JP2001267598A

JP2001267598A - 積層型太陽電池

Info

Publication number: JP2001267598A
Application number: JP2000076640A
Authority: JP
Inventors: Minkyo Yo; 民挙楊
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】光電変換効率及び耐放射線特性に優れた積層
型太陽電池を得る。【解決手段】ＰＮ接合部を有する光電変換セルが複数
積層された積層型太陽電池において、受光面に対して最
も遠い位置に存在する光電変換セル（最下部光電変換セ
ル）が、単結晶又は多結晶シリコン半導体基板を利用し
て構成されるＰＮ接合部を有し、かつこのＰＮ接合部が
受光面と反対側の半導体基板に存在することを特徴とす
る積層型太陽電池並びに各光電変換セルの界面に導電性
の中間層を有し、最下部光電変換セルが第１導電型の単
結晶、多結晶又は微結晶シリコンからなる光入射側表面
を有し、この光入射側表面が、水素を含む第１又は第２
導電型のアモルファス又は微結晶のＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ
≦０．２）からなる中間層に接することを特徴とする積
層型太陽電池により上記の課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の光電変換セ
ルを積層してなる積層型太陽電池に関するものであり、
特に、高効率で、耐放射線特性が高いシリコン積層型太
陽電池に関する。本発明の積層型太陽電池は宇宙用太陽
電池に好適であり、また、地上用太陽電池及びフォトセ
ンサなどにも適用できる。

【０００２】

【従来の技術】半導体等の内部光電効果を利用して太陽
光を直接電気に変換する光電変換装置は太陽電池と呼ば
れる。現在、地上での各種用途に応じて、例えば単一接
合を有する単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太
陽電池、アモルファスシリコン太陽電池などの様々な太
陽電池が使用されている。また宇宙空間においては、放
射線（電子、プロトン）の照射により太陽電池の光電変
換効率が劣化するのを防ぐため、耐放射線特性に優れた
ＧａＡｓ／Ｇｅ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧｅなどのII
I−Ｖ族化合物を用いた宇宙太陽電池が一部実用化さ
れ、並行して研究開発も行われている。宇宙太陽電池と
しては、低コスト、軽量などの利点から単結晶シリコン
太陽電池が依然としてよく使用され、なかでも耐放射線
特性が高いことからＰ型シリコン基板を用いたものが多
く使用されている。

【０００３】しかしながら、さらなる低コスト化のため
には、より一層の高効率化を図る必要がある。その方法
としては、例えば薄膜シリコンを用いて軽量化し、かつ
薄膜シリコンを積層することが考えられている。例え
ば、スイスのNeuchatel大学により、薄膜シリコンを用
いて高効率化を図る方法として、２つの光電変換セルを
積層した二層縦列直列接続光電変換装置（以下タンデム
型太陽電池という）が発表されている（９９年６月、ウ
イーンにて開催された第２回太陽光発電世界会議）。こ
の太陽電池は、入射光を有効に利用するため、高エネル
ギーバンドギャップの半導体材料からなる上部アモルフ
ァスシリコン光電変換セルと、低エネルギーバンドギャ
ップの半導体材料からなる下部多結晶薄膜光電変換セル
とを直接接続した二端子タンデムセル構造を有してい
る。すなわち、この太陽電池は、上部光電変換セルが短
波長側の光を収集し、下部光電変換セルが長波長側の光
を収集することにより、入射光を短波長から長波長まで
有効に利用して、光電変換効率を高めようというもので
ある。

【０００４】また、この発表の中では、（Ｐ−Ｉ−Ｎ／
Ｐ−Ｎ：太陽光がＰ側から入射）接合型の構造Ａ及び
（Ｎ−Ｉ−Ｐ／Ｎ−Ｐ：太陽光がＮ側から入射）接合型
の構造Ｂを有する二種類のタンデム型太陽電池が示さ
れ、構造Ａのタンデム型太陽電池は１０．７％の光電変
換効率を有し、構造Ｂのタンデム型太陽電池は９．３％
の光電変換効率を有していることが示されている。な
お、いずれの太陽電池も下部光電変換セルのＰＮ接合は
半導体基板の光入射側に形成されている。

【０００５】また、三洋電機（株）により、従来の熱拡
散法とは異なる方法で、アモルファスシリコンをＮ型結
晶シリコン基板上に堆積したＰ−Ｎ構造を有する太陽電
池が発表されている（第４回高効率太陽電池ワークショ
ップ1994年、特開平7-142753号公報）。この太陽電池
は、単一接合の構造を有しているが、光入射側と基板側
の半導体が異なる材料からなるため、ヘテロ接合太陽電
池（ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ）と言われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】Neuchatel大学が提案
する構造Ａのタンデム型太陽電池は、上部光電変換セル
（Ｐ−Ｉ−Ｎ、Ｐ側入射）の光電変換効率が構造Ｂのも
の（Ｎ−Ｉ−Ｐ、Ｎ側入射）よりも相対的に高く、逆
に、下部光電変換セル（Ｐ−Ｎ）の光電変換効率が構造
Ｂのもの（Ｎ−Ｐ）より低い（なお、この主な原因は、
下部光電変換セルに使用された多結晶薄膜の品質が低い
ためと考えられる）。その結果、光電変換特性が制限さ
れ、全体の光電変換効率（１０．７％）は多結晶基板だ
けを使った単一接合の太陽電池の光電変換効率（１７
％）に比べて低くなる。従って、このようなタンデム型
太陽電池では、上部光電変換セルがＰ−Ｉ−Ｎ接合型
（Ｐ側入射）でなければ良好な光電変換効率が得られな
いという限定された状況にあり、また、たとえそうであ
っても、満足できる光電変換効率は得られていない。

