DE102004031950A1

DE102004031950A1 - Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur und eine solche verwendendes Halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE102004031950A1
Application number: DE102004031950A
Authority: DE
Inventors: Koichiro Yokaichi Niira; Hirofumi Yokaichi Senta; Hideki Yokaichi Hakuma
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2005-02-10
Also published as: US7910916B2; US20090272423A1; US20050012095A1; US7560750B2

Abstract

In einem Bauteil zur photoelektrischen Wandlung ist in einem Kontakt zwischen einem Halbleiter (3a) vom p-Typ und einer Elektrode (2) zwischen dem Halbleiter (3a) vom p-Typ und der Elektrode (2) ein Halbleiter (6) vom n-Typ, also von einem Leitfähigkeitstyp vorgesehen, der entgegengesetzt ist zu jenem des Halbleiters (3a) vom p-Typ. Das Vorhandensein des Halbleiters (6) vom n-Typ ermöglicht, dass eine Rekombinationsrate von photo-erzeugten Ladungsträgern, angeregt durch einfallendes Licht, effektiv reduziert wird, und ermöglicht, dass auf wirksame Weise verhindert wird, dass eine Dunkelstromkomponente erzeugt wird. Es ist daher möglich, die Effizienz der photoelektrischen Wandlung zu verbessern als auch die Charakteristika zu stabilisieren. Ferner wird ein Tunnelübergang realisiert, indem die Konzentration eines Dotierungselementes in dem Halbleiter (3a) vom p-Typ oder dem Halbleiter (6) vom n-Typ oder bevorzugt von beiden Halbleitern in einer Region, wo diese sich in Kontakt miteinander befinden, erhöht wird, wodurch die ohmschen Charakteristika zwischen dem Halbleiter und der Elektrode gut aufrechterhalten werden.

Description

Die vorliegende Anmeldung basiert auf den in Japan eingereichten Anmeldungen mit den Nrn. 2003-182584 und 2003-201417, deren Inhalt vorliegend durch Bezugnahme enthalten sein soll.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur und betrifft ein eine solche Struktur verwendendes Halbleiterbauteil. Beispiele von Halbleiterbauteilen beinhalten photo-elektrische Wandlerbauteile wie Solarzellenbauteile, Dioden, Transistoren und Thyristoren.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Ein Halbleiterbauteil weist einen Kontakt zwischen einer Elektrode, die aus einem Metall oder einem leitfähigen Material, wie einem leitfähigen Oxidmaterial zusammengesetzt ist, und einem Halbleiter auf. In dem Halbleiter/Elektroden-Kontakt wird auf der Seite des Halbleiters generell ein Defektpegel erzeugt, der Schnittstellenpegel bzw. Schnittstellenniveau genannt wird. Ein solcher Defektpegel tritt auf aufgrund von Unreinheiten und Verzerrungen, aufgrund eines Ungleichgewichts („Non-Equilibrium") beim Halbleiterherstellungsprozess, etc., und besitzt die Funktion eines Ladungs- bzw. Ladungsträgerrekombinationszentrums. Daher beeinflusst der Halbleiter/Elektroden-Kontakt die Charakteristika des Halbleiterbauteils in starkem Masse.
Die Rekombination von Ladungsträgern in der Kontaktschnittstelle zwischen Halbleiter und Elektrode hat generell die Funktion eines Faktors, der die Spannungs-/Strom-Charakteristika des Halbleiterbauteils verschlechtert („degradiert"). Eine Rekombinationsrate R in der Schnittstelle ist proportional zu einer Rekombinationszentrumsdichte Nr in der Schnittstelle und einer Minoritätsträgerdichte n auf einer Schnittstellenoberfläche: R ∝ Nr × n.
Es wird angenommen, dass die Rekombinationszentrumsdichte Nr und eine Defektpegeldichte Nd in der Schnittstelle sich exakt in der Beziehung Nr < Nd zueinander befinden. In einem Bereich, der in dem vorliegenden Fall behandelt wird, ist es jedoch kaum problematisch, selbst wenn angenommen wird, dass Nr ≒ Nd.
Die Veränderung der Charakteristika der Ladungsträgerrekombination in der Schnittstelle beeinflusst die Ausbeute bzw. den Ertrag („yield") des Halbleiterbauteils in starkem Maße. Um die Charakteristika des Halbleiterbauteils zu verbessern und um dessen Ausbeute zu verbessern, ist es daher wichtig, eine Rate R der Ladungsträgerrekombination in der Kontaktschnittstelle zwischen Halbleiter und Elektrode zu verringern.
Eine Solarzelle, die ein photo-elektrisches Wandlerbauteil darstellt, wird als Beispiel beschrieben.
Generell weist die Solarzelle einen pn-Übergang oder einen pin-Übergang auf, der aus einem Halbleiter zusammengesetzt ist. Beispiele der Elektrode sind eine Elektrode, die mit einem Halbleiter von p-Typ in Kontakt kommt, und eine Elektrode, die mit einem Halbleiter vom n-Typ in Kontakt kommt.
10 stellt ein Beispiel der Struktur eines Solarzellenbauteils für einen Fall dar, bei dem ein pin-Übergang verwendet wird. In 10 bezeichnet Bezugsziffer 1 ein Substrat, Bezugsziffer 2 eine vordere Elektrode, Bezugsziffer 3 einen mehrschichtigen Halbleiterfilm, Bezugszeichen 3a eine Halbleiterschicht vom p-Typ, Bezugszeichen 3b eine Halbleiterschicht vom i-Typ, Bezugszeichen 3c eine Halbleiterschicht vom n-Typ und Bezugszeichen 4 eine hintere Elektrode.
Im vorliegenden Fall trifft Licht auf das Substrat auf, wird absorbiert und in dem mehrschichtigen Halbleiterfilm 3 photo-elektrisch gewandelt, um ein Elektron-Loch-Paar zu erzeugen. Für den Fall des pin-Übergangs, wie in dem dargestellten Beispiel, ist jedoch ein Elektron-Loch-Paar Hauptursprung photo-voltaischer Leistung, das erzeugt wird durch Absorbieren und photo-elektrisches Umwandeln von Licht insbesondere in der Halbleiterschicht 3b vom i-Typ, die als eine photo-aktive Schicht dient. Die erzeugten Elektronen und Löcher (photo-erzeugte Ladungsträger) werden gemäß einem inneren elektrischen Feld, das in der Halbleiterschicht 3b vom i-Typ gebildet ist, hin zu der Halbleiterschicht 3c vom n-Typ bzw. hin zu der Halbleiterschicht 3a vom p-Typ geschwemmt bzw. gekehrt („swept"), so dass ein Überschuss von Elektronen in der Halbleiterschicht 3c vom n-Typ vorherrscht und so dass ein Überschuss von Löchern in der Halbleiterschicht 3a vom p-Typ vorherrscht. Demzufolge wird in Bezug auf den pin-Übergang eine Bias-Vorwärtsspannung erzeugt. Die überschüssigen Ladungsträger fließen jeweils in die Elektroden, so dass ein Strom durch eine Schaltung fließt, die eine Solarzelle und eine Last miteinander verbindet. Das Produkt der Bias-Vorwärtsspannung und des Stromes ist die photo-voltaische Leistung, die auszugeben ist.
11 ist ein Banddiagramm der Solarzelle. In 11 gibt Ec eine Energieposition in einem unteren Teil einer Leitungsbandkante an, Ev gibt eine Energieposition in einem oberen Teil einer Valenzbandkante an, Ed gibt einen Defektpegel bzw. ein Defektniveau (einen Schnittstellendefektpegel) auf der Seite des Halbleiters in der Halbleiter/Elektroden-Schnittstelle an, und Ef gibt einen Fermi-Pegel bzw. ein Fermi-Niveau an.
In diesem Fall kann das Vorhandensein des Defektpegel in der Halbleiter/Elektroden-Schnittstelle (in dem dargestellten Beispiel die Schnittstelle von erster Elektrode 2 und Halbleiterschicht 3a vom p-Typ bzw. zweiter Elektrode 4 und Halbleiterschicht 3c vom n-Typ) die Charakteristika der Solarzelle nachteilig beeinflussen, und zwar hauptsächlich aufgrund der folgenden zwei Faktoren.
Der erste Faktor ist eine Degradation (Anstieg) der Diodencharakteristika (im Falle der Solarzelle, der Anstieg eines sogenannten Dunkelstromes). Dies wird verursacht durch die Erzeugung eines Rekombinationsstromes in der Schnittstelle. Der Anstieg im Dunkelstrom führt zu einer Verringerung einer Leerlaufspannung Voc und eines Füllfaktors FF, die Charakteristika der Solarzelle darstellen.
Der zweite Faktor ist eine Verringerung eines Lichtstromes. Dies wird durch die Tatsache verursacht, dass die photo-erzeugten Ladungsträger, die in dem Halbleiterbereich erzeugt werden, verloren gehen, wenn sie in der Schnittstelle rekombiniert werden, und verursacht eine Verringerung eines Kurzschlussstromdichte Jsc, die eine Charakteristik der Solarzelle darstellt.
Es gibt eine Maßnahme dahingehend, einen Abschnitt eines Halbleiterschnittstellenbereiches in dem Halbleiter/Elektroden-Kontakt hoch zu dotieren, um diesen Problemen entgegen zu wirken. Dies ist ein Verfahren, das sich die Tatsache zu Nutze macht, dass eine Rekombinationsrate R in einer Schnittstelle reduziert wird, da eine Minoritätsträgerdichte n in einem hoch dotierten Abschnitt generell verringert ist, und wird generell als HL-Übergang („High-Low"-Junction) bezeichnet. Diese Technik kann in einigen Fällen eine BSF-Struktur genannt werden, und zwar in Verbindung mit dem historischen Prozess einer Wirkung (BSF-Effekt = Effekt eines Back Surface Field bzw. Rückseitenfeldeffekt), und zwar insbesondere für den Fall, dass diese Technik an dem Bereich der rückseitigen Oberfläche der Solarzelle ausgebildet wird.
Diese Maßnahme ermöglicht, dass die Minoritätsträgerdichte n reduziert wird. Es gibt jedoch keinen Grund dafür, dass zu erwarten ist, dass die Rekombinationszentrumsdichte Nr, die durch den Schnittstellendefektpegel hervorgerufen wird, abnimmt. Im Gegenteil, da die Dotierungsmenge zunimmt, nimmt ein Verzerrungsmaß („Distortion Amount") zu, was zu einer Defektbildung führt. Demzufolge ist die Qualität des Halbleiters generell verschlechtert bzw. degradiert. Demzufolge wird angenommen, dass die Rekombinationszentrumsdichte Nr in der Schnittstelle generell zunimmt.
Es wird vorliegend angenommen, dass der Maximalwert der Schnittstellendefektpegeldichte bzw. der Pegel der Schnittstellendefektdichte als DB-Dichte angegeben wird, und zwar für einen Fall, bei dem sämtliche Koppelbänder in der Schnittstelle ein „Dangling Bond" (DB) werden. Für den Fall von Si, um ein Beispiel zu nennen, ist die DB-Dichte in diesem Fall ein Wert, der so groß sein kann wie etwa 1 × 10¹⁵/cm², und die Rekombinationszentrumsdichte Nr ist ebenfalls ein sehr großer Wert mit etwa derselben Größenordnung.
Wie oben beschrieben, ist die Rekombinationsrate R in der Schnittstelle proportional zu dem Produkt der Minoritätsträgerdichte n und der Rekombinationszentrumsdichte Nr. Selbst wenn die Minoritätsträgerdichte n reduziert werden kann, kann die Rekombinationsrate R demzufolge nicht hinreichend reduziert werden, solange nicht die Rekombinationszentrumsdichte Nr reduziert werden kann (oder wenn die Rekombinationszentrumsdichte Nr im Gegensatz hierzu zunimmt).
In der Praxis kann man daher nicht sagen, dass die Reduktion der Rekombinationsrate R in der Schnittstelle bei der Maßnahme bzw. in dem Maß nicht hinreichend ist, um die Effi zienz der Solarzelle weiter zu steigern. Daher ist ferner eine Technik entwickelt worden, um ferner einen sehr dünnen SiO₂-Film zwischen dem HL-Übergang und der Elektrode anzuordnen, um ein Beispiel zu nennen, und zwar ebenfalls, um die Rekombinationszentrumsdichte Nr zu verringern. Bei dieser Verbesserungstechnik ist es jedoch nicht einfach, einen hoch qualitativen SiO₂-Film zum hinreichenden Reduzieren der Rekombinationszentrumsdichte Nr als sehr dünnen Film zu bilden. Ferner ist ein Hochtemperaturprozess erforderlich, um den SiO₂-Film hoher Qualität zu bilden. Bei einer tatsächlichen Anwendung treten daher verschiedene Beschränkungen bei den Prozessen auf, und zwar selbst bei einer Silicium-Solarzelle vom Massentyp („Bulk-Type). Das Verfahren kann nicht auf sämtliche Silicium-Dünnfilm-Solarzellen angewendet werden, die mit Niedrigtemperatur-Prozessen hergestellt werden.
Ferner gibt es ein Verfahren zum Verbreitern einer Bandlücke in einem Abschnitt eines Schnittstellenbereichs, und zwar auf der Seite des Halbleiters in dem Halbleiter/Elektroden-Kontakt. In dem Abschnitt, in dem die Lücke verbreitert ist, ist die Minoritätsträgerdichte n generell verringert, so dass die Rekombinationsrate R in der Schnittstelle verringert ist.
Aus historischer Sicht ist ferner ein Beispiel einer amorphen Silicium-Solarzelle bekannt, die hydriertes amorphes Silicium (a-Si:H) verwendet, wobei eine Schicht vom p-Typ, die in Kontakt steht mit einer vorderen Elektrode (einem transparenten leitenden Film wie SnO₂), aus hydriertem amorphem Siliciumkarbid (a-SiC : H, eine Bandlücke ≒ 2,0 eV) zusammengesetzt ist, und wobei ein Heteroübergang zwischen der Schicht vom p-Typ und einer Schicht vom I-Typ gebildet ist, die aus a-Si : H (Band lücke ≒ 1,8 eV) zusammengesetzt ist und als eine photoaktive Schicht dient.
Ferner ist es bei diesem Verfahren möglich, die Minoritätsträgerdichte n zu reduzieren. Es ist jedoch nicht gewährleistet, dass die Defektpegeldichte Nr in der Schnittstelle nicht ansteigt. Generell reduziert ein Verbreitern einer Lücke nicht nur eine Minoritätsträgerdichte n, sondern reduziert auch Majoritätsträger. Wenn die Lücke zu weit verbreitert wird, wird daher der Fluss von Majoritätsträgern verhindert, so dass die Ohm'schen Charakteristika zwischen dem Halbleiter und der Elektrode, die als Voraussetzung erforderlich sind, verschlechtert werden. Daher gibt es hinsichtlich der Verbreiterung der Lücke eine Grenze.
Obgleich die obige Beschreibung erfolgte, indem die Solarzelle als Beispiel herangezogen werde, die von den Halbleiterbauteilen ein photo-elektrisches Wandlerbauteil darstellt, ist das Grundprinzip des oben genannten Problems (die Rekombination von Ladungsträgern aufgrund des Vorhandenseins des Schnittstellendefektpegels) allen Halbleiterbauteilen generell gemein, und zwar generell solchen, die einen Halbleiter/Elektroden-Kontakt haben. Wenn beispielsweise bei einer Diode die Rekombinationsrate R in dem Halbleiter/Elektroden-Kontakt groß ist, verursacht dies einen Faktor, der die Strom-Spannungs-Charakteristika wie Anstiegs-Charakteristika („Rise Characteristics") verschlechtert, und zwar aufgrund einer Zunahme im Dunkelstrom. Ferner ruft dies bei einem Transistor einen Faktor hervor, der Strom/Spannungs-Charakteristika wie Ein/Aus-Charakteristika verschlechtert.
Ferner ist es bekannt, dass es besonders effektiv ist, eine Vielzahl von Halbleiterübergangsschichten übereinander zu stapeln, um beispielsweise die Effizienz der Solarzelle zu steigern. Als eine Maßnahme zum Erzielen einer höheren Effizienz ist jedoch kürzlich eine Technik vorgeschlagen worden, bei der eine transparente Zwischenschicht zwischen Halbleiterübergangsschichten eingeführt wird (siehe JP 02-76266, A (1990) und JP02-76267, A (1990)).
Dies dient dazu, eine Spektralverteilung (Verteilung abhängig von der Wellenlänge) von einfallender Lichtenergie auf die Übergangsschichten durch das Vorhandensein der transparenten Zwischenschicht einzustellen, um eine effizientere photoelektrische Wandlung durchzuführen.
Vorliegend wird die Funktion der transparenten Zwischenschicht einfach beschrieben unter Verwendung von 12. 12 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer herkömmlichen Dünnfilm-Solarzelle vom Superstrat-Typ bzw. besonders gradlinigen Typ („Super-Straight-Type") darstellt, bei der Licht auf ein Substrat einfällt, mit zwei Halbleiterübergangsschichten 31 und 32, wobei zwischen die Halbleiterübergangsschichten 31 und 32 eine transparente Zwischenschicht 5 eingeführt ist (JP04-127580, A (1992)). 13 ist ein Banddiagramm eines Halbleiterbauteils vom pin-Typ der Dünnfilm-Solarzelle, die in 12 gezeigt ist.
Auf einem transparenten Substrat 1 werden aufeinander folgend eine vordere Elektrode 2, die aus einem transparenten leitenden Material zusammengesetzt ist, ein mehrschichtiger Halbleiterfilm 3 und eine hintere Elektrode 4 gebildet. Ferner wird der mehrschichtige Halbleiterfilm 3 mit einer leitenden transparenten Zwischenschicht 5 gebildet, die leitende Eigenschaften besitzt und zwischen der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 und der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 angeordnet ist. Die Halbleiterübergangsschicht ist generell aus einer photo-elektrischen Wandlungszelle mit einem pin-Übergang zusammengesetzt. Vorliegend ist die erste Halbleiterübergangsschicht 31 zusammengesetzt aus einem pin-Übergang einer Schicht 31a vom p-Typ, einer photo-aktiven Schicht 31e vom i-Typ und einer Schicht c vom n-Typ, und die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 ist zusammengesetzt aus einem pin-Übergang aus einer Schicht 32a vom p-Typ, einer photo-aktiven Schicht 32b vom i-Typ und einer Schicht 32c vom n-Typ.
Vom Gesichtspunkt einer hohen Effizienz bzw. eines hohen Wirkungsgrades wird generell ein Material mit einer großen Bandlückenenergie, zum Beispiel amorphes Siliciummaterial, repräsentiert durch hydriertes amorphes Silicium, für die photo-aktive Schicht 31b in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 verwendet, die von den Halbleiterübergangsschichten als eine obere Zelle dient, die auf der Seite einer Lichteinfallsoberfläche positioniert ist. Andererseits wird für die photo-aktive Schicht 32b in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, die als eine untere Zelle dient, die auf der Lichteinfallsfläche gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, ein Material mit einer kleinen Bandlückenenergie verwendet, beispielsweise ein mikrokristallines Silicium oder ein nanokristallines Silicium.
Wenn Licht (hν) auf das transparente Substrat 1 einfällt, geht das Licht durch die vordere Elektrode 2 und wird in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 und in der zweiten Halb leiterübergangsschicht 32 photo-elektrisch gewandelt, so dass photo-voltaische Leistung erzeugt wird.
Genauer gesagt besitzt die erste Halbleiterübergangsschicht 31 hohe Lichtabsorptionscharakteristika für Licht kurzer Wellenlänge, da die photo-aktive Schicht 31b amorphes Siliciummaterial mit großer Bandlückenenergie beinhaltet. Andererseits besitzt die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 hohe bzw. starke Lichtabsorptionscharakteristika für Licht langer Wellenlänge, da die photo-aktive Schicht 32b mikrokristallines Silicium oder nanokristallines Silicium mit einer kleinen Bandlückenenergie besitzt. Es ist daher möglich, eine photoelektrische Wandlung über einen breiten Wellenlängenbereich von einfallendem Licht durchzuführen.
Der Brechungsindex und die Filmdicke der transparenten Zwischenschicht 5, die zwischen der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 und der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 vorgesehen ist, werden so eingestellt, dass es möglich wird, eine Komponente kürzerer Wellenlänge, die in der photo-aktiven Schicht 31b in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 nicht vollständig absorbiert werden kann, leichter zu reflektieren, und eine Komponente langer Wellenlänge leichter durchzulassen, die in der photo-aktiven Schicht 32b in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 absorbiert wird, und zwar betreffend Licht, das die transparente Zwischenschicht 5 erreicht hat, nachdem es auf einer Lichteinfallsoberfläche eingefallen und durch die erste Halbleiterübergangsschicht 31 hindurchgegangen ist.
Dies ermöglicht es, die Lichtenergiedichte der Komponente kurzer Wellenlänge in der Halbleiterübergangsschicht 31, die in Bezug auf die transparente Zwischenschicht S auf der Seite der Lichteinfallsoberfläche angeordnet ist, zu erhöhen, während es ermöglicht, die Lichtenergiedichte der Komponente langer Wellenlänge in der Halbleiterübergangsschicht 32 zu erhöhen, die hinsichtlich der Lichtübertragung durch die transparente Zwischenschicht hindurch stromabseitig angeordnet ist.
Es ist möglich, Lichtenergie entsprechend einer Bandlückenenergie zu verteilen, d.h. Lichtenergie unter Berücksichtigung einer Wellenlänge zu verteilen, indem die transparente Zwischenschicht 5 angeordnet wird, wie oben beschrieben. Demzufolge kann eine effiziente photo-elektrische Wandlung durchgeführt werden, was es ermöglicht, dass ein Dünnfilm-Solarzellenbauteil vom Typ mit mehreren Übergängen hoch effizient ausgebildet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wie vorstehend beschrieben, ist zur Reduzierung einer Ladungsträger-Rekombinationsrate R in einer Halbleiter/Elektroden-Kontaktschnittstelle, die eine Strom/Spannungs-Charakteristik eines Halbleiterbauteils verschlechtert, ein Versuch unternommen worden, eine Rekombinationszentrumsdichte Nr in der Schnittstelle bzw. eine Minoritätsträgerdichte n an einer Oberfläche der Schnittstelle zu reduzieren. Hierbei treten jedoch einige Probleme auf. Beispielsweise führt ein Versuch zur Reduzierung einer der zwei Dichten zu einem Anstieg der anderen Dichte. Demzufolge hat eine erzielte Wirkung eine Grenze.
Als ein Ergebnis einer eingehenden Prüfung haben die Erfinder eine Konfiguration aufgefunden, die es ermöglicht, dass eine Rekombinationszentrumsdichte Nr reduziert wird, ohne eine Minoritätsträgerdichte n zu erhöhen, und demzufolge zu ermöglichen, dass eine Ladungsträger-Rekombinationsrate R in einer Halbleiter/Elektroden-Kontaktschnittstelle effektiv reduziert wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur bereitzustellen, bei der eine Ladungsträger-Rekombinationsrate R in einer Kontaktschnittstelle reduziert ist, als auch ein Halbleiterbauteil bereitzustellen, dessen Charakteristika verbessert sind, und zwar durch Verwenden der Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur.
Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, haben die Erfinder herausgefunden, dass sich zwischen einem Halbleiter (z.B. vom p-Typ) und einer Elektrode ein Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (bei diesem Beispiel vom n-Typ) vorsehen lässt, und dass eine Ladungsträger-Rekombinationsrate in der Kontaktschnittstelle effektiv reduziert werden kann, wenn der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestimmte Bedingungen erfüllt. Das heißt, eine Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung weist zwischen dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und der Elektrode einen Halbleiter eines Leitfähigkeitstyps auf, der dem einen Leitfähigkeitstyp des Halbleiters entgegengesetzt ist.
Es ist bevorzugt, wenn die Konzentration des Dotierungselementes in dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyp und/oder dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeits typs in einem Bereich, bei dem sich die Halbleiter (der Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps) miteinander in Kontakt befinden, nicht kleiner ist als 1 × 10¹⁸/cm³ und nicht größer ist als 5 × 10²¹/cm³, und zwar über vorbestimmte Dicken d1 und d2. Demzufolge kann ein Übergang zwischen dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ein Tunnelübergang oder ein Übergang mit Charakteristika sein, die einem Tunnelübergang entsprechen, wodurch sich gute ohm'sche Charakteristika zwischen dem Halbleiter und der Elektrode realisieren lassen.
Es ist bevorzugt, wenn die vorbestimmte Dicke d1 nicht kleiner ist als die Dicke von einer atomaren bzw. Atomschicht und nicht größer ist als die Gesamtdicke des Halbleiters des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, und es ist ferner bevorzugt, wenn die vorbestimmte Dicke d2 nicht kleiner ist als die Dicke einer Atomschicht und nicht größer als die Gesamtdicke des Halbleiters des einen Leitfähigkeitstyps. Ferner ist es noch bevorzugter, wenn die Dicke d des Halbleiters des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps nicht größer ist als 5 nm.
Dies ermöglicht, dass die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns von zu der Elektrode führenden Ladungsträgern, und zwar ausgehend von dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps durch den Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps hindurch, verbessert werden kann, und ermöglicht ferner, dass sich die ohm'schen Charakteristika zwischen dem Halbleiter und der Elektrode verbessern.
Ferner ist es bevorzugt, wenn der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps wenigstens ein Element aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff besteht. Dies ermöglicht, dass die Konzentration von Minoritätsträgern weiter reduziert wird, was es ermöglicht, die Rekombinationsrate in der Halbleiter/Elektroden-Schnittstelle weiter zu reduzieren. Ferner hat das Hinzufügen dieses Elementes die Wirkung, die Bandlücke des Halbleiters zu vergrößern, was es ermöglicht, auch einen Lichtabsorptionsbetrag in dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zu reduzieren.
Der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps liegt vorzugsweise in einer amorphen Phase vor, und noch bevorzugter in einer mikrokristallinen oder nanokristallinen Phase. Ferner ist es besonders bevorzugt, wenn die mikrokristalline Phase oder die nanokristalline Phase eine Phase ist, die ein Kristall vom indirekten Übergangstyp („indirect transition type") aufweist. Diese Konfiguration ermöglicht, dass die Absorption des Halbleiters in dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps reduziert ist. Es ist demzufolge möglich, einen Tunnelübergang oder Übergangscharakteristika, die einem Tunnelübergang entsprechen, und zwar in einem inversen Übergang, zufriedenstellend zu realisieren, während die Lichtabsorptionsmenge in dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps beschränkt wird.
