(57)【要約】【課題】裏面電極層（第２の電極層）による光の吸収ロスが少ない光起電力装置を提供する。【解決手段】光起電力装置は、絶縁性を有する基板１と、基板１の上に積層された第１の電極層２と、第１の電極層２の上に積層された光電変換層３ａ、３ｂと、光電変換層３ａ、３ｂの上に積層された透光性導電酸化物層４と、透光性導電酸化物層４の上に積層された第２の電極層７とを備える。第２の電極層７は、透光性導電酸化物層４の上に積層された第１の反射層５と、第１の反射層５の上に積層された第２の反射層６とを備える。基板１から入射する光のうち第１の反射層５に到達する光の波長域において、第１の反射層５と第２の反射層６の界面での反射率が、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面での反射率よりも高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性を有する基板と、
当該基板の上に積層された第１の電極層と、
当該第１の電極層の上に積層された光電変換層と、
当該光電変換層の上に積層された透光性導電酸化物層と、
当該透光性導電酸化物層の上に積層された第２の電極層とを備え、
当該第２の電極層は、当該透光性導電酸化物層の上に積層された第１の反射層と、当該第１の反射層の上に積層された第２の反射層とを備え、
前記基板から入射する光のうち前記第２の反射層に到達する光の波長域において、前記第１の反射層と前記第２の反射層の界面での反射率が、前記透光性導電酸化物層と前記第１の反射層の界面での反射率よりも高いことを特徴とする光起電力装置。
【請求項２】
前記透光性導電酸化物層は酸化亜鉛、酸化インジウム錫、酸化錫、又は酸化チタンで形成され、前記第１の反射層は銀或いはアルミニウムを含有する銀で形成され、前記第２の反射層はチタン、金、或いは銅で形成されていることを特徴とする請求項１記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記透光性導電酸化物層は酸化亜鉛、酸化インジウム錫、酸化錫、又は酸化チタンで形成され、前記第１の反射層はアルミニウムで形成され、前記第２の反射層は銀、金、或いは銅で形成されていることを特徴とする請求項１記載の光起電力装置。
【請求項４】
前記第１の反射層の膜厚は５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項記載の光起電力装置。
【請求項５】
前記第２の反射層に到達する光のうち前記光電変換層に吸収されて光生成キャリアの生成に寄与する光の波長域において、前記第１の反射層と前記第２の反射層の界面での反射率が、前記透光性導電酸化物層と前記第１の反射層の界面での反射率よりも高いことを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項記載の光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アモルファスシリコン層や微結晶シリコン層等の薄膜状の半導体層を備える光起電力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、絶縁性透明基板の上に透明電極層、非晶質シリコンなどからなる薄膜半導体層（光電変換層）、及び裏面電極層を順次積層して形成される薄膜状の光起電力装置が知られている。絶縁性透明基板の側から入射する光が透明電極層を透過して薄膜半導体層内に入射すると光電変換により光生成キャリアが生成され、ｐｎ接合或いはｐｉｎ接合により形成される内部電界を用いて透明電極層及び裏面電極層からそれぞれ正及び負の光生成キャリアがそれぞれ取り出されることにより光起電力が得られる。
【０００３】
このような薄膜状の光起電力装置において薄膜半導体層に到達する光量を増加させるため、これまでに様々な改良がなされている。例えば、裏面電極層に光電変換に有効な波長域の光の反射率が高い銀電極を用い、薄膜半導体層と銀電極との間に透明導電層を介挿し、入射光を裏面電極層と透明導電層の界面で反射させることにより、薄膜半導体層を透過した光を裏面電極層に吸収されることなく、再び薄膜半導体層へ到達させることができる。
【特許文献１】特開昭５５−１０８７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、高い変換効率が得られ光劣化現象を抑制できる光起電力装置として、アモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ：Ｈ）と微結晶シリコン層（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とを積層したａ−Ｓｉ：Ｈ／μｃ−Ｓｉ：Ｈ構造の光電変換層を備える光起電力装置が注目を集めている。微結晶シリコン層はその吸収端波長である約１１００ｎｍまでの光に対して光電変換を行なう。
【０００５】
