JP2001339079A - 光起電力素子およびその製造方法 - Google Patents
光起電力素子およびその製造方法Info
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- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】透明導電膜と一導電型非晶質半導体層との間で
オーミック性を向上させ、良好な光電変換特性を有する
光起電力素子及びその製造方法を提供することが課題で
ある。 【解決手段】透明導電膜２の表面に少なくとも一導電型
の非晶質薄膜半導体層３と他導電型の非晶質薄膜半導体
層５とをこの順に備えた光起電力素子において、前記透
明導電膜２は前記表面の側にその内部よりも結晶性の低
い表面領域２ａを備え、前記一導電型の非晶質薄膜半導
体層３は、該表面領域２ａに被着形成されている。
オーミック性を向上させ、良好な光電変換特性を有する
光起電力素子及びその製造方法を提供することが課題で
ある。 【解決手段】透明導電膜２の表面に少なくとも一導電型
の非晶質薄膜半導体層３と他導電型の非晶質薄膜半導体
層５とをこの順に備えた光起電力素子において、前記透
明導電膜２は前記表面の側にその内部よりも結晶性の低
い表面領域２ａを備え、前記一導電型の非晶質薄膜半導
体層３は、該表面領域２ａに被着形成されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、透明導電膜の表面
上に少なくとも一導電型の非晶質薄膜半導体層と他導電
型の非晶質薄膜半導体層とをこの順に備えた光起電力素
子およびその製造方法に関する。
上に少なくとも一導電型の非晶質薄膜半導体層と他導電
型の非晶質薄膜半導体層とをこの順に備えた光起電力素
子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】非晶質シリコン、非晶質シリコンゲルマ
ニウム、非晶質シリコンカーバイドなどの非晶質薄膜半
導体の光電変換特性を利用した薄膜光起電力素子は、光
吸収に必要な半導体膜厚が単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ等の
結晶系半導体を利用した光起電力素子に比べて薄くする
ことができ、そのために素子の材料コストを低減するこ
とができる。
ニウム、非晶質シリコンカーバイドなどの非晶質薄膜半
導体の光電変換特性を利用した薄膜光起電力素子は、光
吸収に必要な半導体膜厚が単結晶Ｓｉ、多結晶Ｓｉ等の
結晶系半導体を利用した光起電力素子に比べて薄くする
ことができ、そのために素子の材料コストを低減するこ
とができる。
【０００３】例えば、非晶質シリコンを用いた光起電力
素子の構造を、図４の素子構造断面図を参照して説明す
ると、ガラス、プラスティック等の透光性絶縁物からな
る基板１１上に、ＳｎＯ2、ＩＴＯ，ＺｎＯ等の透光性
導電材料からなる透明導電膜１２、ｐ型の非晶質シリコ
ンカーバイド膜からなる第１の非晶質薄膜半導体層１
３、ｉ型の非晶質シリコン膜からなる第２の非晶質薄膜
半導体層１４、ｎ型の非晶質シリコン膜からなる第３の
非晶質薄膜半導体層１５、Ａｌ、Ａｇ等からなる裏面金
属膜１６が順次積層されて構成されている。
素子の構造を、図４の素子構造断面図を参照して説明す
ると、ガラス、プラスティック等の透光性絶縁物からな
る基板１１上に、ＳｎＯ2、ＩＴＯ，ＺｎＯ等の透光性
導電材料からなる透明導電膜１２、ｐ型の非晶質シリコ
ンカーバイド膜からなる第１の非晶質薄膜半導体層１
３、ｉ型の非晶質シリコン膜からなる第２の非晶質薄膜
半導体層１４、ｎ型の非晶質シリコン膜からなる第３の
非晶質薄膜半導体層１５、Ａｌ、Ａｇ等からなる裏面金
属膜１６が順次積層されて構成されている。
【０００４】この光起電力素子では、基板１１側から光
が入射し、ｉ型の非晶質シリコン膜からなる第２の非晶
質薄膜半導体層１４での光吸収により生成された電子・
ホール対を、ｐｉｎ接合により形成された電界により分
離し、この電子・ホール対をそれぞれ裏面金属膜１６、
