DE69737924T2 - Photoelektrischer Wandler - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein nicht monokristallines fotoelektrisches Wandlerelement, das in der Oberflächenkonfiguration der unteren leitenden Schicht, der Kristallstruktur der i-Schicht und der Struktur der dotierten Schichten verbessert ist.
  • Ein Anstieg bei der fotoelektrischen Wandlereffizienz und eine Verbesserung bei der optischen Degradation wurden bis heute für fotoelektrische Wandlerelemente mit einem pin-Übergang aus einem nicht monokristallinen Halbleiter studiert.
  • Es ist bekannt, dass ein Erhöhen der Konzentration eines Dotierstoffes in einer dotierten Schicht die Aktivierungsenergie der dotierten Schicht verringert, um das eingebaute Potential des pin-Übergangs zu erhöhen, und um die Leerlaufspannung des Elementes zu erhöhen.
  • Es ist außerdem bekannt, dass die Verwendung eines mikrokristallinen Materials für die intrinsische Halbleiterschicht die optische Degradation verbessert.
  • Es wird berichtet, dass eine Solarzelle unter Verwendung von mikrokristallinem Silizium (μ c-Si) eine fotoelektrische Wandlereffizienz von 4,6 durch das Plasma-angereicherte CVD-Verfahren unter Verwendung von VHF (70 MHz) erzielte, und die Solarzelle überhaupt keine optische Degradation zeigte, wie es von J. Meier, A. Shah: „INTRINSIC MICROCRYSTALLINE (μ c-Si:H) – A PROMISING NEW THIN FILM SOLAR CELL MATERIAL", IEEE WCPEC; 1994, Hawaii, S. 409, beschrieben ist. Zudem wurde eine Solarzelle in Stapelbauart in einer Kombination aus amorphem Silizium mit mikrokristallinem Silizium hergestellt, und erzielte eine anfängliche fotoelektrische Wandlereffizienz von 9,1%.
  • Es ist außerdem bekannt, dass eine transparente leitende Schicht zwischen dem Substrat bis zur Metallschicht und den Halbleiterschichten angeordnet wird. Dies vermeidet eine Diffusion oder Migration von Elementen in der Metallschicht in die Halbleiterschichten, womit ein Parallelschalten des fotoelektrischen Wandlerelementes vermieden wird. Ferner weist sie einen moderaten Widerstand auf und vermeidet ein Kurzschließen der Halbleiterschichten aufgrund eines Fehlers wie etwa eines Nadelloches. Zudem ist die Oberfläche der transparenten leitenden Schicht mit einer Unebenheit versehen, wodurch eine irreguläre Reflexion von einfallendem Licht und reflektiertem Licht erhöht wird, um die optischen Pfadlängen in den Halbleiterschichten zu verlängern.
  • Mit der vorstehend beschriebenen Solarzelle unter Verwendung des monokristallinen Silizium-basierten Materials ist jedoch deren fotoelektrische Wandlereffizienz noch immer gering, nämlich bei 4,6%, was kein praktisches Niveau ist.
  • Mit einer Solarzelle in Stapelbauart aus a-Si/μ c-Si beträgt die anfängliche fotoelektrische Wandlereffizienz immerhin 9,1%, weist aber das Problem einer starken optischen Degradation der a-Si-Schicht auf der Lichteinfallsseite auf. Zudem ist die Dicke der μ c-Si-Schicht 3,6 μm dick, und die Abscheiderate ist langsam, nämlich 1,2 Å/s (wobei 1 Å = 10–10 m ist). Somit beträgt die zur Ausbildung einer Schicht benötigte Zeit ungefähr acht Stunden, was ein weiteres Problem mit sich bringt, dass die Zeit zur Ausbildung einer Schicht nicht in einem industriell praktikablen Ausmaß liegt.
  • Die Druckschrift EP 0 729 190 A2 offenbart eine Fotovoltaikvorrichtung. Im Einzelnen umfasst eine zur Verwendung als eine intrinsische Halbleiterschicht in einer amorphen Siliziumsolarzelle oder dergleichen geeignete dünne mikrokristalline Siliziumhalbleiterschicht eine amorphe Phase mit darin enthaltenen Kristalliten in der Form einer orthorhombischen oder konischen Kristallitaggregatphase. Zusätzliche Kristallite können als individuelle Kristallite in der amorphen Phase dispergiert sein. In der Dünnschicht kann der kristalline Anteil vorzugsweise im Bereich von 5 bis 80% und die Kristallitgröße vorzugsweise im Bereich von 2 bis 100 nm reichen. Diese Dünnschicht kann ausgebildet werden, indem zunächst eine Anfangsschicht bis zu einer Dicke in einem Bereich von 2 nm bis 100 nm mit einer Abscheiderate von 0,01 nm/Sekunde bis 0,1 nm/Sekunde auf einem Substrat ausgebildet wird, und sodann eine Hauptschicht mit einer Abscheiderate von 0,1 nm/Sekunde bis 2 nm/Sekunde beispielsweise gemäß einem HF-Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet wird.
  • Des Weiteren offenbart die Druckschrift US 5,221,365 A eine Fotovoltaikzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen Halbleiterschicht. Im Einzelnen wird bei einem Dünnschichttransistor und einer Fotovoltaikzelle eine polykristalline Halbleiterschicht mit einer großen Korngröße und einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, die durch Wärmebehandlung einer polykristallinen Halbleiterschicht erhalten wird, eine amorphe Halbleiterschicht, eine mikrokristalline Halbleiterschicht oder dergleichen auf einem Substrat mit einer texturierten Oberfläche als eine Kanalschicht oder eine Fotoaktivierungsschicht verwendet, wobei die texturierte Oberfläche durch Ätzen einer Oberfläche des Substrates oder Ausbilden einer texturierten Dünnschicht auf dem Substrat ausgebildet wird. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen Halbleiterschicht wird eine Oberfläche eines Substrates geätzt oder eine texturierte Dünnschicht wird auf dem Substrat zur Ausbildung einer texturierten Oberfläche ausgebildet, und eine polykristalline Halbleiterschicht, eine amorphe Halbleiterschicht, eine mikrokristalline Halbleiterschicht oder dergleichen werden auf der texturierten Oberfläche ausgebildet, und die Halbleiterschicht wird durch Wärmebehandlung polykristallisiert.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fotoelektrisches Wandlerelement bereitzustellen, das die vorstehend angeführten Probleme vermeidet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den beigefügten unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den beigefügten abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die 1A und 1B zeigen erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlerelemente mit den Merkmalen der unteren leitenden Schicht und der i-Schicht;
  • 2 zeigt ein bekanntes fotoelektrisches Wandlerelement;
  • 3 zeigt ein Beispiel einer Kollektorelektrode;
  • Die 4A und 4B zeigen ein Beispiel für ein Modul eines erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerelementes;
  • 5 zeigt ein erfindungsgemäßes fotoelektrisches Wandlerelement mit dem Merkmal der ersten dotierten Schicht;
  • 6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauhigkeit der unteren leitenden Schicht und der fotoelektrischen Wandlereffizienz;
  • 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der fotoelektrischen Wandlereffizienz und dem Prozentsatz des in 1A definierten Winkels G im Bereich von jeweils einschließlich 15° bis 45°;
  • 8 zeigt ein Gerät zur Ausbildung der unteren leitenden Schicht und der oberen transparenten Elektrode des erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerelementes;
  • 9 zeigt ein Gerät zum Ausbilden der Fotovoltaikschicht des erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerelementes;
  • 10 zeigt ein Gerät zur kontinuierlichen Ausbildung der unteren leitenden Schicht und der oberen transparenten Elektrode des erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerelementes;
  • 11 zeigt ein Gerät zur kontinuierlichen Ausbildung der Fotovoltaikschicht des erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerelementes;
  • 12A zeigt den Zusammenhang zwischen der fotoelektrischen Wandlereffizienz und dem Prozentsatz des in 12B definierten Winkels F im Bereich von jeweils einschließlich 0° bis 20°;
  • 12B zeigt eine Definition des Winkels F; und
  • 13 zeigt ein Beispiel für das mit Stromsammelschienen versehenen erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerelementes.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerelementes, wobei das Bezugszeichen 101 ein Substrat, das Bezugszeichen 102 eine zwei Schichten aufweisende untere leitende Schicht, nämlich die reflektierende Schicht 102a und die transparente leitende Schicht 102b, das Bezugszeichen 103 eine erste dotierte Schicht aus einem nicht monokristallinen Silizium-basierten Halbleitermaterial, das Bezugszeichen 104 eine Schicht aus einem mikrokristallinen Silizium-basierten Halbleitermaterial mit intrinsischer Leitungseigenschaft und das Bezugszeichen 105 eine Schicht aus einem nicht monokristallinen Silizium-basierten Halbleitermaterial mit zu der ersten dotierten Schicht entgegengesetzter Leitungseigenschaft bezeichnen. Die Schichtstruktur gemäß dem Bezugszeichen 103-104-105 bildet den p-i-n-Übergang aus, und weist die Funktion auf, eine fotoelektromotorische Kraft zu erzeugen. Die Schichten 103, 104, 105 werden zusammen Fotovoltaikschicht genannt. Das Bezugszeichen 106 bezeichnet eine obere transparente Elektrode und das Bezugszeichen 107 bezeichnet eine Kollektorelektrode.
  • Die untere leitende Schicht 102, die i-Schicht 104 und die erste dotierte Schicht 103 weisen erfindungsgemäß die nachstehend aufgeführten Merkmale auf.
    • (1) Der Zusammenhang zwischen mechanischer Festigkeit und fotoelektrischer Wandlungseffizienz wurde in Richtung eines orthorhombischen kristallinen Korns überprüft. Die Auftrittswahrscheinlichkeit eines Winkels F zwischen der ein bestimmtes orthorhombisches kristallines Korn A durchlaufenden geraden Linie A parallel zu dessen Längsrichtung und einer das orthorhombische kristalline Korn A durchlaufenden geraden Linie B aus der Menge gerader Linien mit dem kürzesten Weg zwischen der Grenzfläche 1 zwischen der ersten dotierten Schicht und der ersten i-Schicht und der Grenzfläche 2 zwischen der zweiten dotierten Schicht und der ersten i-Schicht wurde gemäß 12B untersucht. Dann wurde die Relation der fotoelektrischen Wandlereffizienz nach dem „Torsionstest" gegen den Prozentsatz K des Gesamtvolumens der orthorhombischen kristallinen Körner mit einem jeweiligen Winkel F von 20° oder weniger bezüglich des Gesamtvolumens der ersten i-Schicht überprüft. Das Ergebnis ist in 12A gezeigt. Es wurde nämlich herausgefunden, dass wenn der Prozentsatz K 70% oder mehr betrug, dann zeigten sich gute fotoelektrische Wandlereffizienzen, und dass wenn der Prozentsatz K weniger als 70% betrug, verringerten sich die Leerlaufspannungen und die fotoelektrischen Wandlereffizienzen sanken. Der „Torsionstest" wurde in Übereinstimmung mit dem Standard JIS C8917 A-10 für eine kristalline Solarzelle durchgeführt. Die Bedingungen waren derart, dass eine Torsion der Höhe h = 5 mm wiederholt 50mal einer Fläche von 10 cm × 10 cm zugefügt wurde.
