JP2884171B2 - アモルファス太陽電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高効率アモルファス太陽電池の素子構造に
関する。

［従来の技術］ アモルファスシリコンとその合金が低コスト薄膜太陽
電池の構成材料として注目されている。しかし、これら
の材料を用いた太陽電池を屋外で長時間使用すると、光
電変換効率がしだいに低下することがStaebler-Wronski
効果として良く知られている。この光劣化を軽減するこ
とが大電力アモルファス太陽電池の実用化にとっても最
も重要な課題となっている。

さて、１つのｐ−ｉ−ｎ接合を有するシングル接合ア
モルファス太陽電池では、ｉ層を薄くすることが光劣化
の軽減にとって効果的であることが知られている。しか
しながら、光活性層であるｉ層を薄くすることは、この
ｉ層での光吸収量ひいては電池の発生電流を低下させ、
光電変換効率の低下を招くことになる。そこで、薄いｉ
層を含む複数のｐ−ｉ−ｎ接合を積層形成し、各接合間
をオーミック接続したいわゆるタンデム型太陽電池の採
用が考えられる。

第３図は、２つのｐ−ｉ−ｎ接合を有する従来の２段
タンデム型アモルファス太陽電池の断面模式図である。

まず、ガラス基板（２）上に透明電極層（４）が形成
される。この透明電極層（４）の上にｐ型アモルファス
半導体層（11）、ｉ型アモルファス半導体層（12）及び
ｎ型アモルファス半導体層（13）を順次成膜してｐ−ｉ
−ｎ接合（10）を形成する。更にこの上にｐ層（21）、
ｉ層（22）及びｎ層（23）を順次成膜して２段目のｐ−
ｉ−ｎ接合（20）を形成する。両ｐ−ｉ−ｎ接合（10,2
0）の部分は、例えばいずれもアモルファスシリコンで
構成される。２段目のｐ−ｉ−ｎ接合（20）の更に上に
裏面外部電極層（40）が形成される。この裏面外部電極
層（40）は、通例不透明体で構成される。

両ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20）には、ガラス基板（２）
及び透明電極層（４）を順次通して光線が入射する。入
射側接合（10）のｎ層（13）と裏面側接合（20）のｐ層
（21）との間はオーミック接触であって、両接合（10,2
0）が直列接続されている。したがって、透明電極層
（４）と裏面外部電極層（40）との間に両接合（10,2
0）の光起電力の和が開放電圧として現れる。

この２段タンデム型アモルファス太陽電池では、光電
変換効率の向上と光劣化の軽減との実現が可能である。
すなわち、この太陽電池では、各接合（10,20）のｉ層
（12,22）の膜厚の和を前記シングル接合太陽電池の場
合のｉ層最適膜厚である400〜700nmと同程度以上にして
光電変換効率の向上をはかることができる。この際、各
ｉ層（12,22）の膜厚をシングル接合の場合のｉ層より
小さくすることができ、光劣化の軽減が実現可能であ
る。なお、ｐ層（11,21）及びｎ層（13,23）の膜厚は、
シングル接合の場合と同程度の10〜50nm程度である。

第４図は、３つのｐ−ｉ−ｎ接合を有する従来の３段
タンデム型アモルファス太陽電池の断面模式図である。

この太陽電池では、２段目のｐ−ｉ−ｎ接合（20）の
上にｐ層（31）、ｉ層（32）及びｎ層（33）を順次成膜
して３段目のｐ−ｉ−ｎ接合（30）を形成した上で裏面
外部電極層（40）を形成している。したがって、３つの
ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20,30）が直列接続される。各接合
のｉ層（12,22,32）は、光入射側ほど薄くしている。こ
れらのｉ層（12,22,32）の膜厚は、２段タンデム型の場
合に比べていずれも小さくなっており、光劣化の軽減効
果が大きい。

［発明が解決しようとする課題］ 以上に説明した従来のタンデム型アモルファス太陽電
池では、膜厚方向に形成された複数のｐ−ｉ−ｎ接合が
直列接続されていたために次の問題があった。