透明導電膜１２を通じて収集する事で光起電力が生ず
る。従って、光起電力素子の光電変換特性を向上させる
ためには、第２の非晶質薄膜半導体層１４に吸収される
光の光量を増加させる必要がある。このために、光を第
３の非晶質薄膜半導体層１５／裏面金属膜１６界面及
び、第１の非晶質薄膜半導体層１３／透明導電膜１２界
面で反射させ、光を第２の非晶質薄膜半導体層１４を複
数回通過させる多重反射を利用したり、第２の薄膜半導
体層１４の光入射側あるいは裏面側あるいは両側に凹凸
形状を形成し、光を散乱させることなどによって実質的
な光路長の伸長がはかられている。また、これと同時
に、第２の非晶質薄膜半導体層１４以外の層、すなわ
ち、基板１１、透明導電膜１２、第１の非晶質薄膜半導
体層１３、第３の非晶質薄膜半導体層１５、裏面金属膜
１６での光吸収を低減する事が必要である。特に、第２
の非晶質薄膜半導体層１４の光入射側に存在する、基板
１１、透明導電膜１２、第１の非晶質薄膜半導体層１３
での光吸収を抑制することが重要となる。
が入射し、ｉ型の非晶質シリコン膜からなる第２の非晶
質薄膜半導体層１４での光吸収により生成された電子・
ホール対を、ｐｉｎ接合により形成された電界により分
離し、この電子・ホール対をそれぞれ裏面金属膜１６、
透明導電膜１２を通じて収集する事で光起電力が生ず
る。従って、光起電力素子の光電変換特性を向上させる
ためには、第２の非晶質薄膜半導体層１４に吸収される
光の光量を増加させる必要がある。このために、光を第
３の非晶質薄膜半導体層１５／裏面金属膜１６界面及
び、第１の非晶質薄膜半導体層１３／透明導電膜１２界
面で反射させ、光を第２の非晶質薄膜半導体層１４を複
数回通過させる多重反射を利用したり、第２の薄膜半導
体層１４の光入射側あるいは裏面側あるいは両側に凹凸
形状を形成し、光を散乱させることなどによって実質的
な光路長の伸長がはかられている。また、これと同時
に、第２の非晶質薄膜半導体層１４以外の層、すなわ
ち、基板１１、透明導電膜１２、第１の非晶質薄膜半導
体層１３、第３の非晶質薄膜半導体層１５、裏面金属膜
１６での光吸収を低減する事が必要である。特に、第２
の非晶質薄膜半導体層１４の光入射側に存在する、基板
１１、透明導電膜１２、第１の非晶質薄膜半導体層１３
での光吸収を抑制することが重要となる。
【０００５】このうち基板１１は、ガラス等の透光性材
料から構成されるために、非晶質シリコン膜の光感度の
ある波長領域の光を、ほぼ完全に透過させることから、
透明導電膜１２、第１の非晶質薄膜半導体層１３での光
吸収を低減することが望まれる。このため第１の非晶質
薄膜半導体層１３には非晶質シリコンカーバイドが用い
られる。
料から構成されるために、非晶質シリコン膜の光感度の
ある波長領域の光を、ほぼ完全に透過させることから、
透明導電膜１２、第１の非晶質薄膜半導体層１３での光
吸収を低減することが望まれる。このため第１の非晶質
薄膜半導体層１３には非晶質シリコンカーバイドが用い
られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、光起
電力素子においては、その光電変換特性を向上させるた
めに、特に透明導電膜１２及び第１の非晶質薄膜半導体
層１３での光吸収を低減するが必要である。
電力素子においては、その光電変換特性を向上させるた
めに、特に透明導電膜１２及び第１の非晶質薄膜半導体
層１３での光吸収を低減するが必要である。
【０００７】このうち透明導電膜１２については、この
透明導電膜１２を構成するＳｎＯ2、ＩＴＯ、ＺｎＯ等
の金属酸化物の結晶性を高めることによりその光吸収を
低減することができるが、一方このように金属酸化物の
結晶性を高めると、この上に被着形成される第１の非晶
質薄膜半導体層１３との間でオーミック性が劣化してし
まう。
透明導電膜１２を構成するＳｎＯ2、ＩＴＯ、ＺｎＯ等
の金属酸化物の結晶性を高めることによりその光吸収を
低減することができるが、一方このように金属酸化物の
結晶性を高めると、この上に被着形成される第１の非晶
質薄膜半導体層１３との間でオーミック性が劣化してし
まう。
