JP3382141B2 - 光電変換素子 - Google Patents
光電変換素子Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本願の発明は、半導体薄膜に
入射した光のエネルギーを電力に変換する薄膜系の光電
変換素子に関するものである。 【0002】 【従来の技術】図1は、光電変換素子の一般的な構成を
示している。この光電変換素子11では、ガラス基板1
2上にSiO2膜13が積層されており、これらのガラ
ス基板12とSiO2膜13とで透光性基体14が構成
されている。SiO2膜13上には、CVD法やスパッ
タ法や蒸着法等で形成されたSnO2膜やZnO膜やI
n2O3膜等の金属酸化物膜である透光性電極15が積層
されている。これらの金属酸化物膜には不純物が含まれ
ている場合も含まれていない場合もある。 【0003】透光性電極15上には非晶質Si薄膜等で
ある半導体薄膜16が積層されており、pn接合やpi
n接合等が半導体薄膜16に形成されている。半導体薄
膜16上には、Al膜等である裏面電極17が積層され
ている。なお、ガラス基板12からアルカリ成分が溶出
して透光性電極15に欠陥が生じたり透光性電極15の
電気抵抗が高くなったりすることを防止するためにSi
O2膜13が設けられているが、このSiO2膜13は必
ずしも必要ではない。 【0004】この様な光電変換素子11では、ガラス基
板12側から光を入射させる。ガラス基板12に入射し
SiO2膜13及び透光性電極15を透過して半導体薄
膜16に入射した光が半導体薄膜16の禁制帯幅よりも
大きなエネルギーを有していると、この光が半導体薄膜
16の空乏層等で吸収されて、電子−正孔対を生成す
る。これらの電子及び正孔が透光性電極15または裏面
電極17に集められて、起電力が発生する。 【0005】ところで、光電変換素子11の光電変換効
率を高めるためには、半導体薄膜16に多くの光を入射
させる必要がある。このため、従来の光電変換素子11
では、透光性基体14に入射した光が透光性電極15で
吸収されにくくするために、光透過率の高い材料で透光
性電極15を形成することが考えられていた。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光電変
換素子11では、透光性基体14と透光性電極15との
界面や透光性電極15と半導体薄膜16との界面におけ
る反射率が高かった。このため、光透過率の高い材料で
透光性電極15が形成されていても、十分な量の光が半
導体薄膜16に入射しなくて、光電変換効率が十分には
高くなかった。 【0007】従って、本願の発明は、製造コストの増大
が抑制されているにも拘らず半導体薄膜に多くの光を入
射させることができて光電変換効率が高い光電変換素子
を提供することを目的としている。 【0008】 【課題を解決するための手段】本願の発明による光電変
換素子では、複数層の透光性導電膜が積層されて透光性
電極が構成されているが、複数層の透光性導電膜の主成
分が互いに同じSnO 2 で、添加されているFである不
純物の濃度が相対的に高い透光性導電膜と不純物の濃度
が相対的に低い透光性導電膜とが交互に3層以上積層さ
れているだけであるので、透光性電極を構成している複
数層の透光性導電膜を同一の製造装置で連続的に形成す
ることができる。 【0009】そして、それにも拘らず、添加されている
不純物の濃度が相対的に高い透光性導電膜と不純物の濃
度が相対的に低い透光性導電膜とが交互に積層されてい
るので、積層方向に接している2層の透光性導電膜の屈
折率が互いに異なっている。このため、透光性基体に接
する透光性導電膜や半導体薄膜に接する透光性導電膜と
して透光性基体や半導体薄膜との屈折率差が小さい透光
性導電膜を選択することができて、透光性基体と透光性
電極との界面や透光性電極と半導体薄膜との界面におけ
る反射率を低減させることができる。 【0010】 【発明の実施の形態】以下、SnO2膜が透光性電極1
5になっている薄膜系の光電変換素子に適用した本願の
発明の一参考形態及び第1〜第3実施形態を、図1を参
照しながら説明する。参考形態及び第1〜第3実施形態
の何れの光電変換素子でも、全体的な構成は既に図1に
示した通りである。しかし、参考形態及び第1〜第3実
施形態の光電変換素子11では、単層ではなく複数層の
SnO2膜が積層されて透光性電極15が構成されてい
る。 【0011】まず、2層のSnO2膜で透光性電極15
が構成されている参考形態を説明する。この参考形態の
光電変換素子11を製造するためには、ソーダ石灰シリ
カガラスを溶融窯で溶融させ、溶融した素地を錫槽に流
し込む所謂フロート法によって、後に切断されてガラス