【０００７】他方、三洋電機（株）のヘテロ接合太陽電
池は、Ｎ型結晶シリコン基板を用いているため、宇宙空
間で使用される場合は、電子とプロトンの照射により光
電変換効率が低くなると予測される。また、Ｎ型結晶シ
リコン基板を使用する際には、表面再結合をより少なく
するために、パッシベーション膜が必要となる。このよ
うな単一接合のアモルファス太陽電池は、その半導体特
性から、入射側のアモルファス層がＰ型である必要があ
る。このため、必然的に基板側がＮ型結晶シリコンとな
り、耐放射線特性が十分でなく、宇宙太陽電池としての
実用化が困難である。本発明者は、以上のような従来の
太陽電池の現状を鑑み、半導体基板として単結晶又は多
結晶シリコン基板を用いること、最下部光電変換セルの
ＰＮ接合を半導体基板の光入射側と反対側に形成するこ
とで、より光電変換効率及び耐放射線特性に優れた積層
型太陽電池を提供できることを見出し、本発明を完成す
るに到った。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かくして本発明によれ
ば、ＰＮ接合部を有する光電変換セルが複数積層された
積層型太陽電池において、受光面に対して最も遠い位置
に存在する光電変換セルが、単結晶又は多結晶シリコン
半導体基板を利用して構成されるＰＮ接合部を有し、か
つこのＰＮ接合部が受光面と反対側の半導体基板に存在
することを特徴とする積層型太陽電池が提供される。ま
た、本発明によれば、ＰＮ接合部を有する光電変換セル
が複数積層された積層型太陽電池において、積層される
各光電変換セルの界面に導電性の中間層を有し、受光面
に対して最も遠い位置に存在する光電変換セルが、第１
導電型の単結晶、多結晶又は微結晶シリコンからなる光
入射側表面を有し、この光入射側表面が、水素を含む第
１又は第２導電型のアモルファス又は微結晶のＳｉ_1-x
Ｃ_x（０≦ｘ≦０．２）からなる中間層に接することを
特徴とする積層型太陽電池が提供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の１つである積層型太陽電
池は、ＰＮ接合部を有する光電変換セルが複数積層され
てなるものであり、主として、受光面に対して最も遠い
位置に存在する光電変換セル（以下、最下部光電変換セ
ルという）が、単結晶又は多結晶シリコン半導体基板を
利用して構成されるＰＮ接合部を有し、かつこのＰＮ接
合部が受光面と反対側の半導体基板に存在することを特
徴とする。本発明における光電変換セルは、半導体基板
と半導体層の積層により、複数の半導体層の積層により
又は半導体基板若しくは半導体層により構成される。ま
た、ＰＮ接合部は、異なる導電型を有する半導体基板及
び半導体層を積層することにより、異なる導電型を有す
る複数の半導体層を積層することにより又は半導体基板
若しくは半導体層にＰ型及びＮ型の不純物をそれぞれド
ープすることにより構成される。

【００１０】半導体層を構成する材料としては、通常太
陽電池に用いられるものであれば特に限定されず、例え
ば、シリコン、シリコンゲルマニウム、シリコンカーボ
ン、ＧａＡｓ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ等が挙げら
れる。これらの結晶系は、単結晶、多結晶、微結晶、非
単結晶、アモルファス又はセミアモルファスのいずれで
あってもよい。半導体層の導電型を決定する不純物原子
としては、Ｐ型の場合は、例えばボロン、アルミニウ
ム、ガリウム、インジウム等が挙げられ、Ｎ型の場合
は、例えばリン、砒素等が挙げられる。なお、半導体層
としては、不純物がドープされたＰ型又はＮ型の半導体
層に加えて、Ｉ型の半導体層を用いることができる。

