JP2006319068A - 多接合型シリコン系薄膜光電変換装置、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各薄膜光電変換ユニットで発生する短絡電流密度を高い値でバランスさせることで、変換効率の高い多接合型シリコン系薄膜光電変換装置、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の多接合型シリコン系薄膜光電変換装置は、中間層を介して直列接続されたシリコン系薄膜光電変換ユニットを備えた多接合型シリコン系薄膜光電変換装置であって、前記中間層はプラズマＣＶＤ法で製膜された１以上のｎ型μｃ−Ｓｉ層と２以上の導電性ＳｉＯ_X層とからなり、前記ｎ型μｃ−Ｓｉ層の両方の面が前記導電性ＳｉＯ_X層と接するように配置された多層膜であることを特徴とする多接合型シリコン系薄膜光電変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は中間層を有する多接合型シリコン系薄膜光電変換装置およびその製造方法に関するものである。

近年、半導体内部の光電効果を用いて光を電気に変換する光電変換装置が注目され、開発が精力的行われているが、その光電変換装置の中でもシリコン系薄膜光電変換装置は、低温で大面積のガラス基板やステンレス基板上に形成できることから、低コスト化が期待できる。

薄膜光電変換装置は、一般に表面が絶縁性の基板上に順に積層された第一電極と、１つ以上の半導体薄膜光電変換ユニットと、及び第二電極とを含んでいる。ここで、光電変換ユニットは一般的にｐ型層、ｉ型層、及びｎ型層の順に積層されてなり、その主要部を占めるｉ型の光電変換層が非晶質のものは非晶質光電変換ユニットと呼ばれ、ｉ型層が結晶質のものは結晶質光電変換ユニットと呼ばれている。

また、光電変換装置の変換効率を向上させる方法として、２つ以上の光電変換ユニットを積層した、多接合型と呼ばれる構造を採用した光電変換装置が知られている。この方法においては、光電変換装置の光入射側に大きな光学的禁制帯幅を有する光電変換層を含む前方光電変換ユニットを配置し、その後ろに順に小さなバンドギャップを有する光電変換層を含む後方光電変換ユニットを配置することにより、入射光の広い波長範囲にわたる光電変換を可能にし、入射する光を有効利用することにより装置全体としての変換効率の向上が図られている。（本願では、相対的に光入射側に配置された光電変換ユニットを前方光電変換ユニットと呼び、これよりも相対的に光入射側から遠い側に隣接して配置された光電変換ユニットを後方光電変換ユニットと呼ぶ。）
さらにこの後方光電変換ユニットの後方により小さなバンドギャップを有する光電変換層を含む光電変換ユニットを複数配置して、入射光のより広い波長範囲にわたる光電変換を可能とする三接合型、四接合型と呼ばれる構造を採用して装置全体の変換効率の向上を図る手法も開発されている。

ところが、多接合型光電変換装置全体の特性、特に短絡電流密度は前方光電変換ユニットと後部光電変換ユニットの各短絡電流密度のうち小さい方の短絡電流密度に制限される。したがって、多接合型光電変換装置全体の特性を向上するためには、それぞれの光電変換ユニットで発生した短絡電流密度のバランスを取る必要がある。

そこで、近年積層された複数の光電変換ユニットの間に光透過性及び光反射性の双方を有し且つ導電性の中間層を介在させる構造を有する積層型の光電変換装置が提案されている。この場合、中間層に到達した光の一部が反射し、中間層よりも光入射側に位置する前方光電変換ユニット内での光吸収量が増加し、その前方光電変換ユニットで発生する電流値を増大させることができる。例えば、非晶質シリコン光電変換ユニットと結晶質シリコン光電変換ユニットからなるハイブリッド型光電変換装置に中間反射層を挿入した場合、非晶質シリコン層の膜厚を増やすことなく非晶質シリコン光電変換ユニットによって発生する電流を増加させることができる。もしくは、同一の電流値を得るために必要な非晶質シリコン層の膜厚を薄くできることから、非晶質シリコン層の膜厚増加に応じて顕著となる光劣化による非晶質シリコン光電変換ユニットの特性低下を押さえることが可能となる。このような中間層では、前方光電変換ユニットで吸収される光の波長領域を選択的に反射し、且つ後方光電変換ユニットで吸収される光の波長領域は選択的に透過することが好ましい。

