JP2975751B2

JP2975751B2 - 光起電力装置

Info

Publication number: JP2975751B2
Application number: JP3336887A
Authority: JP
Inventors: 繁能口; 景一佐野; 浩志岩多
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1999-11-10
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JPH05167093A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池等の光起電力
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ステンレスなどの基板を使用する
光起電力装置では、その基板が導電性を有するが故に素
子構造面で問題となる場合がある。

【０００３】図４は、従来の薄膜半導体を光電変換層と
する光起電力装置の素子構造図である。この光起電力装
置は、所謂集積型太陽電池と一般に称されているもの
で、その特徴とするところは、一基板上に多数の太陽電
池部(47)(47)…を平面的に形成しこれら太陽電池部(47)
(47)…を電気的に直列接続することに因り高い電圧を得
ることにある。

【０００４】図中の(41)はステンレスや金属基板などの
非透光性導電基板、(42)は非透光性導電基板(41)の表面
に形成された酸化シリコンや窒化シリコンからなる絶縁
膜、(43)(43)…はクロムやアルミニュームからなる第１
電極、(44)(44)…は非晶質シリコン等からなる光電変換
層、(45)(45)…は外部からの光入射を確保しつつ光生成
キャリアの取り出し用電極として機能する酸化錫や酸化
インジューム錫等からなる透明導電膜、(46)(46)…は透
明導電膜(45)(45)…にまで到達した光生成キャリアを効
率的に外部に取り出すため、補助的に用いる集電極で
銀、ニッケル、アルミニュームなどからなる。

【０００５】この光起電力装置は、非透光性導電基板(4
1)上に形成された、第１電極(43)と光電変換層(44)と透
明導電膜(45)とから成る太陽電池部(47)が、その表面に
沿って複数個設けられているとともに、各太陽電池部(4
7)(47)…は互いに直列接続となるように相隣接する太陽
電池部(47)(47)…と結合している。

【０００６】この様な光起電力装置では、太陽電池部(4
7)(47)…をまず電気的に絶縁化させて形成することが必
要であることから、第１電極(43)と非透光性導電基板(4
1)との間に絶縁膜(42)を介在させている。

【０００７】つまり、この絶縁膜(42)を介することなく
太陽電池部(47)(47)…を形成したならば、非透光性導電
基板(41)の導電性によって、太陽電池部(47)(47)…は電
気的に短絡した状態となってしまうからである。

【０００８】また、通常、光起電力装置では、入射光を
光電変換層(44)(44)…内の一度の通過で、全てを吸収す
ることができず、とりわけエネルギーの小さい長波長光
は吸収されにくく吸収するには長い距離に亘って光電変
換層内を走行させる必要がある。

【０００９】従って、この様な第１電極(43)(43)の側に
まで至った光をも積極的に利用することが変換効率を高
める上で重要となる。

【００１０】斯る素子構造に関しては、例えば特開昭５
８−１１５８７２号に詳細に記載されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、従来例光起
電力装置の如く非透光性導電基板(41)の表面に新たに形
成する絶縁膜(42)は、一般に電極とする金属膜(43)や光
電変換層(44)として使用する薄膜半導体等の形成とは異
なる方法で成膜するものであることから、光起電力装置
の製造工程を複雑化させるとともに、歩留まりの低下を
も引き起こす。

【００１２】更にまた、一度の光電変換層(44)(44)…内
の通過では吸収できなかった光を利用しようとしても、
従来例光起電力装置では、第１電極(43)(43)…が金属な
どから成るためその表面は通常平坦となり、光は散乱さ
れることなく単に反射されてしまう。このため未だ充分
な光の利用ができないでいた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明光起電力装置の特
徴とするところは、非透光性導電基板上に、絶縁性の金
属酸化膜と、該金属酸化膜と同じ金属を主成分とし且つ
導電性の金属酸化膜と、光電変換層と、透明電極とをこ
の順序で形成されるとともに、前記導電性の金属酸化膜
を電極としたことにあり、また、その絶縁性の金属酸化
膜と、その導電性の金属酸化膜が結晶粒を含有すること
にあり、更にはその金属酸化膜としては酸化錫、酸化亜
鉛、酸化インジューム、若しくは酸化インジューム錫か
らなり、、特にその絶縁性の金属酸化膜の絶縁耐圧が５
０ｋＶ／ｃｍ以上としたことにある。

