(57)【要約】【課題】シリコン系薄膜太陽電池の変換効率を高めた薄膜太陽電池を提供する。【解決手段】少なくとも一つのｐｉｎ接合のｎ型微結晶薄膜３およびｉ型微結晶薄膜４の接合界面において、シリコンもしくはゲルマニウムを主成分とする該ｐ型微結晶薄膜３と、該ｐ型微結晶薄膜３よりもバンドギャップの大きいｉ型微結晶超薄膜７、ｉ型非晶質超薄膜８からなる積層体１０を少なくとも１層以上１０層以下となるように挿入した構造に形成する。【選択図】    図１
2004335734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンもしくはゲルマニウムを主成分とするｐ型半導体層、実質的に真性なｉ型半導体層、ｎ型半導体層を積層したｐｉｎ接合を少なくとも一つ有する薄膜太陽電池であって、
少なくとも一つのｐｉｎ接合のｎ型半導体層およびｉ型半導体層の接合界面において、シリコンもしくはゲルマニウムを主成分とする該ｉ型半導体超薄膜と該ｉ型薄膜よりもバンドギャップの大きいｉ型半導体超薄膜からなる積層体が少なくとも１層以上１０層以下挿入されていることを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜太陽電池において、
実質的に真性な該ｉ型半導体層よりもバンドギャップの大きいｉ型半導体超薄膜の膜厚が５Å以上１００Å以下であることを特徴とする薄膜太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン系薄膜太陽電池に係り、特に非単結晶素材を含んだ太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
将来の需給が懸念され、かつ地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素排出の問題がある石油などの化石燃料の代替エネルギー源として太陽電池が注目されている。この太陽電池は、光エネルギーを電力に変換する光電変換層に半導体であるｐｎ接合を用いており、このｐｎ接合を構成する半導体として一般的にはシリコンが最もよく用いられている。シリコンとしては光電変換効率の点から単結晶シリコンを用いることが好ましいが、単結晶シリコンは原料供給や大面積化、低コスト化などの問題がある。
【０００３】
一方、大面積化および低コスト化を実現するのに有利な材料としてアモルファスシリコンや微結晶シリコンを光電変換層とした薄膜太陽電池も実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭５３−３７７１８。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したアモルファスシリコンや微結晶シリコンを光電変換層とした薄膜太陽電池では、太陽光から電気への変換効率の低さが太陽電池普及への最大の問題となっている。
【０００６】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、シリコン系薄膜太陽電池の変換効率を高めた薄膜太陽電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するものであり、請求項１の発明は、シリコンもしくはゲルマニウムを主成分とするｐ型半導体層、実質的に真性なｉ型半導体層、ｎ型半導体層を積層したｐｉｎ接合を少なくとも一つ有する薄膜太陽電池であって、少なくとも一つのｐｉｎ接合のｎ型半導体層およびｉ型半導体層の接合界面において、シリコンもしくはゲルマニウムを主成分とする該ｉ型半導体超薄膜と該ｉ型薄膜よりもバンドギャップの大きいｉ型半導体超薄膜からなる積層体が少なくとも１層以上１０層以下挿入されていることを特徴とする薄膜太陽電池である。
【０００８】
したがって請求項１の発明によれば、少なくとも一つのｐｉｎ接合のｎ型半導体層およびｉ型半導体層の接合界面において、シリコンもしくはゲルマニウムを主成分とする該ｉ型半導体超薄膜と該ｉ型薄膜よりもバンドギャップの大きいｉ型半導体超薄膜からなる積層体が少なくとも１層以上１０層以下挿入されている。このため、積層体が薄膜Ｓｉ系太陽電池のｐｉ界面に挿入されることでリーク電流が減少し、それに伴い太陽電池素子の曲線因子や開放電圧が上昇し、高い変換効率を得ることができる。
