JPS6050977A - 非晶質シリコン薄膜太陽電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は可撓性基板上に光起電力発生要素として非晶質
シリコン薄膜を設けた太陽電池に関するものであり、さ
らに詳しくは可撓性基板として炭素ｒ＠雑の布状物を使
用した非晶質シリコンＦ［太陽電池に関するものである
。

［従来技術］ 非晶質シリコン薄膜をガラス板などの非可撓性基板に設
けたもの、また可撓性基板としてポリイミド等の樹脂薄
膜を使用する太陽電池が知られている。

非晶質シリコン太陽電池を製造するに際して可撓性フィ
ルム基板を用いる特徴は、基板上に必要な非晶質シリコ
ン層を連続的に設けることができ、製造コストおよび製
造の容易性の面で非可撓性基板に比し極めて優位に立て
る点にある。さらに可撓性基板上に形成させた非晶質シ
リコン太陽電池は従来の非可撓性基板上に形成させた太
Ｆｉｉ！池と違いフィルム状であるので、製品形状にあ
るＰｉ！度任意性を持たせることができ、その応用が広
がることが期待されるものである。

しかるにかかる非晶質シリコンを可撓性基板上に形成さ
せる場合、非晶質シリコン薄膜形成温度として少なくと
も２５０’Ｃ〜３５０℃の高温が必要となり、高分子フ
ィルムを用いる場合には、耐熱性の優れたポリイミドフ
ィルムしか適用できない。しかし、ポリイミドフィルム
は、このような高温時における初期ヤング率があまり大
きくなく非晶質シリコン製膜時の熱応力に耐えるに十分
な膜の強さをもっていないという問題点がある。すなわ
ち、十分な膜の強さをもっていない基板の場合には、非
晶質シリコン薄膜を基板上に設ける際、非晶式シリコン
薄膜と基板、両方の熱膨張係数の差異に基づく熱応力が
基板の機械的強度を越え基板がカールしてしまうことに
なる不都合りり象生する。

このカールの程度が大きくなると太陽電池としての効率
が大幅に低下してしまうという重大な欠陥を招来させる
ことが確認されている。さらに従来のポリイミドフィル
ムは、表面が平滑すぎるため一旦表面で反射した光は再
び利用されることなく太Ｆｌ電池外へ放出され高い光電
変換効率を得ることが難しい状部にあったし、可撓性基
板とはいえまだまだ満足なフレキシビリティを具備する
ものではなかった。

したがって、可撓性基板を用いて非晶質シリコン太陽電
池を実現するには少なくとも２５０’Ｃ以上の耐熱性に
加え、かがる高温時において製膜時の熱応力に耐えるこ
とのできる股の強さおよび入射光の表面における多重反
射を可能にし、それによって光吸収率を向上せしめる適
宜な表面粗さをもった、しかもフレキシビリティに富む
基板を供しなければならない。

［発明の概要］ 本発明の目的の７つ１よ、２５０℃〜３５０℃といった
高温下における製膜時にカール発生のない可撓性基板を
提供Ｊることにある。

他の目的として光電変換効率に大きな影響を及ぼす適宜
な粗面を有するフレキシビリティに冨める可撓性基板を
提供することにｄうる。基板の表面粗さと太陽電池の変
換効率の関３１性について、変換効率を向上せしめるに
は、人口電池表面の太陽光の反射防止をすること、すな
わら太陽光の反射率を小さく４ることが重要である。

しかし、あまりに表面を粗面化することにより非晶質シ
リコンｔＶ膜中の細孔の生成および起電力要素の短絡を
多数誘起させることで、太１ｌＪｌＮ池としての特性そ
のものが悪くなってしまえば、大川電池本来の目的から
逸脱してしまうので好ましくない。したがって反射の防
止と電池特性維持等の兼ね合いから基板につい′Ｔ、適
宜な表面粗さを必要とするのである。