【００１４】

【作用】本発明光起電力装置では、絶縁性の金属酸化膜
と光電変換層との間に、この絶縁性の金属酸化膜と同じ
金属を主成分とする導電性の金属酸化膜を介在させ、こ
れを電極とする。

【００１５】これは、絶縁性の金属酸化膜の主成分であ
る金属と酸素との混合比や、結合比、あるいは新たに添
加物を混入する等の制御を行うことにより、この絶縁性
の金属酸化膜を導電性の膜とすることができることか
ら、その導電性を備えた金属酸化膜を光起電力装置の電
極として利用し、結果として光起電力装置自体の製造の
簡略化ができる。

【００１６】更に、これら金属酸化膜は結晶粒を含有す
るものであることから、形成された膜の表面には凹凸形
状が備えられる。特に第１電極として機能する導電性の
金属酸化膜の下地が、結晶粒を含む絶縁性の金属酸化膜
であることから、この導電性の金属酸化膜の結晶粒は、
その下地に更に影響を受け大きな結晶粒となる。

【００１７】その結果、この導電性の金属酸化膜の表面
は、光の散乱に適した充分な凹凸形状を備えさせること
が可能となる。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明光起電力装置の第１の実施例
で、所謂集積型太陽電池の素子構造図である。図中の
(1)は、ステンレスやアルミニューム等の非透光性導電
性基板、(2)は酸化錫や酸化インジュウム、あるいは酸
化亜鉛や酸化インジュウム錫等からなる結晶粒を有する
絶縁性金属酸化膜（膜厚１．５μｍ程度、絶縁耐圧７０
ｋＶ／ｃｍ程度）、(3)は第１電極として機能し、絶縁
性金属酸化膜(2)と同じ金属を主成分とする結晶粒を有
する導電性金属酸化膜（膜厚６０００Å程度，シート抵
抗２００Ω／□程度）、(4)は光電変換層で、本例では
非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）を母材とするｐｉｎ接合で
構成している。(5)は光の入射側電極となる酸化インジ
ュームなどからなる透明導電膜、(6)はアルミニューム
膜等からなる集電極で、(7)は一組の第１電極(3)と光電
変換層(4)と透明導電膜(5)からなる太陽電池部である。
特に、本装置においては、太陽電池部(7)(7)…が基板
(1)の表面に沿って形成されており、これらは電気的に
直列となるように接続されている。

【００１９】具体的な形成手順としては、ステンレスの
非透光性導電基板(1)上に絶縁性の金属酸化膜(2)として
絶縁性の酸化錫を形成し、次に導電性の金属酸化膜(3)
として同じく導電性の酸化錫を形成する。そして、太陽
電池部(7)(7)…毎の電極に分離するために二酸化第二鉄
の溶液で、この導電性の金属酸化膜(3)のみをパターニ
ングする。そして、光電変換層(4)となる非晶質シリコ
ンを形成した後、この光電変換層(4)をやはり太陽電池
部(7)(7)…毎に分離するためにパターニングする。そし
て、次に光入射側の透明導電膜(5)を成膜した後パター
ニングし、最後に集電極(6)を形成した後パターニング
し素子を完成させる。

【００２０】特に実施例では、絶縁性の金属酸化膜(2)
と導電性の金属酸化膜(3)としては、いずれもスパッタ
法により形成できる酸化錫を用いた。このため、スパッ
タ用のターゲット（蒸着源）として、絶縁性金属酸化膜
(2)用のものと導電性金属酸化膜(3)用のものとをスパッ
タ蒸着装置内に夫々設置することによってその絶縁性の
金属酸化膜(2)と導電性金属酸化膜(3)とを順次形成でき
ることとなり、これら金属酸化膜(2)(3)の界面を空気に
さらすことなく連続して形成することができる。

