[发明专利]光电池

说明书

本发明涉及将光能变换成电能的光电池，特别与改进PIN型电池的光电变换效率问题有关。

原来，光电池被用为太阳能电池及光传感器等，近年来，使用非晶硅（a-Si）的光电池受到人们的重视。授于D、E、CARLSON的美国专利第4，064，521号揭示了采用非晶硅的PIN型的光电池。

图1A概略地表示了那种PIN型的光电池的典型的断面结构。在透明的绝缘基板1上按顺序形成透明电极层2、P型的非晶硅层3、I型的非晶硅层4、N型的非晶硅层5、背面电极6。图1B概略地图示出对应于图1A所示电池的能带断面。水平的点划线E_f表示费密能级，上曲线上的E_cp、E_cl及E_cn各区分别表示P、I及N型的非晶硅（a-Si）层的导带底能级。它下曲线上的E_vp、E_vi及E_vn各区分别表示P、I及N层的价带顶能级。

在图1A所示的光电池中，在光能穿过透明基板1和透明电极层2时，则主要的将是在I型层内产生自由状态的电子与空穴的对。这些电子和空穴分别在PIN结所感应的电场（如图1B所示）作用下，被集中到背面电极层6和透明的电极层2中，从而感应出光电（光致）功率。

为了获得更大的光电功率，电池应该有更高的开路电压和更大的短路电流。这种开路电压取决于由PIN结所感应的电位差，并可通过增加P型层的掺杂量来提高。但是，随着掺杂量的增加，光能带间隙E_cp-E_vp通常将减小，所以增加了P型层3内所吸收的光。然而，在P型层内所激发的电子中的许多电子在被PIN结电场分离之前将会与空穴的大量载流子重新结合，所以几乎无助于光电动势的产生。这样，到达光电变换有效区4的光将减少，因而，输出电流减小。

另一方面，为了增大上述开路电压与短路电流，已提出一种方案，即将P型层3做成有第1P型层与第2P型层的双层结构（US-A-4500744、JP-59-96775），更具体地说，US-A-4500744是将位于图1的I型层4一侧的第2P型层的光能带间隙设定为大于第1P型层的光能带间隙，而JP-59-96775是将第1P及第2P型层分别设定为高浓度层与低浓度层。

本发明的主要目的是提供一种通过一道提高开路电压及短路电流来进行改良而具有光电变换效率的光生伏特电池。

本发明的另一目的是提供一种光生伏特电池，这是一种以上述双层结构为基础的光生伏特电池，其具有透光性的基片，在上述基片上透光性的第1电极层，在上述第1电极层上的第1导电型的第2半导体层、在上述第1半导体层上的第1导电型的第2半导体层、在上述第2半导体层上的第2导电型的第3半导体层、在上述第3半导体层上的第3导电型的第4半导体层，以及在上述第4半导体层上的第2电极层。作为以上述第1及第2半导体层构成的双层结构，由于特别采用了新的构成，所以与采用原来技术的双层结构的光生伏特电池相比较，显示出更大的开路电压及短路电流特性。

本发明的光生伏特电池的特征是上述第1半导体层的厚度t₁为25A＜t₁＜300A，而第2半导体层的厚度t₂为100A＜t₂＜1000A，在上述第1及第2半导体层生成多数载流子的激活能分别为0.3eV以下及0.3eV以上。

附图的简单说明如下：

图1A概略地表示普通光电池的断面结构;

图1B是说明图1A所示光电池中能带剖面的概略图;

图2A概略地示出根据本发明的光电池的断面结构;

图2B是说明图2A所示光电池的能带剖面的概略图;

图3是在根据本发明的光电池的制造过程中所使用的溅射装置概略图;

图4表示在根据本发明的一个光电池实施例中固有收集效率与波长的关系，图中给出了与普通光电池的比较;

图5表示根据本发明的光电池与普通光电池的输出电流和输出电压的特性比较图;

图6表示在根据本发明的光电池中的光电变换效率与P型第一半导体层的厚度的关系;

图7表示在根据本发明的光电池中的变换效率与P型第一半导体层的激活能的关系;

图8表示在根据本发明的光电池中的变换效率与P型第二半导体层的厚度的关系;