专利名称：叠层型光电动势装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种叠层型光电动势装置，尤其涉及一种包含多个发电单元的叠层型光电动势装置。
背景技术：
在特开2000-58892号公报中公开了具有包含光电转换层的第一发电单元和包含光电转换层的第二发电单元依次叠层的结构的叠层型光电动势装置。该叠层型光电动势装置具有薄膜多晶Si层或微晶Si层作为第一发电单元的光电转换层，具有非晶Si层作为第二发电单元的光电转换层。此外，上述以往的叠层型光电动势装置整体的输出特性，由第一发电单元和第二发电单元的各自的特性的平衡决定。
然而，在上述以往的叠层型光电动势装置中，由于作为第二发电单元的光电转换层的非晶Si层的光劣化率大，所以存在第二发电单元单独的特性的降低率变大的不利情况。由此，产生包含第一发电单元和第二发电单元的叠层型光电动势装置整体的输出特性的光劣化率也变大的不利情况。其结果，在长时间使用叠层型光电动势装置的情况下，存在叠层型光电动势装置的输出特性的变动幅度变大的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而做出的，本发明的一个目的是提供一种可减小输出特性的变动幅度的叠层型光电动势装置。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面的叠层型光电动势装置具有包含作为光电转换层起作用的、由实质上的本征非单晶(non-single crystal)半导体层构成的第一半导体层的第一发电单元；和在第一发电单元上方(above)形成，包含作为光电转换层起作用的、由实质上的本征非晶(non-crystalline)半导体层构成的第二半导体层的第二发电单元。而且，构成第一发电单元的第一半导体层的主要元素的第一密度，比构成第二发电单元的第二半导体层的主要元素的第二密度小。
在根据该一个方面的叠层型光电动势装置中，如上所述，在包含作为光电转换层起作用的、由实质上的本征非单晶半导体层构成的第一半导体层的第一发电单元上，形成包含作为光电转换层起作用的、由实质上的本征非晶半导体层构成的第二半导体层的第二发电单元，同时，使构成第一发电单元的由非单晶半导体层构成的第一半导体层的主要元素的第一密度比构成第二发电单元的由非晶半导体层构成的第二半导体层的主要元素的第二密度小，由此，进入第一发电单元的具有较小的第一密度的第一半导体层(光电转换层)中的杂质的量增大，因此包含由非单晶半导体层构成的第一半导体层(光电转换层)的第一发电单元单独的初期特性降低。因此，可以使由第一发电单元和第二发电单元的各自的特性的平衡决定的叠层型光电动势装置整体的初期的输出特性预先降低。所以，即使包含由容易光劣化的非晶半导体层构成的第二半导体层(光电转换层)的第二发电单元单独的特性的降低率变大，使叠层型光电动势装置整体的初期的输出特性预先降低，也可以使包含第一发电单元和第二发电单元的叠层型光电动势装置整体的输出特性的光劣化率减小。由此，在长时间使用叠层型光电动势装置的情况下，可以使叠层型光电动势装置的输出特性缓慢地降低，并且可以减小叠层型光电动势装置的输出特性的变动幅度。
在优选的实施方式中，第一半导体层由实质上的本征非单晶体(non-single crystal)构成。
在优选的实施方式中，第一半导体层由非晶半导体构成。
在优选的实施方式中，根据上述一个方面的叠层型光电动势装置，还包括在第一发电单元上(on)形成、包含作为光电转换层起作用的第三半导体层的第三发电单元，而且，构成第一发电单元的第一半导体层的主要元素的第一密度，比构成第三发电单元的第三半导体层的主要元素的第三密度小。
在根据上述一个方面的叠层型光电动势装置中，优选第一发电单元的第一半导体层和第二发电单元的第二半导体层包含Si层。如果这样构成，则通过使第一发电单元的作为光电转换层起作用的非单晶体的Si层的Si密度比第二发电单元的作为光电转换层起作用的非晶质的Si层的Si密度小，可以容易地使包含非单晶体的Si层(光电转换层)的第一发电单元单独的初期特性降低。
在根据上述一个方面的叠层型光电动势装置中，优选第一发电单元的作为光电转换层起作用的第一半导体层包含微晶半导体层，包含作为光电转换层起作用的由非晶半导体构成的第二半导体层的第二发电单元被配置在光入射侧。这样，如果使用难以光劣化的微晶半导体层作为第一发电单元的第一半导体层(光电转换层)，即使进入微晶半导体层(光电转换层)中的杂质的量增大，也可以抑制包含微晶半导体层(光电转换层)的第一发电单元单独的初期特性过度降低的不利情况的发生。
在根据上述一个方面的叠层型光电动势装置中，优选第一发电单元的作为光电转换层起作用的第一半导体层的光劣化率比第二发电单元的作为光电转换层起作用的第二半导体层的光劣化率小。如果这样构成，则在使构成第一发电单元的第一半导体层(光电转换层)的主要元素的密度减小，从而使第一发电单元单独的初期特性和光劣化率降低的情况下，光劣化率小的第一发电单元单独的光劣化率的降低对于叠层型光电动势装置整体的光劣化率没有什么影响，另一方面，第一发电单元单独的初期特性的降低，在减小叠层型光电动势装置整体的光劣化率的方向有影响，因此可以容易地减小叠层型光电动势装置整体的光劣化率。