    • (2) Die untere leitende Schicht 102 gemäß der vorliegenden Erfindung wurde so ausgebildet, dass eine Oberflächenrauhigkeit Ra mit einer Länge von mehreren 10 μm auf deren Oberfläche im Bereich von jeweils einschließlich 0,1 μm bis 1 μm lag. Dann wurde das Produkt aus (Oberflächenrauhigkeit) × (Brechungsindex der ersten i-Schicht) nahezu gleich den Wellenlängen von sichtbarem Licht oder infrarotem Licht, und der optische Einschränkungseffekt wird somit demonstriert, wodurch der Kurzschlussfotostrom des fotoelektrischen Wandlerelementes bedeutend erhöht wird.
  • Das nicht innerhalb der ersten i-Schicht absorbierte langwellige Licht wird durch die untere leitende Schicht reflektiert, und das reflektierte Licht fällt erneut in die i-Schicht ein. Da das Licht durch die Oberfläche der unteren leitenden Schicht gestreut wird, durchläuft es innerhalb der i-Schicht keine Interferenz, und es gibt keinen Bereich, der das Licht stark absorbiert. Somit kann die optische Degradation noch mehr unterdrückt werden. In ähnlicher Weise gibt es keinen Bereich, der das Licht kaum absorbiert, und die Leerlaufspannung kann somit erhöht werden.
  • Der Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauhigkeit und der fotoelektrischen Wandlereffizienz wurde überprüft. Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt. Es wurde bewiesen, dass sich ausgezeichnete Wandlereffizienzen im vorstehend angeführten Bereich der Oberflächenrauhigkeit zeigten.
    • (3) Wenn die Bereiche, bei denen ein Winkel G zwischen einer Normalen zu der Oberfläche der unteren leitenden Schicht in einem Feinbereich von ungefähr mehreren 100 Å und einer Normalen zur Hauptebene des Substrates zwischen jeweils einschließlich 15° und 45° liegt, 80% oder mehr des gesamten Oberflächenbereichs ausmachen, ist die Dickenverteilung der ersten i-Schicht gering, und es gibt wenig Bereiche mit einer extrem geringen Dicke. Somit ist der Leckstrom klein und die Leerlaufspannung kann daher erhöht sein. Zudem wird der optische Einschränkungseffekt weiter verbessert.
  • Der Zusammenhang zwischen der fotoelektrischen Wandlercharakteristik der Solarzelle nach dem „Torsionstest" und der Verteilung des Winkels (Winkel G) wurde überprüft, der zwischen der Normalen zum Feinbereich der unteren leitenden Schicht und der Normalen zur Hauptebene des Substrates ausgebildet wird. Der Winkel G ist in 1A dargestellt. 7 zeigt den Zusammenhang des vorstehend angeführten Winkels G gegenüber der fotoelektrischen Wandlereffizienz nach dem „Torsionstest". Es zeigte sich, dass wenn der Prozentsatz des Winkels G 80% oder weniger betrug, der Nebenschlusswiderstand verringert wurde (schwache Kurzschlussbedingung), wodurch die fotoelektrische Wandlereffizienz verringert wurde.
    • (4) Die in der i-Schicht erzeugten Fotoladungsträger wandern aufgrund eines internen elektrischen Feldes, und das interne elektrische Feld ist nahezu parallel zu den geraden Linien mit kürzestem Weg zwischen der ersten dotierten Schicht und der zweiten dotierten Schicht. Daher sind erfindungsgemäß die Längsrichtungen der in der i-Schicht enthaltenen orthorhombischen kristallinen Körner nahezu parallel zu den geraden Linien mit kürzestem Weg zwischen der ersten dotierten Schicht und der zweiten dotierten Schicht ausgebildet, und die Längen der orthorhombischen kristallinen Körner in Längsrichtung sind zwischen jeweils einschließlich 100 Å und 0,3 μm bestimmt, was die Möglichkeiten zum Passieren von Ladungsträgern durch zwischen Kristallkörnern vorhandenen Grenzflächen verringert, wodurch der Füllfaktor und der Kurzschlussstrom erhöht werden.
  • Da die Möglichkeiten zum Passieren von Ladungsträgern durch die Grenzflächen verringert sind, kann die Rekombinationsrate der Ladungsträger verringert werden. Folglich kann die optische Degradation noch mehr unterdrückt werden. Da die Richtungen der orthorhombischen kristallinen Körner nahezu ausgerichtet sind, ist die Grenzflächenzustandsdichte der orthorhombischen kristallinen Körner klein. Daher kann die Leerlaufspannung erhöht werden.
  • Zudem ist der Absorptionskoeffizient von Licht höher als der von monokristallinem Silizium und ein Absorptionskoeffizient von langwelligem Licht ist höher als jene von amorphen Silizium-basierten Halbleitermaterialien. Daher wird das Licht bis zu den langen Wellenlängen (infrarotes Licht) effektiv absorbiert, und ein ausreichender Kurzschlussstrom kann selbst bei einer Dicke von etwa 3 μm erhalten werden.
  • Da der Bereich zwischen orthorhombischen kristallinen Körnern durch das gute amorphe Silizium-basierte Halbleitermaterial mit Wasserstoff okkupiert ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Fotoladungsträger in diesem Bereich eingefangen werden, nahezu Null.
  • Insgesamt weisen die längsten Dimensionen der orthorhombischen kristallinen Körner Winkel im Bereich von jeweils einschließlich 10° bis 50° bezüglich der Normalen zu der Hauptebene des Substrates auf, und können somit die externe Torsion oder dergleichen relaxieren. Daher tritt keine Schichttrennung auf, wenn ein langes Substrat um eine Rolle beim Ausführen des Rolle-zu-Rolle-Verfahrens gewickelt wird. Da keine Schichttrennung auftritt, kann das fotoelektrische Wandlerelement selbst auf einem gekrümmten Substrat ausgebildet werden. In ähnlicher Weise ist es auch leicht, das erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlerelement auf einem flachen Substrat ausgebildet in einem gekrümmten Zustand zu verwenden. Insbesondere wenn das erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlerelement als Solarzelle verwendet wird, kann es außerdem auf einer gekrümmten Oberfläche wie etwa der Wandoberfläche eines Gebäudes verwendet werden.
  • Da zudem der Kurzschlussstrom nach vorstehender Beschreibung erhöht werden kann, kann die erste i-Schicht mit geringer Dicke ausgebildet werden, was die optische Degradation verbessern, die Produktivität erhöhen und die Energiekosten verringern kann.
  • (5) Ein weiteres Merkmal ist, dass bei der i-Schicht Feinbereiche des amorphen Silizium-basierten Halbleitermaterials mit einem Volumenprozentsatz von 50 oder weniger bezüglich des Gesamtbereiches der i-Schicht vorliegen. Dies kann die Leerlaufspannung höher als bei einem fotoelektrischen Wandlerelement ausbilden, bei dem der Gesamtbereich der ersten i-Schicht aus mikrokristallinem Silizium-basierten Halbleitermaterial ausgebildet ist.
  • Obwohl der Grund hierfür nicht klar ist, kann der Leckstrom verringert werden, so dass die Leerlaufspannung größer ausgebildet werden kann. Zudem wird die Festigkeit gegenüber einer äußeren Kraft größer als bei einem fotoelektrischen Wandlerelement, bei dem der gesamte Bereich der ersten Ebene/Schicht aus dem mikrokristallinen Silizium-basierten Halbleitermaterial ausgebildet ist. Da die Flexibilität des Netzwerks aus Si-Si bei dem amorphen Silizium-basierten Material höher als bei Si-Si im mikrokristallinen Silizium-basierten Material ist, werden die Bereiche des in der ersten i-Schicht enthaltenen amorphen Silizium-basierten Halbleitermaterials bei der Relaxation einer äußeren Kraft als effektiv betrachtet. Zudem werden sie ähnlich effektiv für die Relaxation von inneren Verspannungen angesehen.
  • Da die optische Degradation bei Volumenprozentsätzen von 50% und mehr unignorierbar markant wird, ist eine gewünschte Elementstruktur von der Stapelbauart, beispielsweise mit einer Struktur aus a-Si/μ c-Si.
    • (6) Die in 13 gezeigte Stapelzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte dotierte Schicht 110, eine zweite i-Schicht 111 und eine vierte dotierte Schicht 112 auf dem vorstehend angeführten pin-Übergang 103 bis 105 aufeinander folgend gestapelt sind, und dass die Dicke der zweiten i-Schicht 111 im Bereich von jeweils einschließlich 0,1 μm bis 0,4 μm liegt. Die spektrale Empfindlichkeit kann auf Licht in einem breiteren Wellenlängenbereich ausgedehnt werden, indem die zweite i-Schicht aus einem Halbleitermaterial mit einem größeren Lichtabsorptionskoeffizienten für kurzwelliges Licht ausgebildet wird, beispielsweise a-Si, und indem die erste i-Schicht aus einem Halbleitermaterial mit einem größeren Lichtabsorptionskoeffizienten für längerwelliges Licht ausgebildet wird, beispielsweise μ c-Si, und zwar in dieser Reihenfolge von der beschriebenen Lichteinfallseite.
  • Ferner kann die Leerlaufspannung höher als die bei einem fotoelektrischen Wandlerelement ausgebildet sein, bei dem die erste i-Schicht aus μ c-Si ausgebildet ist, was die fotoelektrische Wandlereffizienz erhöhen kann. Da die zweite i-Schicht aus μ c-Si mit einer geringeren Dicke durch Verbinden der i-Schichten mit verschiedenen spektralen Empfindlichkeiten ausgebildet werden kann, wie es vorstehend beschrieben ist, kann der Füllfaktor (FF) der fotoleitenden Charakteristik verbessert werden.
  • Da die Dicke der erfindungsgemäßen zweiten i-Schicht dünn ist, zwischen jeweils einschließlich 0,1 μm und 0,4 μm, kann soviel optische Degradation wie möglich unterdrückt werden, selbst falls der amorphe Halbleiter für die zweite i-Schicht verwendet wird.
