規則的な凹凸を設け、その上に一定膜厚の電極層や半導
体層を形成して光電変換素子を構成することが有効であ
ることを見出した。

すなわち、本発明の薄膜光電変換素子は、表面が凹凸形
状をなしている基板と、該基板表面上に形成され、半導
体層と該半導体層をはさむ透明電極層および電極層から
なる多層薄膜とを有することを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様においては、基板がガラス
からなっており、第１図にこの態様における本発明の薄
膜光電変換素子の断面図を示す。以下、この断面図に沿
って説明する。

まず、ガラス基板１の表面に所望の大きさの凹凸を形成
する。形成方法としては、（１）表面状態調節用のロールとして円筒面上に凹凸
が設けられたロールを用意し、ガラス基板製造時にガラ
ス軟化温度域のガラス基板の表面をこのロールで押付け
ることにより表面加工を施す。

（２）平坦な表面を有するガラス基板を製造した後、
該表面をエッチングすることにより粗面化する。なお、
エッチングの方式としては、HF、HF＋NH₄F、HF＋HNO₃等
をエッチング液としたウェットエッチング法やHF、CHF₃
等をエッチングガスとしたプラズマエッチング法の他、
スパッタエッチング法あるいはイオンビームエッチング
法を用いることができる。

（３）平坦な表面を有するガラス基板を製造した後、
該表面に切削および研摩などの機械加工を施す。などが
あり、さらに以上のようにして凹凸を形成した後、ガラ
ス基板１の表面形状の安定化およびガラス表面の結晶性
の回復を目的として熱処理を施してもよい。

ガラス基板１の上に形成される透明電極層２の材料とし
ては、透明度および導電性に優れたSnO₂やITOが適して
おり、CVD法あるいは蒸着法等により膜厚0.01〜５μｍ
程度で形成する。

また、光電変換が行なわれる半導体層３としては、光吸
収係数の大きいａ−Si、GaAsを始めとするIII−Ｖ族化
合物半導体およびII−VI族化合物半導体を用いることが
でき、例えばａ−Siの場合には膜厚0.5〜１μｍ程度、G
aAsの場合には膜厚１〜２μｍ程度、プラズマCVD法、ス
パッタ法あるいは蒸着法等により形成する。なお、太陽
電池等の光起電力素子を構成する場合には、この半導体
層３内にpn接合、pin接合あるいはヘテロ接合を形成す
る必要がある。

最上層となる電極層４には、反射率が大きく、かつ良導
性の金属材料が適しており、特にAlやAg等を例示でき、
これらは蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法
あるいはCVD法などにより形成される。

なお、第１図に示される構成の他、凹凸形状を有する基
板上にショットキー障壁型あるいはMIS型太陽電池を構
成した光起電力素子も本発明の範囲に当然含まれる。

作用以上のような構成とすることによって、基板上に一定厚
の薄膜を形成するだけで、薄膜の表面は基板表面と同様
の凹凸形状となる。さらに、前述の従来例２において表
面上に凹凸を設けようとした厚さ数μｍ以下の透明電極
層に比べて、基板ははるかに厚いものであるので、この
基板表面に適度な大きさの凹凸を高精度で形成すること
は容易である。従って、基板上に形成された薄膜の表面
を均一性の優れた凹凸形状とすることができる。

例えば、第１図に示す構成とした場合、ガラス基板１の
上に透明電極層２、半導体層３および電極層４を順次そ
れぞれ一定の厚さで積層すれば、各界面は同様の凹凸形
状となる。

その結果、ガラス基板１を透過し、さらに透明電極層２
から半導体層３に入射する光は、第２図に示されるよう
に、まずＡ点で屈折光と反射光に分波し、さらにこの反
射光はＢ点で再び半導体層３に入射して屈折光を生じ
る。このように、透明電極層２と半導体層３との界面に
おいて、入射光の多重反射屈折げが行なわれるので、こ
の界面での反射光量が減少する。

同様にして、反射光量の減少はガラス基板１と透明電極
層２との界面においても生じることになる。

さらに、第２図からわかるように、半導体層３内に浸透
していく屈折光の進行方向は入射光の方向と異なるので
半導体層３内の光路長が長くなる。また電極層４に反射
率の大きい材料を用いているので、半導体層３内で吸収
されなかった光は電極層４との界面で反射されて再び半
導体層３内を通過することになり、一層光路長が長くな
る。