【００１１】ここで、Ｉ型の半導体層を構成する材料と
しては、上記の半導体材料のいずれも使用することがで
きるが、中でもシリコンゲルマニウム及び水素量の少な
いアモルファスシリコンが好ましい。半導体層の膜厚
は、特に限定されないが、光照射による特性劣化現象
（いわゆるステブシーロンスキー効果）の軽減及び高効
率化のためにできるだけ薄いのが好ましく、例えば２０
０〜５００ｎｍの範囲にあるのが好ましい。本発明にお
ける光電変換セルの導電型の構成は、考えられる全ての
組合わせが適用でき、例えば、光入射側より、（Ｐ−
Ｎ）接合型、（Ｎ−Ｐ）接合型、（Ｐ−Ｉ−Ｎ）接合
型、（Ｎ−Ｉ−Ｐ）接合型、（Ｐ−Ｐ−Ｎ）接合型、
（Ｐ−Ｎ−Ｎ）接合型、（Ｎ−Ｐ−Ｎ）接合型、（Ｎ−
Ｎ−Ｐ）接合型のいずれであってもよい。中でも、高効
率化が容易に可能となり、耐放射線特性が良好であると
いう点で、最下部光電変換セル以外の光電変換セルは、
光入射側より（Ｐ−Ｉ−Ｎ）接合型であり、最下部光電
変換セルは、光入射側より（Ｐ−Ｐ−Ｎ）接合型又は
（Ｐ−Ｎ−Ｎ）接合型であるのが好ましい。また、この
ような構成によれば、従来の技術及び設備を最下部光電
変換セルの製造において援用できるので、製造工程、コ
ストの点において有利である。

【００１２】積層される各光電変換セルは、異なるエネ
ルギー帯のバンドギャップを有する半導体層又は半導体
基板から構成されているのが好ましく、そのバンドギャ
ップは、受光面に対して最も近い光電変換セルから最も
遠い光電変換セルに向かって低くなるのが好ましい。本
発明における最下部光電変換セルは、受光面と反対側の
単結晶又は多結晶シリコン半導体基板にＰＮ接合部を有
する。ここで、「受光面と反対側の半導体基板」とは、
半導体基板の表面又はその表面付近の半導体基板中を意
味する。本発明における単結晶又は多結晶シリコン半導
体基板は、あらかじめ不純物がドープされている。半導
体基板の導電型を決定する不純物原子としては、半導体
層に用いられるものと同じものが使用できる。半導体基
板の導電型は、得られる積層型太陽電池の耐放射線特性
が優れることから、宇宙用太陽電池として用いられる場
合は、Ｐ型であるのが好ましい。単結晶又は多結晶シリ
コン半導体基板の厚さは、特に限定されないが、軽量化
及び高効率化のためにできるだけ薄いのが好ましく、例
えば５０〜２００μｍの範囲にあるのが好ましい。

【００１３】なお、例えば、得られる積層型太陽電池が
宇宙用太陽電池として用いられる場合、単結晶又は多結
晶シリコン半導体基板は、Ｐ型であり、５０〜１００μ
ｍの膜厚を有するのが好ましい。次に、もう１つの本発
明においては、ＰＮ接合部を有する光電変換セルが複数
積層された積層型太陽電池であり、主として、積層され
る各光電変換セルの界面に導電性の中間層を有し、最下
部光電変換セルが、第１導電型の単結晶又は多結晶シリ
コンからなる光入射側表面を有し、この光入射側表面が
水素を含む第１又は第２導電型のアモルファス又は微結
晶のＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ≦０．２）からなる中間層に接
する。

【００１４】ここで、「第１又は第２導電型」とは、そ
れぞれ異なる導電型であることを意味し、それぞれＰ型
又はＮ型のいずれでもよい。すなわち、第１導電型がＰ
型のときは、第２導電型はＮ型であり、また第１導電型
がＮ型のときは、第２導電型はＰ型である。本発明にお
ける導電性の中間層は単層又は複数層であってもよい。
中間層はＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ≦１．０）からなり、その
結晶系はアモルファス又は微結晶のいずれであってもよ
い。中間層の導電型を決定する不純物原子としては、半
導体層に用いられるものと同じものが使用できる。不純
物の濃度は、特に限定されないが、例えば５×１０¹⁹〜
５×１０²¹ｃｍ^-3程度である。

【００１５】中間層の厚さは、特に限定されないが、例
えば５０〜１５０ｎｍ程度である。中間層は、光電変換
セルの接合型に影響されず、例えば、最下部光電変換セ
ル以外の光電変換セルが（Ｐ−Ｉ−Ｎ）接合型であり、
かつ最下部光電変換セルが（Ｐ−Ｎ）接合型である積層
型太陽電池でも、最下部光電変換セル以外の光電変換セ
ルが（Ｎ−Ｉ−Ｐ）接合型であり、かつ最下部光電変換
セルが（Ｎ−Ｐ）接合型であるものでも同様に適用可能
である。本発明における光入射側表面は第１導電型の単
結晶又は多結晶シリコンからなる。光入射側表面の導電
型を決定する不純物原子としては、半導体層に用いられ
るものと同じものが使用できる。光入射側表面の厚さ
は、特に限定されないが、例えば０．２〜０．５μｍ程
度である。