【０００８】特に、光吸収を低減する目的で、第１の非
晶質薄膜半導体層１３として非晶質シリコンカーバイト
膜を用いた場合にあっては、該非晶質シリコンカーバイ
ト膜と前記結晶性の高い金属酸化物からなる透明導電膜
１２との間でのオーミック性が著しく劣化し、良好な光
電変換特性を得ることができなかった。
晶質薄膜半導体層１３として非晶質シリコンカーバイト
膜を用いた場合にあっては、該非晶質シリコンカーバイ
ト膜と前記結晶性の高い金属酸化物からなる透明導電膜
１２との間でのオーミック性が著しく劣化し、良好な光
電変換特性を得ることができなかった。
【０００９】そこで、この結晶性の高い金属酸化物から
なる透明導電膜１２との間で良好なオーミック接合を形
成するため、この透明導電膜１２上に被着形成される第
１の非晶質薄膜半導体層１３の導電性を向上させる試み
が行われている。第１の非晶質薄膜半導体層１３には導
電性を高めることを目的として故意に不純物元素が添加
されているが、該不純物元素の濃度を高くすることで、
第１の非晶質薄膜半導体層１３の導電性を向上できる。
また、第１の非晶質薄膜半導体層１３を微結晶化するな
どの方法も用いられる。しかしながら、第１の非晶質薄
膜半導体層１３は、前記不純物元素濃度を高めると、キ
ャリアの再結合中心となる膜中の欠陥密度が増大するた
めに、光電変換特性の低下を招くこととなる。また、第
１の非晶質薄膜半導体層１３として微結晶化膜を用いよ
うとすれば、薄膜では微結晶化しないことから膜厚を厚
くしなければならず、結果として第１の非晶質薄膜半導
体層１３での光吸収が増大するために、光電変換特性を
向上させることができない。
なる透明導電膜１２との間で良好なオーミック接合を形
成するため、この透明導電膜１２上に被着形成される第
１の非晶質薄膜半導体層１３の導電性を向上させる試み
が行われている。第１の非晶質薄膜半導体層１３には導
電性を高めることを目的として故意に不純物元素が添加
されているが、該不純物元素の濃度を高くすることで、
第１の非晶質薄膜半導体層１３の導電性を向上できる。
また、第１の非晶質薄膜半導体層１３を微結晶化するな
どの方法も用いられる。しかしながら、第１の非晶質薄
膜半導体層１３は、前記不純物元素濃度を高めると、キ
ャリアの再結合中心となる膜中の欠陥密度が増大するた
めに、光電変換特性の低下を招くこととなる。また、第
１の非晶質薄膜半導体層１３として微結晶化膜を用いよ
うとすれば、薄膜では微結晶化しないことから膜厚を厚
くしなければならず、結果として第１の非晶質薄膜半導
体層１３での光吸収が増大するために、光電変換特性を
向上させることができない。
【００１０】また、ジボランプラズマによって透明導電
膜の表面を処理することにより、ＺｎＯからなる透明導
電膜／ｐ型非晶質半導体界面のオーミック性が向上する
ことも知られているが、ジボランプラズマ中にジボラン
ガスの分解によって水素ラジカルが発生し、該水素ラジ
カルがＺｎＯ表面を還元し、この還元された表面は光吸
収を増大させることから、光電変換特性の向上はわずか
なものであった。
膜の表面を処理することにより、ＺｎＯからなる透明導
電膜／ｐ型非晶質半導体界面のオーミック性が向上する
ことも知られているが、ジボランプラズマ中にジボラン
ガスの分解によって水素ラジカルが発生し、該水素ラジ
カルがＺｎＯ表面を還元し、この還元された表面は光吸
収を増大させることから、光電変換特性の向上はわずか
なものであった。
【００１１】従って、本発明は斯かる従来の課題を解決
し、良好な光電変換特性を有する光起電力素子及びその
製造方法を提供することを目的とする。
し、良好な光電変換特性を有する光起電力素子及びその
製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために、本発明の光起電力素子は、透明導電膜の表
面に少なくとも一導電型の非晶質薄膜半導体層と他導電
型の非晶質薄膜半導体層とをこの順に備えた光起電力素
子において、前記透明導電膜は前記表面の側にその内部
よりも結晶性の低い表面領域を備え、前記一導電型の非
晶質薄膜半導体層は、該表面領域に被着形成することを