在优选的实施方式中，非单晶半导体层具有多个构成第一半导体层的主要元素的结晶。
在优选的实施方式中，非晶半导体层为非结晶状态(amorphous)。
图1为表示根据本发明制作的实施例的叠层型光电动势装置的结构的截面图。
图2为表示比较例1的叠层型光电动势装置的结构的截面图。
图3为表示比较例2的叠层型光电动势装置的结构的截面图。
图4为表示叠层型光电动势装置的转换效率随着时间的经过而变化的图。
图5为表示叠层型光电动势装置的转换效率随着时间的经过而变化的图。
具体实施例方式
以下，使用
本发明的实施例。相同或近似的部分用相同的符号表示，省略其说明。
在此，术语“上(on)”、“上方(above和over)”由层的表面的位置关系定义，与空间的表面的朝向没有关系。术语“上方(above和over)”在说明书或权利要求中，有时某个层与另一个层连接时也使用；而术语“上(on)”有时某一个层不与另一个层连接，例如层在其间时也使用。
图1为表示本发明的叠层型光电动势装置的实施例的截面图。首先，参照图1，说明实施例的叠层型光电动势装置的结构。
如图1所示，在本实施例的叠层型光电动势装置中，在具有0.15mm厚度的平坦的不锈钢板(SUS430)1a上，形成有由具有20μm的厚度的聚酰亚胺树脂构成的树脂层1b。由该不锈钢板1a和树脂层1b构成具有平坦的表面的基板1。在基板1(树脂层1b)上，形成有由具有200nm厚度的Ag构成的平坦的背面电极2。
另外，本实施例的叠层型光电动势装置具有作为微晶Si类发电单元的底部元件(bottom cell)3和作为非晶Si类发电单元的前部元件(front cell)4在背面电极2上依次叠层的结构。即，底部元件3被配置在基板1侧，同时，前部元件4被配置在光入射侧。其中，底部元件3为本发明的“第一发电单元”的一个例子，前部元件4为本发明的“第二发电单元”的一个例子。
具体地说，在背面电极2上，依次形成由n型微晶Si层构成的n型层31、由非掺杂微晶Si层构成的光电转换层32和由p型微晶Si层构成的p型层33。在本实施例中，n型层31、光电转换层32和p型层33分别具有20nm、2μm和20nm的厚度。其中，光电转换层32为本发明的“第一半导体层”的一个例子。由n型层31、光电转换层32和p型层33构成底部元件3。
在此，在本实施例中，以底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度比后述的前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的Si密度小的方式构成。即，底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度被设定为2.267g/cm3，同时，前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的Si密度被设定为2.315g/cm3。
另外，在底部元件3(p型层33)上，依次形成由n型微晶Si层构成的n型层41、由非掺杂非晶Si层构成的光电转换层42和由p型非晶SiC层构成的p型层43。另外，n型层41、光电转换层42和p型层43分别具有20nm、350nm和20nm的厚度。其中，光电转换层42为本发明的“第二半导体层”的一个例子。由n型层41、光电转换层42和p型层43构成前部元件4。
在此，已知在使用非晶Si层和微晶Si层作为光电转换层的情况下，非晶Si层比微晶Si层容易光劣化。因此，在本实施例中，即使底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度比前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的Si密度小，底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的光劣化率也比前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的光劣化率小。
另外，在前部元件4(p型层43)上，形成有具有80nm的厚度的、由ITO(Indium Tin Oxide氧化铟锡)构成的表面透明电极5。在表面透明电极5上的规定区域，形成由具有2μm厚度的Ag构成的集电极6。
(叠层型光电动势装置的制作)接下来，说明实际制作实施例的叠层型光电动势装置时的制作工序。首先，如图1所示，在厚度为0.15mm的平坦的不锈钢板1a上，蒸镀聚合由厚度为20μm的聚酰亚胺树脂构成的树脂层1b。由此，制作出由不锈钢板1a和树脂层1b构成的基板1。然后，利用RF磁控管溅射法，在基板1(树脂层1b)上形成由厚度为200nm的Ag构成的平坦的背面电极2。