【０００９】
また請求項２の発明は、実質的に真性な該ｉ型半導体層よりもバンドギャップの大きいｉ型半導体超薄膜の膜厚が５Å以上１００Å以下であることを特徴とする薄膜太陽電池である。
【００１０】
したがって請求項２の発明によれば、実質的に真性な該ｉ型半導体層よりもバンドギャップの大きいｉ型半導体超薄膜の膜厚が５Å以上１００Å以下である。このため、請求項１の効果をさらに高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係わる太陽電池の実施形態の構成を示す断面概略図である。本実施形態の特徴としては、薄膜シリコン系ｐｉｎ型の太陽電池において、ｐ型半導体層およびｉ型半導体層の界面において、該ｉ型半導体層と該ｉ層よりもバンドギャップの大きい超薄膜が交互に積層された積層体が複数挿入された構成をとることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の実施形態のシリコンもしくはゲルマニウムを主成分とする材料の作製方法としては、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、Ｈｏｔ−ｗｉｒｅ  ＣＶＤ法のうち何れかを任意に組み合わせた方法によって好適に作製される。
【００１３】
また本発明の太陽電池においては、基材は絶縁材料、導電材料のどちらであっても構わないし、また可撓性、非可撓性のどちらでも可能である。また、本実施形態の薄膜太陽電池においては、ｐｉｎ型（スーパーストレートタイプ）太陽電池、ｎｉｐ型（サブストレートタイプ）太陽電池のどちらの構成をとっても構わないし、いわゆるタンデム型、トリプル型太陽電池のように素子を複数個積層しても構わない。
【００１４】
さらに、請求項１に記載した実質的に真性な該ｉ型半導体層よりもバンドギャップの大きいｉ型半導体超薄膜は、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファスシリコンカーバイド、アモルファスシリコンオキサイド、アモルファスシリコンナイトライド、微結晶シリコン、微結晶シリコンカーバイド等を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。
【００１５】
ここで、図面を参照して本発明の実施形態に係る薄膜太陽電池を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの図面に限定されるものではない。図１〜図４に一例として本発明の薄膜太陽電池の断面概略図を示した。
【００１６】
図１で示した薄膜太陽電池の構成の例では、透明性基材１に透明導電膜２、シリコンもしくはゲルマニウムを主成分とするｐ型微結晶層３、微結晶ｉ型薄膜４を形成し、さらに本発明の非晶質ｉ型超薄膜８、微結晶ｉ型超薄膜７からなる積層体１０を形成し、つづいてｎ型薄膜５、裏面金属電極６を積層したものである。
【００１７】
図２で示した薄膜太陽電池の構成の例では、透明性基材１に裏面金属電極６、ｎ型薄膜５、その上に本発明の微結晶ｉ型超薄膜７、非晶質ｉ型超薄膜８からなる積層体１０を形成し、続いてｉ型微結晶薄膜４、ｐ型微結晶薄膜３、透明導電膜２を積層したものである。
【００１８】
図３で示した薄膜太陽電池の構成の例では、透明性基材１に透明導電膜２、シリコンもしくはゲルマニウムを主成分とするｐ型微結晶層３、微結晶ｉ型薄膜４を形成し、その上に本発明の非晶質ｉ型超薄膜８、微結晶ｉ型超薄膜７からなる積層体１０を３層形成し、さらに、ｎ型薄膜５、裏面金属電極６を積層したものである。
【００１９】
図４で示した薄膜太陽電池の構成の例では、透明性基材１に裏面金属電極６、ｎ型薄膜５を形成し、その上に本発明の微結晶ｉ型超薄膜７、非晶質ｉ型超薄膜８からなる積層体１０を３層形成し、続いてｉ型微結晶薄膜４、ｐ型微結晶薄膜３、透明導電膜２を積層したものである。また図２、図４の基材は光を透過してもしなくても構わない。
【００２０】