Die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur der vorliegenden Erfindung ist, wenn die Elektrode aus einem Metallmaterial zusammengesetzt ist, nicht nur auf eine Solarzelle anwendbar, sondern auf Halbleiterbauteile im allgemeinen. Dies gilt insbe sondere dann, wenn das Metallmaterial einen niedrigen Widerstandswert besitzt. Wenn die Natur bzw. die Eigenschaften des Metallmaterials genutzt werden, ist es daher möglich, die Elektrode für einen Sammelelektrodenabschnitt („collecting electrode portion") auf einer Oberfläche einer Silicium-Solarzelle vom Groß- bzw. Massentyp („bulk type") geeignet zu verwenden. Wenn die Elektrode aus einem transparenten leitfähigen Material zusammengesetzt ist, wird Licht nicht abgeschattet. Daher kann die Elektrode geeignet als eine Elektrode verwendet werden, die Licht durchlässt, und zwar insbesondere in einem Bauteil zur photo-elektrischen Umwandlung oder dergleichen.
Ferner kann die Elektrode eine zweischichtige Struktur aufweisen, mit einer Schicht aus einem transparenten leitfähigen Material und einer Schicht aus einem Metallmaterial. Wenn die Schicht aus dem transparenten leitfähigen Material auf der Seite einer Kontaktfläche zwischen der Elektrode und dem Halbleiter angeordnet ist, ist es möglich, das Phänomen zu beschränken, dass die Metallmaterialkomponente, aus der die Metallmaterialschicht zusammengesetzt ist, in die Halbleiterschicht hinein diffundiert, wodurch die Charakteristika des Halbleiterbauteils verschlechtert würden.
Ein Beispiel eines Materials für den bislang beschriebenen Halbleiter ist Silicium, das nicht nur für die Solarzelle, sondern für Halbleiterbauteile im allgemeinen verwendbar ist.
Ferner ist das Halbleiterbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von Halbleiter/Elektroden-Kontakten aufweist, und dadurch, dass wenigstens einer dieser Kontakte ein Halbleiter/Elektroden-Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Demzufolge weist das Halbleiterbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung überlegene Strom/Spannungs-Charakteristika (eine hohe Umwandlungseffizienz bei der Solarzelle) auf, und zwar da es ermöglicht, dass die Rekombinationsrate in dem Halbleiter/Elektroden-Kontakt reduziert ist.
Der Grund dafür, dass die vorliegende Erfindung die vorstehende Funktion und Wirkung hervorruft, wird hinsichtlich der Prinzipien und Mechanismen, die diesen zugrunde liegen, folgendermaßen angenommen.
Bei der Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur der vorliegenden Erfindung ist zwischen einem Halbleiter (z.B. vom p-Typ) und einer Elektrode ein Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (bei diesem Beispiel vom n-Typ) vorgesehen, und ein Übergang zwischen dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (n-Typ) und des Halbleiters vom p-Typ ist ein Tunnelübergang oder ein Übergang, der Charakteristika aufweist, die diesem entsprechen bzw. mit diesem übereinstimmen, und zwar um gute ohm'sche Charakteristika zwischen dem Halbleiter und der Elektrode zu realisieren. Der Übergang wird nachstehend als ein „inverser Übergang" bezeichnet.
Nachstehend bezieht sich der Übergang mit den Übergangseigenschaften, die mit denen des Tunnelübergangs übereinstimmen, auf einen Fall, bei dem ein „Flächenwiderstandswert" ((V/I) × S, wobei S die Fläche des inversen Übergangs ist) in der V-I-Charakteristik des inversen Übergangs nicht größer ist als 1 Ω cm², für den Fall, dass eine Spannung im Bereich von –0,02 V bis 0,02 V an den inversen Übergang angelegt wird.
Wenn beispielsweise die Fläche S des inversen Übergangs 1 cm² beträgt, liegt der „Flächenwiderstandswert" bei 0,5 Ω cm², wenn bei einer angelegten Spannung von –0,02 V ein Strom I von –0,04 A fließt, wohingegen der „Flächenwiderstandswert" 0,33 Ω cm² beträgt, wenn bei einer angelegten Spannung von +0,02 V ein Strom I in Höhe von 0,06 A fließt. Der „Flächenwiderstandswert" befindet sich innerhalb eines erforderlichen Bereiches (nicht mehr als 1 Ω cm²) der Übergangscharakteristika. Es kann daher festgestellt werden, dass der inverse Übergang mit derartigen V-I-Charakteristika ein Übergang mit Übergangscharakteristika ist, die mit denen eines Tunnelübergangs übereinstimmen, und für die vorliegende Erfindung geeignet ist.
11 ist Banddiagramm eines herkömmlichen Halbleiterbauteils vom pin-Typ, der in 10 gezeigt ist. Eine Ladungsträger-Rekombinationsrate R in einer Halbleiter/Elektroden-Schnittstelle ist ein Wert proportional zu dem Produkt einer Minoritätsträgerdichte n in der Schnittstelle und einer Rekombinationszentrumsdichte Nr, die durch einen Schnittstellendefektpegel hervorgerufen wird.
Andererseits ist 1 ein Diagramm, das die Konfiguration eines Halbleiterbauteils vom pin-Typ zeigt, auf das die vorliegende Erfindung angewendet ist. 2 ist ein Banddiagramm des Halbleiterbauteils vom pin-Typ, das in 1 gezeigt ist. Zwischen einem Halbleiter 3a vom p-Typ und einer Elektrode 2 ist ein Halbleiter 6 vom n-Typ vorgesehen, der zusammen mit dem Halbleiter 3a vom p-Typ einen Tunnelübergang oder einen Übergang mit Charakteristika bildet, die mit denen eines Tunnelübergangs übereinstimmen, und zwischen einem Halbleiter 3c vom n-Typ und einer Elektrode 4 ist ein Halbleiter 7 vom p-Typ vorgesehen, der zusammen mit dem Halbleiter 3c vom n-Typ einen Tunnelübergang oder einen Übergang bildet, der Charakteristika aufweist, die mit denen eines Tunnelübergangs übereinstimmen bzw. diesem entsprechen.
Bei dem Halbleiterbauteil, auf das die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur, bei der zwischen dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und der Elektrode der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist, angewendet ist, tritt in einer Halbleiter/Elektroden-Kontaktschnittstelle eine Defektpegeldichte Nd auf, wie bei einem herkömmlichen Bauteil. Eine Rekombinationszentrumsdichte Nr bei einem Rekombinationszentrum von Minoritätsträgern entsprechend den Minoritätsträgern in dem herkömmlichen Halbleiterbauteil vom pin-Typ ist jedoch signifikant reduziert.
Bei der herkömmlichen Konfiguration besteht der Grund hierfür darin, dass der Defektpegel bzw. das Defektniveau in der Halbleiter/Elektroden-Schnittstelle in Bezug auf ein Fermi-Niveau Ef (siehe 11) auf der Seite der Minoritätsträger angeordnet ist, so dass ein großer Teil des Defektpegels als ein Rekombinationszentrum wirkt.
Bei dem Bauteil, auf das die vorliegende Erfindung angewendet ist, besteht der Grund im Gegensatz hierzu darin, dass der Defektpegel in Bezug auf ein Fermi-Niveau Ef auf der Seite der Majoritätsträger angeordnet ist, wobei zwischen dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und der Elektrode der Halb leiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist (siehe 2), so dass ein großer Teil des Defektpegels nicht als ein Rekombinationszentrum wirkt.
Für Elektronen, die in einer Halbleiterschicht vom p-Typ Minoritätsträger sind, befindet sich der Defektpegel beispielsweise in einem Zustand, bei dem in dem herkömmlichen Bauteil, das in 11 gezeigt ist, wenige Elektronen existieren. Demzufolge tritt der Rekombinationsverlust der Minoritätsträger mit einer sehr hohen Effizienz auf. Bei dem Bauteil, auf das die vorliegende Erfindung angewendet ist, gelangt ein Schnittstellendefektpegel, der ein Gegenspieler der Rekombination sein soll, entsprechend den Minoritätsträgern, in einen Zustand, bei dem er mit Elektronen nahezu gefüllt ist, wie es in 2 dargestellt ist, so dass ein Rekombinationsverlust der Minoritätsträger kaum auftritt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere die Rekombinationszentrumsdichte Nr in der Halbleiter/Metall-Kontaktschnittstelle signifikant reduziert werden im Vergleich zu jener bei dem herkömmlichen Halbleiterbauteil. Demzufolge kann die Rekombinationsrate R signifikant reduziert werden. Somit lassen sich die Charakteristika des Bauteils verbessern.
Die Rekombinationsrate R kann folglich signifikant reduziert werden, und zwar auf ein solches Maß, dass sie einen gewissen Schwellenwert hinreichend überschreitet, wodurch ermöglicht wird, dass sich eine hohe Ausbeute bzw. Ergiebigkeit („yield") erhalten lässt.
Der Grund dafür, dass die Dotierungskonzentration in dem inversen Übergang im Bereich von 1 × 10¹⁸ bis 5 × 10²¹ cm³ liegt, besteht darin, dass der inverse Übergang ein Tunnelübergang oder ein Übergang ist, der Übergangscharakteristika aufweist, die diesem entsprechend. Demzufolge werden die ohm'schen Charakteristika zwischen dem Halbleiter und der Elektrode nicht degradiert.
Für den Fall eines Halbleiterbauteils vom Typ mit mehreren Übergängen treten in elektrischer Hinsicht auch häufig Probleme auf, obgleich ein Fall beschrieben wurde, bei dem in optischer Hinsicht eine besonders überlegene Funktion erhalten wird, indem die transparente Zwischenschicht zwischen die erste Halbleiter-Übergangsschicht und die zweite Halbleiter-Übergangsschicht eingeführt wird. Das heißt, ein herkömmliches Bauteil, in das die transparente Zwischenschicht eingeführt ist, leidet an Problemen wie einer Degradation der Charakteristika und einer Verringerung der Ausbeute, und zwar weil in einer Schnittstelle zwischen Halbleiter und transparenter Zwischenschicht leicht eine Rekombination von photo-erzeugten Ladungsträgern, die Erzeugung einer Dunkelstromkomponente, etc. auftreten. Insbesondere ist es schwierig, Werte zu realisieren, die in Bezug auf eine Leerlaufspannung Voc und einen Füllfaktor FF konstruiert bzw. ausgelegt sind, und zwar insbesondere bei den Solarzellencharakteristika, so dass sich eine erwartete Effizienz bzw. ein erwarteter Wirkungsgrad nicht erzielen lässt. Ferner sind die Charakteristika degradiert und variieren in starkem Maße, so dass eine charakteristische Ausbeute nicht auf ein erwartetes Niveau angehoben werden kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verbesserung der elektrischen Charakteristika eines Halbleiterbauteil vom Typ mit mehreren Übergängen und einer transparenten Zwischenschicht (hohe Effizienz einer Solarzelle) und der Stabilität (Verbesserung der Ausbeute) zu erzielen.
Als ein Ergebnis einer Prüfung haben die Erfinder herausgefunden, dass eine Ladungsträger-Rekombinationsrate in einer Schnittstelle zwischen einer transparenten Zwischenschicht mit leitfähigen Eigenschaften und einer Halbleiter-Übergangsschicht ein Problem darstellt. Wenn die Ladungsträger-Rekombinationsrate groß ist, wird der Rekombinationsverlust von photo-erzeugten Ladungsträgern unterstützt, so dass eine Kurzschlussstromdichte Jsc in der Schnittstelle zwischen der transparenten Zwischenschicht und der Halbleiter-Übergangsschicht verringert wird, und ein Dunkelstrom, der als Ursprung der Schnittstelle dient, wird vergrößert, so dass eine Leerlaufspannung Voc verringert wird und ein Füllfaktor FF verringert wird. Demzufolge wird auch die Ausbeute degradiert bzw. verschlechtert.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich in der Schnittstelle der transparenten Zwischenschicht und der Halbleiter-Übergangsschicht, d.h. zwischen einer Halbleiterschicht (z.B. vom p-Typ) und der transparenten Zwischenschicht mit leitenden Eigenschaften ein Halbleiter eines entgegengesetzten Typs (bei diesem Beispiel vom n-Typ) vorsehen lässt, um einen inversen pn-Übergang zu bilden, so dass die Ladungsträger-Rekombinationsrate dramatisch reduziert werden kann.
Ein Halbleiterbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleiterbauteil vom Typ mit mehreren Übergängen, das eine Vielzahl von Halbleiter-Übergangsschichten aufweist, die jeweils erhalten werden, indem Halbleiterschichten übereinander gestapelt angeordnet werden, und das mit einer transparenten Zwischenschicht mit leitfähigen Eigenschaften ausgebildet ist, die zwischen wenigstens zwei benachbarten Halbleiter-Übergangsschichten angeordnet ist, wobei zwischen der Halbleiterschicht in wenigstens einer der Halbleiter-Übergangsschichten, und zwar jene, die benachbart ist zu der transparenten Zwischenschicht, und der transparenten Zwischenschicht eine Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, der entgegengesetzt ist zu jenem der Halbleiterschicht in der Halbleiter-Übergangsschicht.
Zwischen der Halbleiterschicht in der Halbleiter-Übergangsschicht und der transparenten Zwischenschicht mit leitenden Eigenschaften ist der Halbleiter des Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt zu jenem der Halbleiterschicht angeordnet, so dass ein inverser pn-Übergang gebildet wird. Demzufolge kann die Rekombinationsrate von photo-erzeugten Ladungsträgern, angeregt durch einfallendes Licht, effektiv reduziert werden, und die Erzeugung einer Dunkelstromkomponente kann effektiv beschränkt werden. Es ist daher möglich, die photo-elektrische Umwandlungseffizienz zu verbessern als auch die Charakteristika zu stabilisieren.
Wenn die Halbleiterschichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps jeweils zwischen den Halbleiter-Verbindungsschichten mit dazwischen angeordneter transparenter Zwischenschicht, und der transparenten Zwischenschicht angeordnet werden, werden eine Reduktion der Rekombinationsrate der photo-erzeugten Ladungsträger und die Beschränkung der Erzeugung des Dunkelstromes wirksam unterstützt, und zwar in beiden Halbleiter-Übergangsschichten, wodurch sich die Wirkung des Verbesserns der photoelektrischen Umwandlungseffizienz verlässlicher zeigt als auch ermöglicht wird, stabilere Charakteristika zu erhalten.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Konzentration eines Dotierungselementes in der Halbleiterschicht, und zwar entweder in einer oder beiden „Kontaktregionen", wo sich die Halbleiterschichten in den Halbleiter-Übergangsschichten benachbart zu der transparenten Zwischenschicht und die Halbleiterschichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in Kontakt miteinander befinden, nicht kleiner ist als 1 × 10¹⁸/cm³ und nicht größer ist als 5 × 10²¹/cm³. Demzufolge kann ein inverser pn-Übergang, der gebildet ist zwischen der Halbleiterschicht in der Halbleiter-Übergangsschicht und der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, ein Tunnelübergang oder ein Übergang sein, der Charakteristika aufweist, die einem Tunnelübergang entsprechen, wodurch sich gute ohm'sche Charakteristika zwischen der Halbleiter-Übergangsschicht und der transparenten Zwischenschicht realisieren lassen. Die oben erwähnte „Kontaktregion" ist insbesondere ein Bereich von nicht weniger als der Dicke von zumindest einer Atomschicht und nicht mehr als der Dicke der Halbleiterschicht in der Halbleiter-Übergangsschicht oder der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps.
Ferner ist es wünschenswert, wenn die Dicke der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps nicht kleiner ist als die Dicke einer Atomschicht oder nicht mehr als 5 nm. Demzufolge kann ein inverser pn-Übergang, der gebildet ist zwischen der Halbleiterschicht in der Halbleiter-Übergangsschicht und der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, ein Tunnelübergang oder ein Übergang mit Charakteristika sein, die einem Tunnelübergang entsprechen, und die Tunnelwahrscheinlichkeit von Ladungsträgern, die zu der transparenten Zwischenschicht hin führen, und zwar durch den Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps hindurch, die mit der Halbleiterschicht über den inversen pn-Übergang verbunden ist, kann verbessert werden, wodurch die ohm'schen Charakteristika der Halbleiter-Übergangsschicht und der transparenten Zwischenschicht weiter verbessert werden können.
Es ist wünschenswert, dass die Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps wenigstens ein Element aufweist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff besteht. Dies ermöglicht es, dass die Bandlücke des Halbleiters vergrößert ist und erlaubt, dass die Konzentration von Minoritätsträgern weiter reduziert wird, wodurch es ermöglicht wird, die Rekombinationsrate in der Schnittstelle zwischen der Halbleiterschicht in der Halbleiter-Übergangsschicht und der transparenten Zwischenschicht weiter zu reduzieren. Die Vergrößerung der Bandlücke reduziert auch eine Lichtabsorptionsmenge in der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, so dass es ermöglicht wird, die Wirkung einer Reduzierung eines Lichtabsorptionsverlustes in der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zu erhalten.
Es ist wünschenswert, wenn die Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine Region zum Reduzieren des Lichtabsorptionskoeffizienten des Halbleiters aufweist, und es ist insbesondere wünschenswert, wenn die Region eine Phase mit einem Kristall vom indirekten Übergangstyp („indirect transition type") ist. Dies ermöglicht, dass sich ein Tunnelübergang oder ein Übergang mit Charakteristika, die einem Tunnelübergang entsprechen, in einem inversen pn-Übergang zwischen der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und der Halbleiterschicht zufriedenstellend realisieren lässt, während die Lichtabsorptionsmenge in dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps beschränkt wird. Die oben genannte „Phase mit einem Kristall vom indirekten Übergangstyp" ist eine amorphe Phase, die eine Kristallphase in dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, um ein Beispiel zu nennen.
Wenn der Halbleiter, aus dem das Halbleiterbauteil vom Typ mit mehreren Übergängen gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt ist, ein Silicium-basierter Halbleiter ist, ist es möglich, ein Halbleiterbauteil mit einer photo-elektrischen Umwandlungsfunktion zu konfigurieren, das eine signifikant hohe Effizienz aufweist und hinsichtlich der charakteristischen Ausbeute überlegen ist (Stabilität der Effizienz).
Die Prinzipien und Mechanismen, aufgrund derer die obige Funktion erzeugt wird, und zwar durch die Konfiguration der vorliegenden Erfindung, basieren angenommenerweise wie folgt auf den Ergebnissen von Experimenten, die die Erfinder durchgeführt haben, obgleich die Details nicht klar sind. Obgleich nunmehr eine erste Halbleiter-Übergangsschicht und die transparente Zwischenschicht beschrieben werden, versteht sich, dass die gleiche Beschreibung auch für die transparente Zwischenschicht und die zweite Halbleiter-Übergangsschicht gilt.
8 ist ein Banddiagramm eines Halbleiterbauteils zum Erläutern der vorliegenden Erfindung. 13 ist ein Banddiagramm eines Abschnittes betreffend eine Halbleiter-Übergangsschicht und eine transparente Zwischenschicht, und zwar bei einem herkömmlichen Bauteil.
Vorliegend ist eine Ladungsträger-Rekombinationsrate R in einer Schnittstelle zwischen einer Halbleiterschicht und einer transparenten Zwischenschicht ein Wert, der proportional ist zu dem Produkt einer Minoritätsträgerdichte n in einer Schicht vom n-Typ in der Schnittstelle, und einer Rekombinationszentrumsdichte Nr, die hervorgerufen wird durch einen Schnittstellen-Defektpegel, gemäß folgendem Ausdruck: R ∝ Nr × n.
Obgleich angenommen wird, dass die Rekombinationszentrumsdichte Nr sich in Bezug auf die Schnittstellendefektpegeldichte Nd exakt in der Beziehung Nr < Nd verhält, bestehen für einen Bereich, der im vorliegenden Fall behandelt wird, kaum Probleme, selbst wenn Nr ≒ Nd.
Es wird vorliegend angenommen, dass die Ladungsträger-Rekombinationsrate R die Charakteristika des Bauteils in starkem Maße beeinflusst. Das heißt, wenn die Ladungsträger-Rekombinationsrate R groß ist, wird ein Rekombinationsverlust von photo-erzeugten Ladungsträgern in der Schnittstelle unterstützt, so dass eine Kurzschlussstromdichte Jsc verringert wird, und ein Dunkelstrom, der als ein Ursprung der Schnittstelle dient, wird erhöht, so dass eine Leerlaufspannung Voc verringert wird und ein Füllfaktor FF verringert wird. Demzu folge ist auch die Ausbeute degradiert. Bei dem herkömmlichen Bauteil ist es im Hinblick auf dessen Konfiguration sehr schwierig, die nachteiligen Effekte zu reduzieren.
Andererseits ist in dem Bauteil, auf das die vorliegende Erfindung angewendet ist, die in 8 dargestellt ist, ein Halbleiter 31d vom p-Typ, der zusammen mit einem Halbleiter 31c vom n-Typ in einer Halbleiter-Übergangsschicht einen inversen pn-Übergang bildet, zwischen den Halbleiter 31c und eine transparente Zwischenschicht 5 eingeführt, so dass die Rekombinationszentrumsdichte Nr, die Minoritätsträgern in der Schicht vom n-Typ in der Nachbarschaft der Schnittstelle zwischen Halbleiter und transparenter Zwischenschicht entspricht, signifikant reduziert ist.
Das heißt, die Defektpegeldichte Nd selbst in der Schnittstelle zwischen Halbleiter und transparenter Zwischenschicht unterscheidet sich nicht von jener des herkömmlichen Bauteils. Bei dem herkömmlichen Bauteil liegt ein Defektpegel Ed jedoch auf der Seite von Minoritätsträgern in Bezug auf ein Fermi-Niveau Ef, wie es in 13 gezeigt ist, so dass ein großer Teil des Defektpegels Ed als ein Rekombinationszentrum wirkt. Andererseits ist bei dem Bauteil, auf das die vorliegende Erfindung angewendet ist, ein Defektpegel auf der Seite von Majoritätsträgern in Bezug auf ein Fermi-Niveau Ef angeordnet, wie es in 8 gezeigt ist, so dass ein großer Teil des Defektpegels nicht als ein Rekombinationszentrum wirkt.
Mit anderen Worten ist für Löcher, die in der Halbleiterschicht vom n-Typ Minoritätsträger sind, der Defektpegel bei dem herkömmlichen Bauteil nahezu mit Elektronen gefüllt. Daher tritt die Rekombination der Minoritätsträger, d.h. die Rekombination der Löcher, bei denen es sich um Minoritätsträger handelt, und der Elektronen bei dem Defektpegel mit sehr hoher Effizienz auf. Andererseits existieren in dem Bauteil, auf das die vorliegende Erfindung angewendet ist, nur wenige Elektronen in dem Schnittstellendefektpegel, der als ein Gegenstück der Rekombination entsprechend den Minoritätsträgern dient, so dass angenommen wird, dass die Rekombination der Minoritätsträger kaum auftritt.
Es wird angenommen, dass das Bauteil, auf das die vorliegende Erfindung angewendet ist, aufgrund der oben genannten Prinzipien und Mechanismen ermöglicht, dass die Rekombinationszentrumsdichte Nr in der Schnittstelle zwischen Halbleiter und transparenter Zwischenschicht signifikant reduziert wird, und ermöglicht, dass die Ladungsträger-Rekombinationsrate signifikant reduziert wird. Da die Ladungsträger-Rekombinationsrate R somit signifikant reduziert ist, wird angenommen, dass die Variationen der Rekombinationsrate R beschränkt werden, wodurch sich eine hohe Ausbeute bzw. Ergiebigkeit erzielen lässt.
In der Halbleiterschicht in der Halbleiter-Übergangsschicht und der transparenten Zwischenschicht der vorliegenden Erfindung ist, zwischen der Halbleiterschicht (z.B. vom p-Typ) und der transparenten Zwischenschicht, die Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (bei diesem Beispiel vom n-Typ) vorgesehen. Um hier zwischen gute ohm'sche Charakteristika zu realisieren, ist es jedoch wünschenswert, dass ein inverser pn-Übergang zwischen dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (n-Typ) und dem Halbleiter vom p-Typ ein Tunnelübergang oder ein Übergang ist, der Charakteristika aufweist, die einem Tunnelübergang entsprechen.
Vorliegend ist ein Übergang mit Übergangscharakteristika, die denen einen Tunnelübergangs entsprechen, auf einen Fall bezogen, bei dem ein Wert, der dargestellt ist als ein „Flächenwiderstandswert" ((V/I) × S, wobei S die Fläche des inversen n-Übergangs ist) in einer V-I-Charakteristik des inversen pn-Übergangs nicht größer ist als 1 Ω cm², und zwar für den Fall, dass an den inversen pn-Übergang eine Spannung im Bereich von –0,02 V bis 0,02 V angelegt ist.
Wenn beispielsweise die Fläche S des inversen pn-Übergangs 1 cm² beträgt, ist der „Flächenwiderstandswert" 0,5 Ω cm², wenn ein Strom I bei einer angelegten Spannung von –0,02 V in der Höhe von –0,04 A fließt, wohingegen der „Flächenwiderstandswert" 0,33 Ω cm² beträgt, wenn der Strom I bei einer angelegten Spannung von +0,02 V einen Wert von 0,06 A besitzt. Der „Flächenwiderstandswert" befindet sich jedoch innerhalb eines erforderlichen Bereiches (nicht mehr als 1 Ω cm²) der Übergangscharakteristika.
Es kann daher festgestellt werden, dass ein inverser pn-Übergang mit derartigen V-2-Charakteristika ein Übergang ist, der Übergangscharakteristika aufweist, die denen eines Tunnelübergangs entsprechen, und somit für die vorliegende Erfindung geeignet ist.
Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Kontakt zwischen dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstys und der Elektrode möglich, die Rekombinati onsrate der Minoritätsträger in der Halbleiter/Elektroden-Kontaktschnittstelle effektiv zu reduzieren, indem zwischen dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und der Elektrode der Halbleiter des Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt zu jenem des Halbleiters des einen Leitfähigkeitstyps angeordnet wird, wobei es hierbei ebenfalls möglich ist, gute ohm'sche Charakteristika zu erhalten, indem der Tunnelübergang bzw. der Übergangs gebildet wird, der Charakteristika aufweist, die einem Tunnelübergang entsprechen. Wenn die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur angewendet wird, ist es daher möglich, die Charakteristika des Halbleiterbauteiles rapide zu verbessern.
Ferner ist die Rekombinationsrate signifikant reduziert, und zwar über einen gewissen Schwellenwert hinaus, wodurch es ermöglicht wird, dass die Ausbeute des Halbleiterbauteils verbessert wird.