【００１６】本発明における光入射側表面に接する中間
層は、水素を含む第１又は第２導電型のアモルファス又
は微結晶のＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ≦０．２）からなり、単
層膜又は複数層膜であってもよい。すなわち、式中、ｘ
が一つの値を有する場合は単層膜、ｘが２以上の値を有
する場合は複数層膜、ｘが連続する値を有する場合はグ
レーティッド層膜である。なかでも、中間層内部の応力
が緩和されることから、この中間層はグレーティッド層
膜であるのが好ましい。水素の含有量は特に限定されな
いが、例えば１０〜２５％程度であるのが好ましい。光
入射側表面に接する中間層の導電型を決定する不純物原
子としては、半導体層に用いられるものと同じものが使
用できる。不純物の濃度は、光入射側表面に接する中間
層がパッシベーション膜として機能するために、なるべ
く低いのが好ましく、例えば５×１０¹⁵〜５×１０¹⁶程
度である。

【００１７】光入射側表面に接する中間層の厚さは、こ
の中間層がパッシベーション膜として機能するために、
なるべく薄いのが好ましく、例えば５〜３０ｎｍ程度で
ある。光入射側表面に接する中間層が、例えば不純物濃
度２×１０¹⁶、膜厚５〜１０ｎｍ程度の水素を含むＰ型
アモルファスのＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ≦０．２）からなる
場合は、不純物濃度が低く、膜厚が薄いので、中間層の
下に存在する単結晶又は多結晶シリコンからなる光電変
換セルの光入射側表面に電界を導入できるので好まし
い。従って、少数キャリアが界面での再接合速度を減少
するという表面パッシベーション効果が期待でき、光電
変換効率を向上させるので好ましい。なお、このことは
アモルファスシリコンと単結晶シリコンで構成されたヘ
テロ接合により、表面再接合速度を著しく減少する効果
が実験的に確認されていることから明らかである（第４
回高効率太陽電池ワークショップ、Ｐ６１、１９９
４）。

【００１８】光入射側表面に接する中間層は、基本的に
はパッシベーション膜として機能する。このパッシベー
ション膜としての機能に、さらに光電変換セルの反射防
止膜としての機能並びに電子及びプロトン放射線の保護
膜としての機能を加えるために、光入射側表面に接する
中間層上に水素及び窒素を含む第１又は第２導電型のア
モルファス又は微結晶のＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ≦０．１）
からなる第２中間層を積層することができる。第２中間
層における水素の含有率は、特に限定されないが、例え
ば１０〜２５％であるのが好ましい。また、窒素の含有
率は、特に限定されないが、例えば５〜３０％程度であ
るのが好ましい。

【００１９】第２中間層の導電型を決定する不純物原子
としては、半導体層に用いられるものと同じものが使用
できる。不純物の濃度は、第２中間層がパッシベーショ
ン膜として機能するために、なるべく低いのが好まし
く、例えば５×１０¹⁵〜５×１０¹⁶程度である。第２中
間層の厚さは、特に限定されないが、この中間層が光電
変換セルの反射防止膜として並びに電子及びプロトン放
射線の保護膜として機能するために、例えば６０〜４０
０ｎｍ程度であるのが好ましい。第２中間層は、ダイヤ
モンド構造に近い構造を有するものが好ましい。中で
も、電子とプロトンに対する耐放射線特性が結晶シリコ
ンよりも優れている点で、水素を１０²¹ｃｍ^-3以上（１
０％以上）含有し、バンドギャップが１．４５〜３．５
ｅＶである第１又は第２導電型の水素及び窒素を含むア
モルファスカーボン（ａ−Ｃ）が好ましい。この材料か
らなる中間層は、原子配置は不規則であるが、原子の配
位数や最接近原子間距離が対応する結晶系の値にかなり
近いという近距離秩序のダイヤモンド構造（diamondlik
e carbon）を有する。従って、６０〜１４００ｎｍ程度
の膜厚であれば、１．６〜１．９程度の屈折率を示し、
耐放射線保護膜及び下部セルの反射防止膜として効果的
に機能することができるので好ましい。

【００２０】また、例えば、水素を含む第１又は第２導
電型のアモルファスのＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ≦０．２）か
らなる中間層上に水素及び窒素を含む第１又は第２導電
型のアモルファスカーボン（ａ−Ｃ）からなる第２中間
層を積層する場合には、両層の格子常数が異なるため、
両層の間に、水素を含む第１又は第２導電型のアモルフ
ァスのＳｉ_1-xＣ_x（０．２＜ｘ＜１．０）からなり、ｘ
が連続する値を有するグレーティッド層膜を形成するの
が好ましい。これにより、中間層内部の応力が緩和で
き、より高品質な中間層とすることができる。もう１つ
の本発明においては、最下部光電変換セルのＰＮ接合部
は、半導体基板の受光面側又は受光面とは反対側のいず
れに形成されていてもよい。なお、もう１つの本発明に
おける光電変換セル、半導体層及び半導体基板について
の詳細は上記と同様である。