  • Obwohl der Grund unbestimmt ist, kann ferner der Leckstrom des fotoelektrischen Wandlerelementes durch Stapeln der zweiten i-Schicht aus amorphem Siliziumbasierten Halbleitermaterial verringert werden. Daher kann die Leerlaufspannung noch mehr erhöht werden.
  • Insbesondere wenn das erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlerelement als Fotosensor oder als Bildsensor verwendet wird, ist die Verringerung des Leckstroms wichtig. Wenn das erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlerelement als Solarzelle verwendet wird, kann es eine hohe Leerlaufspannung selbst unter Beleuchtungslicht mit geringer Lichtintensität ausgeben. Es findet beispielsweise kein extremer Abfall der Energieerzeugungseffizienz selbst an einem bewölkten Tag oder während der Zeitzone im Morgengrauen oder in der Dämmerung statt.
  • Da die untere leitende Schicht gemäß vorstehender Beschreibung nicht flach ist, interferiert das Licht nicht innerhalb der zweiten i-Schicht. Daher gibt es keinen das Licht stark absorbierenden Bereich, und die optische Degradation kann stärker unterdrückt werden. Da in ähnlicher Weise kein Bereich vorhanden ist, der das Licht kaum absorbiert, kann die Leerlaufspannung erhöht werden.
    • (7) Verfahren zur Ausbildung der ersten i-Schicht Die i-Schicht 104 ist gekennzeichnet durch eine Ausbildung durch das Plasma-angereicherte CVD-Verfahren unter Verwendung einer elektromagnetischen Welle mit einer Frequenz im Bereich von jeweils einschließlich 30 MHz bis 600 MHz und unter derartigen Bedingungen, dass der Druck zwischen jeweils einschließlich 1 mTorr und 1 Torr liegt, Wasserstoffgas und ein Silizium enthaltendes Gas als Quellgase verwendet werden, und der Prozentsatz des Silizium enthaltenden Gases zu Wasserstoffgas im Bereich von jeweils einschließlich 0,5% bis 30% liegt.
  • Da das Plasma-angereicherte CVD-Verfahren unter Verwendung einer elektromagnetischen Welle mit einer Frequenz im vorstehend beschriebenen Bereich Plasma bei einem geringeren Druck als das HF-Plasma-angereicherte CVD-Verfahren (mit den industriell angewendeten 13,56 MHz) induzieren kann, ist es frei von einer Erzeugung von Polysilan in der Gasphase und kann somit das mikrokristalline Silizium-basierte Halbleitermaterial mit hoher Qualität ausbilden.
  • Da das Plasma bei geringem Druck induziert werden kann, kann das Plasma ausgeweitet werden, was zur Herstellung eines großflächigen fotoelektrischen Wandlerelementes sehr geeignet ist. Aus diesen Gründen kann die Abscheiderate erhöht werden, und der Durchsatz wird somit dadurch erhöht, was industriell vorteilhaft ist. Da das Silizium enthaltende Gas mit einer großen Menge Wasserstoffgas verdünnt ist, kann eine größere Menge an Wasserstoff enthaltenden Radikalen der Oberfläche für eine darauf auszubildende Schicht zugeführt werden, als bei der normalen Ausbildung der Dünnschicht aus einem amorphen Silizium-basierten Halbleiter, so dass die mikrokristalline Silizium-basierte Halbleiterdünnschicht mit guter Qualität ausgebildet werden kann.
  • Da normalerweise eine negative Selbstvorspannung an der Entladeelektrode auftritt, kann die positive Innenspezies mit hoher Energie vor einem Auftreffen auf der Oberfläche für die darauf auszubildende Schicht bewahrt werden, so dass die mikrokristalline Silizium-basierte Halbleiterdünnschicht mit guter Qualität ausgebildet werden kann.
  • Obwohl der Grund noch nicht geklärt ist, kann die erfindungsgemäße mikrokristalline Struktur mit guter Wiederholbarkeit durch das vorstehend beschriebene Verfahren ausgebildet werden. Da das vorstehend beschriebene Verfahren eine höhere Gaszersetzungseffizienz als das HF-Plasma-angereicherte CVD-Verfahren aufweist, zeigt es eine ausgezeichnete Gasverwendungseffizienz und ist somit industriell vorteilhaft.
    • (8) Verfahren zur Ausbildung der zweiten i-Schicht Das Material für die zweite i-Schicht wird aus amorphen Silizium-basiertem Halbleitermaterialien ausgewählt, wofür a-Si, a-SiC und a-SiO spezifische Beispiele sind.
  • Insbesondere ist a-Si ausgezeichnet. Um die i-Schicht noch intrinsischer auszubilden, kann beispielsweise Bor hinzugefügt werden. Die Konzentration von H-, Cl- und F-Atomen zur Kompensation von ungebundenen Bindungen (so genannten Dangling Bonds) liegt vorzugsweise zwischen jeweils einschließlich 0,1% und 10%. Ein Verfahren zur Ausbildung dieser Schicht ist eines der gewöhnlichen Plasma-angereicherten CVD-Verfahren. Unter derartigen Verfahren ist das HF-Plasma-angereicherte CVD-Verfahren bevorzugt. Die Abscheidungsrate liegt vorzugsweise zwischen jeweils einschließlich 1 Å/s und 20 Å/s, die Ausbildungstemperatur liegt vorzugsweise zwischen jeweils einschließlich 150°C und 350°C, und der Druck liegt vorzugsweise zwischen jeweils einschließlich 0,1 Torr und 5 Torr. Insbesondere wird bei der Ausbildung der zweiten i-Schicht aus mikrokristalliner Struktur die dotierte Schicht unter derartigen Bedingungen ausgebildet, dass Wasserstoffgas und ein Silizium enthaltendes Gas als Quellgase verwendet werden, und der Prozentsatz des Silizium enthaltenden Gases zu Wasserstoffgas zwischen jeweils einschließlich 2% und 50% liegt.
    • (9) Ein weiteres Merkmal ist derart, dass zumindest eine Schicht der ersten dotierten Schicht 103, der zweiten dotierten Schicht 105, der dritten dotierten Schicht 110 und der vierten dotierten Schicht 112 aus einem mikrokristallinen Silizium-basierten Halbleitermaterial ausgebildet ist.
  • Da die Verwendung von mikrokristallinem Siliziumbasiertem Halbleitermaterial für die dotierte Schicht die Ladungsträgerdichte der Schicht erhöhen kann, wird die Leerlaufspannung des fotoelektrischen Wandlerelementes erhöht. Da zudem das mikrokristalline Silizium-basierte Halbleitermaterial einen geringeren Absorptionskoeffizienten im sichtbaren Lichtbereich als die auf amorphem Silizium basierten Halbleitermaterialen aufweist, erhöht es den Kurzschlussstrom, wenn es für die Fensterschicht auf der Lichteinfallsseite verwendet wird.
  • Wenn noch zudem das auf mikrokristallinem Silizium basierte Halbleitermaterial für die erste dotierte Schicht 103 und die zweite dotierte Schicht 105 verwendet wird, ist die Grenzflächenzustandsdichte gering, weil es keine plötzliche Veränderung an der Grenzfläche zu der ersten i-Schicht 104 gibt. Somit wird der Füllfaktor der fotoleitenden Charakteristik erhöht.
    • (10) Gemäß 5 wird die erste dotierte Schicht vorzugsweise in einer Stapelstruktur mit einer Schicht (503a) aus einem auf amorphem Silizium basierten Halbleitermaterial auf der Seite der unteren leitenden Schicht und einer Schicht (503b) aus einem auf mikrokristallinem Silizium basierten Halbleitermaterial auf der Seite der ersten i-Schicht ausgebildet. Die dritte dotierte Schicht kann in derselben Struktur aufgebaut sein. Diese Anwendung der Stapelstruktur auf die dotierte Schicht kann den Füllfaktor des fotoelektrischen Wandlerelementes verbessern.
  • Zur Ausbildung des auf mikrokristallinem Silizium basierten Halbleitermaterials lässt man oftmals eine große Menge Wasserstoffgas im Plasma fließen. Wenn dabei beispielsweise Zinnoxid für die untere leitende Schicht verwendet wird, wird das Zinnoxid reduziert, was zu einem Fehler bei der Ausbildung eines guten Halbleiterübergangs resultieren könnte.
    • (11) Verfahren zur Ausbildung der erfindungsgemäßen transparenten leitenden Schicht Die transparente leitende Schicht ist aus einem Material aus der Gruppe Zinkoxid, Zinnoxid, Indiumoxid, ITO und Zinksulfid ausgebildet. Das Material ist jedoch vorzugsweise Zinkoxid oder Zinnoxid bezüglich der Leichtigkeit zur Steuerung der Oberflächenkonfiguration und der Kosten.
  • Die leitende Schicht wird normalerweise mit einer Abscheiderate im Bereich von jeweils einschließlich 10 Å/s bis 200 Å/s unter Verwendung des Gleichstrommagnetronzerstäubungsverfahrens mit hoher Abscheiderate ausgebildet. Zudem ist es wichtig, die Schicht bei einer Temperatur im Bereich von jeweils einschließlich 100°C bis 500°C auszubilden. Insbesondere liegt die Temperatur vorzugsweise zwischen jeweils einschließlich 150°C und 400°C. Die transparente leitende Schicht mit der erfindungsgemäßen Querschnittskonfiguration kann bei einer Abscheiderate und einer Ausbildungstemperatur gemäß vorstehender Beschreibung erhalten werden, und deren Lichtdurchlässigkeit beträgt für Licht von 500 nm und mehr 90% oder mehr. Nachdem die Schicht durch das vorstehend beschriebene Verfahren ausgebildet wurde, kann die Substratoberfläche mit einer Säurelösung wie etwa HNO3, HF, HCl, oder H2SO4 moderat geätzt werden, um die Oberfläche uneben auszubilden.
  • Andere Bestandteile sind nachstehend beschrieben.
  • (Substrat)
  • Das Substrat 101 ist aus einem Material ausgebildet, das aus Metallen, Plastiken, Glasmaterialien, Keramiken und Halbleitermassivkristallen ausgewählt wird. Die Oberfläche des Substrates kann eine feine Unebenheit aufweisen. Ein Substrat mit länglicher Form kann zur kontinuierlichen Schichtausbildung angewendet werden. Insbesondere sind rostfreier Stahl oder Polyimid bevorzugt, weil sie Flexibilität aufweisen.