すなわち、この太陽電池では、前記のように各接合の
ｉ層膜厚の和を前記シングル接合太陽電池の場合のｉ層
膜厚と同程度以上にして光電変換効率の向上をはかって
いる。しかも、電流同一の直列条件で各接合の最適動作
点を決定する必要があり、各最適動作点に応じて各接合
のｉ層膜厚が決定される。ただし、アモルファスシリコ
ンは太陽光波長における吸収係数が大きい。以上のこと
から、従来のタンデム型アモルファス太陽電池では入射
側ｉ層に比べて裏面側ｉ層の膜厚を大きくして各接合の
電流バランスをとる必要があり、裏面側ｉ層は、シング
ル接合の場合のｉ層より薄くすることができるものの、
かなり厚くなる。したがって、やはり膜厚の大きい裏面
側ｉ層での光劣化によって電池全体の光電変換効率がし
だいに低下する傾向がある。これを避けようとして接合
数を極端に増やせば、裏面側ｉ層の膜厚を小さくするこ
とができるものの、光活性層でないｐ層やｎ層の数が増
えてこれらの層の光吸収ロスが増加するから、かえって
光電変換効率が低下する。

また、時間や季節の違いに基づく太陽光のスペクトル
変化によって各接合の電流バランスが崩れる場合があっ
た。電流バランスが崩れていずれかの接合が最適動作点
からずれた状態では、電流が最も小さい接合で電池全体
の電流が制限され、場合によっては光電変換効率の大幅
な低下を招くことがあった。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであっ
て、従来のタンデム型太陽電池以上に光安定性の高い高
効率アモルファス太陽電池を提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、第１の透明電極層の上に第１のｐ−ｉ−ｎ
接合及び第２の透明電極層を順次設け、この第２の透明
電極層の上に第１のｐ−ｉ−ｎ接合と同方向の第３のｐ
−ｉ−ｎ接合及び第３の透明電極層を順次設け、この第
３の透明電極層の上に第１のｐ−ｉ−ｎ接合とは逆方向
のｐ−ｉ−ｎ接合を設けた上で外部電極層を設け、第２
の透明電極層と外部電極層との間を電気的に接続し、か
つ、第１の透明電極層をプラス電極となし、第３の透明
電極層をマイナス電極としたものである。

［作用］ 本発明のアモルファス太陽電池であると、第１及び第
２の透明電極層を通して光線が入射する。これらの接合
については、電圧同一の並列条件で最適動作点を決定す
る。各接合電圧は、各接合を構成するアモルファス材料
の電気的な性質に主に依存するのであって、直列の場合
の接合電流に比較して入射光量に対する依存性が小さ
い。このため、本発明の場合には電流バランスを考慮す
る必要が全くないばかりでなく、電圧マッチングを気遣
う必要もない。したがって、光活性層であるｉ層の膜厚
を比較的自由に選ぶことができる。

つまり、従来のタンデム型アモルファス太陽電池に比
べて裏面側ｉ層の膜厚をかなり薄くすることができる。
このようにしてｉ層を薄くして電界を高めれば、このｉ
層内の電子や正孔の密度を低減でき、これらの捕獲、再
結合速度の低減が実現できるから、電池の光劣化を良く
軽減することができる。しかも、時間あるいは季節の違
いによる太陽光のスペクトル変化に基づく各接合の電流
バランスの崩れを考慮する必要もない。