さらに、請求項１記載の積層体１０は、積層体１０を１層以上１０層以下として挿入されることで効率が最大となる。このましくは１層以上３層以下である。１０層を越えて挿入されると電流が大幅に減少し、結果的に太陽電池の効率は減少する。また、積層体１０中の非結晶超薄膜の膜厚は５Å以上１００Å以下、好ましくは５Å以上２０Å以下であることが必要である。５Åよりも薄いと効果が出ず、１００Å以上になると大幅に電流が減少し太陽電池の効率は減少する。
【００２１】
以下に、実際の作成手順に従って、さらに本発明に係る一実施形態について説明する。
【００２２】
［実施例１］
図１に示すように、図示しないガラス基材上に、例えばスパッタ法で図示しないＡｇを例えば基材温度５０℃、厚さ３００ｎｍ形成し、その上にＡｌをドープしたＺｎＯ薄膜（裏面金属電極６）を例えば基材温度１４０℃、厚さ１０ｎｍ形成する。その上に例えば厚さ４０ｎｍの微結晶ｎ型ドープシリコン層（ｎ型薄膜５）を例えば、プラズマＣＶＤ法で形成する。このときの作製条件は、例えばＳｉＨ４流量を３．５ＳＣＣＭ、ＰＨ３／Ｈ２混合ガス（ＰＨ３濃度１０００ｐｐｍ）の流量２８ＳＣＣＭ、Ｈ２流量を４７２ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒ、投入電力は２０Ｗである。
【００２３】
その上に本発明のｉ型微結晶シリコン層（ｉ型微結晶超薄膜７）を２０ｎｍ形成する。このときの作成条件としては、例えば、ＳｉＨ４流量を１０ＳＣＣＭ、Ｈ２流量を４００ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒ、投入電力は２０Ｗとする。しかるのちにｉ型アモルファスシリコン層（ｉ型非晶質超薄膜８）を２０Å形成する。このときの作成条件としては、例えば、ＳｉＨ４流量２０ＳＣＣＭ、Ｈ２流量を１００ＳＣＣＭ、動作圧力１．０Ｔｏｒｒ、投入電力１０Ｗである。これらの、ｉ型微結晶超薄膜７およびｉ型非晶質超薄膜８を積層体１０とする。
【００２４】
その上にｉ型微結晶層（ｉ型微結晶薄膜４）を１μｍ形成する。このときの作成条件は、例えば、ＳｉＨ４流量１０ＳＣＣＭ、Ｈ２流量４００ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒ、投入電力は２０Ｗである。さらに、ｐ型微結晶シリコン層（ｐ型微結晶薄膜３）を３５ｎｍ形成する。このときの作成条件としては、例えば、ＳｉＨ４流量３．５ＳＣＣＭ、Ｂ２Ｈ６／Ｈ２混合ガス（Ｂ２Ｈ６濃度５０００ｐｐｍ）流量１ＳＣＣＭ、Ｈ２流量６３０ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒとする。最後に前面電極（透明導電膜２）として、例えばスパッタ法でＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を２００ｎｍ形成し、さらにＡｇの櫛形電極を例えばスパッタ法で作製する。
【００２５】
［実施例２］
次に、実施例２として、図３に示すように、図示しないガラス基材上に、例えばスパッタ法で図示しないＡｇを例えば基材温度５０℃、厚さ３００ｎｍ形成し、その上にＡｌをドープしたＺｎＯ薄膜（裏面金属電極６）を例えば基材温度１４０℃、厚さ１０ｎｍ形成する。その上に例えば厚さ４０ｎｍの微結晶ｎ型ドープシリコン層（ｎ型薄膜５）を例えばプラズマＣＶＤ法で形成する。このときの作製条件は、例えば、ＳｉＨ４流量を３．５ＳＣＣＭ、ＰＨ３／Ｈ２混合ガス（ＰＨ３濃度１０００ｐｐｍ）の流量２８ＳＣＣＭ、Ｈ２流量を４７２ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒ、投入電力は２０Ｗとする。その上に、ｉ型微結晶層（ｉ型微結晶薄膜４）を１μｍ形成する。このときの作成条件は、例えば、ＳｉＨ４流量１０ＳＣＣＭ、Ｈ２流量４００ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒ、投入電力は２０Ｗとする。
【００２６】
しかるのちに、ｉ型微結晶シリコン層（ｉ型微結晶超薄膜７）［作成条件：ＳｉＨ４流量を１０ＳＣＣＭ、Ｈ２流量を４００ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒ、投入電力は２０Ｗ］２０ｎｍと、ｉ型アモルファスシリコン層（ｉ型非晶質超薄膜８）［作成条件：ＳｉＨ４流量２０ＳＣＣＭ、Ｈ２流量を１００ＳＣＣＭ、動作圧力１．０Ｔｏｒｒ、投入電力１０Ｗ］２０Åとからなる積層体１０を３層形成する。