  • (Reflektierende Schicht)
  • Die reflektierende Schicht 102 umfasst die Funktion einer Elektrode und die Funktion als eine reflektierende Schicht zum Reflektieren des am Substrat ankommenden Lichts, damit das reflektierte Licht in den Halbleiterschichten erneut verwendet werden kann. Sie wird durch ein aus Gasphasenabscheidung, Zerstäubung, Plattierung und Drucken von Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold ausgewählten Verfahren ausgebildet.
  • Die Oberfläche weist eine Unebenheit auf, was zur Verlängerung der optischen Pfadlängen in den Halbleiterschichten für das reflektierte Licht und zur Erhöhung des Kurzschlussstromes dient.
  • Falls das Substrat elektrisch leitend ist, muss die reflektierende Schicht nicht immer ausgebildet werden.
  • (Obere transparente Elektrode)
  • Falls die Dicke geeignet eingestellt ist, kann die obere transparente Elektrode 106 auch als Reflexionsvermeidungsschicht dienen.
  • Die transparente Elektrode 106 wird durch ein aus Gasphasenabscheidung, CVD, Sprühverfahren, Aufschleuderverfahren und Eintauchverfahren mit einem Material wie etwa ITO, ZnO oder InO3 ausgewähltes Verfahren ausgebildet. Diese Bestandteile können eine Substanz zum Ändern der elektrischen Leitfähigkeit enthalten.
  • (Kollektorelektrode)
  • Die Kollektorelektrode 106 ist zur Erhöhung der Kollektoreffizienz bereitgestellt. Ein Verfahren zur Ausbildung der Kollektorelektrode kann aus einem Verfahren zur Ausbildung eines Elektrodenmusters aus Metall durch Zerstäuben mit einer Maske, einem Verfahren zum Drucken einer elektroleitenden Paste oder einer Lötmittelpaste, einem Verfahren zum Verbinden eines Metalldrahtes mit einer elektroleitenden Paste usw. ausgewählt werden. Ein Beispiel unter Verwendung eines Kupferdrahtes ist in 3 gezeigt. Eine Silbermantelschicht wird um einen feinen Kupferdraht ausgebildet. Diese Schicht wirkt zur Reduktion des Kontaktwiderstandes mit dem Kupferdraht. Ferner wird eine Kohlenstoffschicht mit einem Bindemittel aus Acrylharz um die Silbermantelschicht ausgebildet. Diese Schicht wirkt zur Bewahrung der Anhaftung an der oberen transparenten Elektrode, und wirkt zur Reduktion des Kontaktwiderstandes mit der Silbermantelschicht. Sie wirkt außerdem zur Vermeidung einer Diffusion von Silber in der Silbermantelschicht in die Fotovoltaikschicht.
  • Ferner sind gemäß 13 Stromsammelschienen usw. zur Energieableitung ausgebildet. Eine Vielzahl von Kollektorelektroden ist ohne Überkreuzung auf der Elementoberfläche angeordnet, und deren einen Enden befinden sich in elektrischem Kontakt mit der Stromsammelschiene 108. Die Stromsammelschiene 108 ist auf der Kollektorelektrode 107 ausgebildet, ein Metallmaterial mit einer hohen Leitfähigkeit wie etwa eine Kupferplatte wird dafür verwendet. Ein elektrisch isolierendes beidseitig klebendes Band wird zwischen der Stromsammelschiene und der oberen transparenten Elektrode angeordnet, damit die Stromsammelschiene an der oberen transparenten Elektrode anhaftet.
  • Die 4A und 4B zeigen ein Beispiel für ein Modul eines erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerelementes. Gemäß den 4A und 4B ist eine Vielzahl an Fotovoltaikelementen in Reihe geschaltet, und eine Bypassdiode mit dem Bezugszeichen 406 ist parallel zu jedem fotoelektrischen Wandlerelement geschaltet. Dies ist dahingehend vorteilhaft, dass selbst falls ein fotoelektrisches Wandlerelement sich im Schatten befindet, es vermieden werden kann, dass alle durch die anderen fotoelektrischen Wandlerelemente erzeugten Spannungen an das im Schatten befindliche fotoelektrische Wandlerelement angelegt werden. Da das erfindungsgemäße Fotovoltaikmodul durch Fluorharz und ein Stützsubstrat nach der Anordnung jedes Elementes gemäß den 4A und 4B versiegelt wird, ist es vor einem Eindringen von Wasserdampf geschützt.
  • Beispiele
  • Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele für Solarzellen als fotoelektrische Wandlerelemente näher beschrieben, aber es versteht sich, dass die Erfindung keineswegs als auf die Beispiele beschränkt gedacht ist.
  • (Beispiel 1)
  • Die Solarzelle gemäß 1A mit einem pin-Übergang wurde hergestellt. Im Einzelnen wurde die Solarzelle in einer Struktur mit einem Substrat aus rostfreiem Stahl (SUS mit einer Fläche von 10 × 10 cm2 und einer Dicke von 0,2 mm), einer reflektierenden Schicht aus Silber, einer transparenten leitenden Schicht aus ZnO, einer ersten dotierten Schicht aus a-Si:H:P, einer ersten Schicht aus μ c-Si:H, einer zweiten dotierten Schicht aus μ c-Si:H:B, der oberen transparenten Elektrode aus ITO, einer Kollektorelektrode aus Kupferdraht/Silber/einem Kohlenstoffmaterial ausgebildet (vergleiche 3).
  • Bei diesem Beispiel wurde die transparente leitende Schicht durch einen Zerstäubungsvorgang unter Verwendung des Gerätes gemäß 8 ausgebildet, die Fotovoltaikschicht wurde unter Verwendung des Gerätes gemäß 9 ausgebildet, die erste i-Schicht wurde durch das Plasma-angereicherte CVD-Verfahren unter Verwendung einer Hochfrequenz von 500 MHz ausgebildet, die dotierten Schichten wurden durch das HF-Plasma-angereicherte CVD-Verfahren ausgebildet, und die obere transparente Elektrodenschicht wurde durch ein Zerstäubungsverfahren ausgebildet.
  • Die Abläufe zur Ausbildung der unteren leitenden Schicht der reflektierenden Schicht und der transparenten leitenden Schicht durch das Zerstäubungsverfahren sind nachstehend beschrieben. 8 zeigt das Gerät, das einen Zerstäubungsätzvorgang und einen Gleichstrommagnetronzerstäubungsvorgang ausführen kann, wobei das Bezugszeichen 801 eine zylindrische Abscheidekammer, das Bezugszeichen 802 einen Substrathalter, das Bezugszeichen 803 das Substrat, das Bezugszeichen 804 ein Heizelement, das Bezugszeichen 805 eine Anpassungsbox, das Bezugszeichen 806 eine Hochfrequenzenergiezufuhr, das Bezugszeichen 807 ein Metallziel zur Ausbildung der Reflexionsschicht, das Bezugszeichen 808 ein Ziel zur Ausbildung einer transparenten leitenden Schicht, die Bezugszeichen 810 und 811 Gleichstromversorgungsquellen, die Bezugszeichen 813 und 814 Verschlüsse, das Bezugszeichen 816 ein Abgasrohr, das Bezugszeichen 817 ein Gaseinlassrohr, das Bezugszeichen 818 einen Drehstab und das Bezugszeichen 819 das Plasma bezeichnen. Zudem gibt es eine mit dem Gaseinlassrohr 817 verbundene Gaszufuhrvorrichtung und eine mit dem Abgasrohr 816 verbundene Vakuumpumpe, obwohl sie nicht dargestellt sind. Das Bezugszeichen 821 bezeichnet einen Pfeil, der die Ausstoßrichtung angibt. Zunächst wurde das mit einer Säure gereinigte und mit einer organischen Lösung gesäuberte Substrat 803 auf dem Substratscheibenhalter angebracht, und der Drehstab 818 als Zentralachse dieses Substratscheibenhalters wurde in Rotation versetzt. Dann wurde das Innere der Abscheidekammer auf ein Vakuum von 5 × 10–6 Torr unter Verwendung einer nicht dargestellten Öldiffusionspumpe/Drehpumpe evakuiert. Dann wurde Argon durch das Gaseinlassrohr eingeführt, und eine Hochfrequenzleistung wurde von der Hochfrequenzenergieversorgung 806 im Inneren der Abscheidekammer umgesetzt, wodurch das Argonplasma induziert wurde. Die Anpassungsschaltung 805 wurde eingestellt, so dass die reflektierte Energie minimiert wurde. Bei dieser Gelegenheit wurde das Substrat einem Zerstäubungsätzvorgang (oder einem umgekehrten Zerstäubungsvorgang) unterzogen, um eine sauberere Oberfläche zu erhalten. Dann wurde das Heizelement eingestellt, um die Temperatur zur Ausbildung der reflektierenden Schicht zu erzielen. Wenn die vorbestimmte Temperatur erzielt war, wurde die Gleichstromquelle 810 angeschaltet, um das Argonplasma 819 zu induzieren. Dann wurde der Verschluss 813 geöffnet. Als die reflektierende Schicht in einer vorbestimmten Dicke ausgebildet war, wurde der Verschluss geschlossen, und die Gleichstromquelle abgeschaltet. Danach wurde das Heizelement so eingestellt, dass es die Temperatur zur Ausbildung der transparenten leitenden Schicht erzielte. Wenn die vorbestimmte Temperatur erzielt war, wurde die Gleichstromquelle 811 angeschaltet, um das Argonplasma zu induzieren. Dann wurde der Verschluss 814 geöffnet. Nachdem die transparente leitende Schicht in einer vorbestimmten Dicke ausgebildet war, wurde der Verschluss geschlossen, und die Gleichstromquelle wurde abgeschaltet.
  • 9 zeigt das Gerät, das das Plasma-angereichte CVD-Verfahren ausführen kann, wobei das Bezugszeichen 901 eine Reaktionskammer bezeichnet, das Bezugszeichen 902 das Substrat bezeichnet, auf dem die untere leitende Schicht ausgebildet wurde, das Bezugszeichen 903 ein Heizelement bezeichnet, das Bezugszeichen 904 ein Ableitventil bezeichnet, das Bezugszeichen 908 ein Hochfrequenzelektrode bezeichnet, das Bezugszeichen 909 eine Hochfrequenzenergieversorgung (500 MHz) mit einer eingebauten Anpassschaltung bezeichnet, das Bezugszeichen 910 das Plasma bezeichnet, das Bezugszeichen 911 einen Verschluss bezeichnet, das Bezugszeichen 914 ein Abgasrohr bezeichnet, und das Bezugszeichen 915 ein Gaseinlassrohr bezeichnet. Das Bezugszeichen 913 bezeichnet die Abgasrichtung, und das Bezugszeichen 916 bezeichnet eine Gaseinlassrichtung. Obwohl es nicht dargestellt ist, ist eine Öldiffusionspumpe/Vakuumpumpe wie etwa eine Rotationspumpe mit dem Abgasrohr der Zeichnung verbunden, und die Gaszufuhrvorrichtung ist mit dem dargestellten Gaseinlassrohr verbunden. Das Plasmaangereicherte CVD-System ist gemäß vorstehender Beschreibung aufgebaut.