本発明者等は、非晶質シリコン薄膜を光起電力要素とす
る薄膜太陽電池において非晶式シリコン薄膜を基板上に
形成させる際に熱応力に十分耐えることができる、つま
りカール発生のない、かつ適宜な表面粗さを有する基板
を選択して電池特性を向上せしめるべく鋭意努力した結
果、炭素ｍ帷の布状物を太陽電池用基板として使用する
ことで本発明の目的を有利に達成することを得、本発明
に到達した。

前述したごとく本発明は可撓性基板上に光起電力要素と
して非晶質シリコン薄膜を設（）た太陽電池において、
優れたフレキシビリティを有する、適度の粗面を有する
可撓性炭素ＩＩ帷布状物を基板として用いることを特徴
とするものである。

［発明の実施例］ 本発明に係る非晶質シリコン薄膜を有づる太陽電池とは
、シリコン系の非晶質薄膜を用いてショットキー型、ｐ
ｉｈ型、またはタンデム型の素子構造を形成した太陽電
池である。なお、シリコン系の非晶質ＷＩＩＩＪとして
は、Ｓｉ　、Ｓｔ　−Ｇｅ　１３ｉＣ１Ｓｊ　Ｎ等の単
体または化合物からなる水素化アモルファス膜を、また
はフッ素化アモルフン・ス膜が含まれる。

また本発明において使用する炭素繊維布状物とし、では
、布帛形状に成形加工できるものであれ１．ｆ炭素繊維
の梗類において特に制服を設けるものではない。たとえ
ばピッチ繊維もしくはアクリル繊維をブレカーザーとし
てこれを焼成して乍製した炭素ｔａ紺またはこの炭素１
１ｉ帷をさらに高部焼成し黒鉛化した炭素Ｉ！帷等が使
用できる。本発明に用いるｒ′Ａ素繊帷布状物どは、織
布、ニラＩ−、不織布を含むものであり目イ１としては
１０〜２０００＋１〆／１１２の範囲のものから選択使
用できる。布状物としての椙成、組織、外観を左右する
因子としては糸の選択および織布、ニラ１〜方式の選択
があるが目的と覆る布帛Ｗｇ造から糸の太き、０７面形
状、モノあるいはマルチフィラメントの選択を行ない、
適宜な布状物形式手段を採用して非晶質太陽電池として
の基板Ｃ二形成する＃２素扱韓布状物の好適例としてア
クリル繊維プレカーサーを焼成して作製した炭素繊維布
状物について説明する。該炭素繊維は通常の有礪槻維（
たとえばポリエステル、アクリルｍｉ等）より布状物を
作製する手段を採用して不織布、１１１１ｍ布等の布状
物に成形加工できる。

このように成形加工したものはその表面が入射光の多重
反射を可能にし、それによって光吸収率を高め得る適当
な粗面構造を呈してなるものである。

上述のごとく作成した基板の強度、剛性、耐熱性に関し
て、特に剛性、耐熱性については炭素繊維であるが１か
えに従来のポリ−イミドフィルムに比し、極めて優れた
特性を示す。耐熱性は４００℃程度に加熱しても全く問
題なく、良質の非晶質シリコンＲＮ’Ａを作製するには
極めて有利といえる。

強度、削性についても耐熱性と同様、炭素繊維であるた
め、布状物に成形したものについては腰があり、非晶質
シリコン製膜時の熱応力に十分耐え得るものである。

可撓性炭素概轄布状勘を用いて太陽電池を作製するには
該布状物（基板）上に直接非晶１ｉ［膜を形成させれば
よい。本発明の場合は基板そのものが良好な導電性を有
するため裏面電極の作製の必要がない。非晶質シリコン
薄膜を形成させるにはグロー放電法、スパッタリンク法
、イオンフレーティング法等公知の手段が採用できる。

たとえばグロー放電法の場合は０．１〜１０Ｔｏｒｒに
維持された真空層内でロールアップされた可撓性基板か
ら該基板を引き出し２００〜３５０℃に加熱した基板ホ
ルダに密着させる。