Insbesondere kann in dem photo-elektrischen Wandlungsbauteil die Rekombinationsrate der photo-erzeugten Ladungsträger, angeregt durch einfallendes Licht, effektiv reduziert werden, und es kann effektiv verhindert werden, dass eine Dunkelstromkomponente erzeugt wird, wodurch die photo-elektrische Wandlungseffizienz verbessert wird. Die Ladungsträger-Rekombinationsrate wird signifikant reduziert, und zwar über einen gewissen Schwellenwert hinaus, so dass die erhaltenen Charakteristika signifikant stabilisiert werden, wodurch es möglich wird, die Wirkung zu erhalten, dass die Ausbeute des Halbleiterbauteils signifikant verbessert wird.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachstehenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Querschnittsansicht der Konfiguration eines Halbleiterbauteils vom pin-Übergangstyp, auf das eine Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet ist;
2 ist ein Banddiagramm des Halbleiterbauteils vom pin-Übergangstyp, das in 1 gezeigt ist;
3 ist eine Querschnittsansicht einer Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis vom supergeraden bzw. Superstrat-Typ („super-straight type"), bei der Licht auf ein Substrat einfällt;
4 ist ein Banddiagramm eines Zustands auf der Basis eines Vakuum-Niveaus, und zwar vor einem Kontakt, wobei jede Schicht der Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis gemäß 3 unabhängig bzw. separat vorliegt;
5 ist ein Banddiagramm eines Zustands, basierend auf einem Fermi-Niveau, wobei jede Schicht der Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis, die in 3 gezeigt ist, sich in Kontakt und in thermischem Gleichgewicht befindet (Fermi-Niveaus der Schichten sind gleich);
6 ist eine Querschnittsansicht einer Silicium-Solarzelle vom Massen- bzw. Großtyp („bulk type"), auf die die vorliegende Erfindung angewendet ist;
7 ist eine Querschnittsansicht einer Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis vom Superstrat-Typ, mit einer transparenten Zwischenschicht 5;
8 ist ein Banddiagramm des in 7 gezeigten Halbleiterbauteils;
9 ist eine Querschnittsansicht einer Silicium-Solarzelle vom Typ mit mehreren Übergängen, die erhalten wird durch Übereinanderstapeln von Dünnfilm-Zellen aus Silicium und Silicium-Zellen vom Massen- bzw. Volumentyp (bulk type);
10 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer Dünnfilm-Solarzelle zeigt, bei der es sich um ein herkömmliches Halbleiterbauteil vom Typ mit mehreren Übergängen handelt;
11 ist ein Banddiagramm der in 10 gezeigten Dünnfilm-Solarzelle;
12 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer herkömmlichen Dünnfilm-Solarzelle zeigt, die erhalten wird durch Einführen von zwei Halbleiterübergangsschichten und einer transparenten Zwischenschicht 5; und
13 ist ein Banddiagramm der in 12 gezeigten Dünnfilm-Solarzelle.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im folgenden werden auf der Grundlage der Zeichnung Ausführungsformen einer Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung und eines Halbleiterbauteils, die eine solche Kontaktstruktur verwendet, beschrieben.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis vom Superstrat-Typ, bei der Licht auf ein Substrat einfällt.
4 ist ein Banddiagramm, vereinheitlicht auf Vakuum-Niveau, der Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis, die in 3 gezeigt ist (und zwar eines Zustandes vor einem Kontakt). 5 ist ein Banddiagramm, vereinheitlicht auf Fermi-Niveau Ef, der in 3 gezeigten Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis (ein Zustand nach dem Kontakt). Ec zeigt eine Leitungsbandkante an und Ev zeigt eine Valenzbandkante an. Die Bezeichnung „μc-Si:H" gibt mikrokristallines Silicium mit einer amorphen Phase an, und „a-Si-H" gibt einen hydrierten amorphen Siliciumfilm an.
Obgleich für jede Schicht in 4 und 5 „μc-Si:H" oder „a-Si:H" erwähnt ist, ist die Verwendung des Materials lediglich ein typisches Beispiel. Wie später beschrieben wird, ist das Material für jede der Schichten nicht notwendigerweise auf jenes in dem typischen Beispiel beschränkt.
In 3 gibt Bezugsziffer 1 ein transparentes Substrat an, das aus Glas zusammengesetzt bzw. hergestellt ist, Bezugsziffer 2 gibt eine erste Elektrode an, die aus einem transpa renten leitenden Film zusammengesetzt ist und als eine vordere Elektrode dient, Bezugsziffer 3 gibt einen mehrschichtigen Halbleiterfilm an, der aus Si-basiertem Material zusammengesetzt ist, und Bezugsziffer 4 gibt eine zweite Elektrode an, die aus einem Metall zusammengesetzt ist und als eine hintere Elektrode dient.
In dem mehrschichtigen Halbleiterfilm 3 bezeichnet Bezugsziffer 31 eine erste Halbleiterübergangsschicht, die aus einem Si-basierten Material zusammengesetzt ist, Bezugsziffer 32 bezeichnet eine zweite Halbleiterübergangsschicht, die aus einem Si-basierten Material zusammengesetzt ist, 31a bezeichnet eine Halbleiterschicht 31 vom p-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht, die aus einem Si-basierten Material zusammengesetzt ist, 31b bezeichnet eine photo-aktive Schicht in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31, die aus einem Si-basierten Material zusammengesetzt ist, 31c bezeichnet eine Halbleiterschicht vom n-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31, die aus einem Si-basierten Material zusammengesetzt ist, 32a bezeichnet eine Halbleiterschicht vom p-Typ in einer zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, die aus einem Si-basierten Material zusammengesetzt ist, 32b bezeichnet eine photo-aktive Schicht in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, die aus einem Si-basierten Material zusammengesetzt ist, und 32c bezeichnet eine Halbleiterschicht vom n-Typ in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, die aus einem Si-basierten Material zusammengesetzt ist.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Elektrode 2 und der Halbleiterschicht 31a vom p-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 die Halb leiterschicht 31d vom n-Typ, zusammengesetzt aus einem Si-basierten Material, des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, und dadurch, dass zwischen der zweiten Elektrode 4 und der Halbleiterschicht 32c vom n-Typ in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 die Halbleiterschicht 32d vom p-Typ, zusammengesetzt aus einem Si-basierten Material, des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist. Jede der Halbleiterschichten 31d, 32d des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps weist eine Dotierungselementkonzentration von 1 × 10¹⁸ – 5 × 10²¹/cm³ auf, und die Halbleiterschicht und die damit in Kontakt befindliche Halbleiterschicht bilden einen Tunnelübergang oder einen Übergang, der Charakteristika besitzt, die einem Tunnelübergang entsprechen.
Die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, dass die elektrischen Eigenschaften der ersten Elektrode 2 und der Halbleiterschicht 31a vom p-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 und die elektrischen Charakteristika der zweiten Elektrode 4 und der Halbleiterschicht 32c vom n-Typ in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 signifikant verbessert werden, verglichen mit jenen der herkömmlichen Technik.
Das heißt, dass sich in einer Halbleiter/Metall-Schnittstelle eine Rekombinationsrate von Minoritätsträgern signifikant reduzieren lässt, wodurch es möglich wird, ein Halbleiterbauteil mit guten V-I-Charakteristika zu realisieren. Im Hinblick auf die Solarzellencharakteristika wird daher das in der „Beschreibung des Standes der Technik" beschriebene Problem gelöst, wodurch es möglich bzw. erleichtert wird, eine Leerlaufspannung Voc zu verbessern und eine Kurzschlussstromdichte Jsc zu verbessern. Dementsprechend kann auch die Ausbeute („yield") signifikant verbessert werden.
Im folgenden werden die Prozesse zum Bilden der Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis beschrieben.
Zunächst wird ein transparentes Substrat als das Substrat 1 vorbereitet. Insbesondere kann ein Plattenmaterial oder ein Filmmaterial, das aus Materialien wie Glas, Kunststoff und Harz bzw. Kunstharz zusammengesetzt ist, verwendet werden. Im Falle von Glas kann beispielsweise ein sogenanntes Kalknatronglas oder ein Borsilikatglas mit einer Dicke von einigen mm verwendet werden. Andererseits kann das Material für den Fall des Kunststoffs oder des Harzes in einem Bereich ausgewählt werden, innerhalb dessen kein Problem hinsichtlich der Wärmewiderstandsfähigkeit und der Gasabscheidungseigenschaften („degassing properties") bei den darauf folgenden Prozessen vorliegt.
Eine erste Elektrode 2, die als eine vordere Elektrode dient, wird dann gebildet. Es ist bevorzugt, wenn als ein Material für die Elektrode ein Material gewählt wird, das einen niedrigen Leitungswiderstandswert besitzt und dessen Charakteristika sich für eine lange Zeitspanne nicht ändern. Insbesondere handelt es sich bei der ersten Elektrode 2, die als eine vordere Elektrode dient, die in der Dünnfilm-Solarzelle ausgebildet ist, um einen transparenten leitenden Film.
Als transparenter leitender Film sind bekannte Materialien wie SnO2, ITO (Indiumzinnoxid) und ZnO verwendbar. Da der transparente leitende Film einer Wasserstoffgasatmosphäre ausgesetzt wird, und zwar aufgrund der Tatsache, dass SiH₄ und H₂ verwendet werden, wenn später auf dem Film ein Si-Film gebildet wird, ist es wünschenswert, dass ein ZnO-Film, der hinsichtlich eines Reduktionswiderstandswertes überlegen ist, auf einer Oberfläche gebildet wird, die sich in Kontakt mit zumindest dem Si-Film befindet.
Beispiele eines Verfahrens zum Bilden des transparenten leitenden Films sind bekannte Techniken wie ein CVD-Verfahren („Chemical Vapor Deposition), ein Vakuumverdampfungsverfahren, ein Ionenplatierungsverfahren, ein Sputter-Verfahren, ein Sprühverfahren und ein Sol-Gel-Verfahren. Unter diesen sind das CVD-Verfahren und das Sputter-Verfahren aus Gründen wie Produktivität, großflächige Filmbildungscharakteristika und der Erlangung von hochqualitativen Filmen wünschenswert.
Die Filmdicke des transparenten leitenden Films wird in einem Bereich von etwa 60 bis 600 nm eingestellt, und zwar unter Berücksichtigung eines Effektes zum Verhindern von Reflektionen und einer Reduktion des Widerstandswertes. Als eine Anzeige bzw. ein Hinweis für die Reduktion des Widerstandswertes ist es wünschenswert, dass ein Lagenwiderstandswert („sheet resistance") nicht mehr als etwa 10 Ω/☐ beträgt.
Anschließend wird ein mehrschichtiger Halbleiterfilm 3 gebildet, der aus einem Silicium-basierten Film zusammengesetzt ist. Der mehrschichtige Halbleiterfilm 3 weist eine Struktur auf, bei der eine erste Halbleiterübergangsschicht 31 und eine zweite Halbleiterübergangsschicht 32 übereinander gestapelt sind. Beispiel eines Verfahrens zum Bilden des Siliciumbasierten Films sind ein PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced-CVD) und ein Cat-CVD-Verfahren (Katalytisches CVD-Verfahren), die herkömmlicherweise bekannt sind. Wenn das Cat-PECVD-Verfahren verwendet wird, das bereits von den vorliegenden Erfindern offenbart worden ist in JP2001-313272 (A) und in JP2003-173980 (A), kann jedoch ein hochqualitativer Film mit hoher Geschwindigkeit gebildet werden. Ferner ist die Verwendung des Cat-PECVD-Verfahrens insbesondere wirksam zur Bildung eines kristallinen Films aus Filmen heraus, was nachstehend beschrieben wird, und zwar da eine Kristallisierung unterstützt werden kann.
Als eine obere Zelle, auf der Licht einfällt, wird zuerst die erste Halbleiterübergangsschicht 31 gebildet, die einen hydrierten amorphen Siliciumfilm in ihrer photo-aktiven Schicht aufweist. Es ist insbesondere wünschenswert, wenn eine Schicht 31d vom n-Typ, eine Schicht 31a vom p-Typ, eine photo-aktive Schicht 31b, eine Schicht 31d vom n-Typ in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Substrates aus übereinandergestapelt bzw. stapelartig angeordnet werden, und wenn es sich bei der photo-aktiven Schicht 31b um eine Schicht vom i-Typ (ein Eigenhalbleiter, „intrinsic semiconductor") handelt.
Als eine untere Zelle wird dann die zweite Halbleiterübergangsschicht 32b gebildet, die ein mikrokristallines Silicium oder ein nanokristallines Silicium als ihre photo-aktive Schicht aufweist. Genauer gesagt ist es wünschenswert, wenn eine Schicht 32a vom p-Typ, eine photo-aktive Schicht 32b, eine Schicht 32c vom n-Typ und eine Schicht 32d vom p-Typ in dieser Reihenfolge von der Seite des Substrates ausgehend gebildet werden, und wenn es sich bei der photo-aktiven Schicht 32b um eine Schicht vom i-Typ handelt.
Der Grund dafür, warum der mehrschichtige Halbleiterfilm 3 verwendet wird, indem die erste Halbleiterübergangsschicht 31, die den hydrierten amorphen Siliciumfilm als die photo-aktive Schicht aufweist, und die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 miteinander kombiniert werden, die den mikrokristallinen Siliciumfilm oder nanokristallinen Siliciumfilm als die photoaktive Schicht aufweist, besteht darin, dass kurzwelliges Licht und langwelliges Licht von der ersten Halbleiterübergangsschicht 31, die als die obere Zelle dient, bzw. von der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, die als die untere Zelle dient, photo-elektrisch wirksam umgewandelt werden, und zwar unter Ausnutzung der Tatsache, dass der hydrierte amorphe Siliciumfilm für das kurzwellige Licht hohe Lichtabsorptionseigenschaften besitzt und dass der mikrokristalline Siliciumfilm oder nanokristalline Siliciumfilm für das langwellige Licht hohe bzw. gute Lichtabsorptionseigenschaften besitzt.
Zunächst wird der Prozess zum Herstellen der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 beschrieben.
Als die Schicht 31d vom n-Typ, die die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft, kann entweder der hydrierte amorphe Siliciumfilm oder der mikrokristalline Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm verwendet werden. Es ist jedoch bevorzugter, den mikrokristallinen Siliciumfilm oder den nanokristallinen Siliciumfilm zu verwenden. Im Vorliegenden bezieht sich der Begriff mikrokristallines Silicium bzw. nanokristallines Silicium auf eine Mischung einer kristallinen Siliciumphase und einer hydrierten amorphen Siliciumphase. Der Kristallisierungsanteil, der durch das Raman-Spitzenverhältnis bzw. -Scheitelverhältnis definiert ist, beträgt etwa 50 bis 100 %, und beträgt bei einem hochqualitativen Film insbesondere 60 bis 80 %.
Der Grund hierfür besteht darin, dass das mikrokristalline Silicium oder das nanokristalline Silicium relativ niedrige bzw. geringe Lichtabsorptionscharakteristika vom indirekten Übergangstyp („indirect transition type") zeigt, was zu einem reduzierten Lichtabsorptionsverlust führt, und zwar verglichen mit dem hydrierten amorphen Silicium, das hohe bzw. starke Lichtabsorptionscharakteristika vom direkten Übergangstyp zeigt. Ferner ist das mikrokristalline Silicium oder das nanokristalline Silicium vorteilhafter beim Bilden eines Tunnelübergangs oder eines Übergangs, der Charakteristika besitzt, die einem Tunnelübergang entsprechen, und zwar zwischen der Schicht 31d vom n-Typ und der Schicht 31a vom p-Typ, wie es nachfolgend beschrieben werden wird, und zwar deswegen, weil das mikrokristalline Silicium bzw. das nanokristalline Silicium eine schmalere Bandlücke bzw. einen schmaleren Bandabstand besitzt als das hydrierte amorphe Silicium.
Das mikrokristalline Silicium oder das nanokristalline Silicium müssen nicht über die gesamte Schicht 31d vom n-Typ verwendet werden. Es kann in manchen Fällen lediglich in der Nachbarschaft der Schnittstelle zwischen der Schicht 31d vom n-Typ und der Schicht 31a vom p-Typ verwendet werden, was nachstehend beschrieben werden wird. Dies ermöglicht, dass ein Lichtabsorptionsverlust in einem schmalen Bandabstandsbereich so gering wie möglich gemacht werden kann.
Im Vorliegenden werden Verunreinigungen in die Schicht 31d vom n-Typ hineindotiert, so dass die Schicht 31d vom n-Typ sein kann. Bei einem Siliciumhalbleiter können P, As, Sb, etc. als Dotierungselement verwendet werden, um einen n-Typ zu erhalten. Aus diesen ist jedoch P besonders wünschenswert bzw. günstig.
Die Konzentration des Dotierungselements wird im wesentlichen so hoch wie 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ gewählt, so dass der Leitfähigkeitstyp der Schicht 31d vom n-Typ in einen n⁺-Typ verändert wird. Dies ermöglicht, dass ein Tunnelübergang oder ein Übergang mit Charakteristika, die einem Tunnelübergang entsprechen, zwischen der Schicht 31d vom n-Typ und der Schicht 31a vom p-Typ gebildet werden kann, die später gebildet wird. Die Dotierungskonzentration muss nicht über die gesamte Schicht 31d vom n-Typ realisiert werden. Sie kann in einer Region realisiert werden, die zumindest mit der Schicht 31a vom p-Typ in Kontakt steht. Die Filmdicke d1 der n⁺-Schicht kann in einem Bereich von nicht weniger als die Dicke von zumindest einer atomaren Schicht und nicht mehr als die Filmdicke der Schicht 31d vom n-Typ realisiert werden.
Die Filmdicke d1 der n⁺-Schicht kann so gewählt werden, dass sie nicht mehr als etwa 20 nm beträgt und vorzugsweise nicht mehr als 10 nm. Die Filmdicke wird somit so eingestellt, dass ein Lichtabsorptionsverlust und ein Widerstandsverlust in der Schicht so niedrig wie möglich gemacht wird. Es ist noch bevorzugter, wenn die Filmdicke d1 nicht mehr als 5 nm beträgt. Dies ermöglicht, dass der Lichtabsorptionsverlust reduziert wird, ermöglicht, dass Ladungsträger die n⁺-Schicht leicht tunneln können, und ermöglicht, dass der Widerstandsverlust („resistance loss"), der durch die Schicht 31d vom n-Typ hervorgerufen wird, nahezu Null beträgt. Es ist demzufolge möglich, einen Halbleiter/Elektroden-Kontakt zu erhalten, dessen ohm'sche Charakteristika kaum verschlechtert bzw. degradiert sind.
Beispiele von Ausgangsmaterialien zum Bilden der Schicht 31d vom n-Typ sind SiH₄, H₂ und PH₃, die als Dotierungsgas dienen. Hierbei wird P in grober Proportion zu einem Partialdruckverhältnis von PH₃ zu SiH₄ aufgenommen. Durch Einstellen eines Partialdruckverhältnisses (genauer gesagt eines Gasströmungsverhältnisses) entsprechend einer Ziel-Dotierungskonzentration lässt sich daher eine gewünschte Dotierungskonzentration realisieren. Die Filmdicke kann eingestellt werden, wenn die Filmbildungsgeschwindigkeit und die Filmbildungszeit eingestellt bzw. angepasst sind. Insbesondere zum Zwecke des Kristallisierens der Schicht 31d vom n-Typ ist in einem Substrat-Temperaturbereich von etwa 100 bis 400°C, in dem eine Oberfläche der Schicht mit Wasserstoff beschichtet bzw. überzogen werden kann, die Kristallisierung leicht möglich, indem eine Plasma-Erregungsfrequenz auf eine VHF-Region von nicht weniger als etwa 40 MHz eingestellt wird, um ein Beispiel zu nennen, oder indem aktiv oder positiv eine Gaserwärmung durchgeführt wird.
Wenn ein Gas, das C (Kohlenstoff) enthält wie CH₄, in einer geeigneten Menge zusätzlich zu den vorstehend genannten Gasen zugemischt wird, wird ein Si_xC_1–x-Film erhalten. Der Bandabstand des Si_xC_1–x-Films ist vergrößert. Der Lichtabsorptionsverlust ist verringert, und zwar durch die Wirkung der Vergrößerung des Bandabstandes, was es ermöglicht, dass die Transparenz ansteigt. Dies ist besonders wirksam zur Bildung einer sogenannten Fensterschicht und ist ebenfalls wirksam bei einer Reduktion einer Dunkelstromkomponente, um eine Leerlaufspannung zu verbessern.
Wenn der Gehalt von C auf etwa 5 bis 20 % eingestellt wird, kann der Vergrößerungsbetrag des Bandabstandes etwa 0,1 bis 0,3 eV betragen. Der Gehalt von C in der Schicht kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, wenn eine Plasmaleistung angepasst wird, und zwar unter Berücksichtigung eines Partialdruckverhältnisses (d.h. eines Gasströmungsverhältnisses) von CH₄ zu SiH₄ während der Filmbildung und der Differenz der Zersetzungseffizienz („decomposition efficiency") zwischen CH₄ und SiH₄. Wenn ein Gas, das O(Sauerstoff) enthält, und ein Gas, das N (Stickstoff) enthält, jeweils in geeigneten Mengen zugemischt werden, lassen sich ein Si_xO_1–x-Film bzw. ein Si_xN_1–x-Film erhalten, wodurch ermöglicht wird, dass die gleiche Wirkung erhalten wird. Die Gase können auch gemischt werden.
Anschließend wird die Schicht 31a vom p-Typ auf der Schicht 31d vom n-Typ gebildet. Betreffend die Schicht 31a vom p-Typ, können ein hydrierter amorpher Siliciumfilm, ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm verwendet werden. Um einen Tunnelübergang oder einen Übergang, der Charakteristika aufweist, die einem Tunnelübergang entsprechen, zwischen der Schicht 31a vom p-Typ und der Schicht 31d vom n-Typ zu bilden, ist es bevorzugter, den mikrokristallinen Siliciumfilm oder den nanokristallinen Siliciumfilm zu verwenden, die einen kleinen Bandabstand besitzen. Natürlich muss mikrokristallines Silicium oder nanokristallines Silicium nicht über die gesamte Schicht 31a vom p-Typ verwendet werden. Es kann in manchen Fällen lediglich in der Nachbarschaft der Schnittstelle zwischen der Schicht 31a vom p-Typ und der Schicht 31d vom n-Typ verwendet werden. Dies ermöglicht, dass ein Lichtabsorptionsverlust in einer schmalen Bandabstandregion so klein wie möglich gemacht werden kann.
Hierbei werden Verunreinigungen in die Schicht 31a dotiert, so dass die Schicht 31a vom p-Typ sein kann. Bei einem Siliciumhalbleiter können B, Al, Ga, etc. als ein Dotierungselement verwendet werden, um einen p-Typ zu erhalten. Unter diesen ist jedoch B bevorzugt.
Die Konzentration des Dotierungselementes wird vorzugsweise auf etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ eingestellt. Demzufolge wird der Leitfähigkeitstyp der Schicht 31a vom p-Typ in einen p⁺-Typ verändert bzw. gewechselt. Die Dotierungskonzentration muss nicht über die gesamte Schicht 31a vom p-Typ realisiert werden. Sie kann in einer Region realisiert werden, die zumindest mit der Schicht 31d vom n-Typ in Kontakt steht. Die Filmdicke d2 der p⁺-Schicht kann in einem Bereich von nicht weniger als die Dicke von zumindest einer atomaren Schicht und nicht mehr als die Filmdicke der Schicht 31a vom p-Typ realisiert werden.
Die Filmdicke d2 der p⁺-Region wird in einem Bereich von etwa 2 bis 100 nm eingestellt, und zwar in Abhängigkeit vom Material. Beispielsweise liegt die Filmdicke d2 in einem Bereich von etwa 2 bis 20 nm unter besonderer Berücksichtigung einer Reduktion des Lichtabsorptionsverlustes, wenn hydriertes amorphes Siliciummaterial verwendet wird, wohingegen die Filmdicke d2 in einem Bereich von etwa 10 bis 100 nm liegt, und zwar unter Berücksichtigung eines Reduktion der Übergangsbildungsfähigkeit, wenn mikrokristallines Silicium oder nanokristallines Silicium verwendet wird.
Wenn ein Gas, das C (Kohlenstoff) enthält, wie CH₄, in einer geeigneten Menge zusätzlich zu Gasen wie SiH₄, H₂ und B₂H₆ zugemischt wird, und zwar als ein Dotierungsgas dienend und verwendet zur Zeit der Filmbildung, wird ein Si_xC_1–x-Film erhalten. Der Si_xC_1–x-Film ist besonders wirksam zur Bildung einer Fensterschicht mit einem niedrigen Lichtabsorptionsverlust. Ferner ist der Film wirksam zur Reduktion einer Dunkelstromkomponente, um eine Leerlaufspannung zu verbessern. Ferner lässt sich die gleiche Wirkung erzielen, und zwar selbst durch Zumischen eines Gases, das O (Sauerstoff) enthält, oder eines Gases, das N (Stickstoff) enthält, und zwar in einer geeigneten Menge. Vorliegend sind der bevorzugte Gehalt von C und ein Verfahren zum Realisieren desselben annähernd genauso wie in dem oben erwähnten Fall der Halbleiterschicht 31d vom n-Typ, und demzufolge wird die zugehörige Beschreibung nicht noch einmal wiederholt.
Die photo-aktive Schicht 31b, die als eine nicht-dotierte Schicht dient, die nicht dotiert ist, wird anschließend auf der Schicht 31a vom p-Typ gebildet. Für die photo-aktive Schicht wird ein hydrierter amorpher Siliciumfilm verwendet. In der Praxis zeigt die nicht-dotierte Schicht gewisse Charakteristika vom n-Typ. In diesem Fall kann die photo-aktive Schicht 31b daher so eingestellt werden, dass sie im Wesentlichen vom i-Typ ist, und zwar durch Aufnehmen einer kleinen Menge eines Dotierungselementes vom p-Typ.
Um Ströme zwischen der oberen Zelle (der ersten Halbleiterübergangsschicht 31) und der unteren Zelle (der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32), die später beschrieben werden, aneinander anzupassen, und zwar zu der gleichen Zeit, zu der einfallendes Licht photo-elektrisch wirksam umgewandelt wird, wird die Filmdicke der photo-aktiven Schicht 31b eingestellt innerhalb eines Bereiches von 0,1 bis 0,5 μm.
Nachstehend wird die Bildung des hydrierten amorphen Siliciumfilms beschrieben. Obgleich das PECVD-Verfahren und das Cat-CVD-Verfahren, die herkömmlicherweise bekannt sind, auch verwendet werden können, kann ein hochqualitativer hydrierter amorpher Siliciumfilm mit hoher Geschwindigkeit und über eine große Fläche und mit hoher Produktivität gebildet werden, wenn das Cat-PECVD-Verfahren verwendet wird. Demzufolge ist das Verfahren insbesondere wirksam zur Herstellung einer hocheffizienten Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis bei geringen Kosten.