【００２１】これら金属酸化膜(2)(3)の代表的な形成条
件を表１に示す。同表には透明導電膜(5)のスパッタ法
による形成条件も同時に示している。

【００２２】

【表１】

【００２３】本例では、導電性の金属酸化膜(3)の形成
としては、その金属酸化膜に導電性を持たせるために、
ターゲットとして１％のＳｂがドーピングされた酸化錫
（ＳｎＯ₂）を使用している。

【００２４】尚、絶縁性の金属酸化膜(2)と導電性の金
属酸化膜(3)以外は従来周知のものである。

【００２５】本発明光起電力装置では、結晶粒を比較的
容易に大きくし得る金属酸化膜を第１電極として使用し
ていることから、その結晶粒に基づく凹凸形状を金属酸
化膜の表面に設けることができる。特に、絶縁性金属酸
化膜(2)の結晶粒を核としてさらに導電性の金属酸化膜
(3)を成長させることとなることから、導電性金属酸化
膜(3)の結晶粒の更なる大型化が成し得る。

【００２６】このことは、従来の光起電力装置で単に電
極として導電性の金属酸化膜のみ、例えば酸化インジュ
ーム錫のみを使用した場合とでは、その膜厚が異なって
くる。即ち、導電性の金属酸化膜のみを使用した場合に
充分な凹凸形状を備えさせようとすると、いきおいその
導電性金属酸化膜の膜厚を大きくすることとなり、形成
面での不都合が生じる。

【００２７】しかしながら、本発明光起電力装置にあっ
ては、下地の影響を受ける成長機構を利用することから
膜厚を余り大きくすることなく、第１電極(3)表面に凹
凸形状のための結晶粒の大型化を図ることができる。因
みに、絶縁性金属酸化膜(2)の膜厚は、１μｍ程度あれ
ば充分である。

【００２８】又、光電変換層(4)として使用した非晶質
シリコンの代表的な形成条件を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】尚、金属酸化膜のパターニングとしては、
本例のようなウエットエッチングに限られず、プラズマ
やイオンを用いたドライプロセスによるパターニング方
法を使用してもよい。

【００３１】特に、金属酸化膜(2)(3)として用いる酸化
錫は、近赤外光に対する吸収係数について、導電性の酸
化錫(3)の方が、絶縁性のそれ(2)よりも１桁以上を大き
い特性を有することから、レーザ光の波長を選択するこ
とにより、導電性の酸化錫(3)のみを選択的にそのレー
ザ光でパターニングすることができる。従って、酸化錫
を金属酸化膜として使用する場合には、レーザパターニ
ング法を利用でき工程の簡略化が更に成し得る。

【００３２】表３は、本発明実施例光起電力装置の特性
表であり、同表には、従来の光起電力装置（集積型太陽
電池）も同時に示している。この従来の光起電力装置の
構造は、本発明光起電力装置の構造の内、絶縁性の金属
酸化膜(2)に替えて従来のシリコン酸化膜(ＳｉＯ₂）を
塗布したものであって、電極としては第１電極に銀を使
用したものである。

【００３３】

【表３】

【００３４】同表の例は、いずれも１０ｃｍ角の光起電
力装置で、光照射条件はＡＭ−１．５，１００ｍＷ／ｃ
ｍ²である。

【００３５】本発明光起電力装置は、従来例のものと比
較して短絡電流が１１８．８ｍＡから１２１．６ｍＡへ
と増加し、更には曲線因子をも向上したことにより全体
として変換効率の向上が達成できている。

【００３６】特に、短絡電流の向上は、結晶粒を有する
材料を第１電極(3)として用いたことで、その表面が光
の散乱に適した凹凸形状を備えさせることが出来ること
となり光の有効利用が成し得たためである。