［実施例］ 本発明の一実施例の３段直並列アモルファス太陽電池
を説明する前に、従来技術の一つである２段並列アモル
ファス太陽電池を第１図に基づいて説明する。

第１図は、２段並列アモルファス太陽電池の断面模式
図である。

透明電極層（４）を形成したガラス基板（２）上にｐ
型アモルファス半導体層（11）、ｉ型アモルファス半導
体層（12）及びｎ型アモルファス半導体層（13）を順次
成膜してｐ−ｉ−ｎ接合（10）を形成する点は第３図の
２段タンデム型アモルファス太陽電池の場合と同様であ
るが、本実施例の場合は、この接合（10）の上に第２の
透明電極層（14）を形成した上で２段目のｐ−ｉ−ｎ接
合（20）を形成する。ただし、２段目の接合（20）は第
３図の場合とは違ってｎ層（23）、ｉ層（22）及びｐ層
（21）の順で成膜される。両ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20）
の部分が例えばいずれもアモルファスシリコンで構成さ
れ、２段目の接合（20）の更に上に裏面外部電極層（4
0）が形成される点は第３図の場合と同様である。裏面
外部電極層（40）は不透明体で構成することができる。
更に、第１の透明電極層（４）と裏面外部電極層（40）
との間を電気的に接続する。この接続は、例えば各層端
部を利用して比較的容易に行うことができる。いわゆる
スルーホールコンタクトを用いても良い。透明電極層
（4,14）はITO,SnO²等の金属酸化物で構成することがで
きる。ただし、第２の透明電極層（14）は、裏面側接合
（20）の形成の際にプラズマに暴露されることになるか
ら、耐プラズマ性に優れたものが好ましい。この透明電
極層（14）を複層膜にすることも可能である。

一方のｐ−ｉ−ｎ接合（10）には、ガラス基板（２）
及び透明電極層（４）を順次通して光線が入射する。他
方のｐ−ｉ−ｎ接合（20）には、入射側の接合（10）及
び第２の透明電極層（14）を順次通して光線が入射す
る。入射側接合（10）はｐ層（11）が第１の透明電極層
（４）に接し、裏面側接合（20）はｐ層（21）が裏面外
部電極層（40）に接する。しかも、第１の透明電極層
（４）と裏面外部電極層（40）との間が電気的に接続さ
れている。一方、第２の透明電極層（14）に接する接合
部分は、いずれもｎ層（13,23）である。したがって、
両ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20）は、第１及び第２の透明電
極層（4,14）の間で電気的に並列接続されており、これ
らの透明電極層（4,14）を通して両接合（10,20）の光
電流の和を取出すことができる。

両接合（10,20）の最適動作点は、電圧同一の並列条
件で決定される。これらの接合（10,20）の電圧は、構
成材料であるアモルファスシリコンの電気的な性質に主
に依存するのであって、直列の場合の接合電流に比較し
て入射光量に対する依存性が小さい。このため、電流バ
ランスを考慮する必要が全くないばかりでなく、電圧マ
ッチングを気遣う必要もない。したがって、光活性層で
あるｉ層（12,22）の膜厚を比較的自由に選ぶことがで
きる。例えば、従来のタンデム型の場合と違って両ｉ層
（12,22）を同じ膜厚にしても支障がなく、各ｉ層（12,
22）の膜厚を200nm程度にすることができる。つまり、
第３図に示す従来のタンデム型太陽電池に比べて特に裏
面側ｉ層（22）をかなり薄くすることができ、電池の光
劣化が大幅に軽減される。しかも、時間あるいは季節の
違いによる太陽光のスペクトル変化に基づく各接合（1
0,20）の電流バランスの崩れを考慮する必要もない。

ただし、裏面側接合（20）はｎ層（23）側から光が入
射する。一般に、シングル接合太陽電池の場合は光をｎ
層側から入射した場合の方が、ｐ層側から入射した場合
よりも光劣化の程度が大きいといわれている。しかしな
がら、本実施例に係る太陽電池の場合、裏面側接合（2
0）に到達する光は表面側接合（10）による光吸収のた
めに短波長成分をほとんど含まず、ｉ層（22）中で比較
的均一に吸収される。この結果、シングル接合太陽電池
の場合とは違って光の入射方向の影響は小さく、高い光
安定性を有する太陽電池が得られる。しかも、両接合
（10,20）の同一型部分どおしを透明電極層（14）で電
気的に内部接続することにより両接合の並列接続を実現
しているから、両接合（10,20）間を電気的に絶縁する
複雑な製造工程を必要としない。

第２図は、本発明の一の実施例に係る３段直並列アモ
ルファス太陽電池の断面模式図である。

この太陽電池では、ガラス基板（２）上に透明電極層
（４）及びｐ−ｉ−ｎ接合（10）を形成した上で、更に
第１図と同様の構造を有する２段並列アモルファス太陽
電池を形成している。１段目の接合（10）は、ｐ層（1
1）、ｉ層（12）及びｎ層（13）の順に成膜される。こ
の接合（10）の上に第２の透明電極層（14）を形成した
上で、２段目のｐ−ｉ−ｎ接合（20）を成膜する。この
接合（20）は、１段目の接合（10）と同様にｐ層（2
1）、ｉ層（22）及びｎ層（23）の順に成膜される。こ
の２段目の接合（20）の上に第３の透明電極層（24）を
形成した上で３段目のｐ−ｉ−ｎ接合（30）を形成す
る。ただし、３段目の接合（20）はｎ層（33）、ｉ層
（32）及びｐ層（31）の順で成膜される。３段目の接合
（30）の更に上には裏面外部電極層（40）が形成され
る。更に、第２の透明電極層（14）と裏面外部電極層
（40）との間を電気的に接続する。