接下来，利用等离子体CVD(Chemical Vapor Deposition化学气相沉积)法，在背面电极2上依次形成构成底部元件3的三个Si层。具体地说，在背面电极2上依次形成由n型微晶Si层构成的n型层31、由非掺杂微晶Si层构成的光电转换层32和由p型微晶Si层构成的p型层33。此时，分别将n型层31、光电转换层32和p型层33形成为具有20nm、2μm和20nm的厚度。将n型层31、光电转换层32和p型层33的形成条件示于以下的表1。
表1
参照上述表1，在形成由n型微晶Si层构成的n型层31时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、133Pa和100W。另外，将形成n型层31时的气体流量设定为SiH4气体3sccm、H2气体200sccm和PH3气体0.6sccm。
另外，在形成由非掺杂微晶Si层构成的光电转换层32时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为200℃、133Pa和30W。另外，将形成光电转换层32时的气体流量设定为SiH4气体20sccm和H2气体400sccm。
另外，在形成由p型微晶Si层构成的p型层33时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、133Pa和60W。另外，将形成p型层33时的气体流量设定为SiH4气体2sccm、H2气体400sccm和B2H6气体0.2sccm。
接下来，利用等离子体CVD法，在底部元件3(p型层33)上依次形成构成前部元件4的三个Si层。具体地说，在底部元件3上依次形成由n型微晶Si层构成的n型层41、由非掺杂非晶Si层构成的光电转换层42和由p型非晶SiC层构成的p型层43。此时，分别将n型层41、光电转换层42和p型层43形成为具有20nm、350nm和20nm的厚度。将n型层41、光电转换层42和p型层43的形成条件示于以下的表2中。
表2
参照上述表2，在形成由n型微晶Si层构成的n型层41时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、133Pa和100W。另外，将形成n型层41时的气体流量设定为SiH4气体3sccm、H2气体200sccm和PH3气体0.6sccm。
另外，在形成由非掺杂非晶Si层构成的光电转换层42时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、11Pa和5W。另外，将形成光电转换层42时的气体流量设定为SiH4气体30sccm。
另外，形成由p型非晶SiC层构成的p型层43时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、33Pa和10W。另外，将形成p型层43时的气体流量设定为SiH4气体10sccm、H2气体90sccm、CH4气体10sccm和B2H6气体0.4sccm。
接下来，利用RF磁控管溅射法，在前部元件4(p型层43)上形成由厚度为80nm的ITO构成的表面透明电极5。然后，利用真空蒸镀法，在表面透明电极5上的规定区域，形成由厚度为2μm的Ag构成的集电极6，由此制作出实施例的叠层型光电动势装置。
接下来，对如上所述制作的实施例的叠层型光电动势装置，测定底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度和前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的Si密度。将该Si密度的测定结果示于以下的表3。此外，在Si密度的测定中，使用X射线反射率测定装置(SMAT、Technos株式会社生产)。另外，使用X射线反射率测定装置的Si密度的测定条件设定为照射X射线CuKα、测定范围2θ＝0.16°～0.25°(间隔0.0002°)和狭缝宽度10mm。
表3
参照上述表3，实施例的底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度为2.267g/cm3，前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的Si密度为2.315g/cm3。从该结果可以确认，在本实施例中，底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度(2.267g/cm3)比前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的Si密度(2.315g/cm3)小。
比较例1图2为表示比较例1的叠层型光电动势装置的结构的截面图。接下来，参照图2说明作为上述实施例的比较例制作的比较例1的叠层型光电动势装置的制作过程。作为该比较例1的叠层型光电动势装置的结构，除了底部元件13的光电转换层(微晶Si层)132的Si密度(2.323g/cm3)比上述实施例的底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度(2.267g/cm3)大以外，与上述实施例的叠层型光电动势装置的结构相同。即，在该比较例1中，与上述实施例不同的是，以底部元件13的光电转换层(微晶Si层)132的Si密度比前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的Si密度大的方式构成。