例えば特許文献１には、中間層の反射特性を短波長領域の光に対しては反射率が高く、長波長領域の光に対しては反射率が低くなるように改善することにより、上部光電変換層と下部光電変換層の各光電流密度を高い値でバランスさせた光電変換効率の高い積層型太陽電池を提供するために、光電変換層間に介在して各光電変換層を電気的に直列接続する中間層が設けられ、中間層は２つ以上の材料を交互に積層して構成された多層膜であって、特定の波長領域の光を選択的に反射する特性を有している中間層が開示されている。
特開２００１−３０８３５４号公報

上述のように２つ以上の材料を交互に積層して構成された多層膜を用いて中間層を構成すれば、通常の１層で構成した中間層を用いるよりも短波長領域の光に対しては反射率が高く、長波長領域の光に対しては反射率が低くなるように改善できるが、このような特定の波長領域の光を選択的に反射する特性を有する中間層を形成するためには、従来ＣＶＤチャンバーとは別に中間層形成用のチャンバーが必要となり、コスト的な負担が大きかった。

この発明は以上のような事情を考慮してなされたものであり、本発明により波長選択制に優れた反射特性を示す中間層を有することにより、各シリコン系薄膜光電変換ユニットで発生する短絡電流密度を高い値でバランスさせた光電変換効率の高い多接合型シリコン系光電変換装置を提供し、また前記多接合型シリコン系光電変換装置を低コストで大面積に均一に形成できる製造方法を提供するものである。

本発明の多接合型シリコン系薄膜光電変換装置は、中間層を介して直列接続されたシリコン系薄膜光電変換ユニットを備えた多接合型シリコン系薄膜光電変換装置であって、該前記中間層がプラズマＣＶＤ法で製膜された１以上のｎ型μｃ−Ｓｉ層と２以上の導電性ＳｉＯ_X層とからなり、該ｎ型μｃ−Ｓｉ層の両方の面が該導電性ＳｉＯ_X層と接するように配置された多層膜であることを特徴とするので、大面積に均一に反射特性に優れた中間層を各層界面に抵抗層を生じることなく形成することができ、さらに前記中間層をｎ型μｃ−Ｓｉ層、及び導電性ＳｉＯ_X層の繰り返しからなる多層膜として特定の波長領域の光を選択的に反射することにより、各シリコン系薄膜光電変換ユニットで発生する短絡電流密度を高い値でバランスさせた光電変換効率の高い多接合型シリコン系薄膜光電変換装置を得ることができる。

また、本発明の多接合型シリコン系薄膜光電変換装置では、前記シリコン系薄膜光電変換ユニットはｐ型層、ｉ型層、及びｎ型層の順に積層されてなり、前記中間層が続けてｎ型μｃ−Ｓｉ層から積層されてなる多接合型シリコン系薄膜光電変換装置とすることが好ましい。これによりシリコン系薄膜光電変換ユニットのｎ型層との電気的抵抗を最小にして中間層を形成することができる。

さらに、前記中間層における導電性ＳｉＯ_X層は結晶構造を有するＳｉを含むことが望ましい。これにより中間層を構成する半導体層が導電性の高い膜となり、中間層の前後に形成された光電変換ユニットの直列接続を容易に達成しつつ、多接合型シリコン系薄膜光電変換装置の中間層に起因する電気的損失を小さくすることができる。

本発明においては、多接合型シリコン系薄膜光電変換装置を形成する際には、前記中間層は同一チャンバー内で連続して製膜することが望ましく、このような製造方法とすることで各層界面を抵抗層を生じることなく滑らかに、また容易に低コストで中間層を形成できる。

また、前記中間層における導電性ＳｉＯ_X層の製膜はシラン等の反応ガスにＣＯ₂ガスを導入することにより形成し、さらにＣＯ₂ガスのチャンバー内への導入量を連続的に変えることによって前記中間層を形成することが望ましく、この製造方法とすることで各層界面を抵抗層を生じることなく滑らかに、また容易に低コストで選択制の高い、反射特性に優れた中間層を形成できるためより高い特性の多接合型シリコン系光電変換装置を提供し得る。

