JPH09181343A

JPH09181343A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPH09181343A
Application number: JP7339774A
Authority: JP
Inventors: Kouichirou Shinraku; 浩一郎新楽; Hideki Shiroma; 英樹白間
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶シリコンに積層させる非晶質シリコン層
の厚さを最適化して、特に低照度における電圧−電流特
性の優れた光電変換装置を提供すること。【解決手段】ｐ型もしくはｎ型の結晶シリコンから成
る基板１の一主面側に裏面電極層８を設けるとともに、
基板１の他主面上に、厚さが400 Å以下のｉ型の第１非
晶質シリコン層２、ｐ型もしくはｎ型で且つ厚さが100
Å以下の第２非晶質シリコン層３、及び受光面電極層４
を順次積層させて成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光センサや太陽電
池等に用いられる光電変換装置に関し、特に結晶系シリ
コン上に非晶質シリコン層を積層させた光電変換装置に
関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】従来より、結晶シリコン（多
結晶シリコンもしくは単結晶シリコン）から成る基板上
に非晶質シリコンを積層し、高い変換効率が得られるヘ
テロ接合光電変換装置に関する研究が盛んに行われてい
る。

【０００３】例えば、図６に示すように、結晶シリコン
基板５１の一主面（裏面）に、金−アンチモンから成る
金属膜５２を設け、この結晶シリコン５１の他の主面
（受光面）に非晶質のシリコンカーバイド膜５３を設
け、このシリコンカーバイド膜５３上に透明導電膜５４
を設けた光電変換装置Ｊが知られている（例えば、Jpn.
J. Appl. Phys. 23 (1984) 515.を参照）。

【０００４】また、結晶のシリコン基板の上にｉ型非晶
質シリコン層及びｎ型微結晶質シリコン層、透明電極層
を順次積層させたような光電変換装置において、ｎ型の
非晶質シリコン層を100 Å以上の厚さに積層し、しかも
不純物濃度を非常に高くしたものも知られている（例え
ば、12TH EUROPEAN PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONF.
11-15 APRIL 1994. 705-708 を参照）。

【０００５】しかしながら、このようなヘテロ接合光電
変換装置においては、ダイオード特性を向上させるため
に、不純物をドーピングさせた層（ｐ型もしくはｎ型の
層）が厚く（例えば200 Å以上）、さらに不純物濃度も
高いために、入射光が光電流に変換可能な領域に到達す
る前に、この層において吸収されてしまう割合が大きか
った。このため、変換効率の向上が期待できないという
問題を有している。

【０００６】そこで、このような従来の光電変換装置の
諸問題を解消し、結晶シリコンに積層させる非晶質シリ
コン層の厚さを最適化して、特に低照度における電圧−
電流特性の優れた光電変換装置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】上記目的を達成する光電
変換装置は、ｐ型もしくはｎ型の結晶シリコンから成る
基板の一主面側に裏面電極層を設けるとともに、前記基
板の他主面上に、厚さが400 Å以下のｉ型の第１非晶質
シリコン層、ｐ型もしくはｎ型で且つ厚さが100 Å以下
の第２非晶質シリコン層、及び受光面電極層を順次積層
させて成る。

【０００８】ここで、特に低照度域での変換効率を向上
させるために、第１非晶質シリコン層の厚さはより好適
には50〜200 Åがよく、また第２非晶質シリコン層の厚
さはより好適には40〜90Åがよい。すなわち、第１非晶
質シリコン層はこのように最適化することにより、光電
流の取り出しに支障が無くなり（第１非晶質シリコン層
が厚すぎると結晶シリコン側で発生した光生成キャリア
が光電流として取り出しにくくなる）、第２非晶質シリ
コン層は光の吸収を抑制し、かつ適度なダイオード特性
が得られる。