特徴とする。
するために、本発明の光起電力素子は、透明導電膜の表
面に少なくとも一導電型の非晶質薄膜半導体層と他導電
型の非晶質薄膜半導体層とをこの順に備えた光起電力素
子において、前記透明導電膜は前記表面の側にその内部
よりも結晶性の低い表面領域を備え、前記一導電型の非
晶質薄膜半導体層は、該表面領域に被着形成することを
特徴とする。
【００１３】さらに、本発明の光起電力素子は、前記表
面領域の膜厚が５〜１５０Åであることを特徴とする。
面領域の膜厚が５〜１５０Åであることを特徴とする。
【００１４】さらに、本発明の光起電力素子は、前記表
面領域がＺｎＯからなることを特徴とする。
面領域がＺｎＯからなることを特徴とする。
【００１５】さらに、本発明の光起電力素子は、前記一
導電型の非晶質薄膜半導体層が非晶質シリコンカーバイ
ドからなることを特徴とする。
導電型の非晶質薄膜半導体層が非晶質シリコンカーバイ
ドからなることを特徴とする。
【００１６】また、本発明の光起電力素子の製造方法
は、前記透明導電膜の表面を希ガスプラズマにより処理
する工程と、該希ガスプラズマにより処理された前記透
明導電膜の表面領域上に一導電型の非晶質薄膜半導体層
を被着形成する工程とを備えることを特徴とする。
は、前記透明導電膜の表面を希ガスプラズマにより処理
する工程と、該希ガスプラズマにより処理された前記透
明導電膜の表面領域上に一導電型の非晶質薄膜半導体層
を被着形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１７】さらに、本発明の光起電力素子の製造方法
は、前記表面領域は、前記希ガスプラズマにより処理す
る工程より形成されてなる、前記透明導電膜の表面側に
その内部よりも結晶性の低い表面領域であることを特徴
とする。
は、前記表面領域は、前記希ガスプラズマにより処理す
る工程より形成されてなる、前記透明導電膜の表面側に
その内部よりも結晶性の低い表面領域であることを特徴
とする。
【００１８】さらに、本発明の光起電力素子の製造方法
は、前記透明導電膜がＺｎＯからなることを特徴とす
る。
は、前記透明導電膜がＺｎＯからなることを特徴とす
る。
【００１９】さらに、本発明光起電力素子の製造方法
は、前記一導電型の非晶質薄膜半導体層が非晶質シリコ
ンカーバイドからなることを特徴とする。
は、前記一導電型の非晶質薄膜半導体層が非晶質シリコ
ンカーバイドからなることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態に係わる光起
電力素子の構成を前述の図１を参照して説明する。
電力素子の構成を前述の図１を参照して説明する。
【００２１】図中、１はガラスや石英などの透光性且つ
絶縁性を有する材料からなる基板、２はＳｎＯ2やＺｎ
Ｏなどの金属酸化物からなる表面凹凸を有する透明導電
膜（膜厚：８０００Å）、３は非晶質シリコンカーバイ
ドなどからなるｐ型の第１の非晶質薄膜半導体層（膜
厚：１００Å）、４は非晶質シリコンなどからなるｉ型
の第２の非晶質薄膜半導体層（膜厚：２５００Å）、５
は非晶質シリコンなどからなるｎ型の第３の非晶質薄膜
半導体層（膜厚：２００Å）、６はＡｌ，Ａｇなどから
なる裏面金属膜（１００００Å）である。ここで、本発
明の特徴となるのは、透明導電膜２がその表面側、即ち
第１の非晶質薄膜半導体層３が被着形成される面側に、
その内部よりも結晶性の低い表面領域２ａを備えている
点である。この表面領域２ａは、透明導電膜の表面を例
えば希ガスプラズマによって処理することで形成するこ
とができる。以下ではこの希ガスプラズマ処理によって
形成された厚み５０〜１５０Åの表面領域２ａについて
記述する。
絶縁性を有する材料からなる基板、２はＳｎＯ2やＺｎ
Ｏなどの金属酸化物からなる表面凹凸を有する透明導電
膜（膜厚：８０００Å）、３は非晶質シリコンカーバイ
ドなどからなるｐ型の第１の非晶質薄膜半導体層（膜
厚：１００Å）、４は非晶質シリコンなどからなるｉ型
の第２の非晶質薄膜半導体層（膜厚：２５００Å）、５
は非晶質シリコンなどからなるｎ型の第３の非晶質薄膜
