JP2994716B2 - Photovoltaic device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 本発明は、太陽電池、光センサなどの光起電力装置に
関する。The present invention relates to a photovoltaic device such as a solar cell and an optical sensor.
（ロ） 従来の技術 非晶質シリコンなどで代表される薄膜半導体を光電変
換層とする光起電力装置は、その薄膜材料という特徴を
活かして、広く普及するに至っている。(B) Conventional technology Photovoltaic devices using a thin film semiconductor typified by amorphous silicon or the like as a photoelectric conversion layer have been widely used by utilizing the characteristics of the thin film material.
従来、この非晶質シリコン光起電力装置の構造として
は、ガラス基板上に窓材料としての透明導電膜、光電変
換層としてのｐ層,i層及びｎ層から成る非晶質シリコン
層、及び背面電極を順次積層したものが広く利用されて
いる。この場合、前記ガラス基板を通して入射する光が
発電に寄与することになる。Conventionally, as a structure of this amorphous silicon photovoltaic device, a transparent conductive film as a window material on a glass substrate, a p-layer as a photoelectric conversion layer, an amorphous silicon layer composed of an i-layer and an n-layer, and A structure in which back electrodes are sequentially laminated is widely used. In this case, light incident through the glass substrate contributes to power generation.
然し乍ら、斯様な構造では、基板として非透光性の材
料は使用できず光起電力装置としての用途が限られてし
まう。更には、前記非晶質シリコン材料などの信頼性向
上のための、素子構造の改良やその製造条件の変更など
を行う場合、常に基板からの光入射を使用する構造とす
ることは、素子設計の自由度を減少させてしまうことに
なる。However, in such a structure, a non-translucent material cannot be used as the substrate, and the use as a photovoltaic device is limited. Further, when the device structure is improved or the manufacturing conditions are changed for improving the reliability of the amorphous silicon material or the like, it is necessary to always use light incident from the substrate. Will be reduced.
そこで、近年、前記構造に代わるものとして、膜形成
面側からの光入射で発電し得る構造を有した光起電力装
置について詳細な検討が成されている。Therefore, in recent years, as a substitute for the above-described structure, a detailed study has been made on a photovoltaic device having a structure capable of generating power by light incident from the film forming surface side.
（ハ） 発明が解決しようとする課題 膜形成面側からの光入射に対応した素子構造として
は、基板上に第１導電膜、光電変換層、及び透光性の第
２の導電膜を順次形成することが必要となるが、これの
みでは高効率の太陽電池を得ることは望めない。(C) Problems to be Solved by the Invention As an element structure corresponding to light incidence from the film forming surface side, a first conductive film, a photoelectric conversion layer, and a light-transmitting second conductive film are sequentially formed on a substrate. Although it is necessary to form such a solar cell, it is not possible to obtain a highly efficient solar cell with this method alone.
即ち、より大きな変換効率を得るためには幾つかの工
夫を行う必要がある。従来の、前述した基板側から光を
入射する構造の光起電力装置では、入射光に含まれる長
波長光を効率的に収集するため、前記透明導電膜の表面
を凹凸状態にすることによって、該透明導電膜と前記背
面電極との間で多数回の乱反射を発生させ、これらの間
に位置する前記光電変換層での長波長光の吸収効率を向
上せしめる工夫がなされている。That is, in order to obtain a higher conversion efficiency, it is necessary to take some measures. In a conventional photovoltaic device having a structure in which light is incident from the above-described substrate side, in order to efficiently collect long-wavelength light included in incident light, the surface of the transparent conductive film is made uneven so that A number of irregular reflections are generated between the transparent conductive film and the back electrode to improve the absorption efficiency of long-wavelength light in the photoelectric conversion layer located therebetween.