【０００９】なお、ｐ型もしくはｎ型の非晶質シリコン
層は完全な非晶質でなくともよく、微結晶が混入された
いわゆる微結晶層であってもよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る実施例について図面
に基づき詳細に説明する。図１に示す光電変換装置Ｓ
は、照明灯が蛍光灯や白熱灯等の光の波長が種々のもの
であっても、変換効率を高く維持することが可能な太陽
電池であり、その理想的な基本構造は以下に示す通りで
ある。

【００１１】図１に示すように、光電変換装置Ｓは、ｐ
型もしくはｎ型の結晶シリコンの基板１の一主面（裏
面）１ｂ側に裏面電極層８が設けられ、基板１の他主面
（受光面）１ａ上に、ｉ型の第１非晶質シリコン層２、
ｐ型もしくはｎ型で且つ基板１の他主面の面積より狭い
被着面積の第２非晶質シリコン層３、及び受光面電極層
４を順次積層させて成る。

【００１２】具体的には、導電型がｐ型の多結晶シリコ
ンから成る基板１の受光面１ａ側には、基板１の受光面
１ａのほぼ全面に導電型がｉ型の第１非晶質シリコン層
２が設けられ、この第１非晶質シリコン層２上には、周
縁部がパターニング除去され、被着面積が基板１の受光
面１ａの面積より狭く、導電型がｎ型の第２非晶質シリ
コン層３が設けられ、この第２非晶質シリコン層３上に
は、さらに周縁部がパターニングされたＩＴＯ（酸化イ
ンジウム・スズ）から成り、第２非晶質シリコン層３よ
り被着面積が狭い受光面電極層４が設けられ、この受光
面電極層４上には導電ペースト，導電ペースト＋半田，
もしくは金属膜などから成る出力の取り出し電極５が設
けられている。

【００１３】また、基板１の裏面１ｂ側には、基板１の
裏面１ｂのほぼ全面にｉ型の第３非晶質シリコン層６が
設けられ、この第３非晶質シリコン層６上には、周縁部
がパターニングされ、被着面積が基板１の裏面１ｂの面
積より狭く、導電型がｐ型の第４非晶質シリコン層７が
設けられ、この第４非晶質シリコン層７上には、周縁部
がパターニングされ、被着面積が第４非晶質シリコン層
７より狭いアルミニウムから成る裏面電極層８が設けら
れている。

【００１４】次に、上記構成の光電変換装置Ｓの製造方
法について説明する。まず、基板１の受光面１ａ側を成
膜する。すなわち、プラズマＣＶＤ法により基板１の受
光面１ａのほぼ全面にｉ型の水素化非晶質シリコン層で
ある第１非晶質シリコン層２を厚さ400 Å以下、すなわ
ち20〜400 Å程度に成膜する。ここで、第１非晶質シリ
コン層２の厚さはより好適には50〜200 Åとする。この
厚さにすることにより光電流の取り出しに支障が無くな
る。そして、この第１非晶質シリコン層２の上面のほぼ
全面に同様な方法にて、非晶質シリコン形成用ガスに不
純物ドープ用ガスであるホスフィン等を所定の比率で
（不純物濃度が約0.2 〜2 ａｔ．％となるように）混合
して、厚さ30〜100 Å程度に成膜してｎ型の第２非晶質
シリコン層３を形成する。次いで、この第２非晶質シリ
コン層３の上面のほぼ全面にスパッタ法によりＩＴＯか
ら成る受光面電極層４を厚さ700 〜1000Å程度に成膜す
る。

【００１５】また、基板１の裏面１ｂ側は、まず、基板
１の裏面１ｂのほぼ全面に、上記と同様にｉ型の水素化
非晶質シリコンを厚さ0 〜200 Å程度に成膜してｉ型の
第３非晶質シリコン層６を形成する。そして、この第３
非晶質シリコン層６の上面のほぼ全面に同様な方法に
て、非晶質シリコン形成用ガスに不純物ドープ用ガスで
あるジボランガス等を所定の比率で混合して、厚さ約0
〜200 Å程度にｐ型の第４非晶質シリコン層７を形成す
る。そして、この第４非晶質シリコン層７の上面のほぼ
全面に蒸着やスパッタ法等によりアルミニウムから成る
裏面電極層８を厚さ3000Å程度に形成する。