【００３７】次に、本発明で使用する絶縁性の金属酸化
膜(2)に要求される絶縁耐圧について説明する。これ
は、本発明で使用する金属酸化膜は、通常導電性膜とし
て使用されるものであることから、本発明光起電力装置
で絶縁性の金属酸化膜(2)として利用する際の絶縁性が
問題となるためである。

【００３８】図２は、絶縁性の金属酸化膜（酸化錫）の
絶縁耐圧と光起電力装置の歩留まりとの関係を示す特性
図である。絶縁耐圧を変化させる方法としては、使用す
る金属と酸素の混合比を変化させることにより行い、評
価には所謂集積型太陽電池１００サンプルを使用した。
又この金属酸化膜の膜厚は、１．２μｍ一定としてい
る。

【００３９】本結果によれば、光起電力装置としての出
力特性に大きな変動はなかったが、絶縁耐圧５０ｋＶ／
ｃｍ未満の領域では、著しい歩留まりの低下が見られ、
絶縁耐圧としては５０ｋＶ／ｃｍ以上必要であることが
分かった。一方、導電性金属酸化膜(3)の導電性は、シ
ート抵抗にして５００Ω／□以下であれば実用上問題が
ない。

【００４０】図３は、本発明光起電力装置の第２の実施
例で、１つの太陽電池部のみからなる光起電力装置の素
子構造図である。同図中のうち図１と同じものについて
は同符号を付している。

【００４１】斯る構造に第１の実施例と同様の、絶縁性
の金属酸化膜(2)及び導電性の金属酸化膜(3)を使用する
ことで良好な凹凸形状を備えることができる。

【００４２】この実施例で使用した材料は、第１の実施
例で使用したものと同一の条件で形成している。

【００４３】次に、本発明光起電力装置の電気的特性を
説明する。表４は、この光起電力装置に光照射（ＡＭ−
１．５，１００ｍＷ／ｃｍ²）した場合の特性を示して
いる。尚、同表にも比較のために本発明光起電力装置の
構造の内、絶縁性の金属酸化膜(2)に替えて従来のシリ
コン酸化膜（ＳｉＯ₂）を塗布したものであって、電極
としては第１電極(3)に銀を使用したものを従来例とし
て示した。

【００４４】

【表４】

【００４５】本発明光起電力装置によれば、従来例のも
のと比較して短絡電流が１６．７８ｍＡ／ｃｍ²から１
７．０５ｍＡ／ｃｍ²へと増加し、さらには曲線因子を
も向上したことにより全体として変換効率の向上が達成
できている。

【００４６】実施例で使用した酸化錫のシート抵抗を制
御する方法としては、フッ素（Ｆ）等のハロゲン元素ま
たはＳｂ等を５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上添加すればよい。ま
た、この他に本発明の金属酸化膜として使用し得る酸化
亜鉛（ＺｎＯ）では、そのシート抵抗を制御する方法と
しては、アルミニューム(Ａｌ）等の第ＩＩＩ属の元素
を５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上添加すれば利用できる。

【００４７】更に、実施例では、金属酸化膜の形成方法
としては、絶縁性と導電性のそれぞれを同一の形成装置
で成膜したが、不純物の相互拡散を回避するために別個
の真空槽で形成してもよい。

【００４８】また、酸化錫の他の形成方法としては、Ｓ
ｎ（ＣＨ₃）₄，ＳｎＣｌ₄，Ｏ₂，ＣＦ₄，Ｆ₂などのガス
を組み合わせて熱ＣＶＤ法やＭＯＣＶＤ法などで形成し
てもよい。

【００４９】酸化亜鉛では、Ｚｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂，Ｏ₂，Ｈ
₂Ｏなどのガスを組み合わせて熱ＣＶＤ法やＭＯＣＶＤ
法などの形成法で形成してもよく、又電子ビーム蒸着法
によって形成してもよい。