Ferner ermöglicht es das Cat-PECVD-Verfahren, dass eine Wasserstoffkonzentration im Film („in-film hydrogen concentration") nicht mehr als 15 Atom-% beträgt, und zwar aufgrund einer Wirkung, dass die Bildung von atomarem Wasserstoff unterstützt wird, oder einer Wirkung einer Gaserwärmung. Es lässt sich ein Film mit einer niedrigen Wasserstoffkonzentration erhalten, die vorzugsweise nicht mehr als 10 Atom-% beträgt, was sich mit dem herkömmlichen PECVD-Verfahren schwierig realisieren lässt, oder sogar noch bevorzugter von nicht mehr als 5 Atom-%. Es ist daher möglich, den Grad der Verschlechterung bzw. Degradation durch Licht zu verringern, bei der es sich um ein seit langem bestehendes Problem eines Bauteils handelt, das einen hydrierten amorphen Siliciumfilm verwendet.
Anschließend wird auf der photo-aktiven Schicht 31b die Schicht 31c vom n-Typ gebildet. Als die Schicht 31c vom n-Typ kann ein hydrierter amorpher Siliciumfilm oder ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm verwendet werden, und die Filmdicke der Schicht wird in einem Bereich von etwa 2 bis 100 nm eingestellt, und zwar in Abhängigkeit vom Material. Beispielsweise liegt die Filmdicke in einem Bereich von etwa 2 bis 20 nm, und zwar unter besonderer Berücksichtigung einer Reduktion des Lichtabsorptionsverlustes, wenn hydriertes amorphes Siliciummaterial verwendet wird, wohingegen die Filmdicke in einem Bereich von etwa 10 bis 100 nm liegt, und zwar unter Berücksichtigung einer Reduktion einer Übergangsbildungsfähigkeit, wenn mikrokristallines Silicium oder nanokristallines Silicium verwendet wird.
Die Konzentration des Dotierungselementes beträgt etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³, so dass der Leitfähigkeitstyp der Schicht 31c vom n-Typ in einen n⁺-Typ geändert wird.
Wenn ein Gas, das C (Kohlenstoff) enthält, wie CH₄, in einer geeigneten Menge zusätzlich zu Gasen wie SiH₄, H₂ und PH₃ zugemischt wird, als ein Dotierungsgas dienend und zur Zeit der Filmbildung verwendet, wird ein Si_xC_1–x-Film erhalten, was eine Filmbildung mit geringem Lichtabsorptionsverlust ermöglicht und gleichfalls wirksam ist zur Verringerung einer Dunkelstromkomponente zum Verbessern einer Leerlaufspannung. Ferner lässt sich selbst durch Zumischen eines Gases, das O (Sauerstoff) enthält oder eines Gases, das N (Stickstoff) enthält, in einer geeigneten Menge zugemischt wird, der gleiche Effekt erzielen.
Um Übergangscharakteristika weiter zu verbessern, können eine amorphe Si-Schicht, die im Wesentlichen vom i-Typ ist, bzw. eine amorphe Si_xC_1–x-Schicht als Pufferschichten zwischen die Schicht 31a vom p-Typ und die photo-aktive Schicht 31b bzw. zwischen die photo-aktive Schicht 31b und die Schicht 31c vom n-Typ eingefügt werden. Die Dicke der in diesem Fall einzufügenden Schicht beträgt etwa 0,5 bis 50 nm. Wenn die Wasserstoffkonzentration im Film und die C-Konzentration geneigt sind bzw. ansteigen, so dass die einzufügende Schicht in diesem Fall eine sogenannte gradierte Schicht bzw. Schicht mit einem allmählichen Übergang („graded layer") sein kann, kann die Rekombinationsrate in einer Region, wo die gradierte Schicht gebildet ist, reduziert werden, was hinsichtlich einer Verbesserung der Charakteristika noch bevorzugter ist.
Vorliegend ist es bezüglich der Schicht 31c vom n-Typ und der Schicht 32a vom p-Typ die einen Übergang zwischen der ersten Halbleiterübergangsschicht 31, die oben beschrieben ist und der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 bilden, die später beschrieben wird, bevorzugt, wenn gleichfalls ein Tunnelübergang oder ein Übergang mit Charakteristika, die einem Tunnelübergang entsprechen, gebildet wird, um gute ohm'sche Charakteristika zu realisieren. Ein Verfahren der Realisierung ist das Gleiche wie das bereits beschriebene Verfahren, das zwischen der Schicht 31d vom n-Typ und der Schicht 31a vom p-Typ realisiert ist. Ferner ist es bezüglich eines Kontaktes zwischen der Schicht 31c vom n-Typ und der Schicht 32a vom p-Typ wünschenswert, wenn jede der Schichten eine Schicht aus mikrokristallinem Silicium oder eine Schicht aus nanokristallinem Silicium ist, wie es bereits beschrieben ist in Bezug auf die Schicht 31d vom n-Typ und die Schicht 31a vom p-Typ.
Durch das oben genannte Verfahren kann die erste Halbleiterübergangsschicht 31 als eine obere Zelle gebildet werden.
Ferner wird die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 hierauf als eine untere Zelle gestapelt. Die Beschreibung eines Abschnittes, der in bzw. mit dem gleichen Verfahren gebildet werden kann wie das Verfahren zum Bilden der ersten Halbleiterübergangsschicht 31, wird weggelassen, um einen charakteristischen Abschnitt zu beschreiben.
In der vorliegenden Erfindung bzw. Ausführungsform realisieren die zweite Halbleiterübergangsschicht 32, die Schicht 32c vom n-Typ und die Schicht 32d vom p-Typ die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
Was die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 angeht, wird als erstes die Schicht 32a vom p-Typ auf der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 gebildet. Die Schicht 32a vom p-Typ kann einen hydrierten amorphen Siliciumfilm oder einen mikrokristallinen Siliciumfilm oder einen nanokristallinen Siliciumfilm verwenden, ähnlich wie die oben erwähnte Schicht 31a vom p-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31. Die detaillierten Bedingungen bzw. Randbedingungen, wie die Dicke und die Dotierungskonzentration, sind die gleichen wie bei den vorangegangenen Randbedingungen, und werden daher nicht noch einmal beschrieben.
Die photo-aktive Schicht 32b, die als eine nicht-dotierte Schicht dient, die nicht dotiert ist, wird dann auf der Schicht 32a vom p-Typ gebildet. Obgleich die photo-aktive Schicht 31b in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 aus einem hydrierten amorphen Siliciumfilm gebildet ist, ist die photo-aktive Schicht 32b in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 aus einem mikrokristallinen Siliciumfilm oder einem nanokristallinen Siliciumfilm gebildet.
In der Praxis zeigt der nicht-dotierte Siliciumfilm gewöhnlich gewisse Charakteristika vom n-Typ. In diesem Fall kann die photo-aktive Schicht 32b daher so eingestellt werden, dass sie im Wesentlichen vom i-Typ ist, indem ein Dotierungselement p-Typ in einer kleinen Menge aufgenommen wird.
Um die Ströme zwischen der oberen Zelle und der unteren Zelle anzupassen, und zwar zu der gleichen Zeit, zu der einfallendes Licht photo-elektrisch effizient gewandelt wird, wird die Filmdicke der photo-aktiven Schicht 32b in einem Bereich von etwa 1 bis 3 μm eingestellt.
Obgleich es wünschenswert ist, wenn, betreffend die Filmstruktur der photo-aktiven Schicht 32b, die Form ihrer Oberfläche nach der Filmbildung eine eigenständige („autonomous") texturierte Struktur (Mikrorauhigkeit) besitzt, die zur Lichteingrenzung geeignet ist, und zwar als eine Menge von säulenförmigen Kristallkörnern in der Orientierung einer (110)-Ebene einer Kristallebene, was als ein Ergebnis eines bevorzugten Wachstums der (110)-Ebene auftritt, hat die Verwendung des PECVD-Verfahrens oder des Cat-PECVD-Verfahrens den Vorteil, dass diese Struktur natürlich bzw. naturgemäß gebildet werden kann.
Obgleich als Verfahren zum Bilden eines mikrokristallinen Siliciumfilms oder eines nanokristallinen Siliciumfilms das PECVD-Verfahren und das Cat-CVD-Verfahren verwendet werden können, die herkömmlicherweise bekannt sind, lässt sich ein besonders hoch qualitativer mikrokristalliner Siliciumfilm oder nanokristalliner Siliciumfilm mit hoher Geschwindigkeit über eine große Fläche und mit hoher Produktivität bilden, wenn das Cat-PECVD-Verfahren verwendet wird. Demzufolge ist das Verfahren besonders wirksam zur Herstellung einer hoch effizienten und kostengünstigen Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis.
Das Cat-PECVD-Verfahren ermöglicht, dass ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm mit einer Wasserstoffkonzentration im Film von nicht mehr als 10 Atom-% erhalten werden kann, und zwar durch eine Wirkung einer Unterstützung der Bildung von atomarem Wasserstoff oder eine Wirkung einer Gaserwärmung. Ferner ist es möglich, einen Film zu erhalten, der eine niedrige Wasserstoffkonzentration von vorzugsweise nicht mehr als 5 Atom-% oder noch bevorzugter von nicht mehr als 3,5 Atom-% besitzt.
Der Grund dafür, warum der Film mit einer niedrigen Wasserstoffkonzentration bevorzugt ist, ist folgender. Im Falle des mikrokristallinen Siliciumfilms oder des nanokristallinen Siliciumfilms existiert ein großer Teil des Wasserstoffs in einer Kristallkorngrenze. Da ein Bindungszustand von Wasserstoff und Si und dessen Dichte proportional sind zu einer inversen Zahl einer Ladungsträger-Rekombinationsrate in der Kristallkorn-Grenze, bestimmen der Bindungszustand von Wasserstoff und Si und die Dichte die Qualität der Kristallkorngrenze. Das heißt, je höher die Dichte einer SiH₂-Bindung ist, und zwar in einem Zustand, bei dem ein Si-Atom, das in der Kristallkorngrenze existiert, an zwei H-Atome und weitere zwei Si-Atome gebunden ist, desto leichter tritt ein sogenanntes Post-Oxidations-Phänomen auf (wenn ein Film nach der Filmbildung einer Atmosphäre ausgesetzt ist, diffundiert eine Gaskomponente, die Sauerstoff enthält, wie O₂, Co₂ oder H₂O in der Atmosphäre in die Kristallkorngrenze in dem Film hinein, wird adsorbiert und oxidiert, so dass ein Bindungszustand („bonded state") in der Kristallkorngrenze verändert wird), was eine Degradation der Qualität des gesamten Films mit der Zeit mit sich bringt (d.h. eine Degradation bzw. Verschlechterung der Charakteristika über der Zeit), hervorgerufen durch eine Degradation der Qualität der Kristallkorngrenze. Da die Wasserstoffkonzentration im Film abnimmt, nimmt hier die Dichte der SiH₂-Bindung in der Kristallkorngrenze ab, was es ermöglicht, dass ein Phänomen einer Degradation über der Zeit, hervorgerufen durch das oben genannte Post-Oxidationsphänomen, reduziert wird.
Genauer gesagt kann ein Verhältnis der Degradation über der Zeit auf nicht mehr als einige Prozent unterdrückt werden, wenn die Wasserstoffkonzentration im Film nicht mehr als 5 Atom-% beträgt, und kann weiter auf annähernd Null reduziert werden, wenn die Wasserstoffkonzentration im Film nicht mehr als 3,5 Atom-% beträgt. Es ist im Ergebnis möglich, eine Solarzelle mit höherer Effizienz bzw. höherem Wirkungsgrad herzustellen.
Anschließend wird auf der photo-aktiven Schicht 32b die Schicht 32c vom n-Typ gebildet. Die Schicht 32c vom n-Typ kann einen hydrierten amorphen Siliciumfilm oder einen mikrokristallinen Siliciumfilm oder einen nanokristallinen Siliciumfilm verwenden, ähnlich wie die oben erwähnte Schicht 31c vom n-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31. Die detaillierten Randbedingungen, wie die Dicke und die Dotierungskonzentration, sind annähernd die Gleichen wie die vorstehenden Randbedingungen, und deren Beschreibung wird daher nicht wiederholt.
Um Übergangscharakteristika weiter zu verbessern, kann eine amorphe Siliciumschicht, bei der es sich im Wesentlichen um eine Schicht vom i-Typ handelt, zwischen die Schicht 32a vom p-Typ und die photo-aktive Schicht 32b oder zwischen die photoaktive Schicht 32b und die Schicht 32c vom n-Typ eingefügt werden. Die Dicke der in diesem Fall einzufügenden Schicht beträgt etwa 0,5 bis 50 nm.
Anschließend wird die Schicht 32d vom p-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet. Die Schicht 32d kann einen hydrierten amorphen Siliciumfilm oder einen mikrokristallinen Siliciumfilm oder einen nanokristallinen Siliciumfilm verwenden, ähnlich wie die oben genannte Schicht 31d vom n-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31. Die Schicht 32d vom p-Typ ist hinsichtlich der detaillierten Randbedingungen wie die Dicke und die Dotierungskonzentration gleich der Schicht 31d vom n-Typ, mit der Ausnahme, dass lediglich B, Al, Ga, etc., die eine Leitfähigkeit vom p-Typ zeigen, als Dotierungselement verwendet wird bzw. werden, und folglich wird eine detaillierte Beschreibung unterlassen.
Schließlich wird als die zweite Elektrode 4, die als eine hintere Elektrode dient, ein Metallfilm gebildet. Als Materialien für den Metallfilm werden vorzugsweise solche Materialien verwendet, die hauptsächlich aus Al, Ag, etc. bestehen, die hinsichtlich der Leitfähigkeitseigenschaften und der Lichtreflexionseigenschaften überlegen sind. Durch Verwenden der Metallmaterialien kann langwelliges Licht, das die hintere Elekt rode erreicht hat, wirksam erneut auf die Halbleiterschicht gerichtet werden, indem es dort mit einem hohen Reflektionsindex reflektiert wird.
Als ein Verfahren zum Bilden des Metallfilms können bekannte Techniken wie ein Vakuumverdampfungsverfahren, ein Sputterverfahren, ein Ionenplatierungsverfahren und ein Siebdruckverfahren verwendet werden. Von diesen ist das Sputterverfahren aus Gründen wie der Produktivität, der Charakteristika zum Bilden von Filmen großer Fläche, und hinsichtlich der Erlangung hoch qualitativer Filme wünschenswert bzw. bevorzugt. Es ist ferner wünschenswert, wenn die Dicke des Metallfilm nicht kleiner ist als 0,1 μm, um einen elektrischen Widerstandswert hinreichend zu reduzieren, und nicht größer ist als 1 μm, um einen Kostenanstieg zu vermeiden.
Es ist noch bevorzugter, wenn die Innenseite bzw. das Innere der zweiten Elektrode 4 eine Struktur besitzt, bei der der transparente leitende Film und der Metallfilm in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite ihrer Oberfläche, die in Kontakt mit der Halbleiterschicht steht, übereinandergestapelt angeordnet werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass es möglich ist, durch Einfügen des transparenten leitenden Films zwischen der Halbleiterschicht und dem Metallfilm das Phänomen zu begrenzen, das eine Metallfilmkomponente in die Halbleiterschicht hinein diffundiert, wodurch die Charakteristika des Bauteils verschlechtert würde.
Zum Zeitpunkt der Bildung des transparenten leitenden Films kann Licht wirksam gestreut werden, wenn dessen Oberfläche so hergestellt wird, dass sie eine geeignete texturierte Struktur (Mikrorauhigkeit) besitzt, wodurch es ermöglicht wird, eine Wirkung eines Lichteingrenzens zu unterstützen, was wirksam ist beim Verbessern der Effizienz der Solarzelle. Eine derartige texturierte Struktur (Mikrorauhigkeit) lässt sich bilden durch bestimmte Bedingungen bzw. Randbedingungen zur Zeit der Filmbildung und Ätzverarbeitung nach der Filmbildung, um so eine Einstellung vorzunehmen, dass die maximale Höhe Rmax einer Unebenheit bzw. Unregelmäßigkeit der Schnittstelle zwischen dem transparenten leitenden Film und dem Metallfilm nicht kleiner ist als 0,05 μm.
Beispiele von Materialien für den transparenten leitenden Film sind SnO₂, ITO und ZnO. Aus Gründen wie einer leichten Bildung bzw. Herstellung bei niedrigen Temperaturen, Stabilität, einer leichten Realisierung einer texturierten Struktur (Mikrorauhigkeit) ist jedoch ZnO bevorzugt. Ferner ist es wünschenswert, wenn in diesem Fall der darauf zu stapelnde Metallfilm aus Ag besteht.
Beispiele für ein Verfahren zum Bilden des transparenten leitenden Films sind bekannte Techniken wie das CVD-Verfahren, das Vakuumverdampfungsverfahren, das Ionenplatierungsverfahren, das Sputterverfahren, das Sprühverfahren und das Sol-Gel-Verfahren. Von diesen ist das Sputterverfahren aus Gründen wie Produktivität, Charakteristika zum Bilden einer großen Filmfläche und Erlangung hoch qualitativer Filme am wünschenswertesten.
Mit dem oben genannten Verfahren kann eine Dünnfilm-Solarzelle auf der Grundlage von Silicium realisiert werden, auf die die vorliegende Erfindung angewendet ist.
Obgleich eine Solarzelle beschrieben wurde, bei der die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung auf beide Seiten der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in dem mehrschichtigen Halbleiterfilm angewendet ist, versteht sich, dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung selbst dann erhalten wird, wenn sie lediglich auf die Seite der ersten Elektrode oder die Seite der zweiten Elektrode angewendet wird.
Obgleich eine Solarzelle vom Tandemtyp beschrieben wurde, bei der zwei Halbleiterübergänge in dem mehrschichtigen Halbleiterfilm vorhanden sind, kann selbst bei einer Solarzelle vom Einzelübergangstyp, die einen Halbleiterübergang besitzt (nicht gezeigt), bei einer Solarzelle vom Dreifachübergangstyp (nicht gezeigt), die drei Halbleiterübergänge aufweist, und bei einer Solarzelle vom Mehrfachübergangstyp (nicht gezeigt), die mehrere Halbleiterübergänge aufweist, dieselbe Wirkung erhalten werden.
Obgleich eine Solarzelle beschrieben wurde, die eine Struktur aufweist, bei der unterschiedliche Halbleiterübergangsschichten (eine erste Halbleiterübergangsschicht und eine zweite Halbleiterübergangsschicht) in direktem Kontakt zueinander stehen, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise wird die gleiche Wirkung in Bezug auf eine Solarzelle (nicht gezeigt) erhalten, die eine Struktur aufweist, bei der ein transparenter leitender Film, ein sehr dünner Metallfilm oder ein Legierungsfilm mit Si als eine Zwischenschicht zwischen unterschiedliche Halbleiterübergangsschichten eingefügt ist. Die Solarzelle, bei der der transparente leitende Film zwischen den unterschiedlichen Halbleiter übergangsschichten vorgesehen ist, wird zu einem späteren Zeitpunkt unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Obgleich eine Solarzelle beschrieben wurde, bei der die Halbleiterübergangsschichten pin in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite einer lichtempfangenden Oberfläche ausgebildet sind, lässt sich die gleiche Wirkung in Bezug auf eine Solarzelle erhalten, bei der Halbleiterübergangsschichten pin ausgehend von der Seite der Licht empfangenden Oberfläche in der entgegengesetzten Reihenfolge gebildet sind.
Obgleich eine Solarzelle vom Superstrat-Typ bzw. supergeraden Typ („super-straight") beschrieben wurde, bei der Licht auf das Substrat einfällt, wird der gleiche Effekt erhalten in Bezug auf eine Solarzelle vom Substrat-Typ, bei der Licht auf einen Halbleiterfilm einfällt. Im Falle der Solarzelle vom Substrat-Typ ist das Substrat nicht auf ein transparentes Substrat beschränkt. Beispielsweise kann ein opakes Substrat verwendet werden, das aus rostfreiem Stahl („stainless") oder dergleichen zusammengesetzt ist. In diesem Fall ist es wünschenswert, wenn die erste Elektrode aus einem Metallmaterial zusammengesetzt ist, und wenn die zweite Elektrode ein transparentes Material aufweist.
6 stellt Silicium-Solarzelle vom Massentyp („bulktype") dar, auf die die vorliegende Erfindung angewendet ist. In 6 bezeichnet Bezugsziffer 501 eine vordere Elektrode, Bezugsziffer 502 bezeichnet einen Antireflektionsfilm, Bezugsziffer 503 bezeichnet eine Si-Region vom p-Typ, Bezugsziffer 504 bezeichnet eine Si-Region vom n-Typ, Bezugsziffer 505 bezeichnet eine photo-aktive Si-Region vom p-Typ, Bezugsziffer 506 bezeichnet eine Si-BSF-Region vom p-Typ, Bezugsziffer 507 bezeichnet eine Si-Region vom n-Typ und Bezugsziffer 508 bezeichnet eine hintere Elektrode.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der vorderen Elektrode 501 und der Si-Region 504 vom n-Typ die Si-Region 503 vom p-Typ vorgesehen wird, die als eine Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps dient, und indem zwischen der hinteren Elektrode 508 und der Si-BSF-Region 506 vom p-Typ die Si-Region 507 vom n-Typ vorgesehen wird, die als ein Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps dient. Jede der Halbleiterschichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps weist eine Dotierungselementkonzentration von 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ auf und der Halbleiter und eine Halbleiterregion, die in Kontakt hiermit steht, bilden einen Tunnelübergang oder einen Übergang, der Charakteristika besitzt, die einem Tunnelübergang entsprechen.
Licht trifft auf den Antireflektionsfilm 502 auf und wird in der Si-Region absorbiert und photo-elektrisch umgewandelt, um ein Elektronen-Loch-Paar zu erzeugen. In dem Falle eines Übergangs vom pn-Typ, wie in dem dargestellten Beispiel, wird Licht insbesondere in der photo-aktiven Si-Region 505 vom p-Typ absorbiert und photo-elektrisch umgewandelt, die als eine photoaktive Schicht dient. Das durch die photo-elektrische Umwandlung erzeugte Elektronen-Loch-Paar ist der Ursprung photo-voltaischer Leistung. Das detaillierte Prinzip der Erzeugung der photo-voltaischen Leistung ist das Gleiche wie in dem oben genannten Fall der Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis, und daher wird dies nicht noch einmal beschrieben.
Im folgenden werden die Prozesse zum Bilden der Silicium-Solarzelle vom Massentyp gemäß der vorliegenden Erfindung, die in 6 gezeigt ist, beschrieben.
Zunächst wird ein Si-Substrat vom p-Typ vorbereitet. In 6 ist in dem Substrat zumindest die photo-aktive Si-Region 505 vom p-Typ enthalten. In der photo-aktiven Si-Region 505 vom p-Typ wird als Dotierungselement vom p-Typ vorzugsweise B verwendet, die Konzentration hiervon beträgt etwa 1 × 10¹⁶ ~ 1 × 10¹⁷/cm³ (der spezifische Widerstandswert des Substrates beträgt in diesem Fall etwa 0,2 bis 2 Ω·cm).
Die Dicke des Substrates beträgt vorzugsweise nicht mehr als 500 μm und noch bevorzugter nicht mehr als 350 μm. Beispiele für das Substrat sind ein Einkristall-Substrat aus Silicium, das erhalten wird durch In-Scheiben-Schneiden eines einzelnen kristallinen Si-Blocks, der erzeugt wird durch Verfahren wie ein CZ-Verfahren (Czochralski-Verfahren) beziehungsweise ein FZ-Verfahren (Floating-Zone-Verfahren), und ein mehrkristallines Substrat aus Silicium, das erhalten wird durch In-Scheiben-Schneiden eines mehrkristallinen Si-Blockes, der erhalten wird durch ein Guss-Verfahren. Während des Dotierens kann ein einzelnes Dotierungselement in einer geeigneten Menge zum Zeitpunkt des Erzeugens des Si-Blockes aufgenommen werden, oder es kann eine Si-Masse, die B enthält, dessen Dotierungskonzentration bereits gefunden worden ist, in einer geeigneten Menge aufgenommen werden.
Die Si-Region 504 vom n-Typ wird anschließend auf der Si-Region 505 vom p-Typ gebildet. Als Dotierungselement vom n-Typ wird vorzugsweise P verwendet, und dessen Dotierungskonzentra tion beträgt etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ (d.h. der Leitfähigkeitstyp der Si-Region 504 vom n-Typ wird in den n⁺-Typ geändert). Demzufolge wird zwischen der Si-Region 504 vom n-Typ und der oben genannten Si-Region 505 vom p-Typ ein pn-Übergang gebildet.
Als ein Verfahren zum Erzeugen der Si-Region 504 vom n-Typ wird ein Dotierungselement in eine Oberflächenregion des Si-Substrates 505 vom p-Typ hinein diffundiert, und zwar bei einer Temperatur von 700–1000°C unter Verwendung eines thermischen Diffundierungs- bzw. Di0ffusionsverfahrens, das POCl₃ (Phosphoroxychlorid) als eine Diffusionsquelle verwendet. In diesem Fall beträgt die Dicke einer Diffusionsschicht etwa 0,2 bis 0,5 μm, ein Wert, der auf eine gewünschte Dicke geändert wird, und zwar durch Anpassen der Diffusionstemperatur und der Diffusionszeit.
Bei einem normalen Diffusionsverfahren wird auch an einer Oberfläche, die einer Zieloberfläche gegenüberliegt, eine Diffusionsregion gebildet. Ein nicht notwendiger Abschnitt, bei dem die Diffusionsregion gebildet ist, kann später weggeätzt werden. Wenn an einer rückseitigen Oberfläche eine BSF-Schicht aus einer Al-Paste gebildet wird, wie es später beschrieben wird, kann alternativ Al, das als ein Dotierungsmittel vom p-Typ dient, in eine hinreichende Tiefe mit einer hinreichenden Konzentration eindiffundiert werden. Demzufolge kann die Wirkung einer Diffusionsschicht vom n-Typ in einer flachen Region, in die Al bereits hinein diffundiert ist, ignoriert werden.
Ein Verfahren zum Bilden der Si-Region 504 vom n-Typ ist nicht auf das thermische Diffusionsverfahren beschränkt. Beispielsweise kann ein hydrierter amorpher Siliciumfilm, ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm, etc. bei einer Substrattemperatur von nicht mehr als etwa 400°C gebildet werden, unter Verwendung einer Dünnfilmtechnik und von Dünnfilmrandbedingungen, wie es beispielsweise in Bezug auf 3 beschrieben ist.
Wenn die Si-Region 504 vom n-Typ gebildet wird unter Verwendung des hydrierten amorphen Siliciumfilms, so beträgt dessen Dicke nicht mehr als 50 nm, und vorzugsweise nicht mehr als 20 nm. Wenn sie unter Verwendung des mikrokristallinen Siliciumfilms oder des nanokristallinen Siliciumfilms gebildet wird, beträgt ihre Dicke nicht mehr als 500 nm und vorzugsweise nicht mehr als 200 nm.
