JPS62221167A - 多層型薄膜太陽電池 - Google Patents
多層型薄膜太陽電池Info
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- JPS62221167A JPS62221167A JP61065341A JP6534186A JPS62221167A JP S62221167 A JPS62221167 A JP S62221167A JP 61065341 A JP61065341 A JP 61065341A JP 6534186 A JP6534186 A JP 6534186A JP S62221167 A JPS62221167 A JP S62221167A
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/075—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PIN type, e.g. amorphous silicon PIN solar cells
-
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- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は、光に対する感度領域の異なる光電変換層に順
次光を入射させる多層型薄膜太陽電池に関する。
次光を入射させる多層型薄膜太陽電池に関する。
アモルファスシリコン系太陽電池などの薄膜太陽電池に
とって効率を向上させるためには、太陽光スペクトルの
有効利用が欠かせない。単一の光電変換層からなるII
I膜成膜電池ではおのずから変換効率が定まってしまい
、さらに変換効率を向上させるためには、第3図に示す
ような二つ以上の光電変換層を積層形成し、太陽光スペ
クトルの感度領域を分割して太陽光の利用効率を高める
必要がある。第3図では、透光性基板1および透明電極
2を透過した光1oは光学バンドギャップ(El)の大
きな第一の光電変換層31でその短波長部分が吸収され
、E、の小さな第三の光電変換層33で長波長部分から
吸収され、中位のE、をもっ第二の光電変換層32で中
間の波長部分が吸収されるのである。このような感度領
域の異なる光電変換層の積層構造をもつ太陽電池の出方
は、透明電極2と裏面電極4から取り出されるが、理論
的計算ではアモルファスシリコン系太陽電池で20%近
し1変換効率を得られることが示されており、多層型薄
膜太陽電池の実現に向けて多くの研究がなされてしする
。 しかしながら実用的見地から、第3図に示されるように
多数の光電変換層を基板上に順次積層していく構造は幾
つかの問題を有している。第一の問題は、各光電変換層
が順次積層されることから、各光電変換層で発生する電
流が等しくなるように素子構造を設計しなければならな
いということである。また、このため季節、場所等によ
り太陽光のスペクトルが変化すると、設計上の適合性が
得られなくなり、電流の不適合により多層にした効果が
小さいという欠点があった。第二点として各光電変換層
の界面でn/p或いはpノn接合が形成されるため、こ
れらの接合でキャリアの再結合損失や逆電圧を生じ、出
力の低下をもたらすという問題があうた。 この対策として、特願昭58−138565号により出
願され、特開昭60−30163号公報により第4図に
示す薄膜太陽電池モジエールが公知となっている。 すなわち、一方の透明絶縁基板1上には積層された透明
電極2.光電変換層31. i3明電極51よりなる単
位太陽電池を直列接続し、他方の基板11上には積層さ
れた金属電極4.光電変換層32.透明電極52よりな
る単位太陽電池を直列接続し、両番板を外側にして対向
させ、枠体61により連結し、透明樹脂62によってシ
ールしたものである。第3図の場合と同様に光電変換層
31は光電変換層32よりE、が大きく、両直列接続太
陽電池は端子63と64865と66をそれぞれ互いに
接続することにより並列接続される。しかしこのような
モジュールは二つの基板上に別々に太陽電池を形成しな
ければならず、構造も複雑で高価になるという欠点があ
る。
とって効率を向上させるためには、太陽光スペクトルの
有効利用が欠かせない。単一の光電変換層からなるII