【００２１】単結晶又は多結晶シリコン半導体基板、半
導体層及び中間層は、例えば、蒸着法、ＣＶＤ法、プラ
ズマＣＶＤ法、スパッタリング法等により形成すること
ができる。中でも製造コストを下げることが可能なこと
から、プラズマＣＶＤ法が好ましく、この方法により、
光電変換セルを大面積、均質に薄膜形成することが望ま
しい。これが実現することによって、将来、さらなる大
量生産と低コスト化が達成できる。このような方法で積
層された光電変換セルの上下に、例えば、蒸着法、スパ
ッタリング法等の方法により上部電極及び下部電極がそ
れぞれ形成され、本発明の積層型太陽電池が製造され
る。本発明において使用することができる上部電極及び
下部電極としては、例えば金属層、金属酸化物層又は金
属層と金属酸化物層との積層体からなるものが挙げられ
る。ここで、金属層は、例えば金、銀、アルミニウム、
銅、ニッケル、チタン等の材料から構成される。金属酸
化物層は、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜
鉛（ＺｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ）等の材料から構成され
る。

【００２２】

【実施例】本発明を以下の実施態様に基づき詳細に説明
するが、本発明はこれによって限定されるものではな
い。［実施態様１］本発明の一実施態様であるタンデム型太
陽電池の概略断面図を図１に示す。このタンデム型太陽
電池は、上部電極１０、上部光電変換セル１４、中間層
１３、下部光電変換セル（本発明でいう最下部光電変換
セル）１２および下部電極１から構成される。上部電極
１０は、膜厚が１０７ｎｍであり、透明導電性の酸化イ
ンジウム錫（ＩＴＯ）からなる。上部光電変換セル１４
は、厚さ５〜１０ｎｍの水素を含むＰ型アモルファスシ
リコン層（ａ−Ｓｉ）９、厚さ約３００ｎｍの水素を含
むＩ型アモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ）８及び高エ
ネルギーバンドギャップ（１．７０〜１．８５ｅＶ）を
有する厚さ２０ｎｍの水素を含むＮ型アモルファスシリ
コン層（ａ−Ｓｉ）７からなり、光入射側より（Ｐ−Ｉ
−Ｎ）接合型を構成する。

【００２３】中間層１３は第一層目の中間層５及び第二
層目の中間層６からなる。第一層目の中間層５は、厚さ
が５〜１０ｎｍ、不純物濃度が２×１０¹⁶であり、Ｎ型
アモルファスシリコン層７よりも高いエネルギーバンド
ギャップ（１．９〜２．０ｅＶ）を有する水素を含むア
モルファスシリコンカーボン合金（ａ−Ｓｉ _1-xＣ_x）
（０≦ｘ≦０．２）からなる。第一層目の中間層は不純
物濃度が低く、表面パッシベーション膜として機能す
る。第二層目の中間層６は、膜厚が１０００〜１４００
ｎｍ、水素含有量が１０²¹ｃｍ^-3以上（１０％以上）、
バンドギャップが（１．４５〜３．５ｅＶ）、屈折率が
１．６〜１．９であり、ダイヤモンド構造に近い構造を
有する水素及び窒素を含むアモルファスカーボン（ａ−
Ｃ）からなる。この第二層目の中間層６は、耐放射線保
護膜及び下部セルの反射防止膜として機能する。

【００２４】下部光電変換セル１２は、膜厚約０．３μ
ｍのＰ型結晶シリコン層（ｃ−Ｓｉ）４、膜厚が５０〜
１００μｍ、結晶面が（１００）、抵抗率が１０〜５０
Ω・ｃｍ、バンドギャップが１．１２ｅＶであるＰ型結
晶シリコン基板（ｃ−Ｓｉ）３及び膜厚が０．４μｍで
あるＮ型結晶シリコン層（ｃ−Ｓｉ）２からなり、光入
射面ではＰ⁺／Ｐ（High−Low junction）接合型を構成
し、Ｐ型結晶シリコン基板３の光入射側と反対側に、光
入射側より（Ｐ−Ｎ）接合型を構成している。下部電極
１は膜厚が１．５μｍであり、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｇで構成
される三層金属からなる。このタンデム型太陽電池は、
光がＰ側から入射するＰ−Ｉ−Ｎ／Ｐ⁺−Ｐ−Ｎ⁺接合型
を有する。また、上部光電変換セル１４と下部光電変換
セル１２との接続トンネル接合は、Ｎ型アモルファスシ
リコン層７と第二層目の中間層６が形成されている。

【００２５】このようなタンデム型太陽電池によれば、
バンドギャップの異なる半導体層又は半導体基板からな
る２つの光電変換セルを積層しているので、入射光のう
ち、短波長領域（例えば３００〜７００ｎｍ程度）の光
は上部光電変換セル１４に吸収され、長波長領域（例え
ば７００〜１２００ｎｍ程度）の光は上部光電変換セル
１４と中間層１３を透過して下部光電変換セル１２に吸
収される。これにより、上下光電変換セルにおいてそれ
ぞれ電気に変換されるので、単一接合のものより出力電
圧が２倍となり、光電流を小さくできる。その結果、セ
ル構成上技術的に難しいとされていた直列抵抗損失を容
易に軽減できるとともに、光電変換効率を向上させるこ
とができる。さらに、このようなタンデム型太陽電池
は、下部光電変換セル１２のＰＮ接合がＰ型結晶シリコ
ン基板３の光入射側と反対側に形成されているので、耐
放射線特性を向上させることができ、宇宙用タンデム型
太陽電池として好適である。以下、このタンデム型太陽
電池の製造工程を、図１を参照しながら説明する。