Wenn in diesem Fall eine Si-Region vom i-Typ (nicht gezeigt) in einer Dicke von nicht mehr als 20 nm zwischen der Si-Region 505 vom p-Typ und der Si-Region vom n-Typ gebildet wird, so ist dies wirksam zur Verbesserung der Charakteristika. Wenn sie jedoch unter Verwendung der Dünnfilmtechnik gebildet wird, muss die Reihenfolge der Bildung bzw. Herstellung bestimmt werden, und zwar unter Berücksichtigung der Temperatur von jedem der Prozesse, wie später beschrieben, und zwar so, dass die Prozesstemperatur in Richtung zu folgenden Stufen abnimmt.
Dann wird die Si-BSF-Region 506 vom p-Typ gebildet. Als Dotierungselement vom p-Typ können B und Al verwendet werden, und die Konzentration des Dotierungselements beträgt etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ (d.h. der Leitfähigkeitstyp der Si-BSF-Region 506 vom p-Typ wird in einen p⁺-Typ geändert). Dies ermöglicht, dass zwischen der photo-aktiven Si-Region 505 vom p-Typ und der Si- BSF-Region 506 vom p-Typ ein Tief-Hoch-Übergang (Low-High junction) gebildet wird.
Als ein Verfahren zum Erzeugen der BSF-Region 506 kann diese bei einer Temperatur von 800–1100°C unter Verwendung eines thermischen Diffusionsverfahrens gebildet werden, das BBr₃ als eine Diffusionsquelle verwendet. Insbesondere in dem Fall Al kann ein Verfahren verwendet werden, bei dem eine Al-Paste, die aus einem Al-Pulver und einer Glasfritte, einem organischen Lösungsmittel, einem Bindemittel, etc. zusammengesetzt ist, unter Verwendung eines Druckverfahrens aufgebracht wird, gefolgt von einer Wärmebehandlung (Brennen) bei einer Temperatur von etwa 700–850°C, um Al zu diffundieren (in der vorliegenden Spezifikation bezeichnet als Pastendruck- und Brennverfahren). Dieses Verfahren ist signifikant vorteilhaft im Hinblick auf eine Verringerung der Kosten. Wenn die Si-BSF-Region 506 vom p-Typ (an der hinteren Seite) durch das thermische Diffusionsverfahren gebildet wird, wird zuvor auf der bereits gebildeten Si-Region 504 vom n-Typ (an der vorderen Seite) eine Diffusionssperre gebildet, die aus einem Oxidfilm oder dergleichen zusammengesetzt ist. Wenn das Pastendruck- und Brennverfahren verwendet wird, ist es nicht nur möglich, eine gewünschte Diffusionsschicht lediglich auf einer Druckoberfläche zu bilden, sondern auch, die Notwendigkeit zu eliminieren, eine Schicht vom n-Typ zu entfernen, die an der rückseitigen Fläche gebildet wird, und zwar zur gleichen Zeit, zu der auch die Si-Region 504 vom n-Typ gebildet wird, wie bereits zuvor beschrieben.
Ein Verfahren zum Bilden der Si-Region 506 vom p-Typ ist nicht auf das thermische Diffusionsverfahren und das Pasten druck- und Brennverfahren beschränkt. Beispielsweise kann ein hydrierter amorpher Siliciumfilm, ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm, etc. bei einer Substrattemperatur von nicht mehr als etwa 400°C gebildet werden, und zwar unter Verwendung einer Dünnfilm-Technik und Randbedingungen, wie sie beispielsweise in Bezug auf 3 beschrieben sind. In diesem Fall beträgt die Filmdicke der Si-Region 506 vom p-Typ etwa 10 bis 200 nm. Wenn in diesem Fall eine Si-Region vom i-Typ (nicht gezeigt) in einer Dicke von nicht mehr als 20 nm zwischen der Si-Region 505 vom p-Typ und der Si-Region 504 vom n-Typ gebildet wird, ist dies zum Verbessern der Charakteristika wirksam. wenn sie jedoch unter Verwendung der Dünnfilmtechnik gebildet wird, muss die Reihenfolge der Bildung bzw. Herstellung bestimmt werden, und zwar unter Berücksichtigung der Temperatur in jedem der Prozesse, wie später beschrieben wird, und zwar derart, dass die Prozesstemperatur in Richtung hin zu darauffolgenden Stufen abnimmt.
Anschließend wird die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung an der vorderen Seite gebildet. Auf der oben beschriebenen Si-Region 504 vom n-Typ wird die Si-Region 503 vom p-Typ gebildet, und zwar bevor die vordere Elektrode 501 gebildet wird. In diesem Fall wird ein Tunnelübergang oder ein Übergang, der diesem entsprechende Übergangscharakteristika aufweist, unter den folgenden Randbedingungen gebildet.
Als ein Dotierungselement vom p-Typ in der Si-Region 503 vom p-Typ wird vorzugsweise B verwendet. Die Konzentration von B wird auf etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ eingestellt (d.h. der Leitfähigkeitstyp der Si-Region 503 vom p-Typ wird in einen p⁺-Typ geändert). Die Si-Region 503 vom p-Typ wird somit mit einer hohen Konzentration dotiert, wodurch ein Übergang mit Tunnelübergangscharakteristika oder diesen entsprechenden Charakteristika zwischen der Si-Region 503 vom p-Typ und der Si-Region 504 vom n-Typ gebildet wird, die in ähnlicher Weise mit einer hohen Konzentration dotiert ist.
In diesem Fall muss die Dotierungskonzentration nicht über die gesamte Si-Region 503 vom p-Typ realisiert werden. Sie kann in einer Region realisiert werden, die zumindest mit der Si-Region 504 vom n-Typ in Kontakt steht, und insbesondere in einem Bereich von nicht kleiner als die Dicke von zumindest einer atomaren Schicht und nicht größer als die Dicke der Region 503.
Wenn die Dicke der Si-Region 503 vom p-Typ nicht mehr als etwa 50 nm und noch bevorzugter nicht mehr als 20 nm beträgt, ist es möglich, einen Lichtabsorptionsverlust und einen Widerstands- bzw. Widerstandswertverlust in der Schicht so klein wie möglich zu machen. Wenn die Dicke besonders bevorzugt nicht mehr als 5 nm beträgt, was es Ladungsträgern ermöglicht, die Si-Region 503 vom p-Typ leicht zu tunneln, kann der durch die Si-Region 503 vom p-Typ hervorgerufene Widerstandsverlust auf annähernd Null reduziert werden, wodurch es möglich wird, einen Halbleiter/Elektroden-Kontakt zu erhalten, dessen ohm'sche Charakteristika kaum degradiert sind.
Als ein Verfahren zum Erzeugen der Si-Region 503 vom p-Typ kann diese auch bei einer Temperatur von etwa 800 bis 1000°C unter Verwendung eines thermischen Diffusionsverfahrens gebildet werden, das BBr₃ als eine Diffusionsquelle verwendet. Um die Übergangscharakteristika, die vor dem Prozess gebildet wurden, jedoch nicht zu degradieren, ist es bevorzugt, wenn in dem Prozess ein hydrierter amorpher Siliciumfilm oder ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm bei einer Substrattemperatur von nicht mehr als etwa 400°C gebildet wird, wobei insbesondere die Dünnfilmtechnik und die Randbedingungen verwendet werden, die in Bezug auf 3 beschrieben sind. Wenn die Si-Region 504 vom n-Typ unter Verwendung der Dünnfilmtechnik gebildet wird, muss die Region 503 in ähnlicher Weise unter Verwendung der Dünnfilmtechnik in dem Prozess gebildet werden.
Obgleich ein Fall beschrieben wurde, bei dem die Si-Region 503 vom p-Typ auf der gesamten Si-Region 504 vom n-Typ gebildet wird, ist es doch dennoch nicht notwendig, dass sie über deren gesamter Oberfläche ausgebildet wird. Die Si-Region 503 vom p-Typ kann eine Fläche besitzen, die so klein wie möglich ist, und zwar unter der Randbedingung, dass sie unmittelbar unterhalb zumindest der vorderen Elektrode 501 gebildet wird, wie nachstehend beschrieben wird. Wenn die Fläche der Si-Region 503 vom p-Typ so klein wie möglich gemacht wird, lässt sich ein Absorptionsverlust von einfallendem Licht in der Si-Region 503 vom p-Typ reduzieren. Wenn die Si-Region 503 vom p-Typ partiell ausgebildet wird, ist es ferner möglich, die Region unter Verwendung einer geeigneten Maske mit einem Muster zu versehen („pattern"), und es ist möglich, die Region unter Verwendung eines Ätzvorganges zu bilden.
Im folgenden wird die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung an der Rückseite der Si-Region 505 vom p-Typ beschrieben.
Bevor die hintere Elektrode 508 an der Si-BSF-Region 506 vom p-Typ gebildet wird, wird die Si-Region 507 vom n-Typ zwischen den Regionen angeordnet. In diesem Fall wird ein Tunnelübergang oder ein Übergang mit diesem entsprechenden Übergangscharakteristika gebildet, und zwar unter den folgenden Randbedingungen.
Als ein Dotierungselement vom n-Typ in der Si-Region 507 vom n-Typ wird vorzugsweise P verwendet. Die Dotierungskonzentration beträgt etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ (d.h. der Leitfähigkeitstyp der Si-Region 507 vom n-Typ wird in einen n⁺-Typ geändert). Die Si-Region 507 vom n-Typ wird somit mit einer hohen Konzentration dotiert, wodurch ein Übergang mit Tunnelübergangscharakteristika oder diesen entsprechenden Charakteristika zwischen der Si-Region 507 vom n-Typ und der Si-BSF-Region 506 vom p-Typ gebildet wird, die in ähnlicher Weise mit einer hohen Konzentration dotiert ist.
In diesem Fall muss die Dotierungskonzentration des Dotierungselementes vom n-Typ nicht notwendigerweise über die gesamte Si-Region 507 vom n-Typ realisiert werden. Sie kann in einer Region realisiert werden, die in Kontakt mit zumindest der Si-BSF-Region 506 vom p-Typ steht, und insbesondere in einem Bereich von nicht kleiner als der Dicke von zumindest einer atomaren Schicht und nicht mehr als der Dicke der Si-Region 507 vom n-Typ.
Vorliegend ist es möglich, dass die Dicke der Si-Region 507 vom n-Typ nicht mehr als 50 nm beträgt, und noch bevorzugter nicht mehr als 20 nm, um einen Lichtabsorptionsverlust und einen Widerstandsverlust in der Schicht so gering wie möglich zu machen. Wenn die Dicke besonders bevorzugt nicht mehr als 5 nm beträgt, was es ermöglicht, dass Ladungsträger die Si-Region 507 vom n-Typ selbst durchtunneln, lässt sich ein Widerstandsverlust, der durch die Si-Region 507 vom n-Typ hervorgerufen wird, auf einen Wert von annähernd Null reduzieren, wodurch es möglich wird, einen Halbleiter/Elektroden-Kontakt zu erhalten, dessen ohm'sche Charakteristika kaum degradiert sind.
Als ein Verfahren zum Erzeugen der Si-Region 507 vom n-Typ kann diese auch bei einer Temperatur von etwa 700 bis 1000°C gebildet werden, und zwar unter Verwendung eines thermischen Diffusionsverfahrens, das POCl₃ als eine Diffusionsquelle verwendet. Um die Übergangscharakteristika mit einer Schicht, die vor dem Prozess gebildet wurde, nicht zu degradieren, ist es bevorzugt, wenn in dem Prozess ein hydrierter amorpher Siliciumfilm oder ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm bei einer Substrattemperatur von nicht mehr als etwa 400°C gebildet wird, und zwar insbesondere unter Verwendung der in Bezug auf 3 beschriebenen Dünnfilmtechnik. Wenn die Si-BSF-Region 506 vom p-Typ unter Verwendung der Dünnfilmtechnik gebildet wird, muss auch die Region 507 in ähnlicher Weise unter Verwendung der Dünnfilmtechnik in dem Prozess gebildet werden.
Anschließend wird der Antireflektionsfilm 502 gebildet. Beispiele von Materialien für den Antireflektionsfilm 502 beinhalten einen Si₃N₄-Film, einen TiO₂-Film, einen SnO2-Film, einen MgO-Film, einen ITO-Film, einen SnO₂-Film und einen ZnO-Film. Die Dicke des Antireflektionsfilms 502 wird geeignet in Abhängigkeit von dem Material gewählt. Es ist möglich, die Bedingungen zur Nicht-Reflektion für einfallendes Licht zu realisieren, indem die Dicke des Antireflektionsfilms 502 am geeignetsten gewählt wird (wenn n der Refraktions- bzw. Brechungsindex des Materials und α die Wellenlänge eines Spektrums ist, von dem es nicht gewünscht ist, einfallendes Licht zu reflektieren, beziehungsweise λ die Wellenlänge ist, die nicht reflektiert werden soll, dann ist d, das die Bedingung (λ/n)/4 = d erfüllt, die geeignetste Dicke des Antireflektionsfilms). Für den Fall eines Si₃N₄-Films (n = etwa 2), der generell verwendet wird, kann die Filmdicke beispielsweise etwa 75 nm betragen, wenn eine Nichtreflektions-Wellenlänge 600 nm beträgt.
Als ein Verfahren zum Erzeugen des Antireflektionsfilms 502 wird dieser bei einer Temperatur von etwa 400 bis 500°C gebildet, und zwar unter Verwendung eines PECVD-Verfahrens, eines Vakuumverdampfungsverfahrens, eines Sputterverfahrens, etc. Der Antireflektionsfilm 502 wird zuvor in ein vorbestimmtes Muster gebracht, um die vordere Elektrode 501 zu bilden, was später beschrieben wird. Als ein Verfahren zum Bilden des Musters ist es möglich, ein Ätzverfahren (Nassätzen oder Trockenätzen) zu verwenden, wobei ein Resist bzw. eine Schutzschicht oder dergleichen als eine Maske verwendet wird, sowie ein Verfahren zum vorherigen Bilden einer Maske zur Zeit des Bildens eines Antireflektionsfilms, und Entfernen der Maske nach dem Bilden des Antireflektionsfilms.
Anschließend wird die vordere Elektrode 501 gebildet. Als Materialien für die vordere Elektrode wird bevorzugt ein Material verwendet, das wenigstens einen Typ eines Metalls mit niedrigem Widerstand bzw. Widerstandswert aufweist, wie Ag, Cu und Al. Beispiele eines Verfahrens zum Erzeugen der vorderen Elektrode 501 beinhalten ein Druckverfahren unter Verwendung einer Paste, die das Metall oder Metalle enthält, oder ein Vakuumfilmbildungsverfahren, ein Sputterverfahren und ein Vakuumverdampfungsverfahren.
Um insbesondere die Bindungsfestigkeit („adhesive strength") zwischen der vorderen Elektrode 501 und dem Si-Halbleiter zu verbessern, kann in einer bei dem Druckverfahren verwendeten Paste eine Oxidkomponente wie TiO₂ in einer kleinen Menge enthalten sein, wohingegen eine Metallschicht, die hauptsächlich aus Ti besteht, in die Schnittstelle zwischen der vorderen Elektrode 501 und dem Si-Halbleiter eingefügt werden kann, und zwar bei dem Vakuumfilmbildungsverfahren. Die Form der vorderen Elektrode 501 kann generell ein kammartiges Muster darstellen, mit einer Busbar-Elektrode und einer Fingerelektrode(n).
Anschließend wird die hintere Elektrode 508 gebildet. Als Material für die hintere Elektrode wird vorzugsweise ein Metall verwendet, das hauptsächlich aus Ag zusammengesetzt ist, mit einem hohen Reflektionsindex an Si. Es kann jedoch auch ein Metall, das hauptsächlich aus Al zusammengesetzt ist, mit einem Reflektionsindex an Si, der etwas geringer ist als jener von Ag, wirksam verwendet werden, es sei denn, eine hohe Effizienz ist von besonderer Bedeutung.
Beispiele eines Verfahrens zum Erzeugen der hinteren Elektrode 508 beinhalten ein Druckverfahren unter Verwendung einer Paste, die ein Metall oder Metalle enthält, und ein Vakuumfilmbildungsverfahren wie ein Sputterverfahren oder ein Vakuumverdampfungsverfahren. Wenn es gewünscht ist, die Bindungsfestigkeit zwischen der hinteren Elektrode 508 und dem Si- Halbleiter besonders zu verbessern, kann in der bei dem Druckverfahren verwendeten Paste eine Oxidkomponente wie TiO₂ in einer kleinen Menge enthalten sein, wohingegen eine Metallschicht, die hauptsächlich aus Ti zusammengesetzt ist, in die Schnittstelle zwischen der hinteren Elektrode 508 und dem Si-Halbleiter eingefügt werden kann, und zwar bei dem Vakuumfilmbildungsverfahren. Im letzteren Fall ist es wünschenswert, wenn die Dicke der Metallschicht, die hauptsächlich aus Ti zusammengesetzt ist, nicht mehr als 5 mm beträgt, um zu verhindern, dass der Reflektionsindex durch Einfügen der Metallschicht reduziert wird. Es ist wünschenswert, dass die hintere Elektrode 508 über die gesamte Rückseite der Oberfläche des Substrates gebildet wird, um den Reflektionsindex von langwelligem Licht zu erhöhen, das die rückseitige Oberfläche erreicht hat.
Vorstehend wurde beschrieben, wie eine Silicium-Solarzelle vom Massentyp bzw. Bulk-Typ hergestellt wird, auf die die vorliegende Erfindung angewendet ist.
Die Reihenfolge der Prozesse ist nicht auf die oben erwähnte Reihenfolge beschränkt. Beispielsweise können die Prozesse in jeder beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden, vorausgesetzt, dass Randbedingungen erfüllt werden, gemäß denen die Temperatur in einem Prozess einer darauffolgenden Stufe niedriger ist als die Temperatur des Prozesses der vorherigen Stufe.
Obgleich eine Solarzelle beschrieben wurde, bei der die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl auf die Seite der vorderen Elektrode 501 als auch auf die Seite der hinteren Elektrode 508 angewendet wird, versteht sich, dass die Wirkung er vorliegenden Erfindung erhalten wird, selbst wenn sie nur auf die Seite der vorderen Elektrode oder die Seite der hinteren Elektrode angewendet wird.
Obgleich eine Solarzelle beschrieben wurde, die ein Si-Substrat vom p-Typ verwendet, lässt sich die Wirkung der vorliegenden Erfindung durch die gleichen Prozesse erhalten, wenn die Polarität in der Beschreibung vertauscht wird, also selbst dann, wenn ein Si-Substrat vom n-Typ verwendet wird.
Obgleich die Beschreibung in Bezug auf einen Typ mit einem einzelnen Übergang erfolgte, ist die vorliegende Erfindung auch auf einen Mehrfachübergangstyp anwendbar, bei dem unter Verwendung eines Massensubstrates bzw. Blocksubstrates („bulk substrate") Dünnfilmübergangsschichten, die aus mehrschichtigen Halbleiterfilmen zusammengesetzt sind, wie sie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde, auf einem Übergangsbauteil übereinandergestapelt werden.
Im folgenden wird als ein Halbleiterbauteil vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis vom Superstrat-Typ bzw. supergeraden Typ („super-straight") beschrieben, bei der Licht auf ein Substrat einfällt, wie es in 7 gezeigt ist. Die Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis unterscheidet sich von der Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis vom Superstrat-Typ, die in 3 gezeigt ist, dadurch, dass zwischen einer ersten Halbleiterübergangsschicht und einer zweiten Halbleiterübergangsschicht eine transparente Zwischenschicht eingefügt ist.
Wie es in 7 gezeigt ist, sind auf einem transparenten Substrat 1 eine vordere Elektrode 2, die aus einem transparenten leitfähigen Material zusammengesetzt ist, ein mehrschichtiger Halbleiterfilm 3 und eine hintere Elektrode 4 ausgebildet, und zwar in dieser Reihenfolge. Der mehrschichtige Halbleiterfilm 3 ist mit einer transparenten Zwischenschicht 5 ausgebildet, die leitfähige Eigenschaften aufweist und zwischen einer ersten Halbleiterübergangsschicht 31 und einer zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 angeordnet ist. Die erste Halbleiterübergangsschicht 31 weist einen pin-Übergang aus einer Schicht 31a vom p-Typ, einer photo-aktiven Schicht 31b vom i-Typ und einer Schicht 31c vom n-Typ auf, und die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 weist einen pin-Übergang aus einer Schicht 32a vom p-Typ, einer photo-aktiven Schicht 32b vom i-Typ und einer Schicht 32c vom n-Typ auf.
Aus dem Blickwinkel eines hohen Wirkungsgrades heraus wird für die photo-aktive Schicht 31b in der ersten Halbleiterübergangsschicht, bei der es sich um eine obere Zelle handelt, die auf der Seite einer Lichteinfallsoberfläche der Halbleiterübergangsschicht angeordnet ist, ein Material mit einer großen Bandabstandsenergie verwendet, z.B. ein amorphes Siliciummaterial, beispielsweise hydriertes amorphes Silicium. Andererseits wird für die photo-aktive Schicht 31b in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, bei der es sich um eine untere Zelle handelt, die auf der der Lichteinfallsoberfläche gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, ein Material mit einer kleinen Bandabstandsenergie verwendet, z.B. mikrokristallines Silicium oder nanokristallines Silicium.
In dem Halbleiterbauteil vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Schicht 31d vom p-Typ eines Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt zu jenem der Schicht 31c vom n-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31, zwischen dem pin-Übergang in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 und der transparenten Zwischenschicht 5 angeordnet. Ferner ist eine Schicht 32d vom n-Typ, also eines Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt zu jenem der Schicht 32a vom p-Typ in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, zwischen der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 und der transparenten Zwischenschicht 5 angeordnet.
Obgleich die Schicht 31d vom p-Typ und die Schicht 32d vom n-Typ, bei denen es sich um Halbleiterschichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp handelt, auf einer Seite der transparenten Zwischenschicht 5 vorgesehen sein können, um die Wirkung der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, ist es wünschenswert, dass sie auf beiden Seiten der transparenten Zwischenschicht 5 angeordnet sind, und zwar da die Wirkung der vorliegenden Erfindung dann verlässlicher hervorgerufen werden kann.
Obgleich die Schicht 31c vom n-Typ und die Schicht 31d vom p-Typ, also des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, und die Schicht 32a vom p-Typ und die Schicht 32d vom n-Typ, also des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, jeweils miteinander kombiniert werden, um inverse pn-Übergänge zu bilden, wodurch die Wirkung der vorliegenden Erfindung hervorgerufen wird, kann die Konzentration eines Dotierungselementes in jeder der Schichten 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ betragen, und zwar in Regionen, wo diese in Kontakt miteinander stehen, d.h. den inversen pn-Übergängen. Wenn die Konzentration des Dotierungselementes folglich hoch ausgebildet wird, können die Übergänge einen Tunnelübergang oder einen Übergang bilden, der Charakteristika aufweist, die einem Tunnelübergang entsprechen, wodurch sich gute ohm'sche Charakteristika erhalten lassen.
Wenn Licht (hν) auf das transparente Substrat 1 des Halbleiterbauteils vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung einfällt, geht das Licht durch die vordere Elektrode 2 hindurch und wird in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 bzw. in der Halbleiterübergangsschicht 32 photo-elektrisch gewandelt, um photo-voltaische Leistung zu erzeugen.
Wie vorstehend beschrieben, weist die erste Halbleiterübergangsschicht 31 hohe bzw. gute Lichtabsorptionscharakteristika für Licht kurzer Wellenlänge auf, und zwar da die photoaktive Schicht 31b amorphes Siliciummaterial mit einer großen Bandabstandsenergie aufweist. Die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 weist hohe bzw. gute Lichtabsorptionscharakteristika für Licht langer Wellenlänge auf, da die photo-aktive Schicht 32b mikrokristallines Silicium oder nanokristallines Silicium mit einer kleinen Bandabstandsenergie aufweist. Es ist daher möglich, eine photo-elektrische Umwandlung über einen breiten Wellenlängenbereich von einfallendem Licht durchzuführen.
Indem der Brechungsindex und die Dicke der transparenten Zwischenschicht 5 angepasst bzw. eingestellt werden, die zwischen der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 und der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 vorgesehen ist, erleichtert die transparente Zwischenschicht 5 es, in dem Licht, das die transparente Zwischenschicht 5 erreicht hat, nachdem es auf der Lichteinfallsoberfläche eingefallen und durch die erste Halb leiterübergangsschicht 31 durchgegangen ist, eine Komponente mit kurzer Wellenlänge, die in der photo-aktiven Schicht 31b in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 nicht absorbiert werden konnte, zu reflektieren, und eine Komponente langer Wellenlänge, die in der photo-aktiven Schicht 32b in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 absorbiert wird, durchzulassen. Dies ermöglicht es, die Lichtenergiedichte der Komponente kurzer Wellenlänge in der Halbleiterübergangsschicht 31 zu erhöhen, die in Bezug auf die transparente Zwischenschicht 5 auf der Seite der Lichteinfallsoberfläche angeordnet ist, während die Lichtenergiedichte der Komponente langer Wellenlänge in der Halbleiterübergangsschicht 32 erhöht bzw. gesteuert werden kann, die in Bezug auf die transparente Zwischenschicht 5 in Lichtdurchgangsrichtung stromabseitig angeordnet ist.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Struktur aus Halbleiterübergangsschicht und transparenter Zwischenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung eine Struktur, bei der ein inverser pn-Übergang zwischen die Halbleiterübergangsschicht 31 und die transparente Zwischenschicht 5 oder zwischen die photoelektrische Umwandlungseinheit 32 und die transparente Zwischenschicht 5 eingeführt bzw. eingefügt ist, so dass die elektrischen Charakteristika in einem Abschnitt, in dem der inverse pn-Übergang eingeführt ist, signifikant verbessert ist. Das heißt, es wird angenommen, dass die elektrischen Charakteristika durch das Prinzip und den Mechanismus der Funktion der vorliegenden Erfindung, wie zuvor beschrieben, verbessert werden, wodurch es ermöglicht wird, die Charakteristika und die Ausbeute zu verbessern.
Im Folgenden werden die Prozesse zum Herstellen des Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Zunächst wird ein transparentes Substrat als das Substrat 1 vorbereitet. Ein Material für das transparente Substrat ist das gleiche wie jenes, das in Bezug auf 3 beschrieben worden ist, und eine Beschreibung desselben wird daher vorliegend nicht wiederholt.
Anschließend wird eine vordere Elektrode 2 gebildet. Die Prozesse sind die gleichen, wie jene, die in Bezug auf 3 beschrieben worden sind, und zwar dahingehend, dass es wünschenswert ist, einen transparenten leitenden bzw. leitfähigen Film als die vordere Elektrode 2 zu bilden, sowie hinsichtlich eines Materials für den transparenten leitenden Film und eines Verfahrens zum Erzeugen desselben.