基板12になる厚さ2mmの板状ガラスを形成する。錫
槽内の雰囲気は98体積%の窒素と2体積%の水素とか
ら成っており、この雰囲気の圧力は錫槽外の圧力よりも
若干高い。 【0012】錫槽内には、オンラインCVD法を実行す
ることができる様に、原料ガスを供給するための複数の
ノズルが板状ガラスの移動方向に沿って設けられてい
る。形成された板状ガラスが第1群のノズルの下方を通
過する際に、モノシラン、エチレン、酸素及び窒素の混
合ガスを第1群のノズルから板状ガラスに供給して、厚
さ30nmのSiO2膜13を板状ガラス上に形成す
る。 【0013】そして、板状ガラスが第2群のノズルの下
方を通過する際に、ジメチル錫ジクロライドの蒸気、酸
素、水蒸気及び窒素の混合ガスを第2群のノズルから板
状ガラスに供給して、厚さ360nmの純粋な第1層目
のSnO2膜をSiO2膜13上に形成する。 【0014】そして、更に、板状ガラスが第3群のノズ
ルの下方を通過する際に、ジメチル錫ジクロライドの蒸
気、酸素、水蒸気、窒素及びフッ化水素の混合ガスを第
3群のノズルから板状ガラスに供給して、Fが添加され
た厚さ230nmの第2層目のSnO2膜を第1層目の
SnO2膜上に形成する。 【0015】板状ガラスが第1〜第3群の夫々のノズル
の下方を通過する時間は互いに略等しいので、SiO2
膜13並びに第1層目及び第2層目のSnO2膜の夫々
の厚さは、夫々のノズルから供給する原料ガスの濃度を
変化させることによって制御する。その後、板状ガラス
を徐冷させてから、450mm×450mmの寸法のガ
ラス板に切断する。 【0016】次に、切断したガラス板を十分に洗浄し且
つ乾燥させた後、高周波グロー放電を行う容量結合型の
プラズマCVD装置で、pin接合を有する半導体薄膜
16を透光性電極15上に形成する。半導体薄膜16の
構成及び各層の形成条件は下記の通りであり、各層の厚
さは形成時間によって制御する。 【0017】 p層 a−SiC:H 10nm モノシラン 55sccm メタン 15sccm ジボラン 30sccm 放電電力 5W 基板温度 220℃ 圧力 170Pa程度 【0018】 i層 a−Si:H 300〜550nm モノシラン 100sccm 放電電力 5W 基板温度 220℃ 圧力 170Pa程度 【0019】 n層 μc−Si:H 40nm モノシラン 25sccm フォスフィン 25sccm 放電電力 50W 基板温度 220℃ 圧力 170Pa程度 【0020】次に、133Pa程度の圧力の真空蒸着に
よって、厚さ300nm程度のAl膜を裏面電極17と
して半導体薄膜16上に形成する。そして、このガラス
板を430mm×430mmの寸法に切断して、この参
考形態の光電変換素子11を完成させる。 【0021】半導体薄膜16及び裏面電極17を除いた
参考形態の光電変換素子11における構造及び光の透過
率が、表1の項番1に示されている。表1の項番1の右
端欄には、参考形態の透光性電極15と全体の厚さが同
じであるがFが添加された単層のSnO2膜で透光性電
極15が形成されている比較例における光の透過率も示
されている。 【0022】 【表1】【0023】なお、第1層目及び第2層目の夫々のSn
O2膜の厚さは、以下の様にして測定した。即ち、移動
している板状ガラスに対して第1層目のSnO2膜の形
成を開始する位置よりも第2層目のSnO2膜の形成を
開始する位置を遅らせて、第2層目のSnO2膜の表面
が露出している部分のみならず第1層目のSnO2膜の
表面が露出している部分も形成した。 【0024】そして、第1層目のSnO2膜の表面が露
出している部分と第2層目のSnO2膜の表面が露出し
ている部分とから測定領域を選択し、測定領域以外の領
域をテープでマスクすると共に測定領域に亜鉛の粉末を
付け、これらの上から希塩酸を注いでSnO2膜をエッ
チングし、触針計(アルファステップ−200:テンコ
ールインスツルメンツ社の製品名)で夫々のSnO2膜
の厚さを測定した。 【0025】次に、第1〜第3実施形態を説明する。表
1の項番2〜4には、半導体薄膜16及び裏面電極17
を除いた第1〜第3実施形態の光電変換素子11におけ
る構造及び光の透過率と、各々の比較例における光の透
過率も示されている。これら第1〜第3実施形態の光電
変換素子11では、透光性電極15を構成しているSn
O2膜の積層構造のみが上述の参考形態と相違している
だけであり、しかも、各層のSnO2膜は参考形態の製
造方法と同様にして形成される。 【0026】表1の項番5には、4層のSnO2膜で透
光性電極15が構成されている点は第2実施形態と同じ
であるが、Fが添加されていない純粋なSnO2膜が半
導体薄膜16に接している点で第2実施形態と相違して
いる比較例も示されている。この表1から明らかな様