この発明によれば、以下のような具体的効果が得られる。即ち、プラズマＣＶＤ法で製膜されたｎ型μｃ−Ｓｉ層、及び導電性ＳｉＯ_X層の繰り返しからなる多層膜を中間層として用いることにより、各層界面を抵抗層を生じることなく、波長選択性に優れた反射特性を示す中間層を有する多接合型シリコン系光電変換装置を形成出来るため、多接合型シリコン系光電変換装置の特性を向上させることが出来る。

また、中間層をプラズマＣＶＤの同一チャンバー内で連続して製膜することにより、低コストで大面積に均一に中間層を形成できるため、製造工程の融通性を高めかつ生産効率を改善し得る製造方法を提供することができる。

以上のような効果により、本発明によれば高性能かつ低コストの多接合型シリコン系光電変換装置を提供することができる。

以下において本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお本願の各図において、厚さや長さなどの寸法関係については図面の明瞭化と簡略化のため適宜変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。また、各図において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。

図１に、本発明の実施形態の一例による多接合型シリコン系光電変換装置の断面図を示す。透明基板１上に、透明電極層２、前方光電変換ユニット３、中間層４、後方光電変換ユニット５、および裏面電極層６の順に配置されている。なお、図１には光電変換ユニットが前方光電変換ユニットと後方光電変換ユニットの２つで構成された二接合型光電変換装置となっているが、本発明は光電変換ユニットを３段以上積層した多接合型シリコン系光電変換装置にも適用し得る。例えば光入射側から第一光電変換ユニット、第二光電変換ユニット、第三光電変換ユニットの順に配置された３接合型シリコン系光電変換装置において、第一光電変換ユニットと第二光電変換ユニットを、それぞれ前方光電変換ユニットと後方光電変換ユニットと見なし、両者の境界近傍に中間層を設けても良い。あるいは第二光電変換ユニットと第三光電変換ユニットを、それぞれ前方光電変換ユニットと後方光電変換ユニットと見なし、両者の境界近傍に中間層を設けても良い。むろん、第一光電変換ユニットと第二光電変換ユニットの境界近傍および第二光電変換ユニットと第三光電変換ユニットの境界近傍の両方にシリコン複合層を設けた構造でも良い。３接合型シリコン系光電変換装置としては、例えば第一光電変換ユニットに非晶質シリコン光電変換ユニット、第二光電変換ユニットに非晶質シリコンゲルマニウムあるいは結晶質シリコン系光電変換ユニット、第三光電変換ユニットに非晶質シリコンゲルマニウムあるいは結晶質シリコン系光電変換ユニットを適用する場合などが挙げられるが、組み合わせはこの限りではない。

基板側から光を入射するタイプの光電変換装置にて用いられる透明基板１には、ガラス、透明樹脂等から成る板状部材やシート状部材が用いられる。透明電極層２はＳｎＯ₂、ＺｎＯ等の導電性金属酸化物から成ることが好ましく、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが好ましい。透明電極層２はその表面に微細な凹凸を有することにより、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。

裏面電極層６としては、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、ＰｔおよびＣｒから選ばれる少なくとも一つの材料からなる少なくとも一層の金属層をスパッタ法または蒸着法により形成することが好ましい。また、光電変換ユニットと金属電極との間に、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ等の導電性酸化物からなる層を形成しても構わない（図示せず）。

光入射側からみて透明電極２の後方に、複数の光電変換ユニットが配置される。図１のように２つの光電変換ユニットが積層された構造の場合、光入射側に配置された前方光電変換ユニット３には相対的にバンドギャップの広い材料、例えば非晶質シリコン系材料による光電変換ユニットなどが用いられる。その後方に配置された後方光電変換ユニット５には、それよりも相対的にバンドギャップの狭い材料、例えば結晶質を含むシリコン系材料による光電変換ユニットや、非晶質シリコンゲルマニウム光電変換ユニットなどが用いられる。