Anschließend wird ein mehrschichtiger Halbleiterfilm 3 gebildet, der aus einem Film auf Siliciumbasis zusammengesetzt ist. Der mehrschichtige Halbleiterfilm 3 weist eine Struktur auf, bei der eine erste Halbleiterübergangsschicht 31, eine transparente Zwischenschicht 5, die aus einem transparenten leitfähigen Oxidfilm oder dergleichen zusammengesetzt ist, und eine zweite Halbleiterübergangsschicht 32 übereinandergestapelt bzw. -geschichtet sind.
Obgleich die Halbleiterübergangsschichten 31, 32 aus einem Silicium-basierten Film gebildet sind, ist ein Verfahren zum Bilden der Halbleiterübergangsschicht effektiv bzw. wirksam, wenn ein Cat-PECVD-Verfahren verwendet wird, und zwar zusätz lich zu den herkömmlicherweise bekannten Verfahren, die bereits in Bezug auf 3 beschrieben worden sind.
Als erstes wird die erste Halbleiterübergangsschicht 31 gebildet. Die erste Halbleiterübergangsschicht 31 dient als eine obere Zelle, auf die Licht als erstes einfällt, und weist eine Struktur auf, bei der eine Schicht 31a vom p-Typ, eine photo-aktive Schicht 31b, eine Schicht 31c vom n-Typ sowie eine Schicht 31d vom p-Typ in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Substrates übereinandergestapelt sind. Die photoaktive Schicht 31b weist einen hydrierten amorphen Siliciumfilm auf. Es ist wünschenswert, wenn die photo-aktive Schicht 31b vom i-Typ ist.
Die vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht 31d vom p-Typ zwischen einem pin-Übergang (der Schicht 31a vom p-Typ/der photo-aktiven Schicht 31b/der Schicht 31c vom n-Typ), der in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 enthalten ist, und der transparenten Zwischenschicht 5 gebildet wird.
Anschließend wird die transparente Zwischenschicht 5 gebildet.
Ferner wird die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 als eine untere Zelle gebildet. Die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 weist eine Struktur auf, bei der eine Schicht 32d vom n-Typ, eine Schicht 32a vom p-Typ, eine photo-aktive Schicht 32b sowie eine Schicht 32c vom n-Typ in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Substrates übereinandergestapelt sind. Die photo-aktive Schicht 32b weist einen mikrokri stallinen Siliciumfilm oder einen nanokristallinen Siliciumfilm auf. Es ist wünschenswert, wenn die photo-aktive Schicht 32b vom i-Typ ist.
Die vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht 31d vom n-Typ zwischen der transparenten Zwischenschicht 5 und einem pin-Übergang (die Schicht 32a vom p-Typ/die photo-aktive Schicht 32b/die Schicht 32c vom n-Typ) gebildet ist, der in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 enthalten ist.
Im Folgenden wird der Prozess zum Herstellen der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 beschrieben.
In Bezug auf die Schicht 31a vom p-Typ kann ein hydrierter amorpher Siliciumfilm, ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm, etc. verwendet werden. Als die einzudotierenden Verunreinigungen können B, Al, Ga, etc. verwendet werden, so dass die Schicht 31a vom p-Typ sein kann. Von diesen ist jedoch B wünschenswert, das es erlaubt, ein Wasserstoffverbundgas zu erhalten, und das eine hohe Dotierungseffizienz aufweist.
Die Konzentration eines Dotierungselementes wird auf etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ eingestellt, so dass der Leitfähigkeitstyp der Schicht 31a vom p-Typ im Wesentlichen in einen p⁺-Typ geändert wird. Die Filmdicke der Schicht 31a vom p⁺-Typ wird innerhalb eines Bereiches von etwa 2 bis 100 nm eingestellt bzw. angepasst, in Abhängigkeit vom Material. Beispielsweise liegt die Filmdicke in einem Bereich von etwa 2 bis 20 nm, und zwar unter besonderer Berücksichtigung einer Reduktion eines Licht absorptionsverlustes, wenn das hydrierte amorphe Siliciummaterial verwendet wird, wohingegen die Filmdicke in einem Bereich von etwa 10 bis 100 nm liegt, und zwar unter Berücksichtigung einer Reduktion der Übergangsbildungsfähigkeit, wenn mikrokristallines Silicium oder nanokristallines Silicium verwendet wird.
Wenn ein Gas, das C (Kohlenstoff) enthält, wie CH₄, in einer geeigneten Menge zusätzlich zu Gasen wie SiH₄, H₂ und B₂H₆ zugemischt wird, die als ein Dotierungsgas dienen und zur Zeit der Filmbildung verwendet werden, wird ein Si_xC_1–x-Film erhalten, der sehr wirksam ist zur Bildung einer Fensterschicht, die einen geringen Lichtabsorptionsverlust aufweist, und der ferner wirksam ist zur Reduktion einer Dunkelstromkomponente, um eine Leerlaufspannung zu verbessern. Wenn in diesem Fall der Gehalt von C auf etwa 5 bis 20 % eingestellt wird, beträgt der Betrag einer Vergrößerung eines Bandabstandes etwa 0,1 bis 0,3 eV. Der Gehalt von C in dem Film kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, wenn eine Plasmaleistung angepasst wird, und zwar unter Berücksichtigung eines Partialdruckverhältnisses (d.h. eines Gasströmungsverhältnisses) von CH₄ zu SiH₄, und zwar während der Filmbildung, und der Differenz der Zersetzungseffizienz zwischen CH₄ und SiH₄. Ferner kann ein Gas, das O (Sauerstoff) enthält, und ein Gas, das N (Stickstoff) enthält, jeweils in geeigneten Mengen zugemischt werden, so dass ein Si_xO_1–x-Film bzw. ein Si_xN_1–x-Film erhalten werden kann, was es ermöglicht, dass die gleiche Wirkung erzielt wird. Die Gase können auch miteinander gemischt werden.
Die photo-aktive Schicht 31b, die als eine nicht dotierte Schicht dient, die nicht dotiert ist, wird dann auf der Schicht 31a vom p-Typ gebildet. Ein hydrierter amorpher Siliciumfilm wird für die photo-aktive Schicht 31b verwendet. In der Praxis zeigt die nicht-dotierte Schicht gewisse Charakteristika vom n-Typ. In diesem Fall kann die photo-aktive Schicht 31b daher so eingestellt werden, dass sie im Wesentlichen vom i-Typ ist, indem ein Dotierungselement vom p-Typ in einer kleinen Menge aufgenommen wird. Die photo-aktive Schicht 31b kann in manchen Fällen vom n^–-Typ oder vom p^–-Typ sein, um die interne elektrische Feldstärkenverteilung fein anzupassen.
Um die Ströme zwischen der oberen Zelle (der ersten Halbleiterübergangsschicht 31) und der unteren Zelle (der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32), die später beschrieben werden wird, aneinander anzupassen, und zwar zu der Zeit, zu der einfallendes Licht photo-elektrisch wirksam umgewandelt wird, wird die Filmdicke der photo-aktiven Schicht 31b in einem Bereich von etwa 0,1 bis 0,5 μm angepasst bzw. eingestellt.
Als ein Verfahren zum Bilden eines hydrierten amorphen Siliciumfilms kann auch das PECVD-Verfahren und das Cat-CVD-Verfahren verwendet werden, die herkömmlicherweise bekannt sind. Die Verwendung des Cat-PECVD-Verfahrens ist besonders wirksam zur Herstellung eines hocheffizienten Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis zu geringen Kosten, da ein hochqualitativer hydrierter amorpher Siliciumfilm mit hoher Geschwindigkeit und über eine große Fläche und mit hoher Produktivität gebildet werden kann, wenn das Cat-PECVD-Verfahren verwendet wird.
Das Cat-PECVD-Verfahren ermöglicht, dass eine Wasserstoffkonzentration im Film nicht mehr als 15 Atom-% beträgt, und zwar durch eine Wirkung, dass die Bildung von atomarem Wasserstoff unterstützt wird, oder durch die Wirkung einer Gaserwärmung. Ein Film mit einer niedrigen Wasserstoffkonzentration von vorzugsweise nicht mehr als 10 Atom-%, der mit dem herkömmlichen PECVD-Verfahren schwierig zu realisieren ist, oder noch bevorzugter von nicht mehr als 5 Atom-%, lässt sich sogar erhalten. Es ist daher möglich, den Grad einer Degradation durch Licht signifikant zu reduzieren, bei der es sich um ein seit langem anstehendes Problem eines Bauteils handelt, das einen hydrierten amorphen Siliciumfilm verwendet.
Anschließend wird die Schicht 31c vom n-Typ auf der photo-aktiven Schicht 31b gebildet. In Bezug auf die Schicht 31c vom n-Typ kann ein hydrierter amorpher Siliciumfilm oder ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm verwendet werden, und deren Filmdicke wird innerhalb eines Bereiches von etwa 2 bis 100 nm angepasst, und zwar in Abhängigkeit vom Material. Beispielsweise liegt die Filmdicke in einem Bereich von etwa 2 bis 20 nm, und zwar unter besonderer Berücksichtigung einer Reduktion des Lichtabsorptionsverlustes, wenn das hydrierte amorphe Siliciummaterial verwendet wird, wohingegen die Filmdicke in einem Bereich von etwa 10 bis 100 nm liegt, und zwar unter Berücksichtigung der Reduktion der Übergangsbildungsfähigkeit, wenn das mikrokristalline Silicium oder das nanokristalline Silicium verwendet wird.
Die Konzentration des Dotierungselementes in der Schicht 31c vom n-Typ wird auf etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ eingestellt, so dass die Schicht 31c vom n-Typ im Wesentlichen in einen n⁺-Typ geändert wird. Wenn ein Gas, das C (Kohlenstoff) enthält, wie CH₄, in einer geeigneten Menge zusätzlich zu Gasen wie SiH₄, H₂ und PH₃ zugemischt wird, die als ein Dotierungsgas dienen und zur Zeit der Filmbildung verwendet werden, wird ein Si_xC_1–x-Film erhalten, was eine Filmbildung mit niedrigem Lichtabsorptionsverlust ermöglicht und gleichfalls wirksam ist hinsichtlich einer Reduktion einer Dunkelstromkomponente, um so eine Leerlaufspannung zu verbessern. Ferner lässt sich der gleiche Effekt erzielen, wenn man ein Gas, das O (Sauerstoff) enthält oder ein Gas, das N (Stickstoff) enthält, in einer geeigneten Menge zumischt.
Um einen Tunnelübergang oder einen Übergang zu bilden, der Charakteristika aufweist, die einem Tunnelübergang entsprechen, und zwar zwischen der Schicht 31c vom n-Typ und der Schicht 31d vom p-Typ, die später beschrieben werden wird, ist es bevorzugter, einen mikrokristallinen Siliciumfilm oder einen nanokristallinen Siliciumfilm mit einem kleinen Bandabstand zu verwenden. Es versteht sich, dass der mikrokristalline Siliciumfilm oder der nanokristalline Siliciumfilm nicht über die gesamte Schicht 31c vom n-Typ verwendet werden muss. Er kann in einigen Fällen lediglich in der Nachbarschaft der Schnittstelle zwischen der Schicht 31c vom n-Typ und der Schicht 31d vom p-Typ verwendet werden. Dies ermöglicht, dass ein Lichtabsorptionsverlust in einer schmalen Bandabstandsregion so klein wie möglich gemacht werden kann.
Anschließend wird auf der Schicht 31c vom n-Typ die Schicht 31d vom p-Typ gebildet. Hinsichtlich der Schicht 31d vom p-Typ kann ein hydrierter amorpher Siliciumfilm oder ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm verwendet werden. Vorliegend zeigt das hydrierte amorphe Silicium hohe Lichtabsorptionscharakteristika eines direk ten Transitions- bzw. Übergangstyps („direct transition"), wohingegen kristallines Silicium relativ niedrige Lichtabsorptionscharakteristika eines indirekten Transitionstyps zeigt. Um den Lichtabsorptionsverlust zu reduzieren, ist es daher mehr bevorzugt, den mikrokristallinen Siliciumfilm oder den nanokristallinen Siliciumfilm zu verwenden.
Ferner weist das mikrokristalline Silicium oder das nanokristalline Silicium einen schmaleren Bandabstand auf als das hydrierte amorphe Silicium. Um einen Tunnelübergang oder einen inversen pn-Übergang zu bilden, der Charakteristika aufweist, die einem Tunnelübergang entsprechen, und zwar zwischen der Schicht 31d vom p-Typ und der Schicht 31c vom n-Typ, ist es daher bevorzugt, den mikrokristallinen Siliciumfilm oder den nanokristallinen Siliciumfilm zu verwenden. Natürlich muss der mikrokristalline Siliciumfilm oder der nanokristalline Siliciumfilm nicht über die gesamte Schicht 31d vom p-Typ verwendet werden. Er kann in einigen Fällen lediglich in der Nachbarschaft der Schnittstelle zwischen der Schicht 31d vom p-Typ und der Schicht 31c vom n-Typ verwendet werden. Dies ermöglicht, dass ein Lichtabsorptionsverlust in einer schmalen Bandabstandsregion so klein wie möglich gemacht werden kann.
Vorliegend werden in die Schicht 31d vom p-Typ Verunreinigungen hineindotiert, so dass die Schicht 31d vom p-Typ sein kann. Bei einem Siliciumhalbleiter können als Dotierungselement B, Al, Ga, etc. verwendet werden, um einen p-Typ zu erhalten. Von diesen ist jedoch B aus den bereits beschriebenen Gründen am bevorzugtesten.
Die Konzentration des Dotierungselementes wird auf einen Wert von nicht weniger als 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³ eingestellt, so dass der Leitfähigkeitstyp der Schicht 31d vom p-Typ im Wesentlichen in einen p⁺-Typ geändert wird, wodurch es ermöglicht wird, zwischen der Schicht 31d vom p-Typ und der zuvor gebildeten Schicht 31c vom n-Typ einen Tunnelübergang oder einen Übergang zu bilden, der Charakteristika aufweist, die einem Tunnelübergang entsprechen. Die Konzentration des Dotierungselementes muss nicht über die gesamte Schicht 31d vom p-Typ realisiert werden. Sie kann beispielsweise in einer Region realisiert werden, die mit zumindest der Schicht 31c vom n-Typ in Kontakt steht, und insbesondere in einem Bereich von nicht weniger als der Dicke von zumindest einer atomaren Schicht und nicht mehr als der Dicke der Schicht 31d vom p-Typ.
Es ist bevorzugt, wenn die Filmdicke der Schicht 31d vom p-Typ nicht mehr als etwa 20 nm beträgt, und noch bevorzugter nicht mehr als 10 nm, um einen Lichtabsorptionsverlust und einen Widerstandsverlust in der Schicht so klein wie möglich zu machen. Wenn die Filmdicke vorzugsweise nicht mehr als 5 nm beträgt, was es Ladungsträgern ermöglicht, die Schicht 31d vom p-Typ selbst zu durchtunneln, kann ein Widerstandsverlust, der durch die Schicht 31d vom p-Typ hervorgerufen wird, auf annähernd Null reduziert werden, was es ermöglicht, einen inversen pn-Übergang zu erhalten, bei dem die ohm'schen Charakteristika kaum degradiert sind.
Beispiele von Ausgangsmaterialien zur Bildung der Schicht 31d vom p-Typ sind Gase wie SiH₄, H₂ und B₂H₆, die als ein Dotierungsgas dienen. Vorliegend wird B in der Schicht aufgenommen in einer groben Proportion zu einem Partialdruckverhältnis von B₂H₆ zu SiH₄. Durch Einstellen eines Partialdruckverhältnisses (insbesondere eines Gasströmungsverhältnisses) entsprechend einer Zieldotierungskonzentration kann daher eine gewünschte Dotierungskonzentration realisiert werden. Die Filmdicke kann eingestellt werden, indem die Filmbildungszeit in Abhängigkeit von der Filmbildungsgeschwindigkeit angepasst wird.
Um die Schicht 31d vom p-Typ weiterhin zu kristallisieren, und zwar in einem Substrattemperaturbereich von etwa 100 bis 400°C, in dem eine Oberfläche der Schicht mit Wasserstoff beschichtet werden kann, wird eine Kristallisierung leicht möglich, indem eine Plasmaerregungsfrequenz auf eine VHF-Region von nicht weniger als etwa 40 MHz eingestellt wird, um ein Beispiel zu nennen, oder indem positiv bzw. absichtlich eine Gaserwärmung durchgeführt wird.
Wenn ein Gas, das C (Kohlenstoff), wie CH₄, in einer geeigneten Menge zusätzlich zu Gasen wie SiH₄, H₂ und B₂H₆ zugemischt wird, die als ein Dotierungsgas dienen und zu der Zeit der Filmbildung verwendet werden, wird ein Si_xC_1–x-Film erhalten, so dass der Lichtabsorptionsverlust durch Vergrößerung des Bandabstandes reduziert wird. Dies ist besonders wirksam zur Bildung einer sogenannten Fensterschicht, und ist ferner wirksam zur Reduktion einer Dunkelstromkomponente, um so eine Leerlaufspannung zu verbessern. Wenn in diesem Fall der Gehalt von C auf etwa 5 bis 20 % eingestellt wird, kann der Betrag der Vergrößerung des Bandabstandes etwa 0,1 bis 0,3 eV betragen. Der Gehalt von C in dem Film kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, wenn eine Plasmaleistung angepasst wird, und zwar unter Berücksichtigung eines Partialdruckverhältnisses (d.h. eines Gasströmungsverhältnisses) von CH₄ zu SiH₄ während der Filmbildung und des Unterschiedes der Zersetzungseffizienz zwischen CH₄ und SiH₄. Ferner kann ein Gas, das O (Sauerstoff) enthält, und ein Gas, das N (Stickstoff) enthält, jeweils in geeigneten Mengen zugemischt werden, so dass ein Si_xO_1–x-Film bzw. ein Si_xN_1–x-Film erhalten werden kann, wodurch es ermöglicht wird, die gleiche Wirkung zu erzielen. Die Gase können auch miteinander gemischt werden.
Um die Übergangscharakteristika weiterhin zu verbessern, kann eine amorphe Si-Schicht, die im Wesentlichen vom i-Typ ist, oder eine amorphe Si_xC_1–x-Schicht als eine Pufferschicht zwischen die Schicht 31a vom p-Typ und die photo-aktive Schicht 31b bzw. zwischen die photo-aktive Schicht 31b und die Schicht 31c vom n-Typ eingefügt werden. Die Dicke der einzufügenden Schicht beträgt in diesem Fall etwa 0,5 bis 50 nm. Wenn die Wasserstoffkonzentration im Film und die C-Konzentration ansteigen bzw. geneigt sind, um die einzufügende Schicht in eine sogenannte gradierte Schicht zu verändern, kann in diesem Fall eine Rekombinationsrate in einer Region, in der die gradierte Schicht bzw. Schicht mit allmählichem Übergang gebildet ist, reduziert werden, was im Hinblick auf eine Verbesserung der Charakteristika bevorzugt ist.
Durch das oben erwähnte Verfahren kann die erste Halbleiterübergangsschicht 31, die als eine obere Zelle dient, gebildet werden.
Als die transparente Zwischenschicht 5 wird dann ein Film gebildet, und zwar unter Verwendung eines transparenten leitenden Oxidmaterials. Beispiele transparenter leitender Oxidmaterialien sind SnO₂, ITO und ZnO. Beispiele eines Verfahrens zum Bilden des Films sind bekannte Techniken, wie ein CVD-Verfahren, ein Vakuumverdampfungsverfahren, ein Ionenplatierungsverfahren, ein Sputterverfahren und ein Sprühverfahren sowie ein Sol-Gel-Verfahren.
Vorliegend wird die Dicke d der transparenten Zwischenschicht 5 optimiert, und zwar in Abhängigkeit von dem Brechungsindex (n₅) eines zu verwendenden Oxidmaterials, der Brechungsindices (n₃₁, n₃₂) der Halbleiterschichten, die mit der transparenten Zwischenschicht 5 in Kontakt stehen, der Bandabstandsenergie der oben genannten photo-aktiven Schicht 31b in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 und der Bandabstandsenergie der photo-aktiven Schicht 32b in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, was später beschrieben werden wird.
Wenn für die photo-aktive Schicht 31b in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 hydriertes amorphes Silicium verwendet wird und für die photo-aktive Schicht 32b in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 mikrokristallines Silicium oder nanokristallines Silicium verwendet wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform, ist es wünschenswert, wenn als Material für die transparente Zwischenschicht 5 das Material ZnO verwendet wird, und wenn dessen Dicke d in einem Bereich von 5 bis 500 nm angepasst bzw. eingestellt wird, um einen Lichtabsorptionsverlust in der transparenten Zwischenschicht 5 zu reduzieren.
Obgleich die zweite Halbleiterübergangsschicht 32 anschließend als eine untere Zelle auf die transparente Zwischenschicht 5 gestapelt bzw. geschichtet wird, wird die Beschreibung eines Abschnittes, der mittels des gleichen Verfahrens wie das Verfahren zum Bilden der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 gebildet werden kann, vorliegend weggelassen, um einen charakteristischen Abschnitt zu beschreiben.
Die Schicht 32d vom n-Typ, also des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die zwischen der transparenten Zwischenschicht 5 und der Schicht 32a vom p-Typ in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 vorgesehen ist, kann einen hydrierten amorphen Siliciumfilm oder einen mikrokristallinen Siliciumfilm oder einen nanokristallinen Siliciumfilm verwenden, ähnlich der oben erwähnten Schicht 31d vom p-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31. Die Schicht 32d vom n-Typ ist etwa die gleiche wie die Schicht 31d vom p-Typ, und zwar hinsichtlich detaillierter Randbedingungen wie der Filmdicke und der Dotierungskonzentration, mit der Ausnahme, dass lediglich P, As, Sb, etc., die eine Leitfähigkeit vom n-Typ zeigen, als Dotierungselement verwendet werden.
Die Schicht 32a vom p-Typ wird anschließend auf der Schicht 32d vom n-Typ, also des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, gebildet. Die Schicht 32a vom p-Typ kann einen hydrierten amorphen Siliciumfilm oder einen mikrokristallinen Siliciumfilm oder einen nanokristallinen Siliciumfilm verwenden, ähnlich wie die zuvor erwähnte Schicht 31a vom p-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31. Die detaillierten Randbedingungen wie die Filmdicke und die Dotierungskonzentration sind annähernd die gleichen wie die vorstehenden Randbedingungen, und demzufolge wird deren Beschreibung nicht noch einmal wiederholt.
Die photo-aktive Schicht 32b, die als eine nicht-dotierte Schicht dient, die nicht dotiert ist, wird dann auf der Schicht 32a vom p-Typ gebildet. Obgleich die photo-aktive Schicht 31b in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31 aus einem hydrierten amorphen Siliciumfilm gebildet wird, wird die photo-aktive Schicht 32b in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32 aus einem mikrokristallinen Siliciumfilm oder einem nanokristallinen Siliciumfilm gebildet. In der Praxis zeigt die nicht-dotierte Schicht gewöhnlich gewisse Charakteristika vom n-Typ. In diesem Fall kann die photo-aktive Schicht 32b daher so angepasst werden, dass sie im Wesentlichen vom i-Typ ist, indem ein Dotierungselement vom p-Typ in einer kleinen Menge aufgenommen wird.
Um Ströme zwischen der oberen Zelle und der unteren Zelle aneinander anzupassen, und zwar zu der gleichen Zeit, zu der einfallendes Licht photo-elektrisch effizient umgewandelt wird, wird die Filmdicke der photo-aktiven Schicht 32b in einem Bereich von etwa 1 bis 3 μm angepasst bzw. eingestellt.
Obgleich es wünschenswert ist, dass, betreffend die Filmstruktur der photo-aktiven Schicht 32b, die Form ihrer Oberfläche nach der Filmbildung eine autonome texturierte Struktur (Mikrorauhigkeit) besitzt, die geeignet ist zur Lichteingrenzung, und zwar als ein Satz bzw. eine Menge säulenförmiger Kristallkörner in der Orientierung einer (110)-Ebene in einer Kristallebene, was als ein Ergebnis eines bevorzugten Wachstums der (110)-Ebene auftritt, hat die Verwendung des PECVD-Verfahrens oder des Cat-PECVD-Verfahrens den Vorteil, dass diese Struktur natürlich bzw. naturgemäß gebildet werden kann.
Obgleich das PECVD-Verfahren und das Cat-CVD-Verfahren, die herkömmlicherweise bekannt sind, auch als ein Verfahren zum Bilden eines mikrokristallinen Siliciumfilms oder eines nanokristallinen Siliciumfilms verwendet werden können, lässt sich ein hochqualitativer mikrokristalliner Siliciumfilm oder nanokristalliner Siliciumfilm mit hoher Geschwindigkeit in einer großen Fläche und bei hoher Produktivität insbesondere bilden, wenn das Cat-PECVD-Verfahren verwendet wird. Demzufolge ist dieses Verfahren besonders wirksam zur Herstellung einer hocheffizienten Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis bei geringen Kosten.
Obgleich das Cat-PECVD-Verfahren ermöglicht, dass ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm mit einer Wasserstoffkonzentration im Film von nicht mehr als 10 Atom-% erhalten wird, und zwar durch eine Wirkung einer Unterstützung der Bildung von atomarem Wasserstoff oder eine Wirkung einer Gaserwärmung, ist es möglich, einen Film zu erhalten, der eine niedrige Wasserstoffkonzentration von vorzugsweise nicht mehr als 5 Atom-% oder noch bevorzugter von nicht mehr als 3,5 Atom-% besitzt.
Der Grund dafür, dass ein Film mit einer niedrigen Wasserstoffkonzentration bevorzugt ist, ist folgender. In dem Fall des mikrokristallinen Siliciumfilms oder des nanokristallinen Siliciumfilms existiert ein großer Teil von Wasserstoff in einer Kristallkorngrenze. Denn ein Bindungszustand („bonded state") von Wasserstoff und Si und die Dichte hiervon (die proportional sind zu einer inversen Zahl einer Ladungsträger-Rekombinationsrate in der Kristallkorngrenze) bestimmen die Qualität der Kristallkorngrenze. D.h. je höher die Dichte einer SiH₂-Bindung ist, und zwar in einem Zustand, bei dem ein Si-Atom, das in der Kristallkorngrenze existiert, mit zwei H-Atomen und anderen zwei Si-Atomen gebunden ist, um so leichter tritt ein sogenanntes Post-Oxidationsphänomen auf, wie oben beschrieben, wodurch eine Degradation der Qualität des gesamten Films über der Zeit erfolgt (d.h. eine Degradation bzw. Verschlechterung der Charakteristika mit der Zeit), und zwar hervorgerufen durch eine Degradation der Qualität der Kristallkorngrenze. Wenn die Wasserstoffkonzentration im Film abnimmt, nimmt die Dichte der SiH₂-Bindung in der Kristallkorngrenze ab, was es ermöglicht, ein Degradationsphänomen über der Zeit, hervorgerufen durch das oben erwähnte Post-Oxidationsphänomen, zu reduzieren.