然し乍ら、斯る工夫を膜形成面からの入射よる光起電
力装置に応用しようとして、単に前記凹凸状態を具備し
た前記第２の導電膜を設けたとしても、製造面での問題
が発生する。即ち、透光性の前記第２の導電膜に前記凹
凸形状を備えるような形成条件で成膜すると、該形成条
件の過酷さのために該第２の導電膜よりも先立って成膜
されている前記光電変換層に損傷を与えてしまい、当該
光起電力装置の特性劣化を引き起こすこととなる。However, even if the above-described device is applied to a photovoltaic device based on the incidence from the film-forming surface and the second conductive film having the unevenness is simply provided, a problem occurs in manufacturing. That is, when the light-transmitting second conductive film is formed under the formation conditions having the irregularities, the film is formed before the second conductive film due to the severeness of the formation conditions. The photovoltaic device may be damaged, thereby causing deterioration of the characteristics of the photovoltaic device.
そこで、通常、膜形成面側からの光入射による光起電
力装置に於ては、膜を形成する基板自体の表面に前記凹
凸形状を設けることで、前記乱反射の機能を付加してい
る。Therefore, usually, in a photovoltaic device in which light is incident from the film forming surface side, the irregular reflection function is added by providing the irregularities on the surface of the substrate itself on which the film is formed.
ところが、前記基板自体に凹凸形状を形成するには、
幾つかの問題が生じる。例えば、ステンレスような金属
基板の表面に微細な凹凸をブラスト処理などで形成しよ
うとしても、その微細な凹凸には必ず所謂バリと称され
る金属の突起物が発生するため、良好な特性を有する光
起電力装置は得られなかった。更に、透光性という機能
を使用はしないもののガラスなどの絶縁基板を使用しよ
うとしても、前記凹凸を作製するには前記ガラス表面に
エッチングを施すことが必要となり微細化には限度があ
った。However, in order to form an uneven shape on the substrate itself,
Several problems arise. For example, even if an attempt is made to form fine irregularities on the surface of a metal substrate such as a stainless steel by blasting or the like, the fine irregularities always have metal protrusions called so-called burrs, and thus have good characteristics. No photovoltaic device was obtained. Further, even if an insulating substrate made of glass or the like is used without using the function of translucency, it is necessary to perform etching on the glass surface in order to form the irregularities, so that miniaturization is limited.
斯る内容については、特開昭59−14682号に詳しく記
載されている。Such contents are described in detail in JP-A-59-14682.
このような理由から本発明の目的とするところは、前
記基板材料自体の表面形状を加工することなく入射光を
有効に反射し得る光起電力装置を提供することにある。For these reasons, an object of the present invention is to provide a photovoltaic device that can effectively reflect incident light without processing the surface shape of the substrate material itself.
（ニ） 課題を解決するための手段 本発明の光起電力装置の特徴とするところは、基板上
に高反射導電層、光電変換層、透光性導電層をこの順序
で重畳形成された積層体からなる光起電力装置に於て、
前記基板と前記高反射導電層との間に乱反射層を介在さ
せるとともに、前記乱反射層が、前記高反射導電層側の
表面を凹凸形状とした導電膜と、前記表面と接着形成さ
れた界面安定化膜との積層構造を有することにある。(D) Means for Solving the Problems A feature of the photovoltaic device of the present invention is that a high-reflection conductive layer, a photoelectric conversion layer, and a light-transmitting conductive layer are laminated on a substrate in this order. In a photovoltaic device consisting of a body,
An irregularly reflective layer is interposed between the substrate and the highly reflective conductive layer, and the irregularly reflective layer is a conductive film having an uneven surface on the side of the highly reflective conductive layer; In that it has a laminated structure with a passivation film.
（ホ） 作用 本発明の光起電力装置では、前記基板と前記高反射導
電層との間に前記乱反射層を介在させることで、前記透
光性導電層から入射した光は、効率的に前記高反射導電
層の表面によって、乱反射されることになる。即ち、前
記高反射導電層の表面は、下地である前記導電膜の有す
る凹凸形状を反映し、それ自体凹凸形状を有することに
なるからである。(E) Function In the photovoltaic device of the present invention, by interposing the irregularly reflective layer between the substrate and the highly reflective conductive layer, the light incident from the light transmissive conductive layer can efficiently Irregular reflection is caused by the surface of the highly reflective conductive layer. That is, the surface of the highly reflective conductive layer reflects the unevenness of the conductive film serving as a base, and thus has the unevenness itself.