【００２６】＜下部光電変換セル１２の製造＞Ｐ型結晶
シリコン基板３を、アルカリ性（ＮＨ₄ＯＨ：Ｈ₂Ｏ₂：
Ｈ₂Ｏ＝１：１：５）及び酸性（ＨＣｌ：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ
＝１：１：５）の溶液でそれぞれ８０℃、３０分間で洗
浄する。次いで、酸素と窒素の混合雰囲気下で、ボロン
をドーパントとする熱拡散法により、Ｐ型結晶シリコン
基板３上にＰ型結晶シリコン層４を形成する。次いで、
Ｐ型結晶シリコン基板３の側面と裏面側に付着した不要
なＰ型結晶シリコン層を、濃ＨＮＯ₃とＨＦ（５０％）
の混合溶液（３：１）でエッチングし、Ｐ型結晶シリコ
ン基板３を露出させる。次いで、Ｐ型結晶シリコン層４
を酸化シリコン塗布液で保護し、窒素雰囲気下で乾燥
し、リンをドーパントとする熱拡散法によりＰ型結晶シ
リコン基板３の光入射側と反対側にＮ型結晶シリコン層
２を形成する。ＨＦ：Ｈ₂Ｏ＝１：１０の溶液で酸化シ
リコンを除去した後、真空蒸着法により、Ｎ型結晶シリ
コン層２上に下部電極１を蒸着する。次いで、窒素雰囲
気下でアニールすることにより、Ｐ⁺−Ｐ−Ｎ⁺接合型の
下部光電変換セル１２を形成する。

【００２７】＜中間層の製造＞平行平板型プラズマＣＶ
Ｄ装置により、原料ガスとしてＨ₂希釈のＳｉＨ₄、ＣＨ
₄ガスを、ドーパントとしてＢ₂Ｈ₆を用い、電源周波数
１３．５６ｍＨｚ、圧力０．５Ｔｏｒｒ、基板温度２０
０〜４００℃の条件で、Ｐ型結晶シリコン層４上に第一
層目の中間層５を形成する。このとき、原料ガスの流量
比を変えることにより、第一層目の中間層のバンドギャ
ップを１．９〜２．０ｅＶの範囲内で容易に制御でき
る。次に、ＣＨ₄、Ｈ₂、Ｎ₂の混合ガス雰囲気下、圧力
０．８Ｔｏｒｒで、ドーパントとしてＢ₂Ｈ₆を用いて、
第一層目の中間層５上に第二層目の中間層６を形成す
る。このとき、混合ガスの窒素ガス流量比を変えること
により、第二層目の中間層６の屈折率を１．６〜１．９
の範囲で制御することができる。なお、成膜時の混合ガ
スの窒素濃度と、第二層目の中間層６の屈折率及び消衰
係数との依存性を図３に示す。

【００２８】＜上部光電変換セルの製造＞プラズマＣＶ
Ｄ法により、原料ガスとしてＳｉＨ₄（シラン）又はＨ₂
（高純度水素）、ドーパントとしてＢ₂Ｈ₆（ジボラン）
又はＰＨ₃（ホスフィン）を用いて基板温度１５０〜１
８０℃程度、成膜室の圧力０．２〜０．７５Ｔｏｒｒ、
プラズマに供給されるエネルギー１０〜３０ｍＷ／ｃｍ
²の条件で、第二層目の中間層６上にＮ型アモルファス
シリコン層７、Ｉ型アモルファスシリコン層８及びＰ型
アモルファスシリコン層９をこの順で形成することによ
り、上部光電変換セル１４を形成する。

【００２９】＜太陽電池の製造＞Ｐ型アモルファスシリ
コン層９上にＩＴＯを蒸着して上部電極１０を形成し、
次いで、スパッタリング法及び電子ビーム蒸着により、
上部電極１０上にＡｇ表面収集電極１１を形成する。以
上の工程により、タンデム型太陽電池が製造される。こ
のタンデム型太陽電池のエネルギーダイヤグラムを図２
に示す。上部光電変換セル１４のエネルギーバンドは、
Ｐ型アモルファスシリコン層９とＮ型アモルファスシリ
コン層７による電界でＩ型アモルファスシリコン層８の
エネルギーバンドのようになる。Ｐ型アモルファスシリ
コン層９とＮ型アモルファスシリコン層７との間で発生
したキャリアは加速され、電流収集効率を向上できる。
実施態様１のタンデム型太陽電池（面積１ｃｍ²）は、
開放電圧が１．４８Ｖ、短絡電流が１９．３Ａ／ｃ
ｍ²、曲線因子が７６．０％、光電変換効率（真性効
率）が１６．０％であり（ＡＭ０：１３５．３ｍＷ／ｃ
ｍ²）、従来のものと比べて開放電圧、短絡電流、光電
変換効率がいずれも向上された。