Genauer gesagt kann ein Degradationsverhältnis über der Zeit auf nicht mehr als einige Prozent ge- bzw. unterdrückt werden, wenn die Wasserstoffkonzentration im Film nicht mehr als 5 Atom-% beträgt, und kann weiter auf annähernd Null reduziert werden, wenn die Wasserstoffkonzentration im Film nicht mehr als 3,5 Atom-% beträgt. Es ist im Ergebnis möglich, eine Solarzelle mit höherer Effizienz herzustellen.
Anschließend wird auf der photo-aktiven Schicht 32b die Schicht 32c vom n-Typ gebildet. Die Schicht 32c vom n-Typ kann einen hydrierten amorphen Siliciumfilm oder einen mikrokristallinen Siliciumfilm oder einen nanokristallinen Siliciumfilm verwenden, ähnlich der oben erwähnten Schicht 31c vom n-Typ in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31. Die detaillierten Randbedingungen wie Dicke und Dotierungskonzentration sind die gleichen wie die vorstehenden Randbedingungen, und deren Beschreibung wird daher vorliegend nicht wiederholt.
Um die Übergangscharakteristika weiterhin zu verbessern, kann eine amorphe Siliciumschicht, die im Wesentlichen vom i-Typ ist, zwischen die Schicht 32a vom p-Typ und die photoaktive Schicht 32b oder zwischen die photo-aktive Schicht 32b und die Schicht 32c vom n-Typ eingefügt werden. Die Dicke einer in diesem Fall einzufügenden Schicht beträgt etwa 0,5 bis 50 nm.
Schließlich wird ein Metallfilm als die hintere Elektrode 4 gebildet. Als Metallfilm werden vorzugsweise solche Metallfilme verwendet, die aus Al, Ag, etc. zusammengesetzt sind, die hinsichtlich der Leitfähigkeitseigenschaften und der Lichtreflektionseigenschaften überlegen sind, wie zuvor beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Ein Verfahren zum Bilden des Metallfilms wurde zuvor beschrieben unter Bezugnahme auf 3. Es ist noch bevorzugter, wenn die hintere Elektrode 4 eine Struktur hat, bei der der transparente leitende Film und der Metallfilm in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite ihrer Oberfläche, die in Kontakt mit der Halbleiterschicht steht, übereinander gestapelt bzw. geschichtet werden. Dies ist jedoch genauso wie zuvor beschrieben.
Durch das oben genannte Verfahren kann die Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis realisiert werden, auf die die vorliegende Erfindung angewendet ist.
Obgleich ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem die Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung auf beide Seiten der transparenten Zwischenschicht angewendet ist, lässt sich die Wirkung der vorliegenden Erfindung auch erzielen, selbst wenn sie nur auf eine Seite der transparenten Zwischenschicht angewendet ist.
Obgleich eine Solarzelle vom Tandemtyp beschrieben wurde, bei der als Halbleiterbauteil vom Mehrfachübergangstyp zwei Halbleiterübergangsschichten vorgesehen sind, lässt sich selbst bei einer Solarzelle vom einfachen Übergangstyp (nicht gezeigt), die eine Halbleiterübergangsschicht aufweist, bei einer Solarzelle vom Dreifachübergangstyp (nicht gezeigt), die drei Halbleiterübergangsschichten aufweist, und bei Solarzellen (nicht gezeigt), die mehr Halbleiterübergangsschichten aufweisen, die gleiche Wirkung erzielen.
Obgleich eine Solarzelle beschrieben wurde, bei der die Halbleiterübergangsschichten pin in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite einer lichtempfangenden Oberfläche ausgebildet sind, lässt sich der gleiche Effekt in Bezug auf eine Solarzelle erzielen, bei der die Halbleiterübergangsschichten pin ausgehend von der Seite einer lichtempfangenden Oberfläche in der entgegengesetzten Reihenfolge gebildet sind.
Obgleich eine Solarzelle vom Superstrat-Typ beschrieben wurde, bei der Licht auf das Substrat einfällt, lässt sich die gleiche Wirkung erzielen bei einer Solarzelle vom Substrat-Typ, bei der Licht auf den Halbleiterfilm einfällt. Für den Fall einer Solarzelle vom Substrat-Typ ist das Substrat nicht auf ein transparentes Substrat beschränkt. Beispielsweise kann ein opakes Substrat, das aus rostfreiem Material bzw. rostfreiem Stahl oder dergleichen gebildet ist, verwendet werden. In diesem Fall ist die vordere Elektrode 2 aus einem Metallmaterial zusammengesetzt und die hintere Elektrode 4 ist aus einem transparenten Material zusammengesetzt.
Obgleich die Beschreibung erfolgte, indem ein Halbleiter auf Siliciumbasis als Beispiel herangezogen wurde, kann auch ein anderer Halbleiter als ein Halbleiter auf Siliciumbasis verwendet werden, in welchem Fall sich die gleiche Wirkung durch Anwenden der Konfiguration der vorliegenden Erfindung erzielen lässt, und zwar da sie im Prinzip dem Grunde nach gleich sind.
9 stellt eine Solarzelle dar, die als ein Halbleiterbauteil vom Mehrfachübergangstyp dient und erhalten wird, indem Dünnfilm-Zellen auf Siliciumbasis und Zellen vom Bulk- bzw. Massentyp bzw. vom Trägertyp (Substrat-Typ) übereinander gestapelt bzw. geschichtet werden.
In der Solarzelle, die als ein Halbleiterbauteil vom Mehrfachübergangstyp dient, werden eine erste Halbleiterübergangsschicht 53, die aus den Dünnfilm-Zellen zusammengesetzt ist, und eine zweite Halbleiterübergangsschicht 54, die aus den Si-Zellen vom Massentyp zusammengesetzt ist, übereinander geschichtet, wobei die transparente Zwischenschicht 56 dazwischen angeordnet wird.
Auf der ersten Halbleiterübergangsschicht 53 werden ein Antireflektionsfilm 52 und eine vordere Elektrode 51 vorgesehen, und auf der zweiten Halbleiterübergangsschicht 54 wird eine hintere Elektrode 55 vorgesehen.
Ferner wird die erste Halbleiterübergangschicht 53 erhalten, indem eine Schicht 53a vom n-Typ, eine photo-aktive Schicht 53b und eine Schicht 53c vom p-Typ übereinander gestapelt werden, und die zweite Halbleiterübergangschicht 54 wird erhalten, indem eine Region 54a vom n⁺-Typ, eine photo-aktive Region 54b vom p-Typ und eine Region 54c vom p⁺-Typ übereinander gestapelt werden.
Als eine Struktur, die die Merkmale der vorliegenden Erfindung darstellt, wird die Schicht 53d vom n-Typ zwischen der ersten Halbleiterübergangschicht 53 und der transparenten Zwischenschicht 56 angeordnet, und die Schicht 53d vom n-Typ und die Schicht 53c vom p-Typ in der ersten Halbleiterübergangschicht 53 bilden einen inversen pn-Übergang. Ferner ist eine Region 54d vom p⁺-Typ zwischen der zweiten Halbleiterübergangschicht 54 und der transparenten Zwischenschicht 56 angeordnet, und die Schicht 54d vom p⁺-Typ und die Region 54a vom n⁺-Typ in der zweiten Halbleiterübergangschicht 54 bilden einen inversen pn-Übergang.
Vorliegend trifft Licht (hν) auf den Antireflektionsfilm 52 auf. Das gleiche Prinzip wie jenes, das in Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben worden ist, ermöglicht es, dass die Lichtenergiedichte einer Komponente mit kurzer Wellenlänge in der Halbleiterübergangschicht 53, die auf der Einfallsseite (der oberen Seite) angeordnet ist, erhöht wird, während sie auch ermöglicht, dass die Lichtenergiedichte einer Komponente langer Wellenlänge in der Halbleiterübergangschicht 54 erhöht wird, die in Bezug auf die transparente Zwischenschicht 56 stromabseitig in Lichtdurchgangsrichtung angeordnet ist.
Wie vorstehend beschrieben, ist die in 9 gezeigte Struktur eine solche Struktur, bei der inverse pn-Übergänge zwischen die Halbleiterübergangschicht 54 und die transparente Zwischenschicht 56 bzw. zwischen die photo-elektrische Umwandlungseinheit 53 und die transparente Zwischenschicht 56 eingefügt sind, so dass die elektrischen Charakteristika signifikant durch das Prinzip und den Mechanismus bzw. die Wirkungsweise der Funktion der vorliegenden Erfindung verbessert werden, wie zuvor beschrieben, was es ermöglicht, die Charakteristika und die Ausbeute zu verbessern.
Im folgenden werden die Prozesse zum Herstellen eines Solarzellenbauteils vom geschichteten Typ aus Dünnfilmzelle/Massenzelle beschrieben, das als ein Halbleiterbauteil vom Mehrfachübergangstyp dient und erhalten wird durch Übereinanderstapeln von Dünnfilm-Zellen auf Siliciumbasis und Si-Zellen vom Massen- bzw. Trägertyp, wie es in 9 gezeigt ist.
Zunächst wird ein Si-Substrat vom p-Typ vorbereitet. In 9 ist zumindest die photo-aktive Region 54b vom p-Typ in dem Substrat enthalten. Als ein Dotierungselement in dem Substrat vom p-Typ wird vorzugsweise B (Bor) oder Ga (Gallium) verwendet, und dessen Konzentration beträgt etwa 1 × 10¹⁶ ~ 1 × 10¹⁷/cm³ (der spezifische Widerstandswert des Substrates beträgt in diesem Fall etwa 0,2 bis 2 Ωcm).
Die Dicke des Substrates beträgt vorzugsweise nicht mehr als 500 μm, und vorzugsweise nicht mehr als 350 μm. Ein Material für das Substrat und ein Verfahren zum Herstellen des Substrates wurden bereits unter Bezugnahme auf 6 beschrieben, und demzufolge wird die Beschreibung hiervon nicht wiederholt.
Anschließend wird die Region 54a vom n⁺-Typ gebildet. Als ein Dotierungselement vom n-Typ wird vorzugsweise P (Phosphor) verwendet, und dessen Dotierungskonzentration beträgt etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³, so dass die Region 54a vom n⁺-Typ sein kann. Demzufolge wird zwischen der Region 54a vom n⁺-Typ und der oben genannten photo-aktiven Region 54b vom p-Typ ein pn-Übergang gebildet. Ein Verfahren zum Erzeugen der Region 54a vom n⁺-Typ ist das Gleiche wie das Verfahren zum Herstellen der Si-Region 504 vom n-Typ, die in 6 gezeigt ist.
Anschließend wird die Region 54c vom p⁺-Typ gebildet. Als ein Dotierungselement vom p-Typ können B (Bor), Ga (Gallium) oder Al (Aluminium) verwendet werden, und dessen Dotierungskonzentration beträgt etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³. Dies ermöglicht es, dass zwischen der photo-aktiven Region 54b vom p-Typ und der Region 54c vom p⁺-Typ ein Tief-Hoch-Übergang („Low-High junction") gebildet wird (der auch als eine Rückseitenfeldregion, „back surface field region", bezeichnet wird).
Ein Verfahren zum Erzeugen der Region 54c vom p⁺-Typ ist das Gleiche wie das Verfahren zum Erzeugen der BSF-Region 506, die in 6 gezeigt ist, und demzufolge wird dessen Beschreibung nicht wiederholt.
Anschließend wird die Region 54d vom p⁺-Typ gebildet. Als ein Dotierungselement vom p-Typ wird vorzugsweise B oder Ga verwendet, und dessen Dotierungskonzentration beträgt etwa 1 × 10¹⁸ ~ 5 × 10²¹/cm³. Die Region 54 vom p⁺-Typ wird somit mit einer hohen Konzentration dotiert, wodurch ein Übergang zwischen der Region 54d vom p⁺-Typ und der Region 54a vom n⁺-Typ, die mit ähnlicher hoher Konzentration dotiert ist, gebildet wird, wobei dieser Übergang Tunnelübergangscharakteristika oder Charakteristika aufweist, die diesen entsprechen, wobei es sich um ein Teilelement der vorliegenden Erfindung handelt. In diesem Fall muss die Dotierungskonzentration nicht notwendigerweise über die gesamte Region 54d vom p⁺-Typ realisiert werden. Sie kann auch in einer Region realisiert werden, die zumindest mit der oben erwähnten Region 54a vom n⁺-Typ in Kontakt steht, und insbesondere in einem Bereich von nicht weniger als der Dicke von zumindest einer atomaren Schicht und nicht mehr als der Dicke der Region 54d vom p⁺-Typ.
Vorliegend kann es sein, dass die Dicke der Region 54d vom p⁺-Typ nicht mehr beträgt als etwa 50 nm, und noch bevorzugter nicht mehr als 20 nm, so dass ein Lichtabsorptionsverlust und ein Widerstandsverlust in der Schicht so gering wie möglich gemacht werden. Wenn die Dicke noch bevorzugter nicht mehr als 5 nm beträgt, um zu ermöglichen, dass Ladungsträger die Region 54d vom p⁺-Typ selbst durchtunneln, kann ein Widerstandsverlust, der von der Region 54d vom p⁺-Typ hervorgerufen wird, auf etwa Null reduziert werden, wodurch es möglich gemacht wird, einen Halbleiter/Elektroden-Kontakt zu erhalten, dessen ohm'sche Charakteristika kaum degradiert sind.
Als ein Verfahren zum Erzeugen der Region 54d vom p⁺-Typ kann diese auch bei einer Temperatur von etwa 800 bis 1000°C gebildet werden, und zwar durch Verwendung eines thermischen Diffusionsverfahrens, das BBr₃ als eine Diffusionsquelle verwendet. Um die vor dem Prozess gebildeten Übergangscharakteristika jedoch nicht zu degradieren, ist es bevorzugt, wenn in dem Prozess ein hydrierter amorpher Siliciumfilm oder ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm bei einer Substrattemperatur von nicht mehr als etwa 400°C gebildet wird, und zwar unter Verwendung der Dünnfilmtechnik und der Randbedingungen, wie sie zuvor insbesondere unter Bezugnahme auf 3 beschrieben worden sind. Wenn die Region 54a vom n⁺-Typ unter Verwendung der Dünnfilmtechnik gebildet wird, muss sie gleichzeitig unter Verwendung der Dünnfilmtechnik in dem Prozess gebildet werden.
Anschließend wird die transparente Zwischenschicht 56 gebildet. Der Prozess zum Bilden der transparenten Zwischenschicht 56 ist der Gleiche wie jener, der in Bezug auf die transparente Zwischenschicht 5 beschrieben worden ist, die in 7 gezeigt ist, und demzufolge wird die Beschreibung hier nicht wiederholt.
Dann wird die zweite Halbleiterübergangschicht 53, die als eine photo-aktive Schicht 53b hydriertes amorphes Silicium aufweist, aufgestapelt. Der Prozess zum Bilden der Übergangseinheit ist grundlegend der Gleiche wie in Inhalten, die in Bezug auf die erste Halbleiterübergangschicht beschrieben worden sind, die in 7 gezeigt ist, und die Filme können in der in 9 gezeigten Reihenfolge übereinander gestapelt werden, und demzufolge wird die Beschreibung hier nicht wiederholt.
Dann wird der Antireflektionsfilm 52 gebildet. Ein Material für den Antireflektionsfilm 52, dessen Dicke und ein Verfahren zum Erzeugen desselben sind die Gleichen wie in der inhaltlichen Beschreibung des Antireflektionsfilms 502, der in 6 gezeigt ist, und demzufolge wird dessen Beschreibung hier nicht wiederholt.
Anschließend wird die vordere Elektrode 51 gebildet. Ein Material für die vordere Elektrode 51 und ein Verfahren zum Erzeugen derselben sind die Gleichen wie inhaltsmäßig beschreiben in Bezug auf die vordere Elektrode 501, die in 6 gezeigt ist, und demzufolge wird deren Beschreibung hier nicht wiederholt.
Dann wird die hintere Elektrode 55 gebildet. Ein Material für die hintere Elektrode 55 und ein Verfahren zum Erzeugen derselben sind die Gleichen wie inhaltsmäßig beschrieben in Bezug auf die hintere Elektrode 508, die in 6 gezeigt ist, und demzufolge wird deren Beschreibung nicht wiederholt.
Wie vorstehend beschrieben, wird eine Solarzelle realisiert, die erhalten wird durch Übereinanderstapeln bzw. -schichten der Dünnfilm-Zellen auf Si-Basis und der Si-Zellen vom Träger- bzw. Massentyp, auf die die vorliegende Erfindung angewendet ist.
Die Reihenfolge der Prozesse ist nicht auf die oben genannte Reihenfolge beschränkt. Beispielsweise können die Prozesse in jeder beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden, vorausgesetzt, dass Randbedingungen erfüllt werden, gemäß denen die Temperatur in einem Prozess einer darauffolgenden Stufe niedriger ist als die Temperatur in einem Prozess einer vorhergehenden Stufe.
Obgleich ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem die Konfiguration der vorliegenden Erfindung auf beide Seiten der transparenten Zwischenschicht angewendet ist, versteht sich, dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung sich auch dann erzielen lässt, wenn sie lediglich auf eine Seite der transparenten Zwischenschicht angewendet wird.
Obgleich eine Solarzelle beschrieben wurde, die ein Si-Substrat vom p-Typ verwendet, lässt sich die Wirkung der vorliegenden Erfindung durch die gleichen Prozesse erzielen, wenn die Polarität in der Beschreibung umgekehrt ist, und zwar dann, wenn ein Si-Substrat vom n-Typ verwendet wird.
Obgleich der Fall eines Einzelübergangstyps beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auch auf einen Mehrfachübergangstyp anwendbar, bei dem Dünnfilm-Übergangsschichten, die aus mehrschichtigen Halbleiterfilmen zusammengesetzt sind, wie in Bezug auf 3 beschrieben, an einem Übergangsbauteil gestapelt sind, unter Verwendung eines Massen- bzw. Trägersubstrats.
Obgleich die Beschreibung erfolgt ist, indem als Beispiel die Dünnfilm-Solarzelle auf Siliciumbasis und die Silicium-Solarzelle vom Massentyp bzw. Trägertyp herangezogen wurden, und zwar unter Verwendung einiger Zeichnungsfiguren, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieselben beschränkt. Beispielsweise kann sie eine beliebige Form annehmen, solange sie nicht den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung verlässt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Solarzelle auf Si-Basis beschränkt. Beispielsweise ist sie auch auf Solarbatterien auf Verbundbasis und organischer Basis anwendbar. Ferner ist die vorliegende Erfindung auch auf ein anderes photoelektrisches Umwandlungsbauteil als eine Solarzelle anwendbar. Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar auf Halbleiterbauteile im Allgemeinen, die eine Halbleiter/Elektroden-Struktur aufweisen, beispielsweise eine Diode, ein Transistor und ein Thyristor, die sich von einem photo-elektrischen Umwandlungsbauteil unterscheiden.
[Beispiele]
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nunmehr beschrieben.
<Beispiel 1>
Es wurde ein Dünnfilm-Solarzellenbauteil auf Siliciumbasis hergestellt, und zwar auf der Grundlage der in 3 gezeigten Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Herstellungsbedingungen bzw. Randbedingungen sind in Tabelle 1 gezeigt.
Die erste Elektrode 2, die als eine vordere Elektrode dient, setzte sich zusammen aus SnO₂, und die zweite Elektrode 4, die als eine hintere Elektrode dient, hatte eine gestapelte Struktur aus ZnO und Ag (ZnO auf der Seite der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32). Die Halbleiterschicht 31d vom n-Typ und die Halbleiterschicht 32d vom p-Typ, die die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung betreffen, wurde als Film gebildet („film-formed"), während die Randbedingungen geändert wurden, und zwar gemäß dem Cat-PECVD-Verfahren. Die veränderten Randbedingungen sind die Konzentration des Dotierungselementes, die Dicke, die Hinzugabe eines Elementes zum Vergrößern eines Bandabstandes (die Einstellung eines Bandabstandwertes), und das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Einschlusses einer Si-Kristallphase, und genauer gesagt jene Randbedingungen, wie sie in Tabelle 1 erwähnt sind.
Die Halbleiterschicht 31a vom p-Typ und die Halbleiterschicht 32a vom n-Typ wurden jeweils als Film gebildet, und zwar durch das Cat-PECVD-Verfahren. Jede der Halbleiterschichten wurde als Film gebildet, während die Menge eines Dotiermittels eingestellt wurde, so dass die Konzentration des Dotierungselementes nicht weniger betrug als 1 × 10¹⁸ cm^–3, wie es in Tabelle 1 gezeigt ist.
Obgleich dies in Tabelle 1 nicht dargestellt ist, wurde in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31, die als eine obere Zelle dient, ein hydrierter amorpher Siliciumfilm vom i-Typ gebildet, und zwar auf eine Dicke von 0,3 μm, und zwar durch das Cat-PECVD-Verfahren, zum Zwecke der Bildung der photo-aktiven Schicht 31b, und es wurde ein hydrierter amorpher Sili ciumfilm, dem P als ein Dotiermittel in einer Konzentration von 3 × 10¹⁹ ~ 1 × 10²¹ cm^–3 hinzugegeben wurde, auf eine Dicke von 10 nm gebildet, und zwar durch das Cat-PECVD-Verfahren, zum Zwecke der Bildung der Halbleiterschicht 31c vom n-Typ, die darauf gestapelt ist.
Ferner wurde in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, die als eine untere Zelle dient, ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm, dem als ein Dotiermittel B in einer Konzentration von 1 × 10¹⁹ ~ 7 × 10²⁰ cm^–3 hinzugegeben wurde, auf eine Dicke von 10 nm gebildet, und zwar durch das Cat-PECVD-Verfahren, zum Zwecke der Bildung der Halbleiterschicht 32c vom p-Typ, und ein mikrokristalliner Siliciumfilm vom i-Typ wurde durch das Cat-PECVD-Verfahren auf eine Dicke von 2 μm gebildet, und zwar zum Zwecke der Bildung der photo-aktiven Schicht 32b, die darauf gestapelt ist.
In Tabelle 1 hat die Probennr. 1 die herkömmliche Kontaktstruktur, bei der in einer Halbleiter/Elektroden-Schnittstelle keine Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist. Obgleich andere Proben eine Konfiguration haben, bei der eine Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der Halbleiter/Elektroden-Schnittstelle gemäß der Konfiguration der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, ist die Halbleiterschicht derart als Film gebildet, dass die Konzentration des Dotierungselementes sich außerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung befindet, und zwar bei den Proben mit den Nummern 5, 8, 13 und 16.
Die durch vorheriges Ändern einer Zugabemenge eines Dotiermittelgases vorbereitete Probe wurde durch SIMS (Sekundär ionen-Massenspektroskopie) gemessen, und zwar derart, dass die in Tabelle 1 angegebene Konzentration des Dotierungselementes erhalten wurde, und zwar mit dem Zwecke, die Filmbildungsrandbedingungen zu bestimmen. Bei der SIMS, verwendet von den Dotierungselementen B als primäre Ionenquelle O²⁺, und P verwendet als primäre Ionenquelle Cs⁺. Ferner wurden beim Abschätzen der Konzentration des Dotierungselementes einige unterschiedliche Punkte in einer Analyseregion gemessen, um diese zu mitteln.
In Bezug auf die Dicke ist es so, dass die Filmdicke des zuvor auf einem Dummy-Substrat gebildeten Films, und zwar bei jeder der Filmbildungsrandbedingungen, gemessen wurde durch eine Schrittmesseinheit unter Verwendung eines Griffelverfahrens („stylus method"), so dass die Dicke eine Zieldicke betrug, und zwar unter Verwendung einer Filmbildungsgeschwindigkeit, die hieraus berechnet wurde.
Hinsichtlich des Bandabstandswertes eines Dünnfilmes wurde ein sogenanntes Spann-Plot-Verfahren („taut plot method") zum Bilden des Dünnfilmes auf einem Glassubstrat und zum Berechnen von dessen Bandabstandswert unter Verwendung eines Lichtabsorptionskoeffizienten α, der aus Daten berechnet wird, die dessen spektrales Durchlassvermögen („transmittance") darstellen, verwendet (wenn eine Beziehung von αhν ∝ (hν-Eg)² verwendet wird, um eine Quadratwurzel von αhν über hν zu plotten, lässt sich Eg auffinden; in einem Fall, bei dem die rechte Seite des vorstehenden Ausdruckes in der dritten Potenz vorliegt, wird eine Kubikwurzel von αhν über hν geplottet, um Eg aufzufinden). Die in Tabelle 1 gezeigten Werte sind Werte, die herausgefunden wurden durch Plotten einer Quadratwurzel.
Ferner wurde hinsichtlich des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Einschlusses einer Si-Kristallphase durch ein Raman-Spektroskopie-Überprüfungsverfahren beurteilt, dass eine Si-Kristallphase enthalten war, wenn ein Verhältnis von dessen Kristallinität nicht geringer war als 60 % (gezeigt durch das Zeichen O), und dass eine Si-Kristallphase nicht enthalten war, wenn das Verhältnis der Kristallinität hiervon geringer war als 60 % (gezeigt durch X). Das Verhältnis der Kristallinität wurde definiert durch die Kristallphasenspitzenstärke (Kristallphasenspitzenstärke plus amorphe Phasenspitzenstärke) in einem Raman-Streuspektrum, wobei die Kristallphasenspitzenstärke („crystal phase peak strength") definiert wurde als eine Spitzenstärke bzw. Spitzenwertstärke in 500 ~ 510 cm^–1 + eine Spitzenstärke in 520 cm^–1, wohingegen die amorphe Phasenspitzenstärke definiert wurde als eine Spitzenstärke in 480 cm^–1. Zum Messen des Raman-Spektrums wurde ein Ramanscope-System 1000 eingesetzt, das von Renishaw hergestellt wird, und zwar unter Verwendung eines He-Ne-Lasers (mit einer Wellenlänge von 632,8 nm) als Anregungslicht.
Die Charakteristika und die Ergebnisse der Überprüfung des Dünnfilm-Solarzellenbauteils, bei denen es sich jeweils um die in Tabelle 1 gezeigten Proben handelte, sind in Tabelle 2 gezeigt.
[Tabelle 2]
Vorliegend wurden beim Auffinden von mittleren Charakteristika und Ausbeute in Tabelle 2 eine Anzahl von 48 Bauteilen auf einem quadratischen Substrat mit 10 cm Kantenlänge (10 cm square) erzeugt, und zwar um die mittleren Charakteristika und die Ausbeute zu überprüfen bzw. auszuwerten. In Bezug auf die umfassende Auswertung erfolgte eine Beurteilung durch drei Überprüfungs- bzw. Auswertungstypen, d.h.: Δ, bei dem eine Wirkung vorliegt, die nicht so signifikant ist, O, bei dem eine gute Wirkung erhalten wird, und ⊚, bei dem eine signifikante Wirkung erhalten wird, und zwar unter Verwendung der herkömmlichen Konfiguration der Probe Nr. 1 als Basis.