各々の光電変換ユニットは、ｐ型層、実質的に真性な光電変換層であるｉ型層、およびｎ型層から成るｐｉｎ接合によって構成されるのが好ましい。このうちｉ型層に非晶質シリコンを用いたものを非晶質シリコン光電変換ユニット、結晶質を含むシリコンを用いたものを結晶質シリコン光電変換ユニットと呼ぶ。なお、非晶質あるいは結晶質のシリコン系材料としては、半導体を構成する主要元素としてシリコンのみを用いる場合だけでなく、炭素、酸素、窒素、ゲルマニウムなどの元素をも含む合金材料であってもよい。また、導電型層の主要構成材料としては、必ずしもｉ型層と同質のものである必要はなく、例えば非晶質シリコン光電変換ユニットのｐ型層に非晶質シリコンカーバイドを用い得るし、ｎ型層に結晶質を含むシリコン層（μｃ−Ｓｉとも呼ばれる）も用い得る。

本発明では、前方光電変換ユニットと後方光電変換ユニットとの間に前方光電変換ユニットで吸収できる波長領域の光に対する反射率が高く、前方光電変換ユニットで吸収できない波長領域の光に対する反射率が低くなるような反射特性を有する中間層４を用いている。上記中間層４はｎ型μｃ−Ｓｉ層、及び導電性ＳｉＯ_X層の繰り返しからなる多層膜を用いることを特徴としており、中間反射層として機能させるためには、前方光電変換ユニット３内の光電変換層と後方光電変換ユニット５内の光電変換層との間のいずれかの位置に配置させる必要がある。また、この中間層４は光電変換ユニット内の導電型層の一部を兼ねることができる。

本発明の中間層４では、前記のような選択的な反射特性を実現するために、中間層をｎ型μｃ−Ｓｉ層、及び導電性ＳｉＯ_X層の繰り返しからなる多層膜を積層して構成してなる多層膜中間層を用いる。このような構造を取ることにより中間層の反射特性を自由に設定することができ、中間層の前後に配置された光電変換ユニットの構成に応じて最適な反射特性とすることができるため、前方光電変換ユニットの短絡光電流密度を向上させるとともに、後部光電変換ユニットの短絡光電流密度の低下も最小限に抑えることができ、上部光電変換層と下部光電変換層の各短絡光電流密度を高い値でバランスさせることができる。

本中間層４では導電性ＳｉＯ_X層を用いているが、この導電性ＳｉＯ_X層はｎ型μｃ−Ｓｉ層のプラズマＣＶＤ法による作製時と同様の条件で、追加的にＣＯ₂ガスをチャンバー内へ導入することにより作製することが可能であり、作製時のＣＯ₂ガス流量をコントロールすることにより、作製する導電性ＳｉＯ_X層の屈折率を広範囲にコントロール可能である。このため、同一のプラズマＣＶＤチャンバー内で導入するＣＯ₂ガス流量を連続的に変化させることにより容易に導電性ＳｉＯ_X層とｎ型μｃ−Ｓｉ層との積層構造が作製できる。また、この導電性ＳｉＯ_X層は結晶構造を有するＳｉを含むことが望ましい。これにより中間層を構成する半導体層が導電性の高い膜となり、中間層の前後に形成された光電変換ユニットの直列接続を用意に達成しつつ、多接合型シリコン系薄膜光電変換装置の中間層に起因する電気的損失を小さくすることができる。

本発明における中間層４の形成例を具体的に述べると以下のようである。導電性ＳｉＯ_X層の作製は、反応ガスとしてＳｉＨ₄、ＣＯ₂、Ｈ₂、ＰＨ₃を用い、Ｈ₂／ＳｉＨ₄比が大きいいわゆる微結晶作製条件で、かつＣＯ₂／ＳｉＨ₄比が２以上の範囲を用いてプラズマＣＶＤ法で作製される。このときのプラズマＣＶＤの条件は、例えば容量結合型の平行平板電極を用いて、電源周波数１０〜１００ＭＨｚ、パワー密度５０〜５００ｍＷ／ｃｍ²、圧力５０〜１５００Ｐａ、基板温度１５０〜２５０℃である。ＣＯ₂／ＳｉＨ₄比を増加させると膜中酸素濃度が単調に増加する。またドーピングガスとしてＰＨ₃の代わりにＢ₂Ｈ₆を用いても良いし、ＰＨ₃とＢ₂Ｈ₆の両方のガスを混合させても良い。さらにｎ型μｃ−Ｓｉ層の作製時には、反応ガスとしてＳｉＨ₄、ＣＯ₂、Ｈ₂、ＰＨ₃を用い、Ｈ₂／ＳｉＨ₄比が大きい条件でプラズマＣＶＤ法により作製され、このときのプラズマＣＶＤの条件は、例えば容量結合型の平行平板電極を用いて、電源周波数１０〜１００ＭＨｚ、パワー密度５０〜５００ｍＷ／ｃｍ²、圧力５０〜１５００Ｐａ、基板温度１５０〜２５０℃である。