に、参考形態及び第1〜第3実施形態の何れの光電変換
素子11における光の透過率も比較例における光の透過
率よりも高い。従って、参考形態及び第1〜第3実施形
態の何れの光電変換素子11も、半導体薄膜16に多く
の光を入射させることができて光電変換効率が高い。 【0027】透光性電極15は低抵抗である必要がある
ので、積層されている複数層のSnO2膜全体の厚さは
400nm程度以上である必要がある。しかし、透光性
電極15が厚過ぎると光の透過率が低下すると共に製造
コストが上昇するので、積層されている複数層のSnO
2膜全体の厚さは1500nm程度以下である必要があ
る。なお、以上に述べた光電変換素子11としては、太
陽電池やフォトダイオード等がある。 【0028】 【発明の効果】本願の発明による光電変換素子では、透
光性電極を構成している複数層の透光性導電膜を同一の
製造装置で連続的に形成することができるので、製造コ
ストの増大が抑制されており、そして、それにも拘ら
ず、透光性基体と透光性電極との界面や透光性電極と半
導体薄膜との界面における反射率を低減させることがで
きるので、半導体薄膜に多くの光を入射させることがで
きて光電変換効率が高い。
入射した光のエネルギーを電力に変換する薄膜系の光電
変換素子に関するものである。 【0002】 【従来の技術】図1は、光電変換素子の一般的な構成を
示している。この光電変換素子11では、ガラス基板1
2上にSiO2膜13が積層されており、これらのガラ
ス基板12とSiO2膜13とで透光性基体14が構成
されている。SiO2膜13上には、CVD法やスパッ
タ法や蒸着法等で形成されたSnO2膜やZnO膜やI
n2O3膜等の金属酸化物膜である透光性電極15が積層
されている。これらの金属酸化物膜には不純物が含まれ
ている場合も含まれていない場合もある。 【0003】透光性電極15上には非晶質Si薄膜等で
ある半導体薄膜16が積層されており、pn接合やpi
n接合等が半導体薄膜16に形成されている。半導体薄
膜16上には、Al膜等である裏面電極17が積層され
ている。なお、ガラス基板12からアルカリ成分が溶出
して透光性電極15に欠陥が生じたり透光性電極15の
電気抵抗が高くなったりすることを防止するためにSi
O2膜13が設けられているが、このSiO2膜13は必
ずしも必要ではない。 【0004】この様な光電変換素子11では、ガラス基
板12側から光を入射させる。ガラス基板12に入射し
SiO2膜13及び透光性電極15を透過して半導体薄
膜16に入射した光が半導体薄膜16の禁制帯幅よりも
大きなエネルギーを有していると、この光が半導体薄膜
16の空乏層等で吸収されて、電子−正孔対を生成す
る。これらの電子及び正孔が透光性電極15または裏面
電極17に集められて、起電力が発生する。 【0005】ところで、光電変換素子11の光電変換効
率を高めるためには、半導体薄膜16に多くの光を入射
させる必要がある。このため、従来の光電変換素子11
では、透光性基体14に入射した光が透光性電極15で
吸収されにくくするために、光透過率の高い材料で透光
性電極15を形成することが考えられていた。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光電変
換素子11では、透光性基体14と透光性電極15との
界面や透光性電極15と半導体薄膜16との界面におけ
る反射率が高かった。このため、光透過率の高い材料で
透光性電極15が形成されていても、十分な量の光が半
導体薄膜16に入射しなくて、光電変換効率が十分には
高くなかった。 【0007】従って、本願の発明は、製造コストの増大
が抑制されているにも拘らず半導体薄膜に多くの光を入
射させることができて光電変換効率が高い光電変換素子
を提供することを目的としている。 【0008】 【課題を解決するための手段】本願の発明による光電変
換素子では、複数層の透光性導電膜が積層されて透光性
電極が構成されているが、複数層の透光性導電膜の主成
分が互いに同じSnO 2 で、添加されているFである不
純物の濃度が相対的に高い透光性導電膜と不純物の濃度
が相対的に低い透光性導電膜とが交互に3層以上積層さ
れているだけであるので、透光性電極を構成している複
数層の透光性導電膜を同一の製造装置で連続的に形成す
ることができる。 【0009】そして、それにも拘らず、添加されている
不純物の濃度が相対的に高い透光性導電膜と不純物の濃
度が相対的に低い透光性導電膜とが交互に積層されてい
るので、積層方向に接している2層の透光性導電膜の屈
折率が互いに異なっている。このため、透光性基体に接
する透光性導電膜や半導体薄膜に接する透光性導電膜と
して透光性基体や半導体薄膜との屈折率差が小さい透光