しかしながら、裏面電極層として銀を代表とする低抵抗かつ高反射率な金属層を用い、透明導電層として透光性導電酸化物層を用いたとしても、裏面電極層と透明導電層の界面において、長波長域の光に対する十分な反射率は得られない。よって、当該界面に到達した長波長域の光は反射されずに裏面電極層内に吸収されてしまい、光電変換に寄与することができず、裏面電極層による光の吸収ロスが発生してしまう。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであり、その目的は、裏面電極層による光の吸収ロスが少ない光起電力装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の特徴は、絶縁性を有する基板と、この基板の上に積層された第１の電極層と、この第１の電極層の上に積層された光電変換層と、この光電変換層の上に積層された透光性導電酸化物層と、この透光性導電酸化物層の上に積層された第２の電極層とを備える光起電力装置であって、第２の電極層は、透光性導電酸化物層の上に積層された第１の反射層と、この第１の反射層の上に積層された第２の反射層とを備え、基板から入射する光のうち第２の反射層に到達する光の波長域において、第１の反射層と第２の反射層の界面での反射率が、透光性導電酸化物層と第１の反射層の界面での反射率よりも高いことである。
【０００８】
従来は、基板から入射する光のうち、透光性導電酸化物層と電極層の界面まで達し、当該界面において反射されない波長域の光は、電極層により吸収されてしまい、光電変換に寄与することができず、電極層による吸収ロスとなってしまう。そこで、本発明は、電極層が第１の反射層と第２の反射層を備える構成とし、透光性導電酸化物層と第１の反射層の界面において反射されない光の波長域において、第１の反射層と第２の反射層の界面での反射率を、透光性導電酸化物層と第１の反射層の界面での反射率よりも高くする。これにより、基板から入射する光のうち、透光性導電酸化物層と第１の反射層の界面まで達し、当該界面において反射されない波長域の光を、第１の反射層と第２の反射層の界面で反射することができる。当該界面で反射された光は、再び、光電変換層に吸収され、光電変換に寄与することができる。このように、いままで電極層により吸収されていた波長域の光を第２の反射層で反射させることにより、これまでよりも多くの光を光電変換に寄与させることができる。
【０００９】
透光性導電酸化物層を酸化亜鉛、酸化インジウム錫、酸化錫、又は酸化チタンで形成し、第１の反射層を銀或いはアルミニウムを含有する銀で形成し、第２の反射層をチタン、金、或いは銅で形成する。これにより、第１の反射層と第２の反射層の界面での反射率を、透光性導電酸化物層と第１の反射層の界面での反射率よりも高くすることができる。
【００１０】
透光性導電酸化物層を酸化亜鉛、酸化インジウム錫、酸化錫、又は酸化チタンで形成し、第１の反射層をアルミニウムで形成し、前記第２の反射層を銀、金、或いは銅で形成する。これにより、第１の反射層と第２の反射層の界面での反射率を、透光性導電酸化物層と第１の反射層の界面での反射率よりも高くすることができる。
【００１１】
第１の反射層の膜厚を５０ｎｍ以下とすることにより、透光性導電酸化物層と第１の反射層の界面で反射されない光が、第１の反射層を往復して再び光電変換層に到達することができる。
【００１２】
第２の反射層に到達する光のうち光電変換層に吸収されて光生成キャリアの生成に寄与する光の波長域において、第１の反射層と第２の反射層の界面での反射率を、透光性導電酸化物層と第１の反射層の界面での反射率よりも高くする。光生成キャリアの生成に寄与する光の波長域における反射率だけを考慮すれば良いため、各層の材質の選択の幅が広がる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、裏面電極層による光の吸収ロスが少ない光起電力装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付している。
【００１５】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係わる光起電力装置の構成を説明する。本発明の実施の形態に係わる光起電力装置は、絶縁性を有する基板１と、当該基板１の上に積層された第１の電極層２と、当該第１の電極層２の上に積層された光電変換層（３ａ、３ｂ）と、当該光電変換層（３ａ、３ｂ）の上に積層された透光性導電酸化物層４と、当該透光性導電酸化物層４の上に積層された第２の電極層７とを備える。
【００１６】
絶縁性を有する基板１は例えばガラス基板である。第１の電極層２は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）、又は酸化チタン（ＴｉＯｘ）などの透光性及び導電性を有する金属酸化物からなる。透光性導電酸化物層４も第１の電極層２と同様な透光性及び導電性を有する金属酸化物からなる。
【００１７】