さらに本発明では、プラズマＣＶＤ法を用いて前方光電変換ユニット３を形成し、その基板を一旦大気中に取り出した後、再度プラズマＣＶＤ法により中間層４および後方光電変換ユニット５を引き続き形成するという製造方法があるが、このような製造方法においても上記中間層４を形成する場合には最初にｎ型μｃ−Ｓｉ層を作製してから導電性ＳｉＯ_X層を作製することが望ましい。このようにすることで前方光電変換ユニット３のｎ型導電型層と中間層との界面における直列接続を容易に達成しつつ、多接合型シリコン系太陽電池の電気的損失を小さくすることができるため、光電変換特性を高めることができる。

本発明の中間層４における導電性ＳｉＯ_X層は、６００ｎｍの波長の光に対する屈折率が２.５以下、あるいは膜中酸素濃度が２５原子％以上とすることが好ましい。屈折率と膜中酸素濃度の関係は比較的高い相関がある。屈折率の低い方が中間反射層として選択性に優れた反射特性を得るための膜厚を薄くする事が出来る。この中間層４は光電変換には寄与しない不活性な層であり、ここで吸収される光はほとんど発電に寄与しないため、中間層４は可能な限り薄くする必要があり、またここで導電性ＳｉＯ_X層の屈折率として６００ｎｍの波長の光での値を指標とした理由は以下の点が挙げられる。積層型光電変換装置の一つである、非晶質シリコン系光電変換ユニットと結晶質シリコン系光電変換ユニットを２段積層したハイブリッド型光電変換装置において、非晶質シリコン系光電変換ユニットの分光感度電流の立下りと、結晶質シリコン系光電変換ユニットの分光感度電流の立ち上りは６００ｎｍ付近の波長で交錯する。このため６００ｎｍ付近の光を良く反射する膜、即ち、６００ｎｍの光に対する屈折率が小さい膜が、選択制に優れた反射特性を容易に得ることができ、前方光電変換ユニットの発電電流を増加するのに好適となる。なお、屈折率は例えば分光エリプソメトリ法などを用いて評価可能である。

以下においては、上述の実施の形態に対応する積層構造を含む多接合型シリコン系光電変換装置の製造方法の実施例として、非晶質シリコン光電変換ユニットと結晶質シリコン光電変換ユニットとが積層された２スタック型スーパーストレート構造の多接合型シリコン系光電変換装置を挙げ、比較例と比較しつつ詳細に説明する。各図において同様の部材には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。また、本発明はその趣旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１および比較例１）
図１を参照して説明された第一の実施の形態に対応して、実施例１としての多接合シリコン太陽電池が作製された。透明基板１にはガラスを用い、透明電極層２にはＳｎＯ２を用いた。この際の透明電極層２の膜厚は８００ｎｍ、シート抵抗は１０オーム／□、ヘイズ率は１５〜２０％とした。この上に、ボロンドープのｐ型シリコンカーバイド（ＳｉＣ）層を１０ｎｍ、ノンドープの非晶質シリコン光電変換層を３００ｎｍ、リンドープのｎ型μｃ−Ｓｉ層を２０ｎｍの膜厚で、それぞれプラズマＣＶＤ法により製膜した。これにより、前方光電変換ユニットであるｐｉｎ接合の非晶質シリコン光電変換ユニット３を形成した。

さらに非晶質シリコン光電変換ユニット３の上に中間層として導電性ＳｉＯ_X層４１を７０ｎｍ、ｎ型μｃ−Ｓｉ層４２を３０ｎｍ、さらにその上に導電性ＳｉＯ_X層４３を７０ｎｍの膜厚でそれぞれプラズマＣＶＤ法により、前記前方光電変換ユニットを構成するｎ型μｃ−Ｓｉ層を製膜したチャンバーと同一のチャンバー内で連続的に製膜することにより中間層４を形成した。