(叠层型光电动势装置的制作)首先，如图2所示，与上述实施例同样，在厚度为0.15mm的不锈钢板1a上，蒸镀聚合由厚度为20μm的聚酰亚胺树脂构成的树脂层1b，由此制作出基板1。然后，利用RF磁控管溅射法，在基板1上形成由厚度为200nm的Ag构成的背面电极2。
接下来，利用等离子体CVD法，在背面电极2上形成由三个Si层构成的底部元件13。即，在背面电极2上依次形成由n型微晶Si层构成的n型层31、由非掺杂微晶Si层构成的光电转换层132和由p型微晶Si层构成的p型层33。此时，分别将n型层31、光电转换层132和p型层33形成为具有20nm、2μm和20nm的厚度。将n型层31、光电转换层132和p型层33的形成条件示于以下的表4。
表4
参照上述表4，形成由n型微晶Si层构成的n型层31时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、133Pa和100W。另外，将形成n型层31时的气体流量设定为SiH4气体3sccm、H2气体200sccm和PH3气体0.6sccm。比较例1的n型层31的形成条件与上述实施例的n型层31的形成条件相同。
另外，形成由非掺杂微晶Si层构成的光电转换层132时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为200℃、133PPa和50W。另外，将形成光电转换层132时的气体流量设定为SiH4气体10sccm和H2气体400sccm。
另外，形成由p型微晶Si层构成的p型层33时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、133Pa和60W。另外，将形成p型层33时的气体流量设定为SiH4气体2sccm、H2气体400sccm和B2H6气体0.2sccm。比较例1的p型层33的形成条件与上述实施例的p型层33的形成条件相同。
接下来，利用等离子体CVD法，在底部元件13(p型层33)上，依次形成构成前部元件4的三个Si层。具体地说，在底部元件13上依次形成由n型微晶Si层构成为n型层41、由非掺杂非晶Si层构成的光电转换层42和由p型非晶SiC层构成的p型层43。此时，分别将n型层41、光电转换层42和p型层43形成为具有20nm、350nm和20nm的厚度。另外，形成n型层41、光电转换层42和p型层43时，使用与上述表2相同的形成条件。
接下来，与上述实施例同样，利用RF磁控管溅射法，在前部元件4(p型层43)上，形成由厚度为80nm的ITO构成的表面透明电极5。再利用真空蒸镀法，在表面透明电极5上的规定区域，形成由厚度为2μm的Ag构成的集电极6。这样，制作出比较例1的叠层型光电动势装置。其中，在比较例1的叠层型光电动势装置中，与上述实施例同样，光从前部元件4侧入射。
接下来，对如上所述制作的比较例1的叠层型光电动势装置，测定底部元件13的光电转换层(微晶Si层)132的Si密度。另外，在测定比较例1的底部元件13的光电转换层132的Si密度时，使用与测定上述实施例的底部元件3和前部元件4的各自的光电转换层32和42的Si密度时的测定条件相同的测定条件。将该Si密度的测定结果示于以下的表5。由于比较例1的前部元件4的光电转换层42的形成条件与上述实施例的前部元件4的光电转换层42的形成条件相同，所以，可认为比较例1的前部元件4的光电转换层42和实施例的前部元件4的光电转换层42具有相同的Si密度(2.315g/cm3)。因此，在比较例1中，不对前部元件4的光电转换层42的Si密度进行测定。
表5
参照上述表5，比较例1的底部元件13的光电转换层(微晶Si层)132的Si密度为2.323g/cm3。从该结果可以确认，在比较例1中，底部元件13的光电转换层(微晶Si层)132的Si密度(2.323g/cm3)比前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的Si密度(2.315g/cm3)大。
比较例2图3为表示比较例2的叠层型光电动势装置的结构的截面图。接下来，参照图3，说明作为上述实施例的比较例制作的比较例2的叠层型光电动势装置的制造过程。作为该比较例2的叠层型光电动势装置的结构，除了前部元件14的光电转换层(非晶Si层)142的Si密度(2.231g/cm3)比上述实施例的前部元件4的光电转换层(非晶Si层)42的Si密度(2.315g/cm3)小以外，与上述实施例的叠层型光电动势装置的结构相同。即，在该比较例2中，与上述实施例不同的是，以底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度比前部元件14的光电转换层(非晶Si层)142的Si密度大的方式构成。