【００１６】次に、まず、受光面電極層４及び裏面電極
層８の所定領域をレジストで覆いマスクする。そして、
フッ酸，硝酸，及び水を混合させた混酸を用いて、第２
非晶質シリコン層３，受光面電極層４，第４非晶質シリ
コン層７，及び裏面電極層８の周縁部をエッチングす
る。ここで、第１非晶質シリコン層２及び第３非晶質シ
リコン層６はほとんどエッチングされない。ここで、エ
ッチングレイトを調節するために、混酸における硝酸の
量を多くしてエッチングレイトを下げたり、水の量を多
くしてエッチングレイトを下げたりする。また、稀フッ
酸（2 ％) を用いても、第１非晶質シリコン層２と第２
非晶質シリコン３とのエッチングレイトの差を実現でき
目的の構造をすることができる。なお、第３非晶質シリ
コン６と第４非晶質シリコン７も同様である。

【００１７】さらに、受光面電極層４及び裏面電極層８
をエッチングする場合には、例えば塩酸もしくは臭化水
素でもってエッチングする。

【００１８】そして、スクリーン印刷，半田ディップ，
もしくは蒸着法等により取り出し電極５を形成して、図
１に示す光電変換装置Ｓを作製することができる。な
お、基板１上に多数個の素子領域を作製している場合に
は、上記のようにして素子を作製した後に、素子どうし
を分離するためにレーザー，ダイシング，もしくはダイ
ヤモンドスクライブ等によりカッティングを行う。

【００１９】なおここで、基板１は単結晶シリコンでも
よく、基板１の導電型はｎ型でもよい（この場合には、
基板１の受光面側に設けるｎ型の非晶質シリコン層の代
わりに、ｐ型の非晶質シリコン層を設けるとよい。）。
また、第２非晶質シリコン層３や第４非晶質シリコン層
７は完全な非晶質でなくともよく、いわゆる微結晶層で
あってもよい。また、基板１の裏面側には裏面電極層だ
けを形成するようにしてもよい。また、受光面電極層４
は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等でもよい。また、第１非晶質シ
リコン層２及び／又は第３非晶質シリコン層６の周縁部
をパターニング除去するようにしてもよい。

【００２０】なおまた、光電変換装置Ｓ全体の耐湿性等
の信頼性向上のために、裏面電極層８上には保護膜が形
成されるとより好適である。例えば、樹脂を周知の印刷
手法を用いて保護膜として形成し、さらに、例えば導電
性樹脂を周知の印刷手法を用いて取り出し電極部分が形
成される。また、この上に後工程の実装時の半田づけ性
を良好とするため、半田材料を形成しておくとよい。こ
れは、導電性樹脂表面が長時間放置によって酸化され、
後の実装時の半田づけ性に悪影響を及ぼす可能性を未然
に防ぐためである。

【００２１】次に、上記光電変換装置Ｓの特性について
説明する。受光面積が約0.5 cm²の場合の光電変換装置
Ｓの電圧−電流特性は、図２に実線で示す通りであっ
て、開放電圧は約0.4 Ｖであり、電圧−電流特性が非常
に良好であった。さらに、順バイアス0.3 Ｖにおける暗
電流も2 ×10^-6Ａ／cm²以下であった。このように、光
電変換装置Ｓでは特に半導体接合部における表面経由を
長くすることにより暗電流の発生を極力抑えることがで
き、低照度における電圧−電流特性を従来より大幅に向
上させることができた。

【００２２】次に、受光面積が約0.42cm², 蛍光灯の照
度が250 ルクス, 室温の測定条件で、第２非晶質シリコ
ン層３の厚さと短絡電流値との関係を示した図を図３に
示す。この図から明らかなように、第２非晶質シリコン
層３の厚さが薄ければ薄いほど短絡電流値が増加するこ
とがわかる。