この基板ホルダを一方の電極とし、これと対向するＮ極
との間にたとえば１３．５６ＭＨ７の高周波電力を供給
する。真空層内にはシランガス（ＳｉＨ４）、ジボラン
ガス（Ｂ２Ｈ６＞、ホスフィンガス（Ｐ）−１３）、水
素ガス（Ｈ２）を導入してグロー放電を起こし、所定の
薄膜になるまで原料ガスを供給し、光起電力の要素であ
る非晶質シリコン薄膜を形成させる。さらに詳しくはｉ
型シリコン薄膜を作製ブるにはシランガス（Ｓｉ　Ｈ４
）と水素ガス（１−（ｔ）を供給して製膜を行ない、ま
たｐ型シリコン薄膜を作製するにはシランカス（Ｓｔ　
Ｈ＜　）、水素ガス（１−１２＞、ジボランガス（Ｂｌ
（＋ｉ）を供給して製膜を行なう。ｎ型シリコンｌＷ膜
の場合はシランガス（ＳｉＨ４）、水素カスくト（２）
、ボスフィンガス（ＲＨ，）を供給しで製膜する。

次いでｐ、ｉ、ｎ層を積層させた可撓性基板を真空層内
に装着し、たとえばショットキー接合セルの場合はショ
ット・キーｌ？ｉｐ金属として白金、金、パラジウム等
をスパッタ法、真空蒸着法、イＡンプ１ノー子−ｒング
法等で１００人程度のＭ膜で［悄させる。またへテロフ
ェイス接合セルの場合は酸化インジウム、酸化錫、酸化
錫−酸化１′ンジウム１原を２００〜５０００Ａ程度の
簿暎になるようにスパッタ法、真空蒸菅法、イオンブレ
ーティング法等で堆積させ、表面電極を形成させる。次
いで収集Ｎ極をショットキーｌｌ！壁金属、ヘテロフェ
イスＮ極表面上に設けＣ非晶質シリコン大円電池デバイ
スとづる。このように本発明に係る非晶質シリコンＶｆ
！膜六ｍ電池は、可撓性炭素ｌｉｉ帷布拭布状物基板上
層の非晶質シリコン膜を設け、その上にショットキー障
壁金属またはヘテロフエイス電極を設け、さらにその、
Ｅに収集Ｎ極を設（プた基本構造をちっているつ 以下実施例を挙げ、本発明を現用するが本発明はかかる
実施例によって何ら限定されるものではない。

実施間１ アクリル繊維を焼成炭化して作製した炭素憔帷を不慣布
状に成形し、厚さ３ｍｍ、目付４００ｇ、／１２の可撓
性を有するステンレスｍ維手織布を１９たつ この不懺布を１０−２Ｔｏｒｒの真空下で１５０℃、２
時間の乾燥を行なった。非晶質シリコン薄嗅は容ｇ１結
合方式の高周波（１３，５６Ｍ１−１ｚ　＞グロー放電
装置を用いて、該基板をグロー放電装置のアノード側の
電極りに緊張下で装着し１３　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒに
排気しながら３００℃に該基板を加熱する。その侵窒素
ガス（Ｎ２〉を５００　ｃｃ／ｍｉｎ　１９人し、１．
ＱＴｏｒｒの窒素ガス（Ｎ２）雰囲気で２００Ｗの高周
波電力を印加し！！坂のイオンボンバードを２０分行な
い、基板をクリーニングする、次に水素ガス（Ｈ２）で
希釈した１０％のシランカス（Ｓｉ２０．）と水素ガス
（（」２ンで０．１％に希釈したホスフィンガス（ＰＨ
３）をグロー放電装置内に導入し、０．６Ｔｏｒｒのガ
ス雰囲気で１００Ｗの高周波電力を印加し２００Ａの＋
１型の非晶質シリコン薄膜を設ける。次いで水素ガス（
Ｈ２）とシランガス（Ｓｌｌｉ、）で前記と同様にして
ｎ型の１膜層上に１型の非晶質薄膜を３０００　Ａの厚
みで形成させる。次いで水素ガス（１１、）で１０％の
シランガス（ＳｆＨ＝）と水素ガス（Ｈ２）で０．１％
に希釈したジボランガス（８２Ｈ６）をグロー放電装置
内に導入し、１型の薄！ｌ！ＦＪ上にｐ型の非晶？！薄
膜を３００Ａの厚みで形成させる。このようにして得ら
れたｐｉｎ型薄膜をスパッタ装量に装着し酸化錫−酸化
インジウム薄膜を１０００Ａ堆積させ、ヘテロフェイス
層とした。最後にこのヘテロフェイス層上に収集電極ど
してパラジウムを１０００Ａ＜Ｉ型に堆積させ、可撓性
炭素線維不織布基板上にＰ１ｎヘテロフェイス型太陽電
池デバイスを得た。