首先，如图3所示，与上述实施例同样，在厚度为0.15mm的不锈钢板1a上，蒸镀聚合由厚度为20μm的聚酰亚胺树脂构成的树脂层1b，由此制作出基板1。然后，利用RF磁控管溅射法，在基板1上形成由厚度为200nm的Ag构成的背面电极2。
接下来，利用等离子体CVD法，在背面电极2上形成由三个Si层构成的底部元件3。即，在背面电极2上依次形成由n型微晶Si层构成的n型层31、由非掺杂微晶Si层构成的光电转换层32和由p型微晶Si层构成的p型层33。此时，分别将n型层31、光电转换层32和p型层33形成为具有20nm、2μm和20nm的厚度。另外，形成n型层31、光电转换层32和p型层33时，使用与上述表1相同的形成条件。
接下来，利用等离子体CVD法，在底部元件3(p型层33)上依次形成构成前部元件14的三个Si层。具体地说，在底部元件3上依次形成由n型微晶Si层构成的n型层41、由非掺杂非晶Si层构成的光电转换层142和由p型非晶SiC层构成的p型层43。此时，分别将n型层41、光电转换层142和p型层43形成为具有20nm、350nm和20nm的厚度。将n型层41、光电转换层142和p型层43的形成条件示于以下的表6。
表6
参照上述表6，形成由n型微晶Si层构成的n型层41时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、133Pa和100W。另外，将形成n型层41时的气体流量设定为SiH4气体3sccm、H2气体200sccm和PH3气体0.6sccm。比较例2的n型层41的形成条件与上述实施例的n型层41的形成条件相同。
另外，形成由非掺杂非晶Si层构成的光电转换层142时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、650Pa和50W。另外，将形成光电转换层142时的气体流量设定为SiH4气体30sccm和H2气体150sccm。
另外，形成由p型非晶SiC层构成的p型层43时，将基板温度、反应压力和高频电力分别设定为160℃、33Pa和10W。另外，将形成p型层43时的气体流量设定为SiH4气体10sccm、H2气体90sccm、CH4气体10sccm和B2H6气体0.4sccm。比较例2的p型层43的形成条件与上述实施例的p型层43的形成条件相同。
接下来，与上述实施例同样，利用RF磁控管溅射法，在前部元件14(p型层43)上，形成由厚度为80nm的ITO构成的表面透明电极5。再利用真空蒸镀法，在表面透明电极5上的规定区域，形成由厚度为2μm的Ag构成的集电极6。这样，制作出比较例2的叠层型光电动势装置。在比较例2的叠层型光电动势装置中，与上述实施例同样，光从前部元件14侧入射。
接下来，对如上所述制作的比较例2的叠层型光电动势装置，测定前部元件14的光电转换层(非晶Si层)142的Si密度。另外，在测定比较例2的前部元件14的光电转换层142的Si密度时，使用与测定上述实施例的底部元件3和前部元件4的各自的光电转换层32和42的Si密度时的测定条件相同的测定条件。将该Si密度的测定结果示于以下的表7。由于比较例2的底部元件3的光电转换层32的形成条件与上述实施例的底部元件3的光电转换层32的形成条件相同，所以，可认为比较例2的底部元件3的光电转换层32和实施例的底部元件3的光电转换层32具有相同的Si密度(2.267g/cm3)。因此，在该比较例2中，不测定底部元件3的光电转换层32的Si密度。
表7
参照上述表7，比较例2的前部元件14的光电转换层(非晶Si层)142的Si密度为2.231g/cm3。从该结果可以确认，在比较例2中，底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度(2.267g/cm3)比前部元件14的光电转换层(非晶Si层)142的Si密度(2.231g/cm3)大。
(实施例和比较例1的共同部分)[输出特性实验]接下来，对如上所述制作的实施例和比较例1的各自的叠层型光电动势装置，进行输出特性实验。在该输出特性实验中，首先，在光谱AM1.5、光强度100mW/cm2和测定温度25℃的模拟太阳光照射条件下，测定初期特性(转换效率、开路电压、短路电流和曲线因子)。然后，对实施例和比较例1的各自的叠层型光电动势装置，在将端子间开放的状态下，通过在光谱AM1.5、光强度500mW/cm2和测定温度25℃的条件下照射光160分钟，使实施例和比较例1的各自的光电动势装置光劣化。然后，对光劣化后的实施例和比较例1的叠层型光电动势装置，在与测定上述初期特性的条件相同的条件下，再次测定光劣化后的特性(转换效率、开路电压、短路电流和曲线因子)。将实施例和比较例1的测定结果分别示于以下的表8和表9。