これにより、前記入射光の前記光電変換層内を走行す
る距離が実効的に長くなり、その入射光に含まれる長波
長光の前記光電変換層への光吸収量が増加し、光電変換
効率の向上が達成できる。This effectively increases the distance that the incident light travels in the photoelectric conversion layer, increases the amount of long-wavelength light included in the incident light to the photoelectric conversion layer, and increases the photoelectric conversion efficiency. Improvement can be achieved.
また、前記乱反射層として前記導電膜と接するように
前記界面安定化膜を被着することにより、前記導電膜と
前記高反射導電層との間の付着力を向上せしめることが
可能となる。Further, by applying the interface stabilizing film as the irregular reflection layer so as to be in contact with the conductive film, it is possible to improve the adhesive force between the conductive film and the highly reflective conductive layer.
（ヘ） 実施例 第１図は、本発明光起電力装置を説明するための素子
構造図である。(F) Example FIG. 1 is an element structure diagram for explaining the photovoltaic device of the present invention.
（１）は基板、（２）は基板（１）上に形成した本発
明の特徴である乱反射層、（３）は当該光起電力装置の
電極とするための高反射導電層、（４）はZnO膜,ITO（I
ndium Tin Oxide）膜などの透光性で且つ導電性を有す
る拡散防止層であり、（５）は非晶質シリコンから成る
光電変換層で、ｎ層,i層及びｐ層をこの順序で形成され
たものである、（６）は前記光起電力装置の電極となる
透光性導電層である。(1) is a substrate, (2) is an irregular reflection layer formed on the substrate (1), which is a feature of the present invention, (3) is a highly reflective conductive layer used as an electrode of the photovoltaic device, (4) Is ZnO film, ITO (I
A light-transmitting and conductive diffusion preventing layer such as an ndium tin oxide film. (5) is a photoelectric conversion layer made of amorphous silicon, in which an n-layer, an i-layer, and a p-layer are formed in this order. (6) is a light-transmitting conductive layer serving as an electrode of the photovoltaic device.
そこで、本発明が特徴とする乱反射層（２）は、導電
膜（2a）と界面安定化膜（2b）の積層構造からなり、前
者（2a）は、前記光電変換層側の表面を凹凸状の形状と
したSnO2膜又はITO膜などで、後者（2b）は、ZnO膜、チ
タン膜，モリブデン膜又はITO膜などである。Therefore, the irregular reflection layer (2) characterized by the present invention has a laminated structure of a conductive film (2a) and an interface stabilizing film (2b), and the former (2a) has an uneven surface on the photoelectric conversion layer side. in such a shape as the SnO 2 film or an ITO film, the latter (2b) is, ZnO film, a titanium film, and the like molybdenum film or ITO film.
前記光起電力装置のうち、乱反射層（２）以外の構成
は従来周知のものである。以下では、実施例に沿って、
前記乱反射層（２）について詳述する。The configuration of the photovoltaic device other than the irregular reflection layer (2) is conventionally known. In the following, along with the example,
The irregular reflection layer (2) will be described in detail.
当該光起電力装置の製作においては、まず、基板
（１）を熱CVD装置に配置し、基板温度として350〜550
℃の範囲に設定する。次に、窒素ガスによってバブリン
グされたSnCl4ガスと、酸素ガス、そしてCF3Brガスを第
１表に示す流量で混合し、それを基板（１）の表面に流
すことにより該表面に凹凸形状を有するSnO2膜を形成し
導電膜（2a）とする。In manufacturing the photovoltaic device, first, the substrate (1) is placed in a thermal CVD device, and the substrate temperature is set to 350 to 550.
Set in the range of ° C. Next, SnCl 4 gas bubbled with nitrogen gas, oxygen gas, and CF 3 Br gas are mixed at the flow rates shown in Table 1, and the mixture is allowed to flow over the surface of the substrate (1), thereby forming an uneven shape on the surface. A SnO 2 film having the above is formed to form a conductive film (2a).