半導体層（膜厚：２００Å）、６はＡｌ，Ａｇなどから
なる裏面金属膜（１００００Å）である。ここで、本発
明の特徴となるのは、透明導電膜２がその表面側、即ち
第１の非晶質薄膜半導体層３が被着形成される面側に、
その内部よりも結晶性の低い表面領域２ａを備えている
点である。この表面領域２ａは、透明導電膜の表面を例
えば希ガスプラズマによって処理することで形成するこ
とができる。以下ではこの希ガスプラズマ処理によって
形成された厚み５０〜１５０Åの表面領域２ａについて
記述する。
【００２２】本実施の形態に係る光起電力素子の製造方
法の一例を以下に示す。ここでは、表面領域２ａを希ガ
スプラズマ処理によって形成する場合について記述す
る。
法の一例を以下に示す。ここでは、表面領域２ａを希ガ
スプラズマ処理によって形成する場合について記述す
る。
【００２３】まず、ガラスからなる基板１上にＤＣスパ
ッタリング法によりＺｎＯから成る透明導電膜を積層す
る。この場合のターゲット材料としてはＺｎＯ：Ａｌ
（Ａｌ２ｗｔ％）を使用し、成膜条件は、スパッタガス
としてのアルゴン流量５０ｓｃｃｍ、スパッタ時の真空
度５ｍＴｏｒｒ、高周波電力２００Ｗ、基板温度１００
℃の条件である。尚、ＺｎＯのターゲット材料としてＡ
ｌを微量添加したものを用いたが、Ｇａを微量添加した
ものを用いてもよい。
ッタリング法によりＺｎＯから成る透明導電膜を積層す
る。この場合のターゲット材料としてはＺｎＯ：Ａｌ
（Ａｌ２ｗｔ％）を使用し、成膜条件は、スパッタガス
としてのアルゴン流量５０ｓｃｃｍ、スパッタ時の真空
度５ｍＴｏｒｒ、高周波電力２００Ｗ、基板温度１００
℃の条件である。尚、ＺｎＯのターゲット材料としてＡ
ｌを微量添加したものを用いたが、Ｇａを微量添加した
ものを用いてもよい。
【００２４】引き続いて、ｉ型非晶質シリコンからなる
第２の非晶質薄膜半導体層４での吸収を増加させるた
め、前記透明導電膜をＨＣｌなどの酸に浸漬し、該膜表
面の凹凸化処理を行う。尚、凹凸化処理にＨＣｌを用い
た場合、その濃度は０．５ｗｔ％、液温は３０℃であ
る。
第２の非晶質薄膜半導体層４での吸収を増加させるた
め、前記透明導電膜をＨＣｌなどの酸に浸漬し、該膜表
面の凹凸化処理を行う。尚、凹凸化処理にＨＣｌを用い
た場合、その濃度は０．５ｗｔ％、液温は３０℃であ
る。
【００２５】次に、前記透明導電膜の表面を希ガスを使
用したプラズマ処理することにより、その前記凹凸化処
理した表面側を改質して、この表面側に該膜内部よりも
結晶性の低い表面領域２ａを形成し、結晶性の高い内部
領域と結晶性の低い表面領域２ａを有する透明導電膜２
を作製する。ここで、前記希ガス種としてはＨｅ，Ｎ
ｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅを用いる事ができ、プラズマ処理
の条件は、真空度０．２Ｔｏｒｒ、高周波電力密度１０
〜１００ｍＷ／ｃｍ2、基板温度１８０℃である。
用したプラズマ処理することにより、その前記凹凸化処
理した表面側を改質して、この表面側に該膜内部よりも
結晶性の低い表面領域２ａを形成し、結晶性の高い内部
領域と結晶性の低い表面領域２ａを有する透明導電膜２
を作製する。ここで、前記希ガス種としてはＨｅ，Ｎ
ｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅを用いる事ができ、プラズマ処理
の条件は、真空度０．２Ｔｏｒｒ、高周波電力密度１０
〜１００ｍＷ／ｃｍ2、基板温度１８０℃である。
【００２６】その後、上記表面領域２ａ上に、第１の非
晶質薄膜半導体層３、第２の非晶質薄膜半導体層４、第
３の非晶質薄膜半導体層５として、それぞれｐ型非晶質
シリコンカーバイド、ｉ型非晶質シリコン、ｎ型非晶質
シリコンをプラズマＣＶＤ法を用い表１に示す代表的な
反応条件によってこの順序で形成した。次に、前記第３
の非晶質薄膜半導体層３上に蒸着法によりＡｌからなる
裏面金属膜６を形成し、光起電力素子を完成する
晶質薄膜半導体層３、第２の非晶質薄膜半導体層４、第
３の非晶質薄膜半導体層５として、それぞれｐ型非晶質