I膜成膜電池ではおのずから変換効率が定まってしまい
、さらに変換効率を向上させるためには、第3図に示す
ような二つ以上の光電変換層を積層形成し、太陽光スペ
クトルの感度領域を分割して太陽光の利用効率を高める
必要がある。第3図では、透光性基板1および透明電極
2を透過した光1oは光学バンドギャップ(El)の大
きな第一の光電変換層31でその短波長部分が吸収され
、E、の小さな第三の光電変換層33で長波長部分から
吸収され、中位のE、をもっ第二の光電変換層32で中
間の波長部分が吸収されるのである。このような感度領
域の異なる光電変換層の積層構造をもつ太陽電池の出方
は、透明電極2と裏面電極4から取り出されるが、理論
的計算ではアモルファスシリコン系太陽電池で20%近
し1変換効率を得られることが示されており、多層型薄
膜太陽電池の実現に向けて多くの研究がなされてしする
。 しかしながら実用的見地から、第3図に示されるように
多数の光電変換層を基板上に順次積層していく構造は幾
つかの問題を有している。第一の問題は、各光電変換層
が順次積層されることから、各光電変換層で発生する電
流が等しくなるように素子構造を設計しなければならな
いということである。また、このため季節、場所等によ
り太陽光のスペクトルが変化すると、設計上の適合性が
得られなくなり、電流の不適合により多層にした効果が
小さいという欠点があった。第二点として各光電変換層
の界面でn/p或いはpノn接合が形成されるため、こ
れらの接合でキャリアの再結合損失や逆電圧を生じ、出
力の低下をもたらすという問題があうた。 この対策として、特願昭58−138565号により出
願され、特開昭60−30163号公報により第4図に
示す薄膜太陽電池モジエールが公知となっている。 すなわち、一方の透明絶縁基板1上には積層された透明
電極2.光電変換層31. i3明電極51よりなる単
位太陽電池を直列接続し、他方の基板11上には積層さ
れた金属電極4.光電変換層32.透明電極52よりな
る単位太陽電池を直列接続し、両番板を外側にして対向
させ、枠体61により連結し、透明樹脂62によってシ
ールしたものである。第3図の場合と同様に光電変換層
31は光電変換層32よりE、が大きく、両直列接続太
陽電池は端子63と64865と66をそれぞれ互いに
接続することにより並列接続される。しかしこのような
モジュールは二つの基板上に別々に太陽電池を形成しな
ければならず、構造も複雑で高価になるという欠点があ
る。
本発明は、上記の問題を解決し、各光電変換層の発生電
流をそろえるという制約がなく、また一つの基板上に形
成することのできる多層型l1m太陽電池を提供するこ
とを目的とする。
流をそろえるという制約がなく、また一つの基板上に形
成することのできる多層型l1m太陽電池を提供するこ
とを目的とする。
本発明は、基板上に基板側から順次光学ノくンドギャッ
プの小さくなる半導体よりなる光電変換層を備えた光電
変換素子群を積層して太陽光スペクトルを積層方向に波
長分解して有効利用し、各群に属する光電変換素子の1
個ずつを並列接続した上で直列接続することにより、同
一半導体を用いた発生電流の等しい素子が直列接続され
ているので発生電流を揃えるための制約がなくなり、上
記の目的を達成するものである。さらに各光電変換素子
群を一端において順次−素子分ずつずらして積層し、上
下に位置する光電変換層の間に透明電極を介在させ、各
素子の基板側の電極を他端側の隣接素子の反基板側の電
極に接続し、各素子群の他端の素子の基板側の透明電極
を延長してその上に直上素子群の他端の素子の光電変換
層を形成することにより、一つの基板上に直並列のマト
リクス配置接続が容易に実現できる。
プの小さくなる半導体よりなる光電変換層を備えた光電
変換素子群を積層して太陽光スペクトルを積層方向に波
長分解して有効利用し、各群に属する光電変換素子の1
個ずつを並列接続した上で直列接続することにより、同
一半導体を用いた発生電流の等しい素子が直列接続され
ているので発生電流を揃えるための制約がなくなり、上
記の目的を達成するものである。さらに各光電変換素子
群を一端において順次−素子分ずつずらして積層し、上
下に位置する光電変換層の間に透明電極を介在させ、各
素子の基板側の電極を他端側の隣接素子の反基板側の電