  • Die tatsächliche Schichtausbildung wird gemäß den nachstehend angeführten Abläufen unter Verwendung dieses Plasma-angereicherten CVD-Systems ausgeführt. Zunächst wird das Substrat 902, auf dem die untere leitende Schicht ausgebildet wurde, auf dem Heizelement 903 innerhalb der Reaktionskammer 901 angebracht, und das Innere der Reaktionskammer wird durch die Öldiffusionspumpe/Vakuumpumpe wie etwa der Rotationspumpe evakuiert, bevor der Druck innerhalb der Reaktionskammer 1 × 10–4 Torr oder weniger wird. Wenn der Druck 1 × 10–4 Torr oder weniger beträgt, wird ein Gaswert H2 oder He vom Gaseinlassrohr 915 in die Reaktionskammer eingeführt, und das Heizelement wird aktiviert, so dass das Substrat 902 auf eine gewünschte Temperatur eingestellt wird. Wenn die Temperatur des Substrates stabil wird, wird das Quellgas von dem Gaseinlassrohr eingeführt, und die Hochfrequenzenergieversorgung 909 wird zum Umsetzen der Hochfrequenzleistung über die Hochfrequenzelektrode 908 in der Reaktionskammer angeschaltet. Wenn das Plasma 910 induziert ist, wird das Ableitventil 904 für den Erhalt eines gewünschten Drucks eingestellt. Bei dieser Gelegenheit wird die Anpassungsschaltung vorzugsweise zur Minimierung von reflektierter Leistung eingestellt. Dann wird der Verschluss 911 geöffnet. Wenn die Schicht in einer gewünschten Dicke ausgebildet ist, wird der Verschluss geschlossen, und das Umsetzen von Hochfrequenzleistung und der Einlass von Quellgas werden gestoppt. Dann erfolgt die Vorbereitung zur Ausbildung einer nächsten Schicht. Falls dieses Gerät bei dem HF-Plasma-angereicherten CVD-Verfahren angewandt wird, wird die vorstehend angeführte Hochfrequenzenergieversorgung 909 durch eine bei 13,56 MHz arbeitende Energieversorgung ersetzt, um das Plasma zu induzieren.
  • Spezifische Bedingungen sind in Tabelle 1A wiedergegeben.
    Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (μm) Gas Verfahren
    Untere leitende Schicht reflektierende Schicht Ag 25 0,1 Ar SP-verfahren
    transparente leitende Schicht ZnO 250 1,0 Ar SP-Verfahren
    Tabelle 1A
    Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (μm) Frequenz (MHz) Verhältnis der Flussraten SiH4/H2 Druck (Torr)
    Fotovoltaikschicht 1. dotierte Schicht a-Si:H:P 350 0,05 13,56 0,08 1,0
    1. i-Schicht μ c-Si:H 400 0,80 500 0,04 0,01
    2. dotierte Schicht μ c- Si:H:B 200 0,006 13,56 0,02 1,5
    Tabelle 1A
    Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (μm) Gas Verfahren
    Obere Elektrode ITO 160 0,08 Ar SP- Verfahren
  • Tabelle 1A
  • (SP-Verfahren: Zerstäubung)
  • Gemäß 13 wurde das elektrisch isolierende beidseitig haftende Band auf einer Seite des bis zu der oberen transparenten Elektrode ITO ausgebildeten Substrates angeordnet, die einen Enden der jeweils einen Kupferdraht, eine Silbermantelschicht und eine Kohlenstoffpaste gemäß 3 umfassenden Kollektorelektroden wurden auf das beidseitig haftende Band geklebt, eine Stromsammelleiste wurde auf das beidseitig haftende Band von oberhalb der Kollektorelektroden geklebt, und das Ganze wurde zum Schmelzen der Kohlenstoffpaste erwärmt, wodurch die Kollektorelektroden mit der Stromsammelleiste fixiert wurden.
  • Mehrere Solarzellen (Beispiel 1) wurden mit derselben vorstehend beschriebenen Struktur ausgebildet. Die Querschnittsform von einem von ihnen wurde durch ein Transmissionselektronenmikroskop TEM betrachtet, was anzeigte, dass die erste i-Schicht in einer derartigen Struktur ausgebildet war, dass die Längsrichtungen der orthorhombischen kristallinen Körner bezüglich der Richtung der Normalen zum Substrat gemäß 1A oder 1B geneigt waren. Die Oberflächenrauhigkeit Ra der unteren leitenden Schicht (der transparenten leitenden Schicht und der reflektierenden Schicht) wurde gemessen, was zeigte, dass ein Durchschnitt pro einer Länge von 50 μm bei 0,32 μm lag. Der Prozentsatz der Winkel G (von denen jeder ein Winkel zwischen einer Normalen zu einem feinen Bereich der unteren leitenden Schicht und der Normalen zu der Hauptebene des Substrates ist) im Bereich von jeweils einschließlich 15° bis 45° wurde berechnet, und der Prozentsatz lag bei 91%. Der Prozentsatz am Gesamtvolumen von orthorhombischen kristallinen Körnern mit einem Winkel F von jeweils 20° oder weniger betrug 92% bezüglich des Gesamtvolumens der i-Schicht.
  • (Vergleichsbeispiel 1)
  • Die Solarzelle mit der Querschnittsform gemäß 2 wurde mit einer derartigen Struktur ausgebildet, dass die untere leitende Schicht eine nahezu flache Schicht aus lediglich Silber durch ein gewöhnliches Zerstäubungsverfahren ohne die Bereitstellung der transparenten leitenden Schicht war. Die erste i-Schicht wurde unter den in Tabelle 1B gezeigten Bedingungen durch das HF-Plasma-angereicherte CVD-Verfahren ausgebildet.
  • Außer diesen Ausnahmen wurde die Solarzelle (das fotoelektrische Wandlerelement gemäß 2) auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt.
  • Die Ausbildungsbedingungen sind in Tabelle 13 gezeigt.
    Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (μm) Gas Verfahren
    Untere leitende Schicht Ag 25 0,1 Ar SP-Verfahren
    Tabelle 1B
    Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (μm) Frequenz (MHz) Verhältnis der Flussraten SiH4/H2 Druck (Torr)
    Fotovoltaikschicht 1. dotierte Schicht a-Si:H:P 350 0,05 13,56 0,08 1,0
    1. i- Schicht c-Si:H 250 0,80 13,56 0.03 1,2
    2. dotierte Schicht Si:H:B 200 0,006 13,56 0,02 1,5
    Tabelle 1B
    Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (pin) Gas Verfahren
    obere Elektrode ITO 160 0,08 Ar SP-Verfahren
  • Tabelle 1B
  • (SP-Verfahren: Zerstäubung)
  • Mehrere Solarzellen (Vergleichsbeispiel 1) wurden mit derselben Struktur hergestellt. Die Querschnittsform von einem von ihnen wurde durch ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) betrachtet, was ergab, dass die erste i-Schicht aus orthorhombischen mikrokristallinem Silizium ausgebildet war, wie es in 2 gezeigt ist. Die Oberflächenrauigkeit Ra der unteren leitenden Schicht wurde gemessen, was ergab, dass der Durchschnitt auf einer Länge von 50 μm bei 0,02 μm lag.
  • Zunächst wurden die Anfangseigenschaften (fotoleitende Charakteristik, Leckstrom und Lehrlaufspannung unter geringer Beleuchtung) für die Solarzellen (Beispiel 1) nach Beispiel 1 und die Solarzellen (Vergleichsbeispiel 1) nach Vergleichsbeispiel 1 gemessen.
  • Die fotoelektrische Wandlereffizienz, die Lehrlaufspannung und der Kurzschlussfotostrom wurden unter Verwendung eines Solarsimulators (AM 1,5, 100 mW/cm2, Oberflächentemperatur 25°C) gemessen, was sicherstellte, dass die erfindungsgemäßen fotoelektrischen Wandlerelemente 1,29mal, 1,04mal bzw. 1,23mal besser als die des Vergleichsbeispiels waren.
  • Danach wurde die Lehrlaufspannung unter einer Fluoreszenzlampe (mit geringer Leuchtintensität) mit einer Leuchtintensität von ungefähr 500 lx gemessen, was ergab, dass die Solarzellen gemäß (Beispiel 1) 1,2mal besser als die gemäß (Vergleichsbeispiel 1) waren. Der Leckstrom wurde mit einer and einem dunklen Ort angelegten Sperrvorspannung gemessen, was angab, dass die Leckströme der erfindungsgemäßen Solarzellen (Beispiel 1) bei etwa einem Achtel oder so von jenen gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 (Vergleichsbeispiel 1) lagen, und dass die erfindungsgemäßen Solarzellen somit ausgezeichnet waren.
  • Danach wurde der Lichtdurchflutungstest für die Solarzellen gemäß (Beispiel 1) und (Vergleichsbeispiel 1) durchgeführt. Nach einer Belichtung für 1000 Stunden mit dem vorstehend beschriebenen Simulator (AM 1,5, 100 mW/cm2, Oberflächentemperatur 50°C) zeigte keine nach dem Test einen ersichtlichen Fehler.
  • Nach dem Lichtdurchflutungstest wurden die fotoelektrische Wandlereffizienz, die Lehrlaufspannung, der Kurzschlussfotostrom, die Lehrlaufspannung unter geringer Leuchtintensität und der Leckstrom gemessen, was zeigte, dass Differenzen bei Abfällen der Lehrlaufspannung unter geringer Leuchtintensität und des Leckstroms vor und nach dem Test beobachtet wurden.
  • Ein Verhältnis der Lehrlaufspannungen unter geringer Leuchtintensität vor und nach dem Test (Lehrlaufspannung bei geringer Leuchtintensität nach dem Test geteilt durch Lehrlaufspannung bei geringer Leuchtintensität vor dem Test) lag für (Beispiel 1) bei 0,95 und für (Vergleichsbeispiel 1) bei 0,92. Ferner lag das Verhältnis der Leckströme vor und nach dem Test (Leckstrom nach dem Test geteilt durch Leckstrom vor dem Test) für (Beispiel 1) bei 1,2 oder für (Vergleichsbeispiel 1) bei 2,2.