導電性ＳｉＯ_X層４１および４３は、平行平板型高周波プラズマＣＶＤ法で堆積した。そのときの製膜条件については、プラズマの励起周波数を１３．５６ＭＨｚ、下地温度を１６０℃、反応室内圧力を６Ｔｏｒｒとして形成した。プラズマＣＶＤ反応室内に導入される原料ガスとしてＳｉＨ₄、ＰＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆、ＣＯ₂、およびＨ₂を用いた。以上の条件で７０ｎｍの導電性ＳｉＯ_X層４１を製膜した後、そのまま同一チャンバー内でＣＯ₂のガス供給を止め、ｎ型μｃ−Ｓｉ層４２を３０ｎｍ製膜した。さらにｎ型μｃ−Ｓｉ層４２を製膜したのと同一のチャンバー内でＣＯ₂のガス供給を再開し、前記導電性ＳｉＯ_X層の製膜条件と同一の条件で導電性ＳｉＯ_X層４３を７０ｎｍ製膜した。

また、上記導電性ＳｉＯ_X層をラマン散乱分光法により測定すると、結晶シリコンに特有の５２０ｃｍ^-1の波数におけるピークが観察され、微結晶構造を有する事がわかっている。また、本ラマン散乱分光法による結晶シリコンおよびアモルファスシリコンに起因するピークの比率は２〜６程度であった。

さらに前記中間層４の上にボロンドープのｐ型微結晶シリコン層を１５ｎｍ、ノンドープの結晶質シリコン光電変換層を１．７μｍ、リンドープのｎ型微結晶シリコン層を２０ｎｍの膜厚で、それぞれプラズマＣＶＤ法により製膜した。これにより、後方光電変換ユニットであるｐｉｎ接合の結晶質シリコン光電変換ユニット５を形成した。さらに後方光電変換ユニット５の上に、裏面電極層６としてＺｎＯ膜を８０ｎｍ、Ａｇ膜を３００ｎｍの膜厚で、それぞれスパッタ法により形成した。

本実施例ではｎ型μｃ−Ｓｉ層と導電性ＳｉＯ_X層の繰り返しが２層となる構造の中間層を用いることにより、前方光電変換ユニットが吸収する光の波長領域に対しては広い波長範囲で８０％を越す反射率が得られ、一方で７００から８００ｎｍ以上の長波長領域の光に対する反射率は低くなるため、後方光電変換ユニットが吸収する光の波長領域に対しては広い範囲で９０％以上の光透過率を示し、入射光を選択的に反射させて有効に活用することが出来る。これらの効果により、前方光電変換ユニット３の短絡電流密度を向上させるとともに、後方光電変換ユニット５の短絡電流密度の低下を防ぎ、各光電変換ユニットにより生成される短絡電流密度のバランスを取ることが出来た。

同じく図１に示す構成の多接合型薄膜シリコン太陽電池を比較例１として作製した。本比較例１では中間層４がｎ型ＳｉＯ_X層のみで構成されており、前記ｎ型ＳｉＯ_X層の厚さを７０ｎｍとして、それ以外の製膜条件は実施例１と同一とした。本比較例では前記のｎ型ＳｉＯ_X層１層による中間層を用いるため、前方光電変換ユニットが吸収する光の波長領域に対しては反射率が最大でも７０％程度にとどまり、また、後方光電変換ユニットが吸収する光の波長領域に対しても低い光透過率を示し、入射光の選択的な反射が充分に出来ない。本比較例１では前記ｎ型ＳｉＯ_X層の膜厚を薄膜化することにより短波長領域の光反射率を上げ、かつ長波長領域の光透過率も高くする事が出来るが、ｎ型ＳｉＯ_X層の薄膜化による反射率の調整では５００ｎｍから７００ｎｍ程度の波長領域の光が十分に前方光電変換ユニット側に反射されない現象が起き、前方光電変換ユニットが吸収する光の波長領域に対して充分な選択性を持つ中間層とはなり得ない。