極に接続し、各素子群の他端の素子の基板側の透明電極
を延長してその上に直上素子群の他端の素子の光電変換
層を形成することにより、一つの基板上に直並列のマト
リクス配置接続が容易に実現できる。
第1図Tal〜(glは本発明の一実施例の製造工程を
示し、第3図、第4図と共通の部分には同一の符号が付
されている0図(a)においては、103角のガラス基
板1上に2000〜4000人の厚さのSnowあるい
はI T O/ Snowからなる透明導電膜を電子ビ
ーム蒸着により全面に形成し、フォトリソグラフィ法に
より 1001m〜2鶏の間隔を介して7〜8mの幅の
7個の領域に分割し、透明電極2とした。端部の透明電
極21のみは3倍以上の幅にした0図−)においては、
第一の光電変換層31としてグロー放電法、光CVD等
を組合わせて形成し、フォトリングラフィ法によるバタ
ーニングで透明電極2の間の間隙を埋め、反対側て10
0n〜2fiの間隙を有する6個の充電変換領域に分割
した。第一の光電変換層31は、a−311:IIをp
膜に適用したpinアモルファスシリコン膜でE、は1
.9eVである。 図(cl ニおイテは4000〜6000人の厚さ+7
>ITOIIIあるいはZnO膜を全面に形成し、フォ
トリソグラフィ法でバターニングして端部が透明電極2
0に接触する6個の中間透明電極71を形成した。中間
透明電極をこの様に厚くしたことは、電力損失を小さく
し、特性への影響を少なくする。これにより第−の光電
変換層31による6個の光電変換素子が直列接続したこ
とになる0次いで図+d+に示すようにE* −1,7
eVのplnアモルファスシリコン膜を用いた第二の光
電変換層32を全面に被着し、パターニングして図にお
いて左端の第一光電変換層31の上を除いて6個の光電
変換領域を形成するが、右端の第二光電変換層32は右
端の第一光電変換層31に隣接し透明電極21の上に形
成される。この上に図+81のように中間透明電極71
と同様の中間透明電極72を形成し、中間透明電極71
に接触させた。 Ill (flにおいては、E* 1.5eVのアモル
ファスシリコン・ゲルマニウム合金膜を用いた第三の光
電変換層33を第二の光電変換層32と同様右方に1素
子分ずらして形成した。最後に、図(蜀に示すように金
属の蒸着、パターニングにより真面電極4を形成した。 この結果、第2図の等価回路が示すように、第一の光電
変換層31を用いた6個の光電変換素子Aと、第二の光
電変換層32を用いた6個の光電変換素子Bと、第三の
光電変換層33を用いた6個の光電変換素子Cが直並列
接続された薄膜太陽電池が得られた。 次に本発明による多層型薄膜太陽電池の効率を第3図に
示した構造の太陽電池の効率と比較した結果について述
べる。先ず、第3図に示した従来型の素子をE@ 1.
9eVの第一光電変換層とE、1.7eVの第二光電変
換層の2層で形成した場合、第一層の膜厚2300人、
第二層の膜厚7000人で短絡電力Jsc=8sA/−
が得られ、開放電圧V oc −1,65Vで効率η−
8,58Vが得られる。これに対し第三の光電変換層3
3を省略した本発明による構成をとれば、膜厚を比較的
自由に選んで第一層でJ sc ” 10mA/ cd
、 Voc−0,85V、 17 = 5.95%、
第二層でJ se−6mA/cj、 Voc−Q、 8
V、 W −3,26%であるが、全体での効率は
8.84%が得られる。この様に素子全体の効率は2層
間の電圧が揃っていないと単純な和にならない、また、
電圧に0.2 V以上の差がある場合は、やはり多層に
した効果は小さくなった。しかし、アモルファスシリコ
ン同志の2層構造素子に対しては本発明の多層構造の効
果は大きく、素子設計の自由度が広がると共に、接触す
る二つの光電変換層の界面部で生じるn/p接合部は有
効光電変換領域の外であるため、これによる出力への影
響もない。 次に上記のような3層の場合について従来型と比較した
。第一層から第三層までのそれぞれの特性は第一層がV
o+:” 0.85V、 J sc−8鴎^/−9η
−4,76%、第二層がVoc= 0.8 V、 J
sc−5s^/−1η−2,72%、第三層がV。c
”” 0.76V 、 J sc −5m^/−1
η−2.62%であって、素子としての効率η−9,0
9%を得た。これは従来型の3層構造の場合のVoc=