【００３０】［実施態様２］本発明の一実施態様である
地上用太陽電池の概略断面図を図４に示す。この太陽電
池は、Ｐ型結晶シリコン基板３の代わりに、膜厚２００
〜３５０μｍの安価なＮ型多結晶シリコン基板（ｃ−Ｓ
ｉ）１７、（抵抗率０．１〜０．８Ω・ｃｍ、バンドギ
ャップ１．１２ｅＶ）を使用し、屈折率が１．９、膜厚
が６０ｎｍである水素及び窒素を含むアモルファスカー
ボン（ａ−Ｃ：Ｈ：Ｎ）からなる第二層目の中間層２
０、膜厚０．２〜０．５μｍのＰ型結晶シリコン層１８
（ｃ−Ｓｉ）及び膜厚５〜８ｎｍの水素を含むアモルフ
ァスシリコンカーボン合金（ａ−Ｓｉ_1-xＣ_x）（０≦ｘ
≦０．２）からなる第一層目の中間層１９を形成する以
外は実施態様１と同様の構造を有するものである。

【００３１】＜下部光電変換セルの製造＞Ｎ型多結晶シ
リコン基板１７を実施態様１と同様の溶液で洗浄した
後、Ｎ型多結晶シリコン基板１７上にＰ型結晶シリコン
層１８を形成する。Ｎ型多結晶シリコン基板１７の側面
と裏面側に堆積した不要なＰ型結晶シリコン層を、濃Ｈ
ＮＯ ₃とＨＦ（５０％）の混合溶液（３：１）でエッチ
ングし、Ｎ型多結晶シリコン基板１７を露出させる。Ｐ
型結晶シリコン層１８を酸化シリコン塗布液で保護す
る。次いで、熱拡散法により、Ｎ型多結晶シリコン基板
１７上の光入射側と反対側にＮ型結晶シリコン層１６を
形成する。ＨＦ：Ｈ₂Ｏ＝１：１０の溶液で酸化シリコ
ンを除去した後、Ｎ型結晶シリコン層１６上に下部電極
１５を蒸着する。次いで、窒素雰囲気下でアニールする
ことにより、Ｐ⁺−Ｎ−Ｎ⁺接合型の下部光電変換セル２
６を形成する。

【００３２】＜中間層の製造＞実施態様１と同様の方法
で、Ｐ型結晶シリコン層１８上に第一層目の中間層１９
及び第二層目の中間層２０をこの順で成膜する。＜上部光電変換セルの製造＞実施態様１と同様の成膜条
件で、第二層目の中間層２０上に水素を含むＮ型アモル
ファスシリコン層（ａ−Ｓｉ）２１、水素を含むＩ型ア
モルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ）２２、水素を含むＰ
型アモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ）２３をそれぞれ
この順で形成することにより、上部光電変換セル２８を
形成する。＜太陽電池の製造＞実施態様１と同様の方法で、Ｐ型ア
モルファスシリコン層２３上に上部電極２４を形成す
る。次いで、電子銃蒸着法で上部電極２４上にＡｇ表面
収集電極２５を形成して、（Ｐ−Ｉ−Ｎ／Ｐ⁺−Ｎ−
Ｎ⁺）接合型の地上用タンデム型太陽電池を製造する。
得られたタンデム型太陽電池に対応するエネルギーダイ
ヤグラムを図５に示す。

【００３３】実施態様２のタンデム型太陽電池（面積４
ｃｍ²）は、開放電圧が１．４３Ｖ、短絡電流が１５．
５Ａ／ｃｍ²、曲線因子が７３．０％、光電変換効率
（真性効率）が１６．２％であり（ＡＭ１．５：１００
ｍＷ／ｃｍ²）、従来のものに比べて光電変換効率が顕
著に向上された。この光電変換効率のＩ−Ｖ特性を図６
に示す。図６に示すとおり、光−電流密度（photo−cur
rent density）（ｍＡ／ｃｍ²）は、電圧Ｖが０．７５
Ｖを超えたあたりから減少しはじめ、１．２５Ｖを超え
たあたりから、急激に減少しているのが分かる。

【００３４】

【発明の効果】本発明の積層型太陽電池によれば、最下
部光電変換セルが単結晶又は多結晶シリコン半導体基板
を有すること、最下部光電変換セルのＰＮ接合部が受光
面と反対側の半導体基板に存在することで、より光電変
換効率及び耐放射線特性に優れた積層型太陽電池を提供
できる。また、各光電変換セルの界面に中間層を有し、
最下部光電変換セルが第１導電型の単結晶、多結晶又は
微結晶シリコンからなる光入射側表面を有し、この光入
射側表面が、水素を含む第１又は第２導電型のアモルフ
ァス又は微結晶のＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ≦０．２）からな
る中間層に接することにより、より光電変換効率に優れ
た積層型太陽電池を低コストで提供できる。