シリコンカーバイド、ｉ型非晶質シリコン、ｎ型非晶質
シリコンをプラズマＣＶＤ法を用い表１に示す代表的な
反応条件によってこの順序で形成した。次に、前記第３
の非晶質薄膜半導体層３上に蒸着法によりＡｌからなる
裏面金属膜６を形成し、光起電力素子を完成する
【００２７】
【表１】
【００２８】以下、本実施例の光起電力素子の光電変換
特性と希ガスプラズマ処理時間の関係を調べた。
特性と希ガスプラズマ処理時間の関係を調べた。
【００２９】図２および図３は、以上の工程で製造した
光起電力素子の光電変換特性と希ガスプラズマ処理時間
との関係を示す特性図であり、図２は曲線因子（Ｆ．
Ｆ．）、図３は短絡電流（ＩSC）について夫々示してい
る。これらの図において、希ガスプラズマ処理時間がゼ
ロの状態とは、透明導電膜２においてその内部より結晶
性の低い表面領域２ａを具備せず、透明導電膜２と第１
の非晶質薄膜半導体層３とを直接被着形成させた従来の
ものである。
光起電力素子の光電変換特性と希ガスプラズマ処理時間
との関係を示す特性図であり、図２は曲線因子（Ｆ．
Ｆ．）、図３は短絡電流（ＩSC）について夫々示してい
る。これらの図において、希ガスプラズマ処理時間がゼ
ロの状態とは、透明導電膜２においてその内部より結晶
性の低い表面領域２ａを具備せず、透明導電膜２と第１
の非晶質薄膜半導体層３とを直接被着形成させた従来の
ものである。
【００３０】まず、図２について言及する。ここで、曲
線因子（Ｆ．Ｆ．）は、光起電力素子の直列抵抗成分が
小さくなるにつれて曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が増加し、１
の値に近づくほどオーミック特性が高くなることを示す
ことになる。図２によれば、透明導電膜２の内部より結
晶性の低い表面領域２ａを具備しない従来の光起電力素
子、即ち図中の処理時間がゼロの状態では、曲線因子
（Ｆ．Ｆ．）が極端に低下することがわかる。これは透
明導電膜２と第１の非晶質薄膜半導体層３との接触界面
におけるオーミック特性が優れず、この光起電力特性と
しての直列抵抗成分が増加してしまうためである。一
方、本発明の光起電力素子は、希ガスプラズマ処理時間
の増加とともに、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が増加する。こ
のことから本発明の光起電力素子においては、素子直列
抵抗成分の低減が図られていることがわかる。
線因子（Ｆ．Ｆ．）は、光起電力素子の直列抵抗成分が
小さくなるにつれて曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が増加し、１
の値に近づくほどオーミック特性が高くなることを示す
ことになる。図２によれば、透明導電膜２の内部より結
晶性の低い表面領域２ａを具備しない従来の光起電力素
子、即ち図中の処理時間がゼロの状態では、曲線因子
（Ｆ．Ｆ．）が極端に低下することがわかる。これは透
明導電膜２と第１の非晶質薄膜半導体層３との接触界面
におけるオーミック特性が優れず、この光起電力特性と
しての直列抵抗成分が増加してしまうためである。一
方、本発明の光起電力素子は、希ガスプラズマ処理時間
の増加とともに、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が増加する。こ
のことから本発明の光起電力素子においては、素子直列
抵抗成分の低減が図られていることがわかる。
【００３１】また、図２から、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋ
ｒ，Ｘｅと希ガス種が変われば曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が
良好なものとなるのに要するプラズマ処理時間が変化し
ている事がわかる。ここで、それぞれの希ガス種におい
て、Ｆ．Ｆ．が０．７以上となる試料の断面を走査トン
ネル顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、いずれの