2.31V、 J *c−6sA/ j、 +7−
8.73%を上まわった。この二つの素子を用いて晴天
の日の1日の総出力を比較したところ12%も本発明に
よる3層構造素子の方が良かった。 本実施例ではガラス基板を用いたが、ステンレス鋼基板
や可撓性高分子膜基板を用いても積層の順番を逆にする
ことで容易に形成でき、同様な効果を得ることができる
のはいうまでもない、また多層を構成する材料としてア
モルファスシリコン系材料を用いた実施例を示したが、
この他に多結晶および単結晶シリコンをはじめとしてG
aAs、 rnP+upなどのm−v族系、CdS、C
dTe、Zn5eなどの■−■族系、CuInSam等
を組合わせて同様な効果を得ることができるのもいうま
でもない。 【発明の効果] 本発明によれば同一基板上に積層配置された基板側より
順次光学バンドギャップの小さくなる光電変換層を備え
た光電変換素子群がマトリクス配置接続された構造とな
っているので、積層方向に光発生電流をそろえるような
設計上の制約を受けないため、バンドギャップの異なる
光電変換領域を持つ各々の光電変換層を光学的に最適な
条件で作成可能となり、高効率の多層型薄膜太陽電池を
提供することができる。このようにマトリクス配置接続
することにより、一部の素°子に欠陥、例えば光電変換
層のピンホールによる短絡が生じても、全体の素子の出
力電圧は従来型と異なりほとんど影響を受けない。 本発明による多層型薄膜素子は、直列接続された光電変
換素子を1素子分ずつずらして積層することにより、簡
単、容易に各素子をマトリクス配置上に接続することが
でき、上下に重なった各層の素子が光の影などにより同
時に絶縁状態になっても出力が取り出せな(なることの
ない効果も生ずるので本発明により得られる効果は極め
て大きい。
示し、第3図、第4図と共通の部分には同一の符号が付
されている0図(a)においては、103角のガラス基
板1上に2000〜4000人の厚さのSnowあるい
はI T O/ Snowからなる透明導電膜を電子ビ
ーム蒸着により全面に形成し、フォトリソグラフィ法に
より 1001m〜2鶏の間隔を介して7〜8mの幅の
7個の領域に分割し、透明電極2とした。端部の透明電
極21のみは3倍以上の幅にした0図−)においては、
第一の光電変換層31としてグロー放電法、光CVD等
を組合わせて形成し、フォトリングラフィ法によるバタ
ーニングで透明電極2の間の間隙を埋め、反対側て10
0n〜2fiの間隙を有する6個の充電変換領域に分割
した。第一の光電変換層31は、a−311:IIをp
膜に適用したpinアモルファスシリコン膜でE、は1
.9eVである。 図(cl ニおイテは4000〜6000人の厚さ+7
>ITOIIIあるいはZnO膜を全面に形成し、フォ
トリソグラフィ法でバターニングして端部が透明電極2
0に接触する6個の中間透明電極71を形成した。中間
透明電極をこの様に厚くしたことは、電力損失を小さく
し、特性への影響を少なくする。これにより第−の光電
変換層31による6個の光電変換素子が直列接続したこ
とになる0次いで図+d+に示すようにE* −1,7
eVのplnアモルファスシリコン膜を用いた第二の光
電変換層32を全面に被着し、パターニングして図にお
いて左端の第一光電変換層31の上を除いて6個の光電
変換領域を形成するが、右端の第二光電変換層32は右
端の第一光電変換層31に隣接し透明電極21の上に形
成される。この上に図+81のように中間透明電極71
と同様の中間透明電極72を形成し、中間透明電極71
に接触させた。 Ill (flにおいては、E* 1.5eVのアモル
ファスシリコン・ゲルマニウム合金膜を用いた第三の光
電変換層33を第二の光電変換層32と同様右方に1素
子分ずらして形成した。最後に、図(蜀に示すように金
属の蒸着、パターニングにより真面電極4を形成した。 この結果、第2図の等価回路が示すように、第一の光電
変換層31を用いた6個の光電変換素子Aと、第二の光
電変換層32を用いた6個の光電変換素子Bと、第三の
光電変換層33を用いた6個の光電変換素子Cが直並列
接続された薄膜太陽電池が得られた。 次に本発明による多層型薄膜太陽電池の効率を第3図に
示した構造の太陽電池の効率と比較した結果について述
べる。先ず、第3図に示した従来型の素子をE@ 1.