また、均一性の良い凹凸形状のガラス基板１上に各層が
順次形成されるので、半導体層３の膜厚は均一なものと
なる。ここで、ガラス基板１上に形成された凹凸の局部
が鋭い形状になっていても、この上に透明電極層２を堆
積するので透明電極層２の上面は連続的な面となり、こ
の面上に形成される半導体層３は適度な凹凸状態とな
る。従って、従来例２のように透明電極層２と電極層３
との間のシャント抵抗が小さくなることはない。

かくして、本発明の薄膜光電変換素子は変換効率が非常
に高いものとなる。すなわち、光導電素子においては明
時の抵抗値と暗時の抵抗値との差が大きく、また光起電
力素子においては生じる電力が大きくなる。さらに、反
射防止膜による反射光量の減少と異なり、本発明では広
範囲にわたる波長域の光に対して反射損失の減少化が達
成される。

実施例以下、本発明の実施例について添付図面を参照して説明
する。ただし、本発明は以下の実施例により何等制限さ
れない。

実施例１第１図に示す構成の太陽電池を製作した。

まず、ガラス基板１の製造時に表面状態調整用ロールを
通すことにより、ガラス基板１の表面に第３図に示すよ
うなピッチ0.5mm、高さ0.22mm、開口角90゜および凹
部、凸部の曲率半径35μｍの凹凸を形成した。次に、ガ
ラス基板１の凹凸面上にCVD法によってSnO₂透明電極層
２を厚さ１μｍ堆積した。さらに、透明電極層２の上に
ｐ型ａ−Si層、ｉ型ａ−Si層およびｎ型ａ−Si層を順次
プラズマCVD法により形成して、これをａ−Si層３とす
る。なお、このプラマズマCVD法の条件を以下の第２表
に示す。

次に、ａ−Si層３上にAl電極層４を蒸着法により厚さ0.
5μｍ形成した。

実施例２ガラス基板１表面上の凹凸形状を第４図のように設定し
た他は実施例１と全く同様の太陽電池を製作した。すな
わち、ピッチ0.5mm、高さ0.36mm、開口角60゜および凹
部、凸部の曲率半径35μｍの凹凸をガラス基板製造時に
表面状態調整用ロールを通すことにより形成したもので
ある。

このようにして作製した実施例１および２の太陽電池に
ついて各種特性を調べたところ、次の第３表に示すよう
な結果が得られた。

従来の太陽電池の同様な特性はすでに第１表に記載し
た。これらの結果の比較から、本発明による太陽電池は
非常に優れた特性を有することがわかる。

なお、上記の実施例１、２では太陽電池を構成したが、
その他の光起電力素子あるいは光導電素子を構成しても
同様に優れた特性を示すことは言うまでもない。

発明の効果以上詳しく述べたように、本発明によれば、基板表面上
に設けられた凹凸が光電変換の反射損失を減少させると
ともに、半導体層等の薄膜中での光路長を長大化する。
従って、幅広い波長域において変換効率が著しく向上す
る等、光電変換の各種特性が優れたものとなる。

かくして、本発明による薄膜光電変換素子は太陽電池、
光センサ、光導電セル等として用いるのに極めて適した
ものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明薄膜光電変換素子の一構成例を示す断面
図、第２図は凹凸面による多重反射屈折を示す説明図、第３図および第４図はそれぞれ本発明の実施例１および
２におけるガラス基板１上の凹凸形状を示す断面図、第５図および第６図はそれぞれ従来例の構成を示す断面
図である。（主な参照番号）１、11……ガラス基板、２、12……透明電極層、３……半導体層、４……電極層、 13……ａ−Si層、14……Al電極層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面が凹凸形状をなしている基板と、該基
板表面上に形成され、半導体層と該半導体層をはさむ透
明電極層および電極層からなる多層薄膜とを有する薄膜
光電変換素子において、上記透明電極層の膜厚が0.01〜
５μｍであり、該半導体層の膜厚が0.5〜２μｍであ
り、かつ基板表面の凹凸のピッチが約0.5mmでかつ凹凸
の高さが0.22mmないし0.36mmであることを特徴とする薄
膜光電変換素子。
【請求項２】前記半導体層がpn接合、pin接合およびヘ
テロ接合のうちいずれかを有していることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の薄膜光電変換素子。
【請求項３】前記基板がガラスからなることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の薄膜光電変
換素子。
【請求項４】前記基板の凹凸形状がロール成形により形
成されることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載
の薄膜光電変換素子。
【請求項５】前記基板の凹凸形状がエッチングにより形
成されることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載
の薄膜光電変換素子。
【請求項６】前記基板の凹凸形状が機械加工により形成
されることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
薄膜光電変換素子。