光電変換層（３ａ、３ｂ）は、ｐｎ或いはｐｉｎ接合などの半導体接合を有しており、薄膜多結晶Ｓｉ等の薄膜結晶系半導体材料、非晶質Ｓｉ系合金或いはＣｕＩｎＳｅ等の薄膜半導体材料から構成されている。光電変換層（３ａ、３ｂ）は、これらから選ばれる１つの層からなっていてもよいが、２以上の層の積層構造を有していても構わない。本発明の実施形態では、光電変換層が第１の光電変換層３ａと第２の光電変換層３ｂとの２つの層の積層構造を有する場合について説明する。例えば、光電変換層は、第１の光電変換層３ａと第２の光電変換層３ｂとして、例えば、アモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ：Ｈ）と微結晶シリコン層（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とをそれぞれ発電層とした光電変換層を積層したａ−Ｓｉ：Ｈ／μｃ−Ｓｉ：Ｈ構造を備える。アモルファスシリコン層の長波長側の吸収端は約８００ｎｍ弱であるが、微結晶シリコン層の長波長側の吸収端は約１１００ｎｍである。したがって、８００ｎｍ弱から１１００ｎｍまでの波長域の光は、微結晶シリコン層を発電層とする光電変換層（第２の光電変換層３ｂ）において吸収されて光電変換が行なわれる。
【００１８】
第２の電極層７は、透光性導電酸化物層４の上に積層された第１の反射層５と、第１の反射層５の上に積層された第２の反射層６とを備える。第１の反射層５及び第２の反射層６の材質は、基板１から入射する光のうち第１の反射層に到達する光の波長域において、第１の反射層と第２の反射層の界面での反射率が、透光性導電酸化物層と第１の反射層の界面での反射率よりも高くなるように設定される。このような条件を満たす第１の反射層５は、例えば、銀（Ａｇ）或いはアルミニウム（Ａｌ）を含有する銀、或いはアルミニウムで形成される。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１に示すように、第１の反射層５が銀或いはアルミニウムを含有する銀で形成される場合、第２の反射層６はチタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、或いは銅（Ｃｕ）で形成される。第１の反射層５がアルミニウムで形成される場合、第２の反射層は銀、金、或いは銅で形成される。このように、第２の電極層７を第１の反射層５及び第２の反射層６の２層構造とすることで、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５との界面で反射されずに第１の反射層５内に到達する特に長波長領域の光を第１の反射層５と第２の反射層６との界面で反射させて、再び光電変換層（３ａ、３ｂ）に到達させることができる。
【００２１】
実施の形態においては、透光性導電酸化物層４をＩＴＯで形成し、第１の反射層５をＡｇで形成し、第２の反射層６をＴｉで形成する。この場合、例えば、第１の反射層５の厚みを１０ｎｍとし、第２の反射層６の厚みを３００ｎｍとする。
【００２２】
（第１の実験例）
図２及び図３を参照して、基板１から入射する光のうち第１の反射層５に到達する光の波長域について説明する。図２は、基板１から入射する光のうち第１の反射層５に到達する光の波長域を調べるために行なった第１の実験例で使用した光電変換装置の構成を示す。実験例で使用した光電変換装置は、図１の光電変換装置に比べて、第２の反射層６を備えず、第１の反射層５ｂの厚みを７ｎｍにまで極めて薄く形成されている点が異なり、その他は同一である。図２に示す光電変換装置の基板１側から光を入射し、第１の反射層５ｂを透過する光の強度を波長域ごとに測定した。
【００２３】
図３は、図２に示す光電変換装置の基板１側から光を入射し、第１の反射層５ｂを透過する光の強度を波長域ごとに測定した結果を示すグラフであり、横軸が透過光の波長（ｎｍ）であり、縦軸が入射光の強度に対する透過光の強度の割合（透過率：％）である。第１の反射層５ｂを透過する光は波長６００ｎｍ付近から観測されはじめ、６００ｎｍ〜１０００ｎｍにおいて急激に増加し、１０００〜１２００ｎｍの波長域において透過率は約４０％に達する。
【００２４】
基板１から入射する光のうち、図３に示した波長域の光が図２の第１の反射層５ｂを透過していることから、少なくとも図３に示した波長域の光は、図１に示した透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４と第１の反射層（銀）５の界面で反射されずに、第２の反射層（Ｔｉ）６に到達するといえる。すなわち、少なくとも約６００ｎｍ以上の波長域の光が、透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４と第１の反射層（銀）５の界面で反射されずに、第２の反射層（Ｔｉ）６に到達することになる。
【００２５】
そこで、基板１から入射する光のうち、透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４と第１の反射層（銀）５の界面で反射されずに、第２の反射層（Ｔｉ）６に到達する光の波長域において、第１の反射層（銀）５と第２の反射層６の界面での反射率が、透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４と第１の反射層（銀）５の界面での反射率よりも高くなるように、透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４、第１の反射層（銀）５、及び第２の反射層６の材質の組み合わせを設定する。
【００２６】