此外，表8和表9中的底部元件的初期特性(标准化开路电压、标准化短路电流和标准化曲线因子)是以前部元件的初期特性(开路电压、短路电流和曲线因子)作为基准(“1.00”)进行标准化的值。另外，光劣化后的前部元件和底部元件的特性(标准化开路电压、标准化短路电流和标准化曲线因子)也是以前部元件的初期特性(开路电压、短路电流和曲线因子)作为基准(“1.00”)进行标准化的值。另外，表8和表9中的叠层型光电动势装置的标准化开路电压为前部元件的标准化开路电压和底部元件的标准化开路电压之和。另外，叠层型光电动势装置的标准化短路电流为前部元件和底部元件的各自的标准化短路电流中较低一方的标准化短路电流的值。另外，叠层型光电动势装置的标准化曲线因子为前部元件和底部元件的各自的标准化曲线因子中的较低一方的标准化曲线因子的值。此外，表8中的底部元件和前部元件的标准化开路电压和标准化曲线因子，是测定在与图1所示的底部元件3和前部元件4分别相同的形成条件下形成、并且具有相同结构的各单体的底部元件和前部元件的开路电压和曲线因子后，以实施例的前部元件的初期特性作为基准、将该测定值进行标准化后的值。另外，表8中的底部元件和前部元件的标准化短路电流是测定图1所示的叠层型光电动势装置的前部元件3和底部元件4的各自的收集效率后，以前部元件的初期特性作为基准，将根据该测定值算出的短路电流的值进行标准化后的值。另外，表9中的底部元件和前部元件的标准化开路电压和标准化曲线因子，是测定在与图2所示的底部元件13和前部元件4分别相同的形成条件下形成、并且具有相同结构的各单体的底部元件和前部元件的开路电压和曲线因子后，以实施例的前部元件的初期特作为基准，将该测定值进行标准化后的值。另外，表9中的底部元件和前部元件的标准化短路电流是测定图2所示的叠层型光电动势装置的前部元件13和底部元件4的各自的收集效率后，以实施例的前部元件的初期特性作为基准，将根据该测定值算出的短路电流的值进行标准化后的值。
表8
表9
参照上述表8和表9，在将前部元件4的光电转换层42的Si密度设定为2.315g/cm3的叠层型光电动势装置中，在将使底部元件3的光电转换层32的Si密度(2.267g/cm3)比前部元件4的光电转换层42的Si密度小的实施例和使底部元件13的光电转换层132的Si密度(2.323g/cm3)比前部元件4的光电转换层42的Si密度大的比较例1进行比较时，判明实施例的叠层型光电动势装置的光劣化率，比比较例1的叠层型光电动势装置的光劣化率小。在实施例的叠层型光电动势装置中，标准化转换效率从1.45(初期特性)变为1.32(光劣化后的特性)，转换效率的降低率为9.0％。另一方面，在比较例1的叠层型光电动势装置中，标准化转换效率从1.53(初期特性)变为1.32(光劣化后的特性)，转换效率的降低率为13.7％。
另外，在实施例的叠层型光电动势装置中，标准化曲线因子从0.95(初期特性)变化至0.87(光劣化后的特性)，而在比较例1的叠层型光电动势装置中，标准化曲线因子从1.00(初期特性)变化至0.87(光劣化后的特性)。
根据该结果可认为，在实施例中，由于叠层型光电动势装置的初期的曲线因子比比较例1低，因此，叠层型光电动势装置的初期的转换效率比比较例1低。由此，可认为，在实施例中，叠层型光电动势装置的初期的转换效率比比较例1低，从而叠层型光电动势装置的转换效率的降低率比比较例1小。
另外，参照上述表8和表9，在实施例的底部元件3中，标准化曲线因子从0.95(初期特性)变化至0.90(光劣化后的特性)，而在比较例1的底部元件13中，标准化曲线因子从1.00未发生变化。从该结果可认为，在实施例中，底部元件3的初期的曲线因子比比较例1的底部元件13的初期的曲线因子低，所以，叠层型光电动势装置的初期的曲线因子比比较例1低。在此，可以认为，实施例的底部元件3的初期的曲线因子比比较例1的底部元件13的初期的曲线因子低，是由于进入实施例的底部元件3的光电转换层32中的杂质，比进入比较例1的底部元件13的光电转换层132中的杂质的量增大的原故。
另外，参照上述表8，在实施例的前部元件4中，标准化开路电压从1.00(初期特性)变化至0.97(光劣化后的特性)。标准化短路电流从1.00未发生变化。标准化曲线因子从1.00(初期特性)变化至0.87(光劣化后的特性)。另一方面，在实施例的底部元件3中，标准化开路电压从0.53未发生变化。标准化短路电流从1.10未发生变化。从该结果可以确认，构成底部元件3的光电转换层32的微晶Si层，比构成前部元件4的光电转换层42的非晶Si层难以光劣化。如上所述，标准化曲线因子从0.95(初期特性)变化至0.90(光劣化后的特性)。
图4为表示叠层型光电动势装置的转换效率随着时间的经过而变化的图。接下来，参照图4，说明实施例和比较例1的各自的叠层型光电动势装置的时间和转换效率的关系。
如图4所示，判明实施例的叠层型光电动势装置与比较例1的叠层型光电动势装置相比，转换效率随着时间的经过较缓慢地降低。因此，可以认为，即使实施例的初期的转换效率低于比较例1的初期的转换效率，但在从初期状态经过规定的时间后的时间T，实施例的转换效率将高于比较例1。
(实施例和比较例2的共同部分)[输出特性实验]接下来，对如上所述制作的比较例2的叠层型光电动势装置，进行与上述对实施例和比较例1进行的输出特性实验相同的输出特性实验。此外，对于实施例，使用上述表8所示的测定结果。将比较例2的测定结果示于以下的表10中。