次に、前記導電膜（2a）上に 界面安定化膜（2b）で
あるZnO膜をスパッタ法で形成する。特に、この界面安
定化膜（2b）を使用する理由としては、前記導電膜（2
a）と、後工程で形成される高反射導電層との間の付着
力を向上せしめるためである。 Next, a ZnO film serving as an interface stabilizing film (2b) is formed on the conductive film (2a) by a sputtering method. In particular, the reason for using the interface stabilizing film (2b) is as follows.
This is for improving the adhesive force between a) and the highly reflective conductive layer formed in a later step.
次の工程として、前記界面安定化膜（2b）上に当該光
起電力装置の電極となる高反射導電層（３）を形成す
る。実施例では、蒸着法によって形成された銀膜を使用
した。この高反射導電層（３）は、前記電極としての機
能の他に、本発明の目的である、膜形成面から入射した
光を光電変換層側に反射する機能を有している。即ち、
前記高反射導電層（３）は、前述した乱反射層（２）に
含まれる導電膜（2a）の前記凹凸形状を反映し、それ自
体その表面に凹凸が生じている。従って、前記入射光
は、高反射導電層（３）の表面で効率的に乱反射される
こととなる。As a next step, a highly reflective conductive layer (3) serving as an electrode of the photovoltaic device is formed on the interface stabilizing film (2b). In the example, a silver film formed by a vapor deposition method was used. The highly reflective conductive layer (3) has a function of reflecting light incident from the film formation surface to the photoelectric conversion layer side, which is an object of the present invention, in addition to the function as the electrode. That is,
The high-reflection conductive layer (3) reflects the above-mentioned uneven shape of the conductive film (2a) included in the irregularly-reflective layer (2), and has unevenness on its surface itself. Therefore, the incident light is efficiently irregularly reflected on the surface of the highly reflective conductive layer (3).
つまり、本発明によれば、前述したようなブラスト処
理や、エッチング処理によって基板表面自体に凹凸形状
を形成するものではないため、前記SnO2膜の形成条件を
凹凸形状となるような条件に設定することで、再現性を
よく形成することができる。さらに、本発明によれば、
導電膜（2a）上に界面安定化膜（2b）を積層しているこ
とから、導電膜（2a）の凹凸形状の一部で発生する鋭い
突起部分が前記界面安定化膜（2b）によって緩和され、
乱反射層（２）上に形成される光電変換層が極めて薄い
膜であるにも係わらず安定して形成できる。In other words, according to the present invention, since the unevenness is not formed on the substrate surface itself by the blast processing or the etching processing as described above, the conditions for forming the SnO 2 film are set to the conditions for forming the unevenness. By doing so, reproducibility can be formed well. Furthermore, according to the present invention,
Since the interface stabilizing film (2b) is laminated on the conductive film (2a), sharp protrusions generated in a part of the uneven shape of the conductive film (2a) are alleviated by the interface stabilizing film (2b). And
Although the photoelectric conversion layer formed on the irregular reflection layer (2) is an extremely thin film, it can be formed stably.
次に、高反射導電層（３）上に拡散防止層（４）、光
電変換層（５）及び透光性導電層（６）を周知の方法で
形成する。前記拡散防止層（４）としてZnO膜を高反射
導電層（３）と光電変換層（５）との間に配置した理由
は、前記高反射導電層（３）から光電変換層（５）への
不純物の拡散を防止することと、該高反射導電層（３）
の表面における光の反射効率を向上させるためである。
さらに実施例に於て拡散防止層（４）として特に前記Zn
O膜を使用したのは、その他のITO膜よりも、可視光及び
近赤外光などの光透過性が優れ、さらには導電性や耐プ
ラズマ性が著しく優れているためである。この長所は、
後工程で形成される光電変換層である非晶質シリコンの
形成条件の選択の幅を広くすることが可能となり有効で
ある。Next, a diffusion preventing layer (4), a photoelectric conversion layer (5), and a translucent conductive layer (6) are formed on the highly reflective conductive layer (3) by a known method. The reason why a ZnO film was disposed between the high-reflection conductive layer (3) and the photoelectric conversion layer (5) as the diffusion preventing layer (4) was that the ZnO film was transferred from the high-reflection conductive layer (3) to the photoelectric conversion layer (5). Preventing the diffusion of impurities of the high reflection conductive layer (3)
This is for improving the light reflection efficiency on the surface of the substrate.