【００２３】また、第２非晶質シリコン層３の厚さと短
絡電流値との関係を示した図を図４に示す。この結果
は、上記と同様な測定条件により測定した。この図から
明らかなように、順バイアス0.3 Ｖにおける明電流との
第２シリコン層３の厚さとの関係から、好適な第２シリ
コン層３の厚さは40〜90Åであり、約60〜70Å付近にピ
ークがあるものと思われる。これは、光吸収の抑制の度
合いとダイオード特性との兼ね合いにより最適厚さが存
在するものと思われる。第２非晶質シリコン３の厚さが
薄すぎて特性が低下するのはダイオード特性が低下する
ためであるが、より詳しくは接合部の拡散電位が不十分
になるためと思われる。

【００２４】なお、図５に示すように、ｐ型もしくはｎ
型の多結晶シリコンの基板３１の裏面に裏面電極層３４
を設け、ｐ型もしくはｎ型の多結晶シリコンの基板３１
の受光面側に、周縁部をパターニングして、被着面積が
基板３１の受光面より狭い、２層以上（ｉ型や他の導電
型の層が複数積層された層構成をなす）の非晶質シリコ
ン層３２を積層し、この非晶質シリコン層３２上に、周
縁部をパターニングして、被着面積が非晶質シリコン層
３２より狭い受光面電極層３３を積層した構造の光電変
換装置Ｓ３としてもよい。このような光電変換装置Ｓ３
においても第１非晶質シリコン層２と第２非晶質シリコ
ン３とに、上述の実施例と同様な厚さの最適範囲がある
ことが判明した。なお、図５において基板３１の取り出
し電極等は省略している。また、図中Ｃ３はレーザーや
ダイシング等によりカッティングして素子分離を行う箇
所を示す。

【００２５】このとき使用するエッチャントは、非晶質
シリコン層３２と受光面電極層３３とが共にエッチング
されるエッチャント（例えば、混酸）を用い、共にエッ
チングされるようにし、さらに、受光面電極層３３のみ
エッチングされるように塩酸などのエッチャントを用い
て受光面電極層３３のサイドエッチングするようにする
とよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光電変換
装置は、ｐ型もしくはｎ型の結晶シリコンから成る基板
の一主面側に裏面電極層を設けるとともに、基板の他主
面上にｉ型の第１非晶質シリコン層、ｐ型もしくはｎ型
の第２非晶質シリコン層、及び受光面電極層を順次積層
させて成る。そして、第 1非晶質シリコン層の厚さを40
0 Å以下とし、第２非晶質シリコン層の厚さを100 Å以
下とし、特に、第２非晶質シリコン層における光吸収を
抑える最適の厚さとしたので、特に特に低照度において
電圧−電流特性が良好となり、高効率の優れた太陽電池
や特性の優れた光センサなどの光電変換装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例の光電変換装置の要部断
面図。

【図２】光電変換装置の電圧−電流特性を示す特性図。

【図３】第２非晶質シリコン層の厚さと短絡電流値との
関係を示す図。

【図４】第２非晶質シリコン層の厚さと短絡電流値との
関係を示す図。

【図５】本発明に係る他実施例の光電変換装置の要部断
面図。

【図６】従来の光電変換装置の一例を示す要部断面図。

【符号の説明】

１・・・基板２・・・第１非晶質シリコン層３・・・第２非晶質シリコン層４・・・受光面電極層８・・・裏面電極層Ｓ・・・光電変換装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型もしくはｎ型の結晶シリコンから成
る基板の一主面側に裏面電極層を設けるとともに、前記
基板の他主面上に、厚さが400 Å以下のｉ型の第１非晶
質シリコン層、ｐ型もしくはｎ型で且つ厚さが100 Å以
下の第２非晶質シリコン層、及び受光面電極層を順次積
層させて成る光電変換装置。