  • Somit wurde bewiesen, dass das erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlerelement besser als das bekannte fotoelektrische Wandlerelement war, wie es vorstehend beschrieben ist.
  • Zudem wurde der vorstehend beschriebene „Torsionstest" durchgeführt. Die beiden Solarzellen zeigten keine ersichtlichen Fehler nach dem Test.
  • Nach dem Torsionstest wurde die fotoelektrische Wandlereffizienz, die Lehrlaufspannung, der Kurzschlussfotostrom, die Lehrlaufspannung unter geringer Lichtintensität und der Leckstrom gemessen, und Differenzen wurden bei Abfällen der fotoelektrischen Wandlereffizienz, der Lehrlaufspannung, der Lehrlaufspannung unter geringer Lichtintensität und des Leckstroms vor und nach dem Test beobachtet.
  • Ein Verhältnis der fotoelektrischen Wandlereffizienzen vor und nach dem Test (fotoelektrische Wandlereffizienz nach Test/fotoelektrische Wandlereffizienz vor Test) lag bei 0,98 für (Beispiel 1) oder 0,93 für (Vergleichsbeispiel 1). Ein Verhältnis der Leerlaufspannungen vor und nach dem Test (Leerlaufspannung vor Test/Leerlaufspannung nach Test) lag bei 0,99 für (Beispiel 1) oder 0,94 für (Vergleichsbeispiel 1).
  • Das Verhältnis der Leerlaufspannungen unter geringer Lichtintensität vor und nach dem Test (Leerlaufspannung bei geringer Lichtintensität nach Test/Leerlaufspannung bei geringer Lichtintensität vor Test) lag bei 0,96 für (Beispiel 1) oder 0,87 für (Vergleichsbeispiel 1). Ferner lag das Verhältnis der Leckströme vor und nach dem Test (Leckstrom nach dem Test/Leckstrom vor dem Test) bei 1,1 für (Beispiel 1) oder 3,1 für (Vergleichsbeispiel 1).
  • Es wurde bewiesen, dass das erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlerelement besser als das bekannte fotoelektrische Wandlerelement war, wie es vorstehend beschrieben ist.
  • In ähnlicher Weise wurde ein Hagelschauertest gemäß dem auf kristalline Solarzellen bezogenen Standard JIS C 8917 ausgeführt. Eisbälle wurden überall zehnmal unter den Bedingungen 25 mm Durchmesser und 23 m/Sekunde Endgeschwindigkeit fallen gelassen. Dieselben vorstehend beschriebenen Bewertungen wurden nach dem Test durchgeführt, was zeigte, dass die Solarzellen gemäß (Beispiel 1) besser waren als jene gemäß (Vergleichsbeispiel 1).
  • (Beispiel 2)
  • Die Solarzelle gemäß 1B wurde als weiteres Beispiel für ein Ausführungsbeispiel hergestellt. Im Einzelnen wurden mehrere Solarzellen (Beispiel 2) mit der Struktur Substrat aus rostfreiem Stahl (SUS 430 mit einer Fläche von 10 × 10 cm2 und einer Dicke von 0,2 mm), einer reflektierenden Schicht aus Aluminium, einer transparenten leitenden Schicht aus ZnO, einer ersten dotierten Schicht aus a-Si:H:P, einer ersten i-Schicht aus μ c-Si:H, einer zweiten dotierten Schicht aus μ c-Si:H:B, einer dritten dotierten Schicht aus a-Si:H:P, einer zweiten i-Schicht aus a-Si:H, einer vierten dotierten Schicht aus μ c-Si:H:B, einer oberen transparenten Elektrode aus ITO, einer Kollektorelektrode aus Kupferdraht/Silber/Kohlenstoffmaterial ausgebildet.
  • Die Ausbildungsbedingungen sind in Tabelle 2 angegeben.
    Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (pm) Gas Verfahren
    Untere leitende Schicht Reflektierende Schicht Al 30 0,1 Ar SP-Verfahren
    Transparente leitende Schicht ZnO 250 1,2 Ar SP-Verfahren
    Tabelle 2
    Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (pm) Frequenz Verhältnis der Flussraten Druck (Torr)
    Fotovoltaik-schicht 1. dotierte Schicht a-Si:H:P 380 0,04 13,56 0,08 1,0
    1. i-Schicht μ c-Si:H 400 0,70 500 0,04 0,01
    2. dotierte Schicht μ c-Si:H:B 200 0,006 13,56 0,02 105
    3. dotierte Schicht a-Si:H:P 220 0,01 13,56 0,08 1,0
    2. i-Schicht a-Si:H 200 0,16 13,56 0,05 1,2
    4. dotierte Schicht μ c-Si:H:B 160 0,005 13,56 0,02 1,5
    Tabelle 2
    Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (μm) Gas Verfahren
    Obere Elektrode ITO 160 0,08 Ar + O2 SP-Verfahren
  • Tabelle 2
  • (SP-Verfahren: Zerstäubung)
  • Der Querschnitt dieser Solarzelle wurde durch TEM betrachtet, was ergab, dass die erste i-Schicht in der mikrokristallinen Struktur gemäß 1B ausgebildet war.
  • Die Oberflächenrauhigkeit Ra der unteren leitenden Schicht (der transparenten leitenden Schicht/der reflektierenden Schicht) wurde gemessen, was ergab, dass der Durchschnitt auf einer Länge von 50 μm bei 0,29 μm lag. Der Prozentsatz der Winkel G (von denen jeder ein Winkel zwischen der normalen zu einem Feinbereich der unteren leitenden Schicht und der normalen zur Hauptebene des Substrates ist) im Bereich von jeweils einschließlich 15° bis 45° wurde berechnet. Es ergab sich 93%. Der Prozentsatz K des Gesamtvolumens an orthorhombischen kristallinen Körnern mit dem Winkel F von 20° oder weniger zum Gesamtvolumen der ersten i-Schicht lag bei 94 %.
  • (Vergleichsbeispiel 2)
  • Mehrere fotoelektrische Wandlerelemente (Vergleichsbeispiel 2) wurden durch Stapeln der dritten dotierten Schicht, der zweiten i-Schicht und der vierten dotierten Schicht wie bei Beispiel 2 zwischen der zweiten dotierten Schicht und der oberen transparenten Elektrode in der Solarzelle gemäß Vergleichsbeispiel 1 (Tabelle 1B) mit der in 2 gezeigten Struktur hergestellt. Der Querschnitt dieser Solarzelle wurde durch TEM betrachtet, was ergab, dass die erste i-Schicht in mikrokristalliner Struktur gemäß 2 ausgebildet war. Dieselben Messungen und Tests wie bei Beispiel 1 wurden ausgeführt, was bestätigte, dass die Solarzellen gemäß (Beispiel 2) besser waren als jene gemäß (Vergleichsbeispiel 2).
  • (Beispiel 3)
  • Eine lange Schicht wurde für das Substrat verwendet, und die reflektierende Schicht und die transparente leitende Schicht wurden aufeinander folgend darauf mit dem Rollezu-Rolle-Verfahren mit hoher Produktivität ausgebildet. Zudem wurde das Rolle-zu-Rolle-Verfahren außerdem zur Ausbildung der Fotovoltaikschicht und der oberen transparenten Elektrode verwendet. Diese Einzelheiten sind nachstehend beschrieben.
  • Das Gerät 1000 aus 10 ist ein Dünnschichtausbildungsgerät, das einige Dünnschichten auf der Oberfläche des Substrates 1001 aus einer langen Schicht mit Flexibilität in Vakuum ausbilden kann. Das Bezugszeichen 1001 bezeichnet das lange Substrat mit Flexibilität wie etwa rostfreier Stahl, das Bezugszeichen 1008 bezeichnet eine Beförderungsrolle, um die das Substrat in gerollter Form gewickelt ist, das Bezugszeichen 1009 bezeichnet eine Wickelrolle zum Aufwickeln des Substrates darauf, und das Bezugszeichen 1002 bezeichnet einen Vakuumbehälter, in dem die Beförderungsrolle fixiert werden kann. Eine Vakuumpumpe 1016 wie etwa eine Rotationspumpe ist mit dem Vakuumbehälter durch ein Rohr 1018 verbunden. In ähnlicher Weise ist die Wickelrolle 1009 in einem Vakuumbehälter 1007 fixiert, und eine Vakuumpumpe ist damit verbunden.
  • Zwischen den Vakuumbehältern 1002 und 1007 ist gemäß 10 ein Pfad für das Substrat verbunden, der aus Gastoren 1021 und Vakuumbehältern 1003, 1004, 1005, 1006 zur Ausbildung der gewünschten Dünnschichten durch das Gleichstrommagnetronzerstäubungsverfahren zusammengesetzt ist. Ein Gaseinlassrohr 1010 ist mit jedem Gastor 1021 verbunden, wie es dargestellt ist, um Spülgas 1011 aus Argon oder dergleichen in das Gastor einfließen lassen zu können, wodurch das Auftreten einer wechselseitigen Diffusion von Gas zwischen den Vakuumbehältern vermieden werden kann, damit die Dünnschichten aus verschiedenen Arten ausgebildet werden können. Aufgrund dessen kann ein guter Übergang ausgebildet werden. Die Gastore sind zwischen den Vakuumbehältern verbunden, aber das Gastor muss nicht zwischen den Vakuumbehältern bereitgestellt werden, falls dieselben Dünnschichten in den aufeinander folgenden Vakuumbehältern ausgebildet werden.
  • Eine Diffusionspumpe 1017 ist durch das Rohr 1019 mit jedem Vakuumbehälter 1003, 1004, 1005, 1006 verbunden, und eine Vakuumpumpe wie etwa eine Rotationspumpe ist ferner durch ein Rohr damit verbunden. Ferner sind innerhalb jedes Vakuumbehälters 1003, 1004, 1005, 1006 ein Heizelement 1014 zum Erwärmen des Substrates, ein Ziel 1023 zur Ausbildung einer gewünschten Dünnschicht, eine Elektrode 1013 mit einem eingebauten Magnet sowie ein Gaseinlassrohr 1020 zum Einführen von Gas 1022 zum Zerstäuben bereitgestellt. Eine Gleichstromenergieversorgung 1012 ist mit jeder Elektrode verbunden.
  • Nachstehend ist ein Verfahren zur Verwendung dieses Gerätes beschrieben. Zunächst wird die Beförderungsrolle 1008, auf der das lange Substrat mit Flexibilität wie etwa rostfreier Stahl aufgerollt ist, in dem Vakuumbehälter 1002 fixiert, und das vordere Ende des Substrates wird durch die Gastore und Vakuumbehälter 1003, 1004, 1005, 1006 in den Vakuumbehälter 1007 geführt, und um die Wickelrolle 1009 gewickelt, die innerhalb des Vakuumbehälters 1007 fixiert ist.