希ガス種においても透明導電膜２と第１の非晶質薄膜半
導体層３との界面に、透明導電膜の内部領域よりも結晶
化率の低い表面領域２ａが５Å以上存在し、さらに、透
明導電膜２の構成元素と第１の非晶質薄膜半導体層３の
構成元素とが数原子層レベルで合金化された合金化層
が、表面領域２ａと第１の非晶質薄膜半導体層３との間
に介在していることがわかった。希ガスプラズマ処理を
行わないサンプルでは、結晶化率の低い表面領域と合金
化層がみられなかったことから、透明導電膜２の表面を
希ガスプラズマにさらす事により、透明導電膜の内部領
域よりも結晶化率の低い表面領域２ａが５Å以上形成さ
れ、それに続く、第１の非晶質薄膜半導体層３の形成時
に、この結晶化率の低い表面領域２ｂの極表面の数原子
層が合金化するものと考えられる。
ｒ，Ｘｅと希ガス種が変われば曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が
良好なものとなるのに要するプラズマ処理時間が変化し
ている事がわかる。ここで、それぞれの希ガス種におい
て、Ｆ．Ｆ．が０．７以上となる試料の断面を走査トン
ネル顕微鏡（ＴＥＭ）により観察したところ、いずれの
希ガス種においても透明導電膜２と第１の非晶質薄膜半
導体層３との界面に、透明導電膜の内部領域よりも結晶
化率の低い表面領域２ａが５Å以上存在し、さらに、透
明導電膜２の構成元素と第１の非晶質薄膜半導体層３の
構成元素とが数原子層レベルで合金化された合金化層
が、表面領域２ａと第１の非晶質薄膜半導体層３との間
に介在していることがわかった。希ガスプラズマ処理を
行わないサンプルでは、結晶化率の低い表面領域と合金
化層がみられなかったことから、透明導電膜２の表面を
希ガスプラズマにさらす事により、透明導電膜の内部領
域よりも結晶化率の低い表面領域２ａが５Å以上形成さ
れ、それに続く、第１の非晶質薄膜半導体層３の形成時
に、この結晶化率の低い表面領域２ｂの極表面の数原子
層が合金化するものと考えられる。
【００３２】次に図３について言及する。短絡電流（Ｉ
SC）は、ゼロ・バイアス状態で光起電力素子から外部に
取り出せる電流密度であるが、この場合透明導電膜２以
外の構成要素の形成条件、寸法等が同一であることか
ら、短絡電流が減少することは透明導電膜２での光吸収
が増加していることを意味する。図３では、いずれの希
ガス種においても、希ガスプラズマ処理時間が、ある一
定の時間（希ガス種によって異なる）までは短絡電流
（ＩSC）は増加するが、その時間を超えると短絡電流
（ＩSC）は単調に減少する、すなわち、希ガスプラズマ
処理時間にはそれぞれ最適値があることがわかる。これ
は、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が改善されたことにより一旦
短絡電流（ＩSC）が増加するが、長時間プラズマにさら
されることによる下地である透明導電膜２のダメージに
起因した光透過損失により短絡電流（Ｉ SC）が減少する
ものと考えられる。また、希ガス種により短絡電流（Ｉ
SC）が最大となるプラズマ処理時間は異なるが、断面Ｔ
ＥＭ観察によれば、いずれの希ガス種においても短絡電
流（ＩSC）が最大となる透明導電膜の内部領域よりも結
晶化率の低い表面領域２ａの膜厚は１５０Å程度であ
る。また、Ａｒでは処理時間１８０秒、Ｋｒでは１００
秒、Ｘｅでは４０秒程度で、希ガスプラズマ処理による
短絡電流（ＩSC）の利得はなくなる。ここで、希ガスプ
ラズマ処理による短絡電流（ＩSC）の利得はなくなるプ
ラズマ処理時間をｔEとする。ｔEにおける、表面領域２
ａの膜厚は、いずれの希ガス種においても約３００Å程
度であった。一方、ｔEにおいては、曲線因子（Ｆ．
Ｆ．）では希ガスプラズマ処理による利得があるため、
トータルとして光電変換特性の向上が確認された。
SC）は、ゼロ・バイアス状態で光起電力素子から外部に
取り出せる電流密度であるが、この場合透明導電膜２以
外の構成要素の形成条件、寸法等が同一であることか
ら、短絡電流が減少することは透明導電膜２での光吸収
が増加していることを意味する。図３では、いずれの希