表10中的前部元件和底部元件的特性(标准化开路电压、标准化短路电流和标准化曲线因子)，是以上述表8所示的实施例的前部元件的初期特性(开路电压、短路电流和曲线因子)作为基准(“1.00”)进行标准化后的值。另外，表10中的叠层型光电动势装置的标准化开路电压为前部元件的标准化开路电压和底部元件的标准化开路电压之和。另外，叠层型光电动势装置的标准化短路电流为前部元件和底部元件的各自的标准化短路电流中较低一方的标准化短路电流的值。另外，叠层型光电动势装置的标准化曲线因子为前部元件和底部元件的各自的标准化曲线因子中较低一方的标准化曲线因子的值。此外，表10中的底部元件和前部元件的标准化开路电压和标准化曲线因子，是测定在与图3所示的底部元件3和前部元件14分别相同的形成条件下形成、并且具有相同结构的各单体的底部元件和前部元件的开路电压和曲线因子后，以实施例的前部元件的初期特性作为基准，将该测定值进行标准化后的值。另外，表10中的底部元件和前部元件的标准化短路电流，是测定图3所示的叠层型光电动势装置的前部元件3和底部元件14的各自的收集效率后，以实施例的前部元件的初期特性作为基准，将根据该测定值算出的短路电流的值进行标准化后的值。
表10
参照上述表8和表10，在将底部元件3的光电转换层32的Si密度设定为2.267g/cm3的叠层型光电动势装置中，在将使前部元件4的光电转换层42的Si密度(2.315g/cm3)比底部元件3的光电转换层32的Si密度大的实施例与使前部元件14的光电转换层142的Si密度(2.231g/cm3)比底部元件3的光电转换层32的Si密度小的比较例2进行比较时，判明实施例的叠层型光电动势装置的光劣化率，比比较例2的叠层型光电动势装置的光劣化率小。具体地说，在实施例的叠层型光电动势装置中，标准化转换效率从1.45(初期特性)变为1.32(光劣化后的特性)，转换效率的降低率为9.0％。另一方面，在比较例2的叠层型光电动势装置中，标准化转换效率从1.34(初期特性)变为1.13(光劣化后的特性)，转换效率的降低率为15.7％。
另外，在实施例的前部元件4中，标准化开路电压从1.00(初期特性)变化至0.97(光劣化后的特性)，而在比较例2的前部元件14中，标准化开路电压从0.95(初期特性)变化至0.92(光劣化后的特性)。另外，在实施例的前部元件4中，标准化短路电流从1.00未发生变化，而在比较例2的前部元件14中，标准化短路电流从0.95未发生变化。另外，在实施例的前部元件4中，标准化曲线因子从1.00(初期特性)变化至0.87(光劣化后的特性)，而在比较例2的前部元件14中，标准化曲线因子从0.95(初期特性)变化至0.82(光劣化后的特性)。
从该结果可认为，在比较例2中，由于前部元件14的光电转换层142的Si密度小，进入光电转换层142中的杂质的量增大，所以前部元件14单独的初期特性(开路电压、短路电流和曲线因子)变得过低。由此，可以认为，在比较例2中，通过光劣化，前部元件14的特性从初期的较低状态变得更低，因此，叠层型光电动势装置的转换效率的降低率比实施例大。
图5为表示叠层型光电动势装置的转换效率随着时间的经过而变化的图。接下来，参照图5，说明实施例和比较例2的各自的叠层型光电动势装置的时间和转换效率的关系。
如图5所示，可以确认实施例的叠层型光电动势装置与比较例2的叠层型光电动势装置相比，初期的转换效率变高。另外，判明实施例的叠层型光电动势装置与比较例2的叠层型光电动势装置相比，转换效率随着时间的经过较缓慢地降低。
在本实施例中，如上所述，在包含由微晶Si层构成的光电转换层32的底部元件3上，形成包含由非晶Si层构成的光电转换层42的前部元件4，同时，使底部元件3的由微晶Si层构成的光电转换层32的Si密度(2.267g/cm3)比前部元件4的由非晶Si层构成的光电转换层42的Si密度(2.315g/cm3)小，由此，进入底部元件3的具有较小的Si密度的光电转换层32中的杂质的量增大，因此，包含由微晶Si层构成的光电转换层32的底部元件3单独的初期特性降低。因此，可以使由底部元件3和前部元件4的各自的特性的平衡决定的叠层型光电动势装置整体的初期的输出特性预先降低。因此，即使包含由容易光劣化的非晶Si层构成的光电转换层42的前部元件4单独的因光劣化引起的特性的降低率变大，使叠层型光电动势装置整体的初期的输出特性预先降低，可以使包含底部元件3和前部元件4的叠层型光电动势装置的输出特性的光劣化率减小。由此，在长时间使用叠层型光电动势装置的情况下，可以使叠层型光电动势装置的输出特性较缓慢地降低，并且可以减小叠层型光电动势装置的输出特性的变动幅度。
另外，在本实施例中，通过使用难以光劣化的微晶Si层作为底部元件3的光电转换层32，即使进入光电转换层32中的杂质的量增大，也可以抑制包含光电转换层32的底部元件3单独的初期特性过度降低的不利情况发生。