  • Jede Vakuumpumpe wird zum Evakuieren des Inneren jedes Vakuumbehälters aktiviert, bevor der Innendruck jedes Vakuumbehälters einen Wert von einigen mTorr annimmt. Argongas wird durch jedes Gaseinlassrohr 1010 und ein gewünschtes Gas durch das Gaseinlassrohr 1020 eingeführt, die Energieversorgung jedes Heizelementes wird angeschaltet, und das Substrat wird in Richtung des Pfeils 1024 befördert. Wenn die Temperatur des Substrates konstant wird, wird jede Gleichstromenergieversorgung angeschaltet, um Plasma 1015 in jedem Vakuumbehälter 1003, 1004, 1005, 1006 zu induzieren, wodurch die gewünschten Dünnschichten ausgebildet werden.
  • Die Beförderung wird mit Ankunft des hinteren Endes des Substrates gestoppt, jede Gleichstromenergieversorgung und jede Heizelementenergieversorgung werden abgeschaltet, und das Substrat wird abgekühlt. Wenn die Temperatur des Substrates nahezu gleich der Raumtemperatur wird, wird die Dichtigkeit der Vakuumbehälter aufgehoben, und dann die Wickelrolle herausgenommen.
  • Die reflektierende Schicht und die transparente leitende Schicht wurden unter Verwendung eines 0,15 mm dicken rostfreien Stahlsubstrates (SUS 430) durch das vorstehend beschriebene Verfahren und unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen kontinuierlich ausgebildet. Die Querschnittsform dieser unteren leitenden Schicht (der transparenten leitenden Schicht/der reflektierenden Schicht) wurde durch SEM betrachtet, was ergab, dass die Schicht die in 1A oder 1B gezeigte Form aufwies. Die durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit Ra auf einer Länge von 50 μm betrug 0,35 μm. Der Prozentsatz der Winkel G 1 Bereich von jeweils einschließlich 15° bis 45° wurde zu 90% berechnet.
  • Nachstehend ist ein Gerät zur Ausbildung der Fotovoltaikschicht auf der transparenten leitenden Schicht durch das Rolle-zu-Rolle-Verfahren näher beschrieben. Das Gerät nach 11 ist ein Gerät zur kontinuierlichen Ausbildung der Fotovoltaikschicht aus sechs Schichten auf dem langen Substrat, und einige der Vakuumbehälter sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Das Bezugszeichen 1101 bezeichnet das lange Substrat, auf dem die untere leitende Schicht ausgebildet wurde, das Bezugszeichen 1108 bezeichnet eine Beförderungsrolle, auf der das Substrat in gerollter Form gewickelt ist, das Bezugszeichen 1109 bezeichnet eine Wickelrolle zum Aufwickeln des Substrates darauf, und das Bezugszeichen 1102 bezeichnet einen Vakuumbehälter, in dem die Beförderungsrolle fixiert werden kann. Eine Vakuumpumpe 1116 wie etwa die Rotationspumpe ist damit durch ein Rohr 1118 verbunden. In ähnlicher Weise wird die Wickelrolle 1109 in dem Vakuumbehälter 1107 fixiert, und eine Vakuumpumpe ist damit verbunden. Die Vakuumbehälter 1103-a, 1104, 1103-b (nicht dargestellt), 1103-c (nicht dargestellt), 1103-d, 1103-e zur Ausbildung der gewünschten Dünnschichten sind nacheinander zwischen den Vakuumbehältern 1102 und 1107 angeordnet, und Gastore 1121 sind zwischen den Vakuumbehältern verbunden. Ein Gaseinlassrohr 1110 ist mit jedem Gastor 1121 verbunden, wie es dargestellt ist, um das Durchspülungsgas 1111 aus Argon, H2, Helium oder dergleichen in jedes Gastor fließen lassen zu können, wodurch das Auftreten einer wechselseitigen Diffusion von Gas zwischen den Vakuumbehältern vermieden werden kann, damit die Dünnschichten verschiedener Arten ausgebildet werden können. Aufgrund dessen ist der erhaltene pin-Übergang sehr gut. Das Gastor muss nicht immer zwischen den Vakuumbehältern bereitgestellt werden, falls dieselben Dünnschichten in aufeinander folgenden Vakuumbehältern ausgebildet werden.
  • Das HF-Plasma-angereicherte CVD-Verfahren (Leistungsfrequenz 13,5 MHz) kann in den Vakuumbehältern 1103-a, 1103-b, 1103-c, 1103-d, 1103-e ausgeführt werden. Die Rotationspumpe und das Gaseinlassrohr 1120 sind durch ein Rohr 1118 mit jedem der Vakuumbehälter verbunden, und ein Heizelement 1114 und eine HF-Elektrode 1113 sind innerhalb jedes Vakuumbehälters fixiert. Eine HF-Energieversorgung 1112 ist mit der HF-Elektrode verbunden. Das Hochfrequenz-Plasma-angereicherte CVD-Verfahren (Leistungsfrequenz 150 MHz) kann in dem Vakuumbehälter 1104 ausgeführt werden. Die Diffusionspumpe 1117 ist durch das Rohr 1119 mit dem Vakuumbehälter verbunden, und die Vakuumpumpe wie etwa die Rotationspumpe ist ferner durch ein Rohr damit verbunden. Zudem ist das Gaseinlassrohr mit dem Vakuumbehälter verbunden, und das Heizelement 1117 und die Hochfrequenzelektrode 1126 sind im Inneren fixiert. Eine Hochfrequenzenergieversorgung 1125 (Frequenz 150 MHz) ist mit der Hochfrequenzelektrode verbunden.
  • Nachstehend ist ein Verfahren zur Verwendung dieses Gerätes beschrieben. Zunächst wird die Beförderungsrolle 1108, auf der das vorstehend angeführte rostfreie Stahlsubstrat mit der unteren leitenden Schicht aufgerollt ist, in dem Vakuumbehälter 1102 fixiert, und das vordere Ende des Substrates wird durch jedes Gastor und jeden Vakuumbehälter bis ins Innere des Vakuumbehälters 1107 geführt, und um die Wickelrolle 1109 gewickelt, die innerhalb des Vakuumbehälters 1107 fixiert ist. Dann wird jede Vakuumpumpe aktiviert, um das Innere jedes Vakuumbehälters zu evakuieren, bevor der Innendruck jedes Vakuumbehälters einen Wert von mehreren mTorr annimmt. H2-Gas wird durch das Gaseinlassrohr 1110 eingeführt, und Gase zur Ausbildung der Fotovoltaikschicht werden durch die Gaseinlassrohre 1120 eingeführt, jede Heizelementenergieversorgung wird angeschaltet, und das Substrat wird in Richtung des Pfeils 1124 befördert. Wenn die Temperatur des Substrates konstant wird, werden jede HF-Energieversorgung und die Hochfrequenzenergieversorgung angeschaltet, und die Anpassungsschaltung wird eingestellt, um das Plasma 1115 innerhalb jedes Vakuumbehälters zu induzieren, wodurch die gewünschten Dünnschichten ausgebildet werden. Die Beförderung wird mit der Ankunft des hinteren Endes des Substrates gestoppt, jede HF-Energieversorgung, jede Hochfrequenzenergieversorgung und jede Heizelementenergieversorgung werden abgeschaltet, und das Substrat wird abgekühlt. Wenn die Temperatur des Substrates nahezu gleich der Raumtemperatur wird, wird die Dichtigkeit jedes Vakuumbehälters aufgehoben, und die Wickelrolle wird herausgenommen. Die erste dotierte Schicht aus a-Si:H:P, die erste i-Schicht aus μ c-Si:H, die zweite dotierte Schicht aus μ c-Si:H:B, die dritte dotierte Schicht aus a-Si:H:P, die zweite i-Schicht aus a-Si:H, und die vierte dotierte Schicht aus μ c-Si:H:B wurden durch das vorstehend beschriebene Verfahren und unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen ausgebildet.
  • Die obere transparente Elektrode (ITO) wurde kontinuierlich auf der somit herausgenommenen gerollten Solarzelle unter Verwendung des Gerätes nach 10 herausgenommen. Bei dieser Gelegenheit wurde die obere transparente Elektrode aus ITO auf der vierten dotierten Schicht derart ausgebildet, dass das Ziel innerhalb des Vakuumbehälters 1006 ITO war, und dass nur der Vakuumbehälter 1006 verwendet wurde, ohne das Plasma in den Vakuumbehältern 1003, 1004, 1005 zu induzieren. Die Bedingungen zur Ausbildung jeder Schicht sind in Tabelle 3 gezeigt.
    Vakuumbehälter Ziel Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (μm) Zerstäubungsgas Verfahren
    1003 Al Untere leitende Schicht Reflektierende Schicht Al 30 0,15 Ar SP-Vefahren
    1004 ZnO Transparente leitende Schicht ZnO 200 0,20 Ar + O2 SP-Vefahren
    1005 ZnO ZnO 250 0,50 Ar SP-Vefahren
    1006 ZnO ZnO 250 0,50 Ar SP-Vefahren
    Tabelle 3
    Vakuumbehälter Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (μm) Frequenz (MHz) SiH4/H2 Druck (Torr)
    1103-a 1. dotierte Schicht a-Si:H:P 300 0,03 13,56 0,05 1,2
    1104 1. i-Schicht μ c-Si:H 380 0,85 150 0,03 0,03
    1103-b 2. dotierte Schicht μ c-Si:H:B 200 0,006 13,56 0,02 0,5
    1103-c 3. dotierte Schicht a-Si:H:P 200 0,02 13,56 0,05 1,2
    1103-d 2. i-Schicht a-Si:H 200 0,18 13,56 0,06 1,0
    1103-e 4. dotierte Schicht μ c-Si:H:B 160 0,005 13,56 0,02 0,5
    Tabelle 3
    Vakuumbehälter Ziel Schicht Material Temperatur (°C) Dicke (μm) Zerstäubungsgas Verfahren
    1006 ITO Obere transparente Elektrode ITO 160 0,08 Ar + O2 SP-Verfahren
  • Tabelle 3
  • Die herausgenommene Solarzelle wurde in einer Größe von 30 × 30 cm2 geschnitten, dann wurden die Kollektorelektrode und die Stromsammelschiene wie bei Beispiel 1 gemäß 1A angebracht, vier Solarzellen wurden gemäß 4 in Reihe geschaltet, und eine Bypassdiode wurde parallel zu jeder Solarzelle verbunden. Dann wurden auf einem Stützsubstrat mit 0,3 mm Dicke EVA, Polyamidharz, EVA, nicht gewebtes Glasgewebe, die in Reihe geschalteten Solarzellen, nicht gewebtes Glasgewebe, EVA, nicht gewebtes Glasgewebe, EVA, nicht gewebtes Glasgewebe und Fluorharz gestapelt, und der Stapel wurde einer Wärmevakuumversiegelung unterzogen (Laminierung).