２段目の接合（20）は第２の透明電極層（14）を通し
て１段目の接合（10）に対して電気的に直列接続されて
いる。２段目及び３段目の接合（20,30）は、第２及び
第３の透明電極層（14,24）の間で電気的に並列接続さ
れている。つまり、３つの接合（10,20,30）が第１及び
第３の透明電極層（4,24）の間で直並列接続されてい
る。３接合の各ｉ層（12,22,32）の膜厚は、第１図の２
段並列太陽電池の場合のｉ層に比べていずれも小さくな
っており、光劣化の軽減効果が大きい。なお、この場合
にも最裏面側接合（30）はｎ層（33）側から光が入射す
るが、シングル接合太陽電池の場合とは違って光の入射
方向の影響は小さく、高い光安定性を有する太陽電池が
得られる。

以上に説明した本発明の実施例に係るアモルファス太
陽電池ではガラス基板（４）を使用しているが、透明な
基板であればその材質は問わない。

各ｐ−ｉ−ｎ接合（10,20,30）を構成するアモルファ
ス半導体層材料は、アモルファスシリコンに限らず、Si
とＣ若しくはこれらの水素化物、ハロゲン化物及びこれ
らの材料とGe、Ｃ等との合金等を使用することができ
る。

また、以上のアモルファス太陽電池を膜面方向に複数
直列接続して集積型太陽電池を構成しても良い。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係るアモルファス太
陽電池は、電圧同一の並列条件で各接合の最適動作点が
決定され、各接合の電流バランスを考慮する必要がな
い。したがって、従来のタンデム型アモルファス太陽電
池に比べて裏面側ｉ層の膜厚をかなり薄くすることがで
き、電池の光劣化を良く軽減することができる。また、
時間あるいは季節の違いによる太陽光のスペクトル変化
に基づく各接合の電流バランスの崩れを考慮する必要も
ない。しかも、両接合の同一型部分どおしを透明電極層
で電気的に内部接続することにより両接合の並列接続を
実現しているから、両接合間を電気的に絶縁する複雑な
製造工程を必要としない。

したがって、本発明によれば、従来のタンデム型太陽
電池以上に光安定性が高く、しかも製造が容易な高効率
アモルファス太陽電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の従来の技術に係る２段並列アモルフ
ァス太陽電池の断面模式図、 第２図は、本発明の他の実施例に係る３段直並列アモル
ファス太陽電池の断面模式図、 第３図は、従来の２段タンデム型アモルファス太陽電池
の断面模式図、 第４図は、従来の３段タンデム型アモルファス太陽電池
の断面模式図である。 符号の説明 ２……ガラス基板、4,14,24……透明電極層、10,20,30
……ｐ−ｉ−ｎ接合、11,21,31……ｐ型アモルファス半
導体層、12,22,32……ｉ型アモルファス半導体層、13,2
3,33……ｎ型アモルファス半導体層、40……裏面外部電
極層。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−122283（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−293575（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−378（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−348（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 31/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の透明電極層の上に第１のｐ−ｉ−ｎ
   接合及び第２の透明電極層を順次設け、 この第２の透明電極層の上に第１のｐ−ｉ−ｎ接合と同
   方向の第３のｐ−ｉ−ｎ接合及び第３の透明電極層を順
   次設け、 この第３の透明電極層の上に第１のｐ−ｉ−ｎ接合とは
   逆方向のｐ−ｉ−ｎ接合を設けた上で外部電極層を設
   け、 第２の透明電極層と外部電極層との間を電気的に接続
   し、かつ、第１の透明電極層をプラス電極となし、第３
   の透明電極層をマイナス電極としたアモルファス太陽電
   池。