JP2005101432A

JP2005101432A - 光起電力装置

Info

Publication number: JP2005101432A
Application number: JP2003335174A
Authority: JP
Inventors: Shin Matsumi; 伸松見
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】この発明は、微結晶或いは多結晶の薄膜半導体を用いた集積型光起電力装置のリーク電流を構造を複雑化することなく低減するとともに、出力特性を向上させることを課題とする。
【解決手段】この発明は、絶縁性あるいは表面を絶縁性にするための処理を施した基板１上に、裏面電極２、ｎ型微結晶シリコン半導体層３１、ｉ型微結晶シリコン半導体層３２ｐ型微結晶シリコン半導体層３３、表面電極４の順に形成された光起電力装置において、裏面電極２とｎ型微結晶シリコン半導体層３１間にはｐ型非晶質シリコン層５が形成される。裏面電極２とｎ型微結晶シリコン半導体層３１は、完全に接することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶系薄膜半導体を発電層およびドープ層に使用した光起電力装置に関する。

非晶質シリコンを光活性層に用いた光起電力装置が電力用をはじめとして色々な用途に使用されている。

この非晶質シリコン光起電力装置は、ガラス等の透光性絶縁性基板上に、透明電極、非晶質シリコン層、裏面電極の順に形成されるか、あるいは絶縁性または表面を絶縁性にするための処理を施した基板上に裏面電極、非晶質シリコン層、透明電極をこの順序で積層して形成される。前者は、透光性の基板側から光電変換素子へ光を入射し、後者は基板上に形成した光電変換素子側から光を入射することになる。

これら非晶質シリコン光起電力装置は、一枚の基板上に多数の光電変換素子がカスケード接続された集積型構造をとることにより、高電圧を取り出すことが可能になる。図２は、従来の集積型光起電力装置の分離及び接続部の拡大断面図であって、２つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を示している。ここでは一例として光電変換素子側から光を入射する逆タイプ構造を示しているが、透光性基板側から光を入射する順タイプ構造においても基本的に同様のプロセスで形成できる。以下、プロセスを順に説明する。

ポリイミドなどの絶縁性樹脂の表面に設けた基板１０１の一主面上に銀（Ａｇ）などの金属膜を主体とする裏面電極１０２を形成し、例えば、レーザビームの照射により裏面電極２を任意の段数に短冊状に分割する。

そして、この分割された裏面電極１０２上に内部にｎｉｐ接合を有する非晶質シリコン膜からなる半導体層１０３を堆積する。その後、裏面電極１０２の分割ラインに沿って、この分割ラインと重ならないようにして半導体層１０３を分割する。続いて、半導体層１０３上に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）や酸化錫（ＳｎＯ₂）などからなる透明電極１０４を形成して、透明電極１０２と裏面電極１０４とを接続する。その後、裏面電極１０２及び非晶質半導体層１０３の分割ラインに沿って、両分割ラインと重ならないようにして、透明電極１０４を除去し、隣接するセル間を分離する。ここで半導体層１０３、及び透明電極１０４の分離には、レーザビーム等による物理的な加工、エッチング等による化学的な加工、メカニカルスクライビング等の機械的な加工などが用いられる。

以上の方法で形成した非晶質シリコン光起電力装置は、シリコンウェハを用いた太陽電池と比べ、２００℃前後の低温で形成でき、また発電層の膜厚が２０００Å〜６０００Åと薄いため、製造に要するエネルギーやシリコン材料費を大きく低減できる反面、光劣化対策や変換効率の向上が大きく要求されている。

これに対して、近年非晶質シリコンにかわる新たな薄膜太陽電池材料として、結晶系シリコン薄膜が各方面で盛んに取り上げられている。ここで、結晶系シリコン薄膜とは、多数の結晶粒を含む薄膜である。結晶系シリコン薄膜の一例である微結晶シリコンを用いた微結晶シリコン光起電力装置は、以上述べた非晶質シリコン光起電力装置製造のプロセスをほとんどそのまま利用できると同時に、集積型構造によって高電圧を得ることも可能である。また非晶質シリコン光起電力装置に比べて光劣化が大きく低減できることから各方面で注目されている。

非晶質シリコン光起電力装置においては、図２に示す裏面電極分離部に光導電率で１×１０^-5〜１×１０^-4Ω^-1・ｃｍ^-1の非晶質シリコンが形成される。

ここで、非晶質シリコンの膜厚を３０００Å、裏面電極間の分離幅を１００μｍと仮定すると、裏面電極間に形成された非晶質シリコンの抵抗は分離長１ｃｍあたり３．３３ＭΩ〜３３．３ＭΩとなる。この値は、太陽電池セル自体の並列抵抗（シャント抵抗）と比べて数桁高い値となっているため、この分離部を流れるリーク電流はほとんど無視できる。