9eVの第一光電変換層とE、1.7eVの第二光電変
換層の2層で形成した場合、第一層の膜厚2300人、
第二層の膜厚7000人で短絡電力Jsc=8sA/−
が得られ、開放電圧V oc −1,65Vで効率η−
8,58Vが得られる。これに対し第三の光電変換層3
3を省略した本発明による構成をとれば、膜厚を比較的
自由に選んで第一層でJ sc ” 10mA/ cd
、 Voc−0,85V、 17 = 5.95%、
第二層でJ se−6mA/cj、 Voc−Q、 8
V、 W −3,26%であるが、全体での効率は
8.84%が得られる。この様に素子全体の効率は2層
間の電圧が揃っていないと単純な和にならない、また、
電圧に0.2 V以上の差がある場合は、やはり多層に
した効果は小さくなった。しかし、アモルファスシリコ
ン同志の2層構造素子に対しては本発明の多層構造の効
果は大きく、素子設計の自由度が広がると共に、接触す
る二つの光電変換層の界面部で生じるn/p接合部は有
効光電変換領域の外であるため、これによる出力への影
響もない。 次に上記のような3層の場合について従来型と比較した
。第一層から第三層までのそれぞれの特性は第一層がV
o+:” 0.85V、 J sc−8鴎^/−9η
−4,76%、第二層がVoc= 0.8 V、 J
sc−5s^/−1η−2,72%、第三層がV。c
”” 0.76V 、 J sc −5m^/−1
η−2.62%であって、素子としての効率η−9,0
9%を得た。これは従来型の3層構造の場合のVoc=
2.31V、 J *c−6sA/ j、 +7−
8.73%を上まわった。この二つの素子を用いて晴天
の日の1日の総出力を比較したところ12%も本発明に
よる3層構造素子の方が良かった。 本実施例ではガラス基板を用いたが、ステンレス鋼基板
や可撓性高分子膜基板を用いても積層の順番を逆にする
ことで容易に形成でき、同様な効果を得ることができる
のはいうまでもない、また多層を構成する材料としてア
モルファスシリコン系材料を用いた実施例を示したが、
この他に多結晶および単結晶シリコンをはじめとしてG
aAs、 rnP+upなどのm−v族系、CdS、C
dTe、Zn5eなどの■−■族系、CuInSam等
を組合わせて同様な効果を得ることができるのもいうま
でもない。 【発明の効果] 本発明によれば同一基板上に積層配置された基板側より
順次光学バンドギャップの小さくなる光電変換層を備え
た光電変換素子群がマトリクス配置接続された構造とな
っているので、積層方向に光発生電流をそろえるような
設計上の制約を受けないため、バンドギャップの異なる
光電変換領域を持つ各々の光電変換層を光学的に最適な
条件で作成可能となり、高効率の多層型薄膜太陽電池を
提供することができる。このようにマトリクス配置接続
することにより、一部の素°子に欠陥、例えば光電変換
層のピンホールによる短絡が生じても、全体の素子の出
力電圧は従来型と異なりほとんど影響を受けない。 本発明による多層型薄膜素子は、直列接続された光電変
換素子を1素子分ずつずらして積層することにより、簡
単、容易に各素子をマトリクス配置上に接続することが
でき、上下に重なった各層の素子が光の影などにより同
時に絶縁状態になっても出力が取り出せな(なることの
ない効果も生ずるので本発明により得られる効果は極め
て大きい。
第1図は本発明の一実施例の製造工程を順次示す断面図
、第2図はその等価回路図、第3図は従来の多層型薄膜
太陽電池の構造を示す断面図、第4図は別の従来例の断
面図である。 1ニガラス基板、2,21:a明電掘、31:第一光電
変換層、32:第三光電変換層、33:第三光電変換層
、4:裏面電極、?1,72:中間透明電極。 嘉1閃
、第2図はその等価回路図、第3図は従来の多層型薄膜
太陽電池の構造を示す断面図、第4図は別の従来例の断
面図である。 1ニガラス基板、2,21:a明電掘、31:第一光電
変換層、32:第三光電変換層、33:第三光電変換層
、4:裏面電極、?1,72:中間透明電極。 嘉1閃
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)基板上に基板側から順次光学バンドギャップの小さ
くなる半導体よりなる光電変換層を備えた光電変換素子
群が積層され、各群に属する光電変換素子を1素子ずつ
並列接続したものが直列接続されたことを特徴とする多
層型薄膜太陽電池。 2)特許請求の範囲第1項記載の電池において、各光電
変換素子群が一端において順次1素子分ずつずらして積
層され、上下に位置する光電変換層の間に透明電極が介
在し、各素子の基板側の電極が他端側の隣接素子の反基
板側の電極に接続され、各素子群の前記他端の素子の基
板側の電極の延長部上に直上素子群の前記他端の素子の
光電変換層が形成されたことを特徴とする多層型薄膜太
陽電池。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61065341A JPS62221167A (ja) | 1986-03-24 | 1986-03-24 | 多層型薄膜太陽電池 |
DE19873709153 DE3709153A1 (de) | 1986-03-24 | 1987-03-20 | Mehrlagige duennfilmsolarzelle |
US06/029,682 US4784701A (en) | 1986-03-24 | 1987-03-24 | Multi-layered thin film solar cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61065341A JPS62221167A (ja) | 1986-03-24 | 1986-03-24 | 多層型薄膜太陽電池 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62221167A true JPS62221167A (ja) | 1987-09-29 |
JPH0577308B2 JPH0577308B2 (ja) | 1993-10-26 |
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ID=13284145
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---|---|---|---|
JP61065341A Granted JPS62221167A (ja) | 1986-03-24 | 1986-03-24 | 多層型薄膜太陽電池 |
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---|---|
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