Further, in the embodiment, the above-mentioned Zn is preferably used as the diffusion prevention layer (4).
The O film was used because it has better light transmittance of visible light and near-infrared light than the other ITO films, and furthermore has extremely excellent conductivity and plasma resistance. This advantage is
This is effective because it allows a wider range of selection conditions for forming amorphous silicon, which is a photoelectric conversion layer formed in a later step.
第２図は本発明光起電力装置の各波長に於る収集効率
分布特性図である。横軸は、光起電力装置に照射された
光の波長分布であり、縦軸は各波長に於る収集の程度を
示している。従って、その収集効率が１に近いほどその
波長光に対する吸収が効率よく行われていることを示す
ことになる。FIG. 2 is a collection efficiency distribution characteristic diagram at each wavelength of the photovoltaic device of the present invention. The horizontal axis indicates the wavelength distribution of light applied to the photovoltaic device, and the vertical axis indicates the degree of collection at each wavelength. Therefore, the closer the collection efficiency is to 1, the more efficient the absorption of the wavelength light is.
同図には、本発明のものの他に、従来の方法により前
記乱反射を起こす構造を具備した光起電力装置も比較の
ために同時に示している。FIG. 2 also shows, for comparison, a photovoltaic device having a structure that causes the irregular reflection by a conventional method, in addition to that of the present invention.
その素子構造としては、本発明に基づく光起電力装置
は同図中のａ及びｂの２種類であり、ｃは従来のもので
ある。本発明光起電力装置ａは前述した実施例光起電力
装置であり、本発明光起電力装置ｂは前記光起電力装置
ａの内、高反射導電層（３）と光電変換層（５）の間に
配置していた拡散防止層（４）のZnO膜をITO膜に代替し
たことのみが異なり、従来の光起電力装置ｃは前記本発
明光起電力装置ａの内、前記乱反射層を使用せず、且つ
基板の表面をブラスト処理を施すことにより凹凸を設け
たステンレス基板を使用した光起電力装置である。さら
に、それぞれの光電変換層の形成条件の相違としては、
前記光起電力装置ａは前記非晶質シリコンのｎ層及びｉ
層の形成温度を270℃とし、前記光起電力装置ｂおよび
前記光起電力装置ｃでは、そのｎ層及びｉ層の形成温度
を220℃としたことである。As the element structure, there are two types of photovoltaic devices according to the present invention, a and b in the figure, and c is a conventional one. The photovoltaic device a of the present invention is the photovoltaic device of the above-described embodiment, and the photovoltaic device b of the present invention is a photovoltaic device a of which the highly reflective conductive layer (3) and the photoelectric conversion layer (5) The only difference is that the ZnO film of the diffusion prevention layer (4) disposed between them is replaced with an ITO film, and the conventional photovoltaic device c differs from the photovoltaic device a of the present invention in that This is a photovoltaic device using a stainless steel substrate which is not used and is provided with irregularities by subjecting the surface of the substrate to blasting. Furthermore, the difference in the formation conditions of each photoelectric conversion layer is as follows:
The photovoltaic device a comprises an n-layer of amorphous silicon and i
The formation temperature of the layer is 270 ° C., and in the photovoltaic devices b and c, the formation temperature of the n-layer and the i-layer is 220 ° C.
同図で示されるように、従来の光起電力装置ｃの場
合、光電変換層内での入射光の乱反射が有効に生じてお
らず長波長光の収集効率が低下している。一方、本発明
の光起電力装置ａ及びｂでは長波長光に対しても十分な
収集が行えており、前記乱反射層の効果が顕著に出てい
る。As shown in the figure, in the case of the conventional photovoltaic device c, diffused reflection of incident light in the photoelectric conversion layer does not effectively occur, and the collection efficiency of long-wavelength light is reduced. On the other hand, the photovoltaic devices a and b of the present invention can sufficiently collect even long-wavelength light, and the effect of the irregular reflection layer is remarkable.