一方、微結晶シリコン光起電力装置において、上述した非晶質シリコン光起電力装置と同様のプロセスを用いると、裏面電極分離部に微結晶シリコンが形成されることになる。微結晶シリコンの導電率は、１×１０^-1〜１×１０^-0Ω^-1・ｃｍ^-1となり、更に非晶質シリコンと比べて吸収係数が小さく１００００Å以上の膜厚が必要となるため、裏面電極間の分離幅を同じく１００μｍと仮定すると、裏面電極間に形成された微結晶シリコンの抵抗は分離長１ｃｍあたり１００Ω〜１ＫΩとなる。この値は、太陽電池セル自体の並列抵抗と同等以下の値であるため、分離部における微結晶シリコンを流れる漏れ電流が生じ、光起電力装置の出力特性の低下を引き起こす。

光電変換層に微結晶あるいは多結晶シリコン膜を用いても、リーク電流による電力損失を低減して、発電電力を有効に出力できる集積型光起電力装置が特許文献１に開示されている。

この光起電力装置は、単位太陽電池が直列接続された集積型太陽電池において、上記単位太陽電池の第１電極は、第２電極との間に微結晶あるいは多結晶シリコン膜を挟持すると共に、隣接する上記単位太陽電池の第１電極と接続する領域近傍の第２電極との間に非晶質シリコン膜を挟持するように構成している。
特開２０００１−９４１３３号公報

微結晶薄膜半導体を発電層に用いた光起電力装置は、従来の非晶質薄膜半導体を用いた光起電力と比較して光劣化が格段に少ないという特徴があるが、その一方で半導体材料の導電率の高さからリーク電流が多くなり、高電圧出力を得るための集積型構造を実現することが難しかった。

また、上記した特許文献１の構成では、第１電極と接続する領域近傍の第２電極との間に単に非晶質シリコン膜を設けるだけでは、十分にリーク電流を阻止することはできないという難点がある。

尚、基板上の電極分離部での漏れ電流は、順タイプ構造における透明電極分離部においても同様に発生する。またこの影響は、民生用途で蛍光灯下で使用する場合や、屋外設置において曇天、夕刻、明方などの照射強度の低い場合に更に大きくなる。

そこで、この発明は、微結晶或いは多結晶の薄膜半導体を用いた集積型光起電力装置のリーク電流を構造を複雑化することなく低減するとともに、出力特性を向上させることを課題とする。

この発明は、絶縁性表面を有する基板上に、裏面電極、少なくとも第１の導電型結晶系薄膜半導体層、第２の導電型結晶系薄膜半導体層、表面電極とがこの順序で形成された光起電力装置において、前記裏面電極と第１の導電型結晶系薄膜半導体層間には前記第１導電型結晶系薄膜半導体層とは逆の導電型を示す非晶質薄膜半導体層が形成され、前記裏面電極と第１の導電型結晶系薄膜半導体層は、完全に接することがないことを特徴とする。

この発明によれば、裏面電極の分離部には、第１の導電型（ｐ）／第２の導電型（ｎ）接合による逆流防止部分が形成され、リーク電流の発生が防止できる。また、この非晶質シリコン膜自体は低導電率であり、非晶質シリコン膜を通じたリークはなく、出力特性を向上させることができる。

以下、この発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の光起電力装置の分離及び接続部の拡大断面図であって、２つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を示している。

基板１として厚み２００μｍ程度のステンレス板（ＳＵＳ）からなる基板上に概略２０μｍのポリイミド（ＰＩ）樹脂を蒸着重合して絶縁層を形成したものを用いている。基板１の絶縁性表面上に裏面電極２をスパッタ法などにより形成し、その後、裏面電極２を任意の段数に短冊状に分割される。そして、この裏面電極２上に、ｐ型非晶質シリコン膜５を形成するが、逆流防止部を形成するために必要な膜厚を実現する必要がある。