このような実施例１の多接合型薄膜シリコン太陽電池に入射光としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ２の光照度で照射したときの短絡電流密度は、比較例１では約１２〜１３ｍＡ／ｃｍ２であったのに対し、実施例１では約１３〜１４ｍＡ／ｃｍ２と１０％程度の短絡電流密度の向上が見られ、変換効率も短絡電流密度の向上と同じく１０％程度向上する事が確認された。

なお、本実施例では導電性ＳｉＯ_X層およびｎ型μｃ−Ｓｉ層の厚さはそれぞれ７０ｎｍおよび３０ｎｍとして２回繰り返し構造としたが、本繰り返し回数を３回、４回と増加させても、本発明による光反射の選択性を満たす構造であれば同様の効果を有する。また、本発明による導電性ＳｉＯ_X層およびｎ型μｃ−Ｓｉ層の膜厚比は一例であり、前方光電変換ユニットの構成材料の変化や表面形状による反射率の変化に合わせて膜厚比を適切に調整することにより、同様の効果を有する中間層４が形成できる。

（実施例２および比較例２）
図２を参照して説明された第二の実施の形態に対応して、実施例２としての多接合シリコン太陽電池が作製された。透明基板１にはガラスを用い、透明電極層２にはＳｎＯ２を用いた。この際の透明電極層２の膜厚は８００ｎｍ、シート抵抗は１０オーム／□、ヘイズ率は１５〜２０％とした。この上に、ボロンドープのｐ型シリコンカーバイド（ＳｉＣ）層を１０ｎｍ、ノンドープの非晶質シリコン光電変換層を８０ｎｍ、リンドープのｎ型μｃ−Ｓｉ層を２０ｎｍの膜厚で、それぞれプラズマＣＶＤ法により製膜した。これにより、前方光電変換ユニットであるｐｉｎ接合の非晶質シリコン光電変換ユニット３を形成した。

さらに前記前方光電変換ユニット３の上にボロンドープのｐ型のシリコンカーバイド層を２０ｎｍ、ノンドープの非晶質シリコン光電変換層を３００ｎｍ、リンドープのｎ型微結晶シリコン層を２０ｎｍの膜厚で、それぞれプラズマＣＶＤ法により製膜した。これにより、中間光電変換ユニットであるｐｉｎ接合の非晶質シリコン光電変換ユニット７を形成した。

さらに非晶質シリコン光電変換ユニット７の上に中間層として導電性ＳｉＯ_X層４１を８０ｎｍ、ｎ型μｃ−Ｓｉ層４２を３５ｎｍ、さらにその上に導電性ＳｉＯ_X層４３を８０ｎｍの膜厚でそれぞれプラズマＣＶＤ法により、前記前方光電変換ユニットを構成するｎ型μｃ−Ｓｉ層を製膜したチャンバーと同一のチャンバー内で連続的に製膜することにより中間層４を形成した。

導電性ＳｉＯ_X層４１および４３は、平行平板型高周波プラズマＣＶＤ法で堆積した。そのときの製膜条件については、プラズマの励起周波数を１３．５６ＭＨｚ、下地温度を１６０℃、反応室内圧力を６Ｔｏｒｒとして形成した。プラズマＣＶＤ反応室内に導入される原料ガスとしてＳｉＨ₄、ＰＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆、ＣＯ₂、およびＨ₂を用いた。

さらに前記中間層４の上に、ボロンドープのｐ型微結晶シリコン層を１５ｎｍ、ノンドープの結晶質シリコン光電変換層を１．４μｍ、リンドープのｎ型微結晶シリコン層を２０ｎｍの膜厚で、それぞれプラズマＣＶＤ法により製膜した。これにより、後方光電変換ユニットであるｐｉｎ接合の結晶質シリコン光電変換ユニット５を形成した。最後に後方光電変換ユニット５の上に、裏面電極層６としてＺｎＯ膜を８０ｎｍ、Ａｇ膜を３００ｎｍの膜厚で、それぞれスパッタ法により形成して、３接合型シリコン系太陽電池を形成した。