なお、光電変換層３ａ、３ｂのそれぞれには光電変換に寄与する固有の波長域が存在するため、第１の反射層５に到達する光のうち光電変換層３ａ、３ｂに吸収されて光生成キャリアの生成に寄与する光の波長域において、第１の反射層（銀）５と第２の反射層６の界面での反射率が高ければ十分である。
【００２７】
例えば、アモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ：Ｈ）の長波長側の吸収端波長は約８００ｎｍ弱であり、微結晶シリコン層（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）の長波長側の吸収端波長は約１１００ｎｍである。よって、第１の光電変換層３ａとしてのアモルファスシリコン層を使用し、第２の光電変換層３ｂとしての微結晶シリコン層とを使用した場合、波長が約１１００ｎｍ以下の光に対して光電変換を行なうことができる。約１１００ｎｍ以下の波長域において、第１の反射層（銀）５と第２の反射層６の界面での反射率が透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４と第１の反射層（銀）５の界面での反射率よりも高ければ十分である。
【００２８】
したがって、第１の実験例から、基板１から入射する光のうち、約６００ｎｍ以上約１１００ｎｍ以下の波長域において、第１の反射層（銀）５と第２の反射層６の界面での反射率が、透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４と第１の反射層（銀）５の界面での反射率よりも高くなるように、透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４、第１の反射層（銀）５、及び第２の反射層６の材質の組み合わせを設定する。
【００２９】
図４は、透光性導電酸化物層４としてＩＴＯを用い、第１の反射層５として銀を用いた場合の透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面での波長域ごとの反射率を示す。図５は、第１の反射層５として銀を用い、第２の反射層６としてチタンを用いた場合の第１の反射層５と第２の反射層６の界面での波長域ごとの反射率を示す。表１に示したように、透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４、第１の反射層（銀）５、及び第２の反射層（チタン）６の組み合わせることにより、少なくとも約６００ｎｍ以上約１１００ｎｍ以下の波長域において、第１の反射層（銀）５と第２の反射層（チタン）６の界面での反射率を、透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４と第１の反射層（銀）５の界面での反射率よりも高くすることができる。透光性導電酸化物層４、第１の反射層５、及び第２の反射層６の組み合わせは、これに限定されることはなく、表１に示した様々な組み合わせが可能である。
【００３０】
（第１の反射層の厚さについて）
第１の反射層（銀）５と第２の反射層（チタン）６の界面で反射した光が再び光電変換層３ａ、３ｂに到達するためには、第１の反射層（銀）５の中を光が往復する必要がある。このため、第１の反射層（銀）５の厚さは、実質的に光強度が零になる進入深さの半分よりも薄くしなければならない。
【００３１】
図６は、波長ごとに銀層中の進入深さと光の強度との関係を示すグラフである。横軸が銀層中の進入深さを示し、縦軸が規格化された強度を示す。各波長において、進入深さが深くなるほど光の強度は弱くなる。約６００ｎｍ以上約１１００ｎｍ以下の波長域の光は、進入深さが１００ｎｍで実質的に強度が零になることから、第１の反射層５を銀層で構成した場合、５０ｎｍ以下である必要がある。本発明の実施の形態では、２０ｎｍとする。
【００３２】
（第２の実験例）
次に、図１に示した本発明の実施形態に係わる光起電力装置、及び図７に示す比較例に係わる光起電力装置に対して、基板側から光を照射し、光起電力装置内で反射して基板側から再び放出される反射光の強度をそれぞれ測定した。測定には日立製作所製の分光光度計（Ｕ−４０００）用い、試料に照射する光の波長を変化させながら反射率を測定した。
【００３３】
図７に示すように、比較例に係わる光起電力装置は、図１の光起電力装置と比べて、第２の電極層が第１の反射層（銀）５５のみからなる点が異なり、その他の構成については同一である。即ち、比較例に係わる光起電力装置は、絶縁性を有する基板５１と、基板５１の上に積層された第１の電極層５２と、第１の電極層５２の上に積層された第１の光電変換層（ａ−Ｓｉ：Ｈを発電層として備える）５３ａ及び第２の光電変換層（μｃ−Ｓｉ：Ｈを発電層として備える）５３ｂと、第２の光電変換層５３ｂの上に積層された透光性導電酸化物層５４と、透光性導電酸化物層５４の上に積層された第１の反射層（銀）５５とを備える。
【００３４】
図８に示すように、図１の実施形態に係わる光起電力装置の反射率は、図７に示す比較例に係わる光起電力装置の反射率に比べて、８００ｎｍ以上の波長域において高くなった。また、反射率が高まることにより、図１の実施形態に係わる光起電力装置の短絡電流(Isc)が５％向上し、変換効率が５％向上した。
【００３５】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