この実施形態では、裏面電極分離のためにレーザ加工を用いることにより、加工断面が微小に凹凸化され、この部分での成膜速度を向上させることができ、さらにＣＶＤ装置内において、放電方向に対して、基板１を斜めに固定することにより、逆流防止部分８により厚く成膜させる。また、裏面電極２としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ等の常温（３００Ｋ）の電気抵抗率が５０．０μΩ・ｃｍ以下の材料から選択される金属膜や、透明導電膜／金属膜または金属膜／透明導電膜または透明導電膜／金属膜／透明導電膜のような構造が用いられるが、ｐ型非晶質シリコン膜５との接続特性は金属膜／透明導電膜構造が良好であり、中でも金属膜／ＩＴＯが望ましい。本実施形態では、Ａｇ／ＩＴＯを用いた）。

次に、このｐ型シリコン膜５上に内部にｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ（５０ｎｍ）３１／真性（ｉ型）μｃ−Ｓｉ：Ｈ（２μｍ）３２／ｐ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ（１５ｎｍ）３３からなる光電変換層３をプラズマＣＶＤ法により積層形成する。前記したｐ型非晶質シリコン膜５及び光電変換層３は、以下の表１に示す条件により形成した。

その後、基板１の成膜面側から、裏面電極２の分割ラインに沿って、この分割ラインと重ならないようにしてレーザビームを照射し、ｐ型非晶質シリコン膜５と微結晶シリコン光電変換層３を同時に分割する。なお、このレーザバターニングによるｐ型シリコン膜５と微結晶シリコン光電変換層３の分離が十分でなくても、裏面電極２の一部が露出していれば、次の工程で形成される透明電極４との電気的接続が行えるので、問題にはならない。

続いて、微結晶シリコンからなる光電変換層３上に膜厚０．１〜０．５μｍ、この実施の形態では、約０．３μｍの膜厚のＩＴＯからなる透明電極４をスパッタ法などにより形成して、裏面電極２と透明電極４とを接続する。ここで、透明電極４の抵抗が高く、電流ロスが生じる場合は、透明電極４上にＡｇ、Ａｌ等の櫛型電極からなる集電極を形成しても良い。

その後、裏面電極２、及びｐ型非晶質シリコン膜５と微結晶シリコン光電変換層３の分割ラインに沿って、透明電極４、ｐ型非晶質シリコン膜５と微結晶シリコン光電変換層３を除去して分離部６を設け、隣接するセル間を分離する。透明電極４等の分離には、レーザビーム等による物理的な加工、エッチング等による化学的な加工、メカニカルスクライビング等の機械的な加工などが用いられるが、この実施の形態においては、ウェットエッチングによる加工を用いた。

表２は微結晶シリコン集積型光起電力装置において、従来の非晶質シリコン光起電力装置と同じ方法で（裏面電極と微結晶シリコン光電変換層の間にｐ型シリコン膜を挿入しないで）形成した場合と、本発明を用いた場合とで、出力特性の比較を行ったものである。尚、この表２において、従来の非晶質シリコン光起電力装置と同じ方法で形成した場合の出力特性の値は、本発明により形成した場合の出力特性の値で規格化している。

この表２より、本発明を用いることにより、出力特性が大きく改善されていることが分かるが、これは、図１に示すように、裏面電極分離部において、ｐ／ｎ接合による逆流防止部分８が形成されるため、裏面電極間において微結晶シリコン層を通じたリーク電流の発生を防止できたからである。

尚、上記実施形態においては、光電変換層３として、内部にｎｉｐ接合を有する微結晶シリコンを用いたが他の薄膜半導体を用いても良い。例えば、多結晶シリコン、ＣｄＳ、ＣｕＩｎＳｅ₂などの薄膜半導体を用いても良い。尚、多結晶シリコンの場合には、ｎｐ接合を有する光電変換層で構成できる。

本発明の第１の実施形態の光起電力装置の分離及び接続部の拡大断面図であって、２つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を示している。従来の集積型光起電力装置の分離及び接続部の拡大断面図であって、２つの光電変換素子を電気的に直列接続する隣接間隔部を示している。

符号の説明

１基板
２裏面電極
３光電変換層
３１ｎ型微結晶シリコン半導体層
３２ｉ型微結晶シリコン半導体層
３３ｐ型微結晶シリコン半導体層
４透明電極
５ｐ型非晶質シリコン膜

Claims

絶縁性表面を有する基板上に、裏面電極、少なくとも第１の導電型結晶系薄膜半導体層、第２の導電型結晶系薄膜半導体層、表面電極とがこの順序で形成された光起電力装置において、前記裏面電極と第１の導電型結晶系薄膜半導体層間には前記第１導電型結晶系薄膜半導体層とは逆の導電型を示す非晶質薄膜半導体層が形成され、前記裏面電極と第１の導電型結晶系薄膜半導体層は、完全に接することがないことを特徴とする光起電力装置。