第２表は、これら光起電力装置の電気的特性を夫々示
したものである。同表から本発明の光起電力装置ａ及び
ｂは、従来の光起電力装置ｃと比較して変換効率におい
て優れた特性を示すことが判る。Table 2 shows the electrical characteristics of these photovoltaic devices. From the table, it can be seen that the photovoltaic devices a and b of the present invention show superior characteristics in conversion efficiency as compared with the conventional photovoltaic device c.
尚、同表では前記光起電力装置ａの開放電圧値及び曲
率因子の値が前記光起電力装置ｂよりも劣っていること
を示している。これは、前記光起電力装置ａにおいて、
前記非晶質シリコンの信頼性を向上させるため、その形
成温度を高くしたことに起因する。 The table shows that the open-circuit voltage value and the value of the curvature factor of the photovoltaic device a are inferior to those of the photovoltaic device b. This means that in the photovoltaic device a,
This is because the formation temperature of the amorphous silicon is increased in order to improve the reliability.
この様に信頼性を確保した光起電力装置を形成するに
は、高反射導電層（３）と光電変換層（５）との間に配
置される拡散防止層（４）として、本実施例の如くZnO
膜を採用することが好ましい。例えば、前記間にITO膜
を使用した前記光起電力装置ｂの構造で、前記非晶質シ
リコンの形成温度を220℃から270℃に高くしたならば、
その特性は著しく低下することが確認されている。In order to form a photovoltaic device having high reliability as described above, in this embodiment, a diffusion preventing layer (4) disposed between the highly reflective conductive layer (3) and the photoelectric conversion layer (5) is used. Like ZnO
Preferably, a membrane is employed. For example, in the structure of the photovoltaic device b using the ITO film during the above, if the formation temperature of the amorphous silicon is increased from 220 ° C. to 270 ° C.,
It has been confirmed that the properties are significantly reduced.
（ト） 発明の効果 本発明の光起電力装置によれば、乱反射用の凹凸形状
を導電膜により再現性よく形成できるため、特性の向上
が可能であり、且つ光電変換層の形成条件の設定範囲を
広くすることができる。(G) Effects of the Invention According to the photovoltaic device of the present invention, irregularities for irregular reflection can be formed with good reproducibility by using a conductive film, so that the characteristics can be improved and the conditions for forming the photoelectric conversion layer can be set. The range can be widened.
第１図は本発明光起電力装置の素子構造断面、第２図
は、前記光起電力装置の収集効率特性図である。FIG. 1 is a sectional view of the element structure of the photovoltaic device of the present invention, and FIG. 2 is a collection efficiency characteristic diagram of the photovoltaic device.
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−159383（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−69567（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−137675（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−252976（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078 Continuation of the front page (56) References JP-A-58-159383 (JP, A) JP-A-62-69567 (JP, A) JP-A-1-137675 (JP, A) JP-A-62-252976 (JP) , A) (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 31/04-31/078
Claims (1)
性導電層をこの順序で重畳形成された積層体からなる光
起電力装置に於て、前記基板と前記高反射導電層との間
に乱反射層を介在させるとともに、前記乱反射層が、前
記高反射導電層側の表面を凹凸形状とした導電膜と、前
記表面と接着形成された界面安定化膜との積層構造を有
することを特徴とする光起電力装置。1. A photovoltaic device comprising a laminate in which a highly reflective conductive layer, a photoelectric conversion layer, and a translucent conductive layer are formed in this order on a substrate. And the irregular reflection layer has a laminated structure of a conductive film having an uneven surface on the side of the highly reflective conductive layer and an interface stabilizing film adhered to the surface. A photovoltaic device characterized by the above-mentioned.
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| JPH04133362A (en) | 1992-05-07 |
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