【００３５】なお、本発明は、以下の事実：１）半導体基板の光入射側に形成したＰＮ接合が、電子
線照射を行った後に、光入射側と反対側に移動する現象
(Appl.Phys.lett.,70,21(1996)S.J.Taylor,Ming-Ju Yan
g et.al“Type Conversion in Irradiated Silicon Dio
des”）。２）電子線照射量に対する結晶シリコン材料の小数キャ
リア拡散長の依存性が、次の式：

【式１】（ここで、Ｌ_OとＬは照射前後の拡散長、φは１ＭｅＶ
のエネルギーを有する電子線での照射量、Ｋ_Lは損傷係
数を表わす）で表わされ、さらにＰ型及びＮ型結晶シリ
コン基板の損傷係数が、以下の式：Ｐ型基板に対してＫ_L（Ｐ−Ｓｉ）＝９．７×１０^-19ｐ^0.524［ｃｍ^-3］ (2) Ｎ型基板に対してＫ_L（Ｎ−Ｓｉ）＝５．４×１０^-25ｎ［ｃｍ^-3］ (3) で表わされること。すなわち少数キャリアの拡散長の損
傷係数はＰ型結晶シリコン基板の方がＮ型結晶シリコン
基板より小さいことから、耐放射線特性はＰ型結晶シリ
コン基板の方がＮ型結晶シリコン基板よりも相対的に優
れていること。に基づいてなされたものであり、これら
の事実は、本発明の効果が得られることの根拠の１つと
考えられる。またさらに、本発明によれば、高効率、低
コスト及び耐放射線特性に優れるとともに、軽量である
次世代宇宙用積層型太陽電池を提供できる（実施態様
１）。また、安価な多結晶基板を用いて高効率化された
地上用積層型太陽電池をも提供できる（実施態様２）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様である宇宙用太陽電池の概
略断面図である。

【図２】宇宙用太陽電池のエネルギーダイヤグラムを示
す図である。

【図３】成膜雰囲気での窒素濃度と、水素及び窒素を含
むアモルファスシリコンカーボン合金の屈折率及び消衰
係数との依存性を示すグラフである。

【図４】本発明の一実施態様である地上用太陽電池の概
略断面図である。

【図５】地上用太陽電池のエネルギーダイヤグラムを示
す図である。

【図６】地上用太陽電池のＩ−Ｖ特性を示す図である。

【符号の説明】

１、１５下部電極２、１６Ｎ型結晶シリコン層（ｃ−Ｓｉ）３Ｐ型結晶シリコン基板（ｃ−Ｓｉ）４、１８Ｐ型結晶シリコン層（ｃ−Ｓｉ）５、１９第一層目の中間層６、２０第二層目の中間層７、２１水素を含むＮ型アモルファスシリコン層
（ａ−Ｓｉ）８、２２水素を含むＩ型アモルファスシリコン層
（ａ−Ｓｉ）９、２３水素を含むＰ型アモルファスシリコン層
（ａ−Ｓｉ）１０、２４上部電極１１、２５Ａｇ表面収集電極１２、２６下部光電変換セル１３、２７中間層１４、２８上部光電変換セル１７Ｎ型多結晶シリコン基板（ｃ−Ｓｉ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＰＮ接合部を有する光電変換セルが複数
積層された積層型太陽電池において、受光面に対して最
も遠い位置に存在する光電変換セルが、単結晶又は多結
晶シリコン半導体基板を利用して構成されるＰＮ接合部
を有し、かつこのＰＮ接合部が受光面と反対側の半導体
基板に存在することを特徴とする積層型太陽電池。
【請求項２】ＰＮ接合部を有する光電変換セルが複数
積層された積層型太陽電池において、積層される各光電
変換セルの界面に導電性の中間層を有し、受光面に対し
て最も遠い位置に存在する光電変換セルが、第１導電型
の単結晶、多結晶又は微結晶シリコンからなる光入射側
表面を有し、この光入射側表面が、水素を含む第１又は
第２導電型のアモルファス又は微結晶のＳｉ_1-xＣ_x（０
≦ｘ≦０．２）からなる中間層に接することを特徴とす
る積層型太陽電池。
【請求項３】水素を含む第１又は第２導電型のアモル
ファス又は微結晶のＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ≦０．２）から
なる中間層上に、水素及び窒素を含む第１又は第２導電
型のアモルファス又は微結晶のＳｉ_1-xＣ_x（０≦ｘ≦
１．０）からなる第２中間層が積層される請求項２に記
載の積層型太陽電池。
【請求項４】受光面に対して最も遠い位置に存在する
光電変換セルが、単結晶又は多結晶シリコン半導体基板
を利用して構成されるＰＮ接合部を有し、かつこのＰＮ
接合部が受光面と反対側の半導体基板に存在する請求項
２又は３に記載の積層型太陽電池。