性導電膜を選択することができて、透光性基体と透光性
電極との界面や透光性電極と半導体薄膜との界面におけ
る反射率を低減させることができる。 【0010】 【発明の実施の形態】以下、SnO2膜が透光性電極1
5になっている薄膜系の光電変換素子に適用した本願の
発明の一参考形態及び第1〜第3実施形態を、図1を参
照しながら説明する。参考形態及び第1〜第3実施形態
の何れの光電変換素子でも、全体的な構成は既に図1に
示した通りである。しかし、参考形態及び第1〜第3実
施形態の光電変換素子11では、単層ではなく複数層の
SnO2膜が積層されて透光性電極15が構成されてい
る。 【0011】まず、2層のSnO2膜で透光性電極15
が構成されている参考形態を説明する。この参考形態の
光電変換素子11を製造するためには、ソーダ石灰シリ
カガラスを溶融窯で溶融させ、溶融した素地を錫槽に流
し込む所謂フロート法によって、後に切断されてガラス
基板12になる厚さ2mmの板状ガラスを形成する。錫
槽内の雰囲気は98体積%の窒素と2体積%の水素とか
ら成っており、この雰囲気の圧力は錫槽外の圧力よりも
若干高い。 【0012】錫槽内には、オンラインCVD法を実行す
ることができる様に、原料ガスを供給するための複数の
ノズルが板状ガラスの移動方向に沿って設けられてい
る。形成された板状ガラスが第1群のノズルの下方を通
過する際に、モノシラン、エチレン、酸素及び窒素の混
合ガスを第1群のノズルから板状ガラスに供給して、厚
さ30nmのSiO2膜13を板状ガラス上に形成す
る。 【0013】そして、板状ガラスが第2群のノズルの下
方を通過する際に、ジメチル錫ジクロライドの蒸気、酸
素、水蒸気及び窒素の混合ガスを第2群のノズルから板
状ガラスに供給して、厚さ360nmの純粋な第1層目
のSnO2膜をSiO2膜13上に形成する。 【0014】そして、更に、板状ガラスが第3群のノズ
ルの下方を通過する際に、ジメチル錫ジクロライドの蒸
気、酸素、水蒸気、窒素及びフッ化水素の混合ガスを第
3群のノズルから板状ガラスに供給して、Fが添加され
た厚さ230nmの第2層目のSnO2膜を第1層目の
SnO2膜上に形成する。 【0015】板状ガラスが第1〜第3群の夫々のノズル
の下方を通過する時間は互いに略等しいので、SiO2
膜13並びに第1層目及び第2層目のSnO2膜の夫々
の厚さは、夫々のノズルから供給する原料ガスの濃度を
変化させることによって制御する。その後、板状ガラス
を徐冷させてから、450mm×450mmの寸法のガ
ラス板に切断する。 【0016】次に、切断したガラス板を十分に洗浄し且
つ乾燥させた後、高周波グロー放電を行う容量結合型の
プラズマCVD装置で、pin接合を有する半導体薄膜
16を透光性電極15上に形成する。半導体薄膜16の
構成及び各層の形成条件は下記の通りであり、各層の厚
さは形成時間によって制御する。 【0017】 p層 a−SiC:H 10nm モノシラン 55sccm メタン 15sccm ジボラン 30sccm 放電電力 5W 基板温度 220℃ 圧力 170Pa程度 【0018】 i層 a−Si:H 300〜550nm モノシラン 100sccm 放電電力 5W 基板温度 220℃ 圧力 170Pa程度 【0019】 n層 μc−Si:H 40nm モノシラン 25sccm フォスフィン 25sccm 放電電力 50W 基板温度 220℃ 圧力 170Pa程度 【0020】次に、133Pa程度の圧力の真空蒸着に
よって、厚さ300nm程度のAl膜を裏面電極17と
して半導体薄膜16上に形成する。そして、このガラス
板を430mm×430mmの寸法に切断して、この参
考形態の光電変換素子11を完成させる。 【0021】半導体薄膜16及び裏面電極17を除いた
参考形態の光電変換素子11における構造及び光の透過
率が、表1の項番1に示されている。表1の項番1の右
端欄には、参考形態の透光性電極15と全体の厚さが同
じであるがFが添加された単層のSnO2膜で透光性電
極15が形成されている比較例における光の透過率も示
されている。 【0022】 【表1】【0023】なお、第1層目及び第2層目の夫々のSn
O2膜の厚さは、以下の様にして測定した。即ち、移動
している板状ガラスに対して第1層目のSnO2膜の形
成を開始する位置よりも第2層目のSnO2膜の形成を
開始する位置を遅らせて、第2層目のSnO2膜の表面
が露出している部分のみならず第1層目のSnO2膜の
表面が露出している部分も形成した。 【0024】そして、第1層目のSnO2膜の表面が露
出している部分と第2層目のSnO2膜の表面が露出し
ている部分とから測定領域を選択し、測定領域以外の領
域をテープでマスクすると共に測定領域に亜鉛の粉末を