  • Dieselben Messungen und Tests wie bei Beispiel 1 wurden für das Solarbatteriemodul (Beispiel 3) ausgeführt, das gemäß vorstehender Beschreibung in der Größe von 35 × 130 cm2 hergestellt wurde. Bei jeder der Anfangseigenschaften, dem Torsionstest und dem Hagelschauertest war das Solarzellenmodul (Beispiel 3) besser als das Solarzellenmodul gemäß (Beispiel 1). Der Freilandbelichtungstest wurde ausgeführt, während das Solarzellenmodul gemäß (Beispiel 3) für drei Monate im Freien angeordnet war. Bei seiner Erscheinung wurde wenig Veränderung beobachtet, und der Abfall bei der fotoelektrischen Wandlereffizienz lag bei etwa 5 Es wurde bestätigt, dass das erfindungsgemäße Fotovoltaikmodul ausgezeichnete Eigenschaften aufwies.
  • (Beispiel 4)
  • Eine Solarzelle (Beispiel 4) wurde auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 1 ausgebildet, außer dass die Dicke der ersten i-Schicht bei Beispiel 1 auf 2 μm verändert wurde. Wenn der Querschnitt durch TEM betrachtet wurde, zeigte sich, dass die Struktur der ersten i-Schicht gemäß 1A oder 1B war. Dieselben Messungen und Tests wie bei Beispiel 1 wurden ausgeführt, was ergab, dass die Solarzelle gemäß (Beispiel 4) besser als die Solarzelle gemäß (Beispiel 1) war.
  • (Beispiel 5)
  • Eine Solarzelle, bei der die untere leitende Schicht eine einzelne Schicht war, wurde als weiteres Beispiel für ein Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die untere leitende Schicht war eine Schicht aus 0,5 μm dickem Silber und wurde durch einen Zerstäubungsvorgang ausgebildet. Die Oberfläche der Schicht wurde aufgeraut (oder texturiert), indem die Ausbildungstemperatur bei 350°C gehalten wurde. Der Querschnitt wurde untersucht, um den Prozentsatz der Winkel G (von denen jeder ein Winkel zwischen der Normalen zum Feinbereich der unteren leitenden Schicht und der Normalen zu der Hauptebene des Substrates ist) im Bereich von jeweils einschließlich 15° bis 45° zu zählen, und der Prozentsatz lag bei 91%. Mehrere Solarzellen (Beispiel 5) gemäß 1A wurden durch Ausbildung derselben Fotovoltaikschicht, der oberen transparenten Elektrode und der Kollektorelektrode wie bei Beispiel 1 auf der unteren leitenden Schicht ausgebildet. Dieselben Messungen und Tests wie bei Beispiel 1 wurden durchgeführt, was zeigte, dass die Solarzellen gemäß (Beispiel 5) genauso gut wie die Solarzelle gemäß (Beispiel 1) war.
  • (Beispiel 6)
  • Die Solarzelle gemäß 1B mit der Fotovoltaikschicht gemäß 5, bei der die erste dotierte Schicht aus der Stapelstruktur aus a-Si:H:P/μ c-Si:H:P war, wurde als weiteres Beispiel für ein Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die Solarzelle (Beispiel 6) wurde auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 2 ausgebildet, außer dass die erste dotierte Schicht gemäß Beispiel 2 auf a-Si:H:P/μ c-Si:H:P verändert wurde. Dieselben Messungen und Tests wie bei Beispiel 1 wurden ausgeführt, was ergab, dass die Solarzelle gemäß (Beispiel 6) so gut wie die Solarzelle gemäß (Beispiel 2) war.
  • Gemäß vorstehender Beschreibung umfasst ein fotoelektrisches Wandlerelement ein Substrat, eine untere leitende Schicht, eine erste dotierte Schicht, eine i-Schicht, eine zweite dotierte Schicht und eine obere leitende Schicht, wobei eine Oberfläche der unteren leitenden Schicht eine unebene Konfiguration aufweist, die i-Schicht orthorhombische kristalline Körner enthält, und die Längsrichtungen der orthorhombischen kristallinen Körner bezüglich der Richtung einer Normalen zum Substrat geneigt sind. Gemäß einer numerischen Definition davon ist ein Prozentsatz des Gesamtvolumens der orthorhombischen kristallinen Körner mit jeweils einem nachstehend definierten Winkel von 20° oder weniger gleich 70% oder mehr bezüglich des Gesamtvolumens der i-Schicht; wobei der Winkel als ein Winkel zwischen einer ein orthorhombisches kristallines Korn durchlaufenden geraden Linie, die parallel zu dessen Längsrichtung verläuft und einer das orthorhombische kristalline Korn durchlaufenden geraden Linie von den geraden Linien definiert ist, welche den kürzesten Weg zwischen der Grenzfläche zwischen der ersten dotierten Schicht und der i-Schicht und der Grenzfläche zwischen der zweiten dotierten Schicht und der i-Schicht aufweisen.
  • Das erfindungsgemäße fotoelektrische Wandlerelement ist in den Eigenschaften einschließlich der fotoelektrischen Wandlereffizienz, der Leerlaufspannung, des Kurzschlussfotostroms, der Leerlaufspannung bei geringer Lichtintensität und des Leckstroms des fotoelektrischen Wandlerelementes verbessert. Zudem ist die Beständigkeit beim Freilandbelichtungstest, bei der mechanischen Festigkeit und bei der Langzeitstrahlung mit Licht verbessert. Ferner können die Kosten für das fotoelektrische Wandlerelement stark verringert werden.

Claims (9)

  1. Fotoelektrisches Wandlerelement mit einem Substrat (101), einer unteren leitenden Schicht (102), einer ersten dotierten Halbleiterschicht (103), einer i-Halbleiterschicht (104), einer zweiten dotierten Halbleiterschicht (105), und einer oberen leitenden Schicht (106), wobei die i-Halbleiterschicht orthorhombische kristalline Körner enthält, und die Längsrichtungen der orthorhombischen kristallinen Körner bezüglich der Richtung einer Normalen zu dem Substrat geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit Ra in einer Länge von mehreren 10 μm der oberen Oberfläche der unteren leitenden Schicht (102), die zwischen dem Substrat (101) und den Halbleiterschichten angeordnet ist, zwischen 0,1 μm und 1 μm jeweils inklusive liegt; und ein Prozentsatz des Gesamtvolumens der orthorhombischen kristallinen Körner jeweils mit einem nachstehend definierten Winkel (F) von 20° oder weniger 70% oder mehr bezüglich des Gesamtvolumens der i-Schicht beträgt; wobei der Winkel zwischen einer Geraden A, welche das orthorhombische kristalline Korn durchläuft und parallel zu einer Längsrichtung davon verläuft, und einer Geraden B, welche das orthorhombische kristalline Korn durchläuft und eine der Geraden ist, welche den kürzesten Weg zwischen der Schnittstelle 1 zwischen der ersten dotierten Schicht und der i-Schicht und Schnittstelle 2 zwischen der zweiten dotierten Schicht und der i-Schicht nehmen, ausgebildet ist.
  2. Fotoelektrisches Wandlerelement mit einem Substrat (101), einer unteren leitenden Schicht (102), einer ersten dotierten Halbleiterschicht (103), einer i-Halbleiterschicht (104), einer zweiten dotierten Halbleiterschicht (105), und einer oberen leitenden Schicht (106), wobei die i-Schicht orthorhombische kristalline Körner enthält, und die Längsrichtungen der orthorhombischen kristallinen Körner bezüglich der Richtung einer Normalen zu dem Substrat geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit Ra in einer Länge von etwa mehreren 10 μm der oberen Oberfläche der unteren leitenden Schicht (102), die zwischen dem Substrat (101) und den Halbleiterschichten angeordnet ist, zwischen 0,1 μm und 1 μm jeweils inklusive liegt; und die Bereiche, in denen jeweils die Richtung (G) einer Normalen zu der oberen Oberfläche der unteren leitenden Schicht in einem Bereich mit Dimensionen von ungefähr mehreren 100 Å mit 1 Å = 10–10 m der oberen Oberfläche der unteren leitenden Schicht zwischen 15° und 45° jeweils inklusive bezüglich einer Normalen zu der Hauptebene des Substrates liegt, 80 oder mehr des gesamten oberen Oberflächenbereichs der unteren leitenden Schicht ausmachen.
  3. Fotoelektrisches Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Längen in Längsrichtung der orthorhombischen kristallinen Körner zwischen 100 Å und 0,3 μm jeweils inklusive liegen.
  4. Fotoelektrisches Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der i-Schicht zwischen 0,3 μm und 3 μm jeweils inklusive liegt.
  5. Fotoelektrisches Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei Bereiche aus einem auf amorphem Silizium basierten Halbleitermaterial mit einem Volumenprozentsatz von 50% oder weniger bezüglich der gesamten i-Schicht in der i-Schicht vorliegen.
  6. Fotoelektrisches Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, mit einer dritten dotierten Schicht (110), einer zweiten i-Schicht (111), und einer vierten dotierten Schicht (112) zwischen der zweiten dotierten Schicht und der oberen leitenden Schicht, wobei die zweite i-Schicht einen auf amorphem Silizium basierten Halbleiter aufweist, und wobei deren Dicke zwischen 0,1 μm und 0,4 mm jeweils inklusive liegt.
  7. Fotoelektrisches Wandlerelement nach Anspruch 6, wobei zumindest eine der dotierten Schichten ein auf mikrokristallinem Silizium basiertes Halbleitermaterial aufweist.
  8. Fotoelektrisches Wandlerelement nach Anspruch 6, wobei die erste dotierte Schicht und/oder die dritte dotierte Schicht aus einer Stapelstruktur ausgebildet ist, die eine Schicht aus einem auf mikrokristallinem Silizium basierten Halbleitermaterial und eine Schicht aus einem auf amorphem Silizium basierten Halbleitermaterial umfasst, und wobei die Schicht aus dem auf mikrokristallinem Silizium basierten Halbleitermaterial in Kontakt zu der jeweiligen i-Schicht steht.
  9. Fotoelektrisches Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat ein langes Substrat in Gürtelform ist.
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