Aus Tabelle 2 ist zu erkennen, dass die Auswertung ergibt, dass nur die Proben 1, 5, 8, 13 und 16 mit dem Zeichen Δ bewertet wurden, also jene, die sich außerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung befinden, wohingegen diese dennoch zumindest nicht geringer sind als Δ, so dass im Wesentlichen gute Ergebnisse in Bezug auf die anderen Proben erzielt werden. Demzufolge kann bestätigt werden, dass die Konfiguration der vorliegenden Erfindung eine große Wirkung hinsichtlich einer Verbesserung der Bauteilcharakteristika und der Verbesserung der Ausbeute besitzt.
<Beispiel 2>
Das in 3 gezeigte Solarzellenbauteil vom Massen- bzw. Trägertyp gemäß der vorliegenden Erfindung wurde auf die folgende Art und Weise hergestellt. Die Herstellungsrandbedingungen sind Tabelle 3 gezeigt.
Als die photo-aktive Si-Region 505 vom p-Typ wurde ein Si-Substrat vom p-Typ mit einer Dicke von 300 μm herangezogen (die Konzentration eines Dotierungsmittels betrug 2 × 10¹⁶ cm^–3), und dann wurde die Si-Region 504 vom n-Typ darauf gebildet, und zwar so, dass die Konzentration des Dotierungselementes P nicht geringer war als 1 × 10¹⁸ cm^–3, und zwar durch das thermische Diffusionsverfahren. Ferner wurde in die Si-BSF-Region 506 das Element Al hineindotiert, und zwar durch das Pastendruck- und Brennverfahren, um die Si-BSF-Region 506 vom p-Typ zu erhalten.
Hiernach wurden auf den Regionen die Si-Region 503 vom p-Typ bzw. die Si-Region 507 vom n-Typ betreffend die Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung jeweils als Film gebildet, während die Randbedingungen verändert wurden, und zwar mittels des Cat-PECVD-Verfahrens. Die veränderten Randbedingungen waren die Konzentration des Dotierungselementes, die Dicke, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Einschlusses einer Si-Kristallphase, und insbesondere jene, die in Tabelle 3 genannt sind. Die Si-Region 503 vom p-Typ wurde als Film gebildet, und zwar in Übereinstimmung bzw. konform zu der Größe der vorderen Elektrode 501, was nachstehend beschrieben wird, unter Verwendung einer Maske.
Ferner wurde ein Antireflektionsfilm, der aus Siliciumnitrid gebildet war, auf eine Dicke von etwa 75 nm auf den Regionen gebildet, und zwar mittels des PECVD-Verfahrens, und sowohl die vordere Elektrode 501 als auch die hintere Elektrode 508 wurden durch Sputtern von Ag gebildet. Die vordere Elektrode 501 wurde als Film gebildet, und zwar in ein kammförmiges Muster, und die hintere Elektrode 508 wurde als Film ausgebildet, und zwar über die gesamte Oberfläche.
In Tabelle 3 hat Probe Nr. 1 die herkömmliche Kontaktstruktur, bei der in einer Halbleiter/Elektroden-Schnittstelle keine Halbleiterregion des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist. Obgleich andere Proben eine Konfiguration besitzen, bei der eine Halbleiterregion des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der Halbleiter/Elektroden-Schnittstelle gemäß der Konfiguration der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, ist eine Halbleiterregion des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bei der Probe Nr. 2 lediglich auf der Seite der vorderen Elektrode 501 vorgesehen, eine Halbleiterregion des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ist bei der Probe Nr. 3 lediglich auf der Seite der hinteren Elektrode 508 vorgesehen, und Halbleiterbereiche des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sind bei der Probe Nr. 4 sowohl an der vorderen Elektrode 501 als auch an der hinteren Elektrode 508 vorgesehen.
Ein Verfahren zum Messen und ein Verfahren zum Beurteilen der Konzentration des Dotierungselementes, der Dicke und des Vorhandenseins oder des Nichtvorhandenseins eines Einschlusses einer Si-Kristallphase sind vollständig die gleichen wie jene, die in Bezug auf Beispiel 1 gezeigt wurden.
Die Charakteristika und die Ergebnisse der Überprüfung bzw. Ausweitung des Solarzellenbauteils vom Massen- bzw. Trägertyp, wobei es sich jeweils um die in Tabelle 3 gezeigten Proben handelt, sind in Tabelle 4 gezeigt.
[Tabelle 4]
In Bezug auf die umfassende Auswertung wurde eine Beurteilung durch zwei Typen von Auswertungen vorgenommen, und zwar O, bei dem eine gute Wirkung erhalten wird, und ⊚, bei dem eine signifikante Wirkung erzielt wird, unter Verwendung der herkömmlichen Konfiguration der Probe Nr. 1 als Basis bzw. Vergleichsbasis.
Aus Tabelle 4 ergibt sich, dass die einzige Ausbeute von nicht mehr als 90 % erhalten wird in Bezug auf die Probe Nr. 1, die die herkömmliche Konfiguration besitzt, während gute Wirkungen in Bezug auf die Proben Nr. 2 bis 4 gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt werden. Insbesondere in Bezug auf die Probe Nr. 4, bei der sowohl die vordere Elektrode 501 als auch die hintere Elektrode 508 mit der Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet sind, wird eine sehr gute Wirkung erzielt. Es konnte bestätigt werden, dass die Konfiguration der vorliegenden Erfindung eine große Wirkung auf die Verbesserung der Bauteilcharakteristika und die Verbesserung der Ausbeute besitzt.
<Beispiel 3>
Das Dünnfilm-Solarzellenbauteil aus Siliciumbasis mit der in 7 gezeigten Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung wurde hergestellt. Die Herstellungsrandbedingungen sind in Tabelle 5 gezeigt.
[Tabelle 5]
Die vordere Elektrode 2 verwendet SnO₂, die hintere Elektrode 4 verwendet eine gestapelte bzw. geschichtete Struktur aus ZnO und Ag (ZnO auf der Seite der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32), und die transparente Zwischenschicht 5 verwendet ZnO, bei dem es sich um ein transparentes leitendes bzw. leitfähiges Material handelt.
Die Schicht 31d vom p-Typ und die Schicht 32d vom n-Typ, bei denen es sich um Halbleiterschichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps handelt, die zwischen der transparenten Zwischenschicht 5 und den Halbleiterübergangsschichten 31 bzw. 32 versehen sind, die das Halbleiterbauteil vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung betreffen, wurden als Film gebildet, während die Randbedingungen geändert wurden, und zwar durch das Cat-PECVD-Verfahren. Die geänderten Bedingungen sind die Konzentration des Dotierungselementes, die Dicke, die Hinzugabe eines Elementes zum Vergrößern eines Bandabstandes (Einstellen eines Bandabstandswertes), und das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Einschlusses einer Si-Kristallphase, und insbesondere jene, die in Tabelle 5 genannt sind.
Die Schicht 31c vom n-Typ und die Schicht 32a vom p-Typ, die zusammen mit der Schicht 31d vom p-Typ bzw. der Schicht 32d vom n-Typ des jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps inverse p-Übergänge bilden, wurden als Film gebildet, und zwar durch das Cat-PECVD-Verfahren. Jede der Halbleiterschichten wurde als Film gebildet, während die Menge eines Dotierungsmittels eingestellt wurde, und zwar derart, dass die Konzentration des Dotierungselementes nicht kleiner war als 1 × 10¹⁸cm^–3, wie in Tabelle 5 gezeigt ist.
Obgleich dies in der Tabelle nicht dargestellt ist, wurde in der ersten Halbleiterübergangsschicht 31, die als eine obere Zelle dient, ein hydrierter amorpher Siliciumfilm, dem als ein Dotiermittel B in einer Konzentration von 1 × 10¹⁹ ~ 7 × 10²⁰/cm^–3 hinzugegeben wurde, auf eine Dicke von 10 nm gebildet, und zwar durch das Cat-PECVD-Verfahren, zur Bildung der Schicht 31a vom p-Typ, und für die photo-aktive Schicht 31b wurde ein amorpher Siliciumfilm vom i-Typ auf eine Dicke von 0,3 μm gebildet, und zwar durch das Cat-PECVD-Verfahren.
Ferner wurde in der zweiten Halbleiterübergangsschicht 32, die als eine untere Zelle dient, ein mikrokristalliner Siliciumfilm vom i-Typ gebildet, und zwar auf eine Dicke von 2 μm durch das Cat-PECVD-Verfahren, und zwar zur Bildung der photo-aktiven Schicht 32b, und zur Bildung der Schicht 32c vom n-Typ wurde ein mikrokristalliner Siliciumfilm oder ein nanokristalliner Siliciumfilm, dem als ein Dotiermittel P in einer Konzentration von 3 × 10¹⁹ ~ 1 × 10²¹ cm^–3 hinzugegeben wurde, auf eine Dicke von 10 nm gebildet, und zwar durch das Cat-PECVD-Verfahren.
Ferner wurde für die transparente Zwischenschicht 5 durch das Sputterverfahren ZnO auf eine Dicke von etwa 80 bis 100 nm gebildet. Der Brechungsindex von ZnO, das unter den gleichen Randbedingungen gebildet wird wie die transparente Zwischenschicht 5, betrug etwa zwei, wenn es zuvor ausgewertet bzw. überprüft wurde, und zwar durch Ellipsometrie.
In Tabelle 5 besitzt Probe Nr. 1 eine herkömmliche Konfiguration, bei der zwischen einer Halbleiterübergangsschicht und einer transparenten Zwischenschicht keine Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist. Die anderen Proben besitzen die Konfiguration des Halbleiterbauteils vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die durch vorheriges Ändern einer Hinzugabemenge eines Dotiermittelgases vorbereitete Probe wurde gemessen, und zwar durch SIMS (Sekundärionen-Massenspektroskopie), und zwar derart, dass die in Tabelle 5 erwähnte Konzentration des Dotierungselementes erhalten wurde, um die Filmbildungsrandbedingungen zu bestimmen. Bei SIMS verwendet von den Dotierungselementen B als primäre Ionenquelle O²⁺ und P verwendet als primäre Ionenquelle Cs⁺. Ferner wurden beim Abschätzen der Konzentration des Elementes einige unterschiedliche Punkte in einer Analyseregion gemessen, um diese zu mitteln.
Was die Dicke angeht, so wurde die Filmdicke des Films, der zuvor auf einem Dummy-Substrat gebildet wurde, und zwar jeweils gemäß den Filmbildungsrandbedingungen, durch eine Schrittmesseinheit unter Verwendung eines Griffelverfahrens gemessen, so dass diese eine Zieldicke war, und zwar unter Verwendung einer Filmbildungsgeschwindigkeit, die hieraus berechnet ist.
Hinsichtlich des Bandabstandswertes eines Dünnfilmes wurde ein sogenanntes Spann-Plott-Verfahren („taut plot") zum Bilden des Dünnfilmes auf einem Glassubstrat und zum Berechnen von dessen Bandabstandswert unter Verwendung eines Lichtabsorptionskoeffizienten α verwendet, der aus Daten berechnet wurde, die dessen spektrales Durchlassvermögen darstellen (wenn eine Beziehung αhν ∝ (hν-Eg)² verwendet wird, um eine Quadratwurzel von αhν über hν zu plotten, lässt sich Eg finden; für den Fall, dass die rechte Seite des vorstehenden Ausdruckes in der dritten Potenz vorliegt, wird eine Kubikwurzel von αhν über hν geplottet, um Eg zu finden). Die in Tabelle 5 gezeigten Werte sind Werte, die durch Plotten einer Quadratwurzel gefunden wurden.
Ferner wurde hinsichtlich des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Einschlusses einer Si-Kristallphase durch ein Raman-Spektroskopieauswertungsverfahren beurteilt, dass eine Si-Kristallphase enthalten war, wenn das Verhältnis der Kristallinität hiervon nicht geringer ist als 60 % (gezeigt durch ein O), und dass eine Si-Kristallphase nicht enthalten war, wenn das Verhältnis der Kristallinität hiervon geringer war als 60 % (gezeigt durch ein X). Das Verhältnis der Kristallinität wurde definiert durch den Ausdruck Kristallphasenspitzenstärke/(Kristallphasenspitzenstärke + amorphe Phasenspitzenstärke) in einem Raman-Streuspektrum, wobei die Kristallphasenspitzenstärke definiert wurde als eine Spitzenstärke in 500 ~ 510 cm^–1 + Spitzenstärke in 520 cm^–1, wohingegen die amorphe Phasenspitzenstärke definiert wurde als eine Spitzenstärke in 480 cm^–1. Zum Messen eines Raman-Spektrums wurde ein Ramanskopesystem 1000 eingesetzt, das von Renishaw hergestellt wird, und zwar unter Verwendung eines He-Ne-Lasers (mit einer Wellenlänge von 632,8 nm) als Anregungslicht.
Die mittleren bzw. Mittelwertcharakteristika (Wandlungseffizienz, Kurzschlussstromdichte Jsc, Leerlaufspannung Voc und Füllfaktor FF), die Ausbeute und die umfassende Auswertung des Dünnfilm-Solarzellenbauteils, und zwar von jeder in Tabelle 5 gezeigten Proben, sind in Tabelle 6 gezeigt.
[Tabelle 6]
Vorliegend wurden zum Auffinden von mittleren Charakteristika und der Ausbeute gemäß Tabelle 6 eine Anzahl von 48 Bauteilen auf einem quadratischen Substrat mit einer Kantenlänge von 10 cm hergestellt, und zwar um die mittleren Charakteristika und die Ausbeute auszuwerten bzw. zu überprüfen. Hinsichtlich der umfassenden Auswertung wurde eine Beurteilung durch drei Arten von Auswertungen getroffen, nämlich: Δ, bei dem eine Wirkung vorliegt, die nicht so signifikant ist, O bei dem eine gute Wirkung erhalten wird, und ⊚, bei dem eine signifikante Wirkung erzielt wird, und zwar unter Verwendung der herkömmlichen Konfiguration der Probe Nr. 1 als Basis bzw. Vergleichsbasis.
Aus Tabelle 6 lässt sich entnehmen, dass sämtliche Proben 2 bis 24 mit der Konfiguration der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der mittleren Charakteristika (Wandlungseffizienz, Kurzschlussstromdichte Jsc, Leerlaufspannung Voc, und Füllfaktor FF) sowie hinsichtlich der Ausbeute jeweils Wirkungen über bzw. besser als jene der Probe Nr. 1 besitzen, die die herkömmliche Konfiguration außerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung aufweist, so dass im wesentlichen gute Ergebnisse erzielt werden. Es konnte daher bestätigt werden, dass das Dünnfilm-Solarzellenbauteil auf Siliciumbasis mit der Konfiguration des Halbleiterbauteils vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung eine große Wirkung auf die Verbesserung der Bauteilcharakteristika und die Verbesserung der Ausbeute besaß.
<Beispiel 4>
Das Solarzellenbauteil vom Stapeltyp aus Dünnfilmzelle/Massen- bzw. Trägerzelle mit der Konfiguration des Halbleiterbauteils vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung wurde auf die folgende Art und Weise hergestellt, und zwar auf der Grundlage der in 9 gezeigten Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Randbedingungen sind in Tabelle 7 gezeigt.
Die zweite Halbleiterübergangsschicht 54, die aus einem mehrschichtigen Halbleiterfilm vom Massen- bzw. Trägertyp zusammengesetzt ist, wurde auf die folgende Art und Weise hergestellt. Als die photo-aktive Region 54b vom p-Typ wurde ein Si-Substrat vom p-Typ mit einer Dicke von 300 μm (eine Konzentration eines Dotiermittels B betrug 2 × 10¹⁶ cm^–3) herangezogen, und die Region 54a vom n⁺-Typ wurde darauf gebildet, und zwar so, dass die Konzentration des Dotierungselementes P nicht geringer war als 1 × 10¹⁸ cm³ und dass dessen Diffusionstiefe etwa 0,1 bis 0,2 μm war, und zwar durch das thermische Diffusionsverfahren. Ferner wurde in die Region 54c durch das Pastendruck- und Feuerverfahren Al hineindotiert, um die Region 54c vom p⁺-Typ zu erhalten. Die Region 54d vom p⁺-Typ, die zwischen der Region 54a vom n⁺-Typ und der transparenten Zwischenschicht 56 vorgesehen wurde, und zwar betreffend die Konfiguration des Halbleiterbauteils vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung, wurde gebildet unter Verwendung von B als ein Dotiermittel durch das Dünnfilmbildungsverfahren, das gleichfalls in Bezug auf Beispiel 3 beschrieben wurde. Die Konzentration des Dotiermittels und die Dicke von jeder der Regionen wurden so vorbereitet, dass sie die in Tabelle 7 gezeigten Randbedingungen erfüllen.
Für die transparente Zwischenschicht 56 wurde ZnO auf eine Dicke von etwa 80 bis 100 nm gebildet, und zwar durch das Sputterverfahren, ähnlich der transparenten Zwischenschicht 5 bei dem Beispiel 3. Der Brechungsindex von ZnO, gebildet unter den gleichen Randbedingungen wie die transparente Zwischenschicht 5, betrug etwa 2, wenn zuvor ausgewertet durch Ellipsometrie.
Die erste Halbleiterübergangsschicht 53, die aus einem mehrschichtigen Halbleiterfilm zusammengesetzt war, wurde vollständig auf die gleiche Art und Weise hergestellt wie die zweite Halbleiterübergangsschicht 32, die in Beispiel 3 gezeigt wurde. Die Schicht 53c vom p-Typ und die Schicht 53d vom n-Typ betreffend die Konfiguration des Halbleiterbauteils vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung wurden jeweils als Film gebildet, und zwar unter Änderung der Randbedingungen, mittels des Cat-PECVD-Verfahrens. Die geänderten Randbedingungen waren die Konzentration des Dotierungselementes, die Dicke und das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Einschlusses einer Si-Kristallphase, und insbesondere jene Randbedingungen, die in Tabelle 7 genannt sind.
Ferner wurde ein Antireflektionsfilm, der aus ITO oder ZnO zusammengesetzt war, auf den Regionen auf eine Dicke von etwa 65 bis 90 nm gebildet, und zwar durch das Sputterverfahren, und sowohl die vordere Elektrode 51 als auch die hintere Elektrode 55 wurden durch Sputtern von Ag gebildet. Die vordere Elektrode 51 wurde als Film gebildet, und zwar als ein kammförmiges Muster, und die hintere Elektrode 55 wurde als Film gebildet, und zwar über deren gesamte Oberfläche.
In Tabelle 7 weist die Probe Nr. 1 eine herkömmliche Konfiguration außerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung auf, wobei zwischen einer Halbleiterübergangsschicht und einer transparenten Zwischenschicht keine Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist. Obgleich andere Proben die Konfiguration des Halbleiterbauteils vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen, ist bei der Probe 2 die Schicht 53d vom n-Typ, die als eine Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps dient, lediglich auf der Seite der ersten Halbleiterübergangsschicht 53 vorgesehen, bei der Probe Nr. 3 ist die Region 54d vom p⁺-Typ, die als eine Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps dient, lediglich auf der Seite der zweiten Halbleiterübergangsschicht 54 vorgesehen, und bei der Probe Nr. 4 sind die Schicht 53d vom n-Typ und die Region 54d vom p⁺-Typ, die als Halbleiterschichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps dienen, auf beiden Seiten der transparenten Zwischenschicht 56 vorgesehen.
Ein Verfahren zum Messen und ein Verfahren zum Beurteilen der Konzentration des Dotierungselementes, der Dicke sowie des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Einschlusses einer Si-Kristallphase sind vollständig die gleichen wie jene, die in Bezug auf Beispiel 3 dargestellt wurden.
Die mittleren Charakteristika (eine Wandlungseffizienz, eine Kurzschlussstromdichte Jsc, eine Leerlaufspannung Voc und ein Füllfaktor FF), die Ausbeute sowie die umfassende Auswertung des Solarzellenbauteils vom Massen- bzw. Trägertyp, bei dem es sich jeweils um die in Tabelle 7 gezeigten Proben handelt, sind in Tabelle 8 gezeigt.
[Tabelle 8]
In Bezug auf die umfassende Auswertung wurde eine Beurteilung durch zwei Typen von Auswertungen bzw. Überprüfungen getroffen, nämlich O, bei dem eine gute Wirkung erhalten wird, und ⊚ bei dem eine signifikante Wirkung erzielt wird, und zwar unter Verwendung der herkömmlichen Konfiguration der Probe Nr. 1 als die Basis bzw. Vergleichsbasis.
Aus Tabelle 8 lässt sich entnehmen, dass für sämtliche Proben Nr. 2 bis 4 mit der Konfiguration der vorliegenden Erfindung die mittleren Charakteristika (eine Wandlungseffizienz, eine Kurzschlussstromdichte Jsc, eine Leerlaufspannung Voc sowie ein Füllfaktor FF) und die Ausbeute Wirkungen bzw. Werte besitzen, die oberhalb bzw. besser sind als jene der Probe Nr. 1 mit der herkömmlichen Konfiguration außerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung, so dass im wesentlichen gute Ergebnisse erzielt werden. Insbesondere in Bezug auf die Probe Nr. 4, bei der die Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auf beiden Seiten der transparenten Zwischenschicht 56 vorgesehen ist, wurde eine sehr gute Wirkung erzielt. Daher konnte bestätigt werden, dass das Solarzellen bauteil vom Stapeltyp mit Dünnfilmzelle/Massen- bzw. Trägerzelle mit der Konfiguration des Halbleiterbauteils vom Mehrfachübergangstyp gemäß der vorliegenden Erfindung eine große Wirkung auf die Verbesserung der Bauteilcharakteristika und die Verbesserung der Ausbeute besaß.
Obgleich die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben und dargestellt worden ist, versteht sich, dass dies lediglich zum Zwecke der Darstellung und Angabe von Beispielen dient und nicht beschränkend verstanden werden soll, wobei der Grundgedanke und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche geschränkt sein sollen.

Claims

Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur zwischen einem Halbleiter eines Leitfähigkeitstyps und einer Elektrode, mit einem Halbleiter eines Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt zu jenem des Halbleiters des einen Leitfähigkeitstyps, wobei der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zwischen dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und der Elektrode angeordnet ist.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach Anspruch 1, wobei die Konzentration eines Dotierungselementes in dem Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einer Region, bei der der Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sich in Kontakt miteinander befinden, über eine vorbestimmte Dicke d1 nicht kleiner ist als 1 × 10¹⁸/cm³ und nicht größer ist als 5 × 10²¹/cm³.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die vorbestimmte Dicke d1 nicht kleiner ist als die Dicke von einer Atomschicht und nicht größer ist als die Gesamtdicke des Halbleiters des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Konzentration eines Dotierungselementes in dem Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps in einer Region, bei der sich der Halbleiter des einen Leitfähigkeitstyps und der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in Kontakt miteinander befinden, über eine vorbestimmte Dicke d2 nicht kleiner ist als 1 × 10¹⁸/cm³ und nicht größer als 5 × 10²¹/cm³.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach Anspruch 4, wobei die vorbestimmte Dicke d2 nicht kleiner ist als die Dicke von einer Atomschicht und nicht größer ist als die Gesamtdicke des Halbleiters des einen Leitfähigkeitstyps.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke des Halbleiters des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps nicht größer ist als 5 nm.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps wenigstens ein Element aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff besteht.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine amorphe Phase besitzt.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Halbleiter des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine mikrokristalline oder nanokristalline Phase besitzt.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elektrode aus einem Metallmaterial zusammengesetzt ist.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Elektrode aus einem transparenten leitfähigen Material zusammengesetzt ist.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Elektrode aus einer zweischichtigen Struktur mit einer Schicht aus transparentem leitfähigen Material und einer Schicht aus Metallmaterial zusammengesetzt ist, und wobei die Schicht aus transparentem leitfähigen Material auf der Seite einer Kontaktfläche mit dem Halbleiter angeordnet ist.
Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Halbleiter hauptsächlich aus Silicium zusammengesetzt ist.
Halbleiterbauteil mit einer Vielzahl von Halbleiter/Elektroden-Kontakten, wobei wenigstens einer der Halbleiter/Elektroden-Kontakte eine Halbleiter/Elektroden-Kontaktstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.
Halbleiterbauteil vom Type mit mehrfachen Übergängen, das eine Vielzahl von Halbleiterübergangsschichten aufweist, die jeweils durch Übereinanderstapeln von Halbleiterschichten erhalten werden, und das mit einer transparenten Zwischenschicht ausgebildet ist, die leitende Eigenschaften besitzt und zwischen wenigstens zwei benachbarten Halbleiterübergangsschichten angeordnet ist, wobei zwischen der Halbleiterschicht in wenigstens einer der Halbleiterübergangsschichten, die benachbart zu der transparenten Zwischenschicht angeordnet sind, und der transparenten Zwischenschicht eine Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, der entgegengesetzt ist zu jenem der Halbleiterschicht in den Halbleiterübergangsschichten.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 15, wobei die Halbleiterschichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps jeweils zwischen den Halbleiterübergangsschichten, zwischen denen die transparente Zwischenschicht angeordnet ist, und der transparenten Zwischenschicht angeordnet sind.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Konzentration eines Dotierungselementes in der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einer Region, bei der die Halbleiterschicht in der Halbleiterübergangsschicht benachbart zu der transparenten Zwischenschicht und die Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sich in Kontakt miteinander befinden, über eine vorbestimmte Dicke d1 nicht kleiner ist als 1 × 10¹⁸/cm³ und nicht größer ist als 5 × 10²¹/cm³.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 17, wobei die vorbestimmte Dicke d1 nicht kleiner ist als die Dicke einer Atomschicht und nicht größer ist als die Gesamtdicke der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Konzentration eines Dotierungselementes in der Halbleiterschicht in der Halbleiterübergangsschicht benachbart zu der transparenten Zwischenschicht in einer Region, bei der die Halbleiterschicht in der Halbleiterübergangsschicht und die Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sich in Kontakt miteinander befinden, über eine vorbestimmte Dicke d2 nicht kleiner ist als 1 × 10¹⁸/cm³ und nicht größer als 5 x 10²¹/cm³.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 19, wobei die vorbestimmte Dicke d2 nicht kleiner ist als die Dicke von einer Atomschicht und nicht größer als die Gesamtdicke der Halbleiterschicht in der Halbleiterübergangsschicht.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die Dicke der Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps nicht größer ist als 5 nm.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps wenigstens ein Element aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff besteht.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei die Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine amorphe Phase besitzt.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei die Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähig keitstyps eine mikrokristalline oder nanokristalline Phase besitzt.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei der Halbleiter hauptsächlich aus Silicium zusammengesetzt ist.