【００２７】
さらに、ｐ型微結晶シリコン層（ｐ型微結晶薄膜３）を３５ｎｍ形成する。このときの作成条件は、例えば、ＳｉＨ４流量３．５ＳＣＣＭ、Ｂ２Ｈ６／Ｈ２混合ガス（Ｂ２Ｈ６濃度５０００ｐｐｍ）流量１ＳＣＣＭ、Ｈ２流量６３０ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒとする。
【００２８】
最後に前面電極（透明導電膜２）として例えばスパッタ法でＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を２００ｎｍ形成し、さらにＡｇの櫛形電極を例えばスパッタ法で作製する。
【００２９】
以下、［実施例１］および［実施例２］とのデータの比較のため、本発明の積層体１０を用いない薄膜太陽電池を作成する。作成方法は、［実施例２］の積層体１０を作成する工程以外は、［実施例２］と同一である。
【００３０】
［比較例］
ガラス基材上にスパッタ法でＡｇを例えば基材温度５０℃、厚さ３００ｎｍ形成し、その上にＡｌをドープしたＺｎＯ薄膜を基材温度１４０℃、厚さ１０ｎｍ形成する。その上に厚さ４０ｎｍの微結晶ｎ型ドープシリコン層をプラズマＣＶＤ法で形成する。作製条件はＳｉＨ４流量を３．５ＳＣＣＭ、ＰＨ３／Ｈ２混合ガス（ＰＨ３濃度１０００ｐｐｍ）の流量２８ＳＣＣＭ、Ｈ２流量を４７２ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒ、投入電力は２０Ｗとした。その上にｉ型微結晶層［作成条件：ＳｉＨ４流量１０ＳＣＣＭ、Ｈ２流量４００ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒ、投入電力は２０Ｗ］を１μｍ形成する。さらに、ｐ型微結晶シリコン層［作成条件：ＳｉＨ４流量３．５ＳＣＣＭ、Ｂ２Ｈ６／Ｈ２混合ガス（Ｂ２Ｈ６濃度５０００ｐｐｍ）流量１ＳＣＣＭ、Ｈ２流量６３０ＳＣＣＭ、動作圧力１．５Ｔｏｒｒ］を３５ｎｍ形成する。最後に前面電極としてスパッタ法でＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を２００ｎｍ形成し、さらにＡｇの櫛形電極をスパッタ法で作製する。
【００３１】
［試験および結果］
次に、［実施例１］、［実施例２］、および［比較例］の薄膜太陽電池特性を図５に示す。同図にあるように、本発明のアモルファスシリコン超薄膜と微結晶シリコン超薄膜からなる積層体１０を微結晶シリコン太陽電池のｐ型半導体層およびｉ型半導体層の接合界面に挿入することで、開放電圧と曲線因子（ＦＦ値）が大幅に改善し、よって太陽電池の変換効率が大幅に上昇する。
【００３２】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明では、本発明のアモルファスシリコン超薄膜と微結晶シリコン超薄膜からなる積層体を微結晶シリコン太陽電池のｐ型半導体層およびｉ型半導体層の接合界面に挿入することで開放電圧と曲線因子が大幅に改善し、よって太陽電池の変換効率が大幅に上昇する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わる薄膜太陽電池の構成の一実施形態を示す断面概略図。
【図２】この発明に係わる薄膜太陽電池の構成の一実施形態を示す断面概略図。
【図３】この発明に係わる薄膜太陽電池の構成の一実施形態を示す断面概略図。
【図４】この発明に係わる薄膜太陽電池の構成の一実施形態を示す断面概略図。
【図５】［実施例１］、［実施例２］、および［比較例］の薄膜太陽電池特性を示した図。
【符号の説明】
１…透明性基材、２…透明導電膜、３…ｐ型微結晶薄膜、４…ｉ型微結晶薄膜、５…ｎ型薄膜、６…裏面金属電極、７…ｉ型微結晶超薄膜、８…ｉ型非晶質超薄膜、１０…積層体
【図１】
2004335734.tif 000003
【図２】
2004335734.tif 000004
【図３】
2004335734.tif 000005
【図４】
2004335734.tif 000006
【図５】
2004335734.tif 000007