另外，在本实施例中，通过使用微晶Si层作为底部元件3的光电转换层32、同时使用非晶Si层作为前部元件4的光电转换层42，使底部元件3的光电转换层32的光劣化率比前部元件4的光电转换层42的光劣化率小，由此，在减小底部元件3的光电转换层(微晶Si层)32的Si密度从而使底部元件3单独的初期特性和光劣化率降低的情况下，光劣化率小的底部元件3单独的光劣化率的降低对叠层型光电动势装置整体的光劣化率没有什么影响，另一方面，底部元件3单独的初期特性的降低，在减小叠层型光电动势装置整体的光劣化率的方向有影响，因此可以容易地减小叠层型光电动势装置整体的光劣化率。
此外，这次公开的实施例，在所有方面都应被认为是例示而不是限制。本发明的范围不是由上述实施例的说明来表示，而是由权利要求书来表示，还包含与权利要求书均等的意义和范围内的所有改变。
例如，在上述实施例中，将底部元件的光电转换层的Si密度设定为2.256g/cm3，同时将前部元件的光电转换层的Si密度设定为2.315g/cm3，但本发明并不限于此，只要底部元件的光电转换层的Si密度比前部元件的光电转换层的Si密度小就可以。
另外，在上述实施例中，对将本发明应用于作为微晶Si类发电单元的底部元件和作为非晶Si类发电单元的前部元件依次叠层在基板上的叠层型光电动势装置中的例子进行了说明，但本发明并不限于此，底部元件(基板侧的元件(cell))为非晶Si类发电单元也可以。另外，如果前部元件(光入射侧的元件(cell))为非晶Si类发电单元，则可以在基板上叠层3个以上的元件(发电单元)。
另外，在上述实施例中，使用在不锈钢板上形成由聚酰亚胺树脂构成的树脂层的基板，但本发明不限于此，可以使用铁、钼和铝等金属及它们的合金材料来代替不锈钢板。另外，可以使用聚醚砜(PES)树脂和SiO2等绝缘性材料来代替聚酰亚胺树脂。此外，上述金属和绝缘性材料的组合，无论任何组合都可以。
另外，在上述实施例中，使用具有在平坦的不锈钢板上形成有树脂层的平坦表面的基板，但本发明不限于此，通过在不锈钢板上的树脂层中混入由SiO2、TiO2等构成的直径为数百μm的粒子，将基板的表面做成凹凸形状也可以。在这种情况下，由于在基板上形成的背面电极的表面成为反映基板表面的凹凸形状的凹凸形状，所以利用背面电极的凹凸形状的表面可以使入射光散射。由此，可以得到良好的集光效果(light confinement effect)。
本发明除了本实施方式所记载的内容以外，还包含不偏离其精神的其它的实施方式。本实施方式只是对本发明进行说明，而不是限定其范围。本发明的范围由权利要求的记载来表示，而不是由说明书的记载来表示。因此，本发明包含与权利要求均等的范围内的意义和范围的所有方式。
权利要求
1.一种叠层型光电动势装置，包括包含作为光电转换层起作用的第一半导体层的第一发电单元；和在所述第一发电单元上方形成，包含作为光电转换层起作用的、实质上的本征非晶半导体的第二半导体层的第二发电单元，其特征在于构成所述第一发电单元的第一半导体层的主要元素的第一密度，比构成所述第二发电单元的第二半导体层的主要元素的第二密度小。
2.如权利要求1所述的叠层型光电动势装置，其特征在于第一半导体层由实质上的本征非单晶体构成。
3.如权利要求1所述的叠层型光电动势装置，其特征在于第一半导体层由非晶半导体构成。
4.如权利要求1所述的叠层型光电动势装置，还包括在所述第一发电单元上形成的、包含作为光电转换层起作用的第三半导体层的第三发电单元，其特征在于构成所述第一发电单元的第一半导体层的主要元素的第一密度，比构成所述第三发电单元的第三半导体层的主要元素的第三密度小。
5.如权利要求1所述的叠层型光电动势装置，其特征在于所述第一发电单元的第一半导体层和所述第二发电单元的第二半导体层包含Si层。
6.如权利要求1所述的叠层型光电动势装置，其特征在于所述第一发电单元的作为光电转换层起作用的第一半导体层包含微晶半导体层；所述第二发电单元的作为光电转换层起作用的第二半导体层包含非晶半导体层，所述第二发电单元与所述第一发电单元比较，被配置在光入射侧。
7.如权利要求1所述的叠层型光电动势装置，其特征在于所述第一发电单元的作为光电转换层起作用的第一半导体层的光劣化率，比所述第二发电单元的作为光电转换层起作用的第二半导体层的光劣化率小。
8.如权利要求1所述的叠层型光电动势装置，其特征在于所述非单晶半导体层具有多个构成所述第一半导体层的主要元素的结晶。
9.如权利要求1所述的叠层型光电动势装置，其特征在于所述非晶半导体层为非结晶状态。
全文摘要
本发明提供一种叠层型光电动势装置，其包括包含作为光电转换层起作用的第一半导体层的第一发电单元；和在上述第一发电单元上形成，包含作为光电转换层起作用的、实质上的本征非晶半导体的第二半导体层的第二发电单元，其特征在于构成上述第一发电单元的第一半导体层的主要元素的第一密度，比构成上述第二发电单元的第二半导体层的主要元素的第二密度小。
文档编号H01L31/04GK1855554SQ200610078178
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月28日 优先权日2005年4月28日
发明者岛正树 申请人:三洋电机株式会社