実施例２ 実施例１ど同様の炭＊　ｍ　Ｉｆｆを平織り織布に成形
し、目付２００！］／′ｌ１１２の可撓性を有する炭素
繊＃＃織布を得た。ｐｉｎへテロフェイス型太陽電池デ
バイスは実施例′１と同様な条件で作製した。

上述のごとく得られた２種の太陽電池デバイスの初期特
性をＡ〜１＝１に調整したオリエル社製ソーラシュミレ
ータで測定した。その結果を第１表に示寸。

なお、比較例どしてポリイミドフィルムを選び、このフ
ィルム上に実施例１と同様の方法ｐｉｎ型の太１［池デ
バイスを形成させたものを採用した。

王の結果も第１表に併記する。初期特性測定に際しては
、太１ｌｊｌ電池デバイス形成工程を通して一度もりン
ブルの緊張状態を解かずに行なった。

（以下余白） ［発明の効果１ 本発明の非晶質シリコン大ＶＡ電池は、可撓性基板とし
て炭素ａｔ紺の布状物を用いることに大きな特徴を有す
るものであるが、この可撓性基板が炭素ＰＡＩＩｇ１よ
り構成されるものであることに起因するメリットは次の
点にある。

■　強度、剛性が大きく製膜中の熱応力に−１分耐え得
る。

■　耐熱性に浸れていること、すなわち４００℃に加熱
しても全く問題がなし・のてｔｉｃ来のクロー放電法に
より非晶質シリコン薄Ｉ１％１がｌｌｊ上に形成できる
。

■　適宜な表面粗度をもつでいるため、良好な光電変換
効率を得ることができる。

［相］　フレキシビリティに富んでいる。

ｉｌ来ポリイミドフィルムが可撓性基板として用いられ
ているがフィルムの７レキシビリテイは言わば一方向的
であり、２次局面（たとえば球面）に沿わせようとすれ
ば固い折れ皺が発生して好ましくない。すなわち、電気
的に断線したりする。

また本発明の突素憎帷布状物を基板として作成した太陽
電池は十分なるドレープ性を有しており上記ポリイミド
フィルムのものに比し大きなフレキシビリディを呈した
とえば衣服分野に利用できる。

このように可撓性基板として炭素ｍ維の布状物を用いる
ことにより、ロール形状による連続的太陽電池の製造が
可能であることに加え製膜中の熱応力に耐え１ｑる剛性
を有し、かつ適宜な表面粗さをもっていることに起因す
る光電変換効率の優れたフレキシビリティ性太隅電池を
実現することが初めて可節となった。

特許出願人　シャープ株式会社 （ほか１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 可撓性基板上に非晶質シリコン薄膜を有する太陽電池に
   おいて、炭素ｍＭの布状物を該基板として使用すること
   を特徴とする非晶質シリコン薄膜太陽電池。