【００３６】
図４及び図５に示したように、基板１から入射する光のうち第１の反射層５を透過して第２の反射層６に到達する光の波長域において、第１の反射層５と第２の反射層６の界面での反射率を、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面での反射率よりも高くする。従来は、基板１から入射する光のうち、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面まで達し、当該界面において反射されない波長域の光は、第１の反射層５により吸収されてしまい、光電変換に寄与することができず、第１の反射層５による吸収ロスとなってしまう。そこで、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面において反射されない光の波長域において、第１の反射層５と第２の反射層６の界面での反射率を、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面での反射率よりも高くする。これにより、基板１から入射する光のうち、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面まで達し、当該界面において反射されない波長域の光を、第１の反射層５と第２の反射層６の界面で反射することができる。当該界面で反射された光は、再び、光電変換層３ａ、３ｂに吸収され、光電変換に寄与することができる。このように、いままで第２の電極層により吸収されていた波長域の光を第２の電極層で反射させることにより、これまでよりも多くの光を光電変換に寄与させることができる。
【００３７】
透光性導電酸化物層４を酸化亜鉛、酸化インジウム錫、酸化錫、又は酸化チタンで形成し、第１の反射層５を銀或いはアルミニウムを含有する銀で形成し、第２の反射層６をチタン、金、或いは銅で形成する。これにより、第１の反射層５と第２の反射層６の界面での反射率を、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面での反射率よりも高くすることができる。
【００３８】
透光性導電酸化物層４を酸化亜鉛、酸化インジウム錫、酸化錫、又は酸化チタンで形成し、第１の反射層５をアルミニウムで形成し、前記第２の反射層６を銀、金、或いは銅で形成する。これにより、第１の反射層５と第２の反射層６の界面での反射率を、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面での反射率よりも高くすることができる。
【００３９】
更に、第１の反射層５の膜厚を５０ｎｍ以下とすることにより、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面で反射されない光が、第１の反射層５を往復することができる。
【００４０】
第１の反射層５に到達する光のうち光電変換層３ａ、３ｂに吸収されて光生成キャリアの生成に寄与する光の波長域において、第１の反射層５と第２の反射層６の界面での反射率を、透光性導電酸化物層４と第１の反射層５の界面での反射率よりも高くする。光生成キャリアの生成に寄与する光の波長域における反射率だけを考慮すれば良いため、各層の材質の選択の幅が広がる。
【００４１】
上記のように、本発明は、１つの実施の形態及びその実験例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係わる光起電力装置の構成を示す断面図である。
【図２】基板１から入射する光のうち第１の反射層５に到達する光の波長域を調べるために行なった実験で使用する光電変換装置の構成を示す断面図である。
【図３】図２の光起電力装置を用いて行なった実験結果を示すグラフである。
【図４】透光性導電酸化物層（ＩＴＯ）４と第１の反射層（銀）５の界面での反射率スペクトルを示すグラフである。
【図５】第１の反射層（銀）５と第２の反射層（チタン）６の界面での反射率スペクトルを示すグラフである。
【図６】周波数ごとに銀層中の進入深さと光の強度との関係を示すグラフである。
【図７】比較例に係わる光起電力装置の構成を示す断面図である。
【図８】第２の実験例における波長域ごとの反射率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１、５１  基板
２、５２  第１の電極層
３ａ、５３ａ  第１の光電変換層
３ｂ、５３ｂ  第２の光電変換層
４、５４  透光性導電酸化物層
５、５ｂ、５５  第１の反射層
６  第２の反射層
７  第２の電極層
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008159799.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2008159799.tif 000009
【図７】
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【図８】
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