【００５０】更に、本発明光起電力装置の特徴である導
電性金属酸化膜の形成方法としては、実施例のような成
膜による形成の他に、先だって形成される絶縁性の金属
酸化膜に、イオンインプランテーション法やプラズマド
ーピング法によって、その金属酸化膜の表面にのみ導電
性を帯びさせて使用しても本発明効果を同様に得ること
ができる。

【００５１】この他、酸化インジュームや酸化インジュ
ーム錫なども本発明の金属酸化膜として用いることがで
きる。

【００５２】また、本発明光起電力装置で使用する金属
酸化膜は、比較的透光性の高いものであることから、光
電変換層(5)内で吸収されなかった光が第１電極として
機能する導電性の金属酸化膜を更に通過して生じる光損
失を考慮し、絶縁性の金属酸化膜(2)と非透光性導電基
板(1)との間に高光反射金属膜、例えば銀の薄膜を介在
せしめることは特性向上に有効である。

【００５３】因みに、銀等の高光反射金属膜は、スパッ
タ法などでも形成できるものであることから絶縁性、導
電性の各金属酸化膜などと連続して形成することも可能
である。その具体的な形成条件としては、スパッタ用タ
ーゲットとして銀を用い、基板温度を４００℃、高周波
電力を５００Ｗとし、スパッタ時の真空度としては０．
００４Ｔｏｒｒ、スパッタ用ガスとしてはアルゴン（ガ
ス流量２０ｓｃｃｍ）を使用すればよい。その代表的な
膜厚としては、３０００Å程度で使用できる。

【００５４】

【発明の効果】本発明光起電力装置では、非透光性導電
基板の絶縁化のために使用する絶縁性金属酸化膜と同じ
金属を主成分とする、導電性金属酸化膜を電極として使
用するものであることから、これら金属酸化膜を連続し
て形成することができ、工程の簡略化と歩留まりの向上
が実現できる。

【００５５】又、結晶粒を含む絶縁性の金属酸化膜上に
導電性の金属酸化膜を形成することで、この導電性の金
属酸化膜は下地の影響を受け、大きな結晶粒が形成でき
る。このことは、この導電性の金属酸化膜を電極として
使用したならば光の効率的な散乱が可能となり、光起電
力装置としての変換効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光起電力装置の第１の実施例の素子構造
断面図である。

【図２】本発明で使用する絶縁性の金属酸化膜の絶縁耐
圧と、光起電力装置の歩留まりとの関係を示す特性図で
ある。

【図３】本発明光起電力装置の第２の実施例の素子構造
断面図である。

【図４】従来の光起電力装置の素子構造断面図である。

【符号の説明】

(1)…非透光性導電基板 (2)…絶縁性
の金属酸化膜 (3)…導電性の金属酸化膜 (4)…光電変
換層 (5)…透明導電膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−17287（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−55080（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−115872（ＪＰ，Ａ) 特開平３−62974（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−184574（ＪＰ，Ａ) 実開平３−97946（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非透光性導電基板上に、絶縁性の金属酸
化膜と、該金属酸化膜と同じ金属を主成分とし且つ導電
性の金属酸化膜と、光電変換層と、透明電極とをこの順
序で形成されるとともに、前記導電性の金属酸化膜を電
極としたことを特徴とする光起電力装置。
【請求項２】非透光性導電基板上に、結晶粒を含有す
る絶縁性の金属酸化膜と、該金属酸化膜と同じ金属を主
成分とし且つ結晶粒を含む導電性の金属酸化膜と、光電
変換層と、透明電極とをこの順序で形成されるととも
に、前記導電性の金属酸化膜を電極としたことを特徴と
する光起電力装置。
【請求項３】前記請求項１又は２に於て、前記金属酸
化膜として酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジューム、若し
くは酸化インジューム錫からなることを特徴とする光起
電力装置。
【請求項４】前記請求項１又は２に於て、前記絶縁性
の金属酸化膜の絶縁耐圧が５０ｋＶ／ｃｍ以上であるこ
とを特徴とする光起電力装置。