本実施例では３接合型構造となるため、前方光電変換ユニットが吸収する光の波長範囲のみではなく、中間光電変換ユニットが吸収する光の波長範囲の光についても効率的に中間層により反射をする必要があるため、中間層の反射特性としては８００ｎｍ付近の長波長の領域までの光も効率的に反射する必要がある。本実施例における中間層の反射特性では反射のピークが６００ｎｍの波長の光の領域と比較的長い波長の光を反射するように設計されている。このため、実施例中の中間層では７００ｎｍの波長の光でも５０％以上の光反射特性を有し、光反射の領域は８００ｎｍ領域まで広がっている。一方で８００ｎｍ以上の長波長領域の光に対する反射率は低くなるように設計されており、９００ｎｍ以上の長い波長領域の光に対しては９０％以上の高い光透過率を示し、３段タンデム型の多接合太陽電池においても入射光を選択的に反射させて光を有効に活用することが出来、各光電変換ユニットにより生成される短絡電流密度のバランスを保つことが可能である。

同じく図２に示す構成の非晶質シリコン太陽電池を比較例１として作製した。本比較例２では中間層４がｎ型ＳｉＯ_X層のみで構成されており、前記ｎ型ＳｉＯ_X層の厚さを１５０ｎｍとして、それ以外の製膜条件は実施例１と同一とした。本比較例では前記のｎ型ＳｉＯ_X層１層による中間層を用い、且つ前記ｎ型ＳｉＯ_X層の膜厚が厚いため、前方光電変換ユニットが吸収する光の波長領域に対しては反射率が最大でも５０％以下となり、かつ後方光電変換ユニットが吸収する光の波長領域に対しても低い光透過率を示すため、入射光の選択的な反射が充分に出来ていない。

このような実施例２の３接合型シリコン系太陽電池に入射光としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ２の光照度で照射したときの短絡電流密度は、比較例１では約６．５ｍＡ／ｃｍ２であったのに対し、実施例１では約７．１ｍＡ／ｃｍ２と１０％程度の短絡電流密度の向上が見られ、変換効率も短絡電流密度の向上と同じく１０％程度向上し、比較例２では９．５％程度であった変換効率が実施例２では１０．８％程度と大きく向上する事が確認された。

本発明の１つの実施形態に係る多接合型シリコン系光電変換装置の構造断面図。 本発明の別な実施形態に係る３接合型シリコン系光電変換装置の構造断面図。

符号の説明

１ 透明基板
２ 透明電極層
３ 前方光電変換ユニット
４ 中間層
４１ 導電性ＳｉＯ_X層
４２ ｎ型μｃ−Ｓｉ層
４３ 導電性ＳｉＯ_X層
５ 後方光電変換ユニット
６ 裏面電極層
７ 中間光電変換ユニット

Claims (5)

1. 中間層を介して直列接続されたシリコン系薄膜光電変換ユニットを備えた多接合型シリコン系薄膜光電変換装置であって、該中間層はプラズマＣＶＤ法で製膜された１以上のｎ型μｃ−Ｓｉ層と２以上の導電性ＳｉＯ_X層とからなり、該ｎ型μｃ−Ｓｉ層の両方の面が該導電性ＳｉＯ_X層と接するように配置された多層膜であることを特徴とする多接合型シリコン系薄膜光電変換装置。
2. 前記シリコン系薄膜光電変換ユニットがｐ型層、ｉ型層、及びｎ型層の順に積層されてなり、さらに、前記中間層が続けてｎ型μｃ−Ｓｉ層から積層されてなることを特徴とする請求項１に記載の多接合型シリコン系薄膜光電変換装置。
3. 前記中間層における導電性ＳｉＯ_X層が結晶構造を有するＳｉを含むことを特徴とする請求項１および２のいずれかに記載の多接合型シリコン系薄膜光電変換装置。
4. 前記中間層を同一チャンバー内で連続して製膜することを特徴とする請求項１、２及び３のいずれかに記載の多接合型シリコン系薄膜光電変換装置の製造方法。
5. 前記中間層における導電性ＳｉＯ_X層の製膜はシラン等の反応ガスにＣＯ₂ガスを導入することにより形成する多接合型シリコン系薄膜光電変換装置の製造方法であって、ＣＯ₂ガスのチャンバー内への導入量を連続的に変えることによって前記中間層を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の多接合型シリコン系薄膜光電変換装置の製造方法。

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