付け、これらの上から希塩酸を注いでSnO2膜をエッ
チングし、触針計(アルファステップ−200:テンコ
ールインスツルメンツ社の製品名)で夫々のSnO2膜
の厚さを測定した。 【0025】次に、第1〜第3実施形態を説明する。表
1の項番2〜4には、半導体薄膜16及び裏面電極17
を除いた第1〜第3実施形態の光電変換素子11におけ
る構造及び光の透過率と、各々の比較例における光の透
過率も示されている。これら第1〜第3実施形態の光電
変換素子11では、透光性電極15を構成しているSn
O2膜の積層構造のみが上述の参考形態と相違している
だけであり、しかも、各層のSnO2膜は参考形態の製
造方法と同様にして形成される。 【0026】表1の項番5には、4層のSnO2膜で透
光性電極15が構成されている点は第2実施形態と同じ
であるが、Fが添加されていない純粋なSnO2膜が半
導体薄膜16に接している点で第2実施形態と相違して
いる比較例も示されている。この表1から明らかな様
に、参考形態及び第1〜第3実施形態の何れの光電変換
素子11における光の透過率も比較例における光の透過
率よりも高い。従って、参考形態及び第1〜第3実施形
態の何れの光電変換素子11も、半導体薄膜16に多く
の光を入射させることができて光電変換効率が高い。 【0027】透光性電極15は低抵抗である必要がある
ので、積層されている複数層のSnO2膜全体の厚さは
400nm程度以上である必要がある。しかし、透光性
電極15が厚過ぎると光の透過率が低下すると共に製造
コストが上昇するので、積層されている複数層のSnO
2膜全体の厚さは1500nm程度以下である必要があ
る。なお、以上に述べた光電変換素子11としては、太
陽電池やフォトダイオード等がある。 【0028】 【発明の効果】本願の発明による光電変換素子では、透
光性電極を構成している複数層の透光性導電膜を同一の
製造装置で連続的に形成することができるので、製造コ
ストの増大が抑制されており、そして、それにも拘ら
ず、透光性基体と透光性電極との界面や透光性電極と半
導体薄膜との界面における反射率を低減させることがで
きるので、半導体薄膜に多くの光を入射させることがで
きて光電変換効率が高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の発明を適用し得る薄膜系の光電変換素子
の側面図である。 【符号の説明】 11 光電変換素子 14 透光性基体 15 透光性電極 16 半導体薄膜
の側面図である。 【符号の説明】 11 光電変換素子 14 透光性基体 15 透光性電極 16 半導体薄膜
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 平田 昌宏
大阪府大阪市中央区道修町3丁目5番11
号 日本板硝子株式会社内
(56)参考文献 特開 平6−120534(JP,A)
特開 昭63−275187(JP,A)
特開 昭62−198169(JP,A)
特開 昭63−199863(JP,A)
特開 平1−149485(JP,A)
(58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名)
H01L 31/04 - 31/078
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 透光性基体上に透光性電極と半導体薄膜
とが順次に積層されている光電変換素子において、 複数層の透光性導電膜が積層されて前記透光性電極が構
成されており、 前記複数層の透光性導電膜の主成分がSnO 2 であり、 添加されているFである不純物の濃度が相対的に高い前
記透光性導電膜と前記不純物の濃度が相対的に低い前記
透光性導電膜とが交互に3層以上積層されており、 前記不純物の濃度が相対的に高い前記透光性導電膜が前
記半導体薄膜に接していることを特徴とする光電変換素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36632597A JP3382141B2 (ja) | 1997-12-24 | 1997-12-24 | 光電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36632597A JP3382141B2 (ja) | 1997-12-24 | 1997-12-24 | 光電変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11186580A JPH11186580A (ja) | 1999-07-09 |
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