ガス種においても、希ガスプラズマ処理時間が、ある一
定の時間（希ガス種によって異なる）までは短絡電流
（ＩSC）は増加するが、その時間を超えると短絡電流
（ＩSC）は単調に減少する、すなわち、希ガスプラズマ
処理時間にはそれぞれ最適値があることがわかる。これ
は、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）が改善されたことにより一旦
短絡電流（ＩSC）が増加するが、長時間プラズマにさら
されることによる下地である透明導電膜２のダメージに
起因した光透過損失により短絡電流（Ｉ SC）が減少する
ものと考えられる。また、希ガス種により短絡電流（Ｉ
SC）が最大となるプラズマ処理時間は異なるが、断面Ｔ
ＥＭ観察によれば、いずれの希ガス種においても短絡電
流（ＩSC）が最大となる透明導電膜の内部領域よりも結
晶化率の低い表面領域２ａの膜厚は１５０Å程度であ
る。また、Ａｒでは処理時間１８０秒、Ｋｒでは１００
秒、Ｘｅでは４０秒程度で、希ガスプラズマ処理による
短絡電流（ＩSC）の利得はなくなる。ここで、希ガスプ
ラズマ処理による短絡電流（ＩSC）の利得はなくなるプ
ラズマ処理時間をｔEとする。ｔEにおける、表面領域２
ａの膜厚は、いずれの希ガス種においても約３００Å程
度であった。一方、ｔEにおいては、曲線因子（Ｆ．
Ｆ．）では希ガスプラズマ処理による利得があるため、
トータルとして光電変換特性の向上が確認された。
【００３３】上述の図２、図３の結果より、本発明起電
力素子の特徴である、希ガスプラズマ処理により形成さ
れる、内部の透明導電膜よりも結晶化率の低い表面領域
２ａの膜厚は５〜３００Å、好ましくは１０〜１５０Å
が望ましいことがわかった。
力素子の特徴である、希ガスプラズマ処理により形成さ
れる、内部の透明導電膜よりも結晶化率の低い表面領域
２ａの膜厚は５〜３００Å、好ましくは１０〜１５０Å
が望ましいことがわかった。
【００３４】また、ガスコストのことを勘案すればＡｒ
が最も望ましい。
が最も望ましい。
【００３５】また、処理時間の観点からは、最も短いＸ
ｅが最も望ましくなる。
ｅが最も望ましくなる。
【００３６】また、実施例１の光起電力素子において
は、ガラス基板上に透明導電膜、ｐ型の非晶質薄膜半導
体、ｉ型の非晶質薄膜半導体、ｎ型の非晶質薄膜半導体
の順に形成したｐｉｎ型光起電力素子を説明したが、本
発明の効果は、ｐｉｎ型光起電力素子にのみ限定される
ものではなく、ガラス基板上に透明導電膜、ｎ型の非晶
質薄膜半導体、ｉ型の非晶質薄膜半導体、ｐ型の非晶質
薄膜半導体の順に形成したｎｉｐ型光起電力素子におい
ても、その効果を有することが確認されている。
は、ガラス基板上に透明導電膜、ｐ型の非晶質薄膜半導
体、ｉ型の非晶質薄膜半導体、ｎ型の非晶質薄膜半導体
の順に形成したｐｉｎ型光起電力素子を説明したが、本
発明の効果は、ｐｉｎ型光起電力素子にのみ限定される
ものではなく、ガラス基板上に透明導電膜、ｎ型の非晶
質薄膜半導体、ｉ型の非晶質薄膜半導体、ｐ型の非晶質
薄膜半導体の順に形成したｎｉｐ型光起電力素子におい
ても、その効果を有することが確認されている。
【００３７】また、実施例１の光起電力素子において
は、単膜からなる透明導電膜について記述したが、組成
の異なる透明導電膜を２層以上積層した積層透明導電膜
の最表面層の表面領域を希ガスプラズマ処理により改質
しても、実施例１と同様の効果が見られる。
は、単膜からなる透明導電膜について記述したが、組成
の異なる透明導電膜を２層以上積層した積層透明導電膜
の最表面層の表面領域を希ガスプラズマ処理により改質
しても、実施例１と同様の効果が見られる。
【００３８】また、ｉ型の非晶質薄膜半導体を備えない
ものについても適用することができる。
ものについても適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】本発明の光起電力素子及び本発明の製造
方法によれば、透明導電膜と一導電型の薄膜半導体層と
のオーミック特性が向上し得、良好な光起電力特性を得
ることが可能となる。
方法によれば、透明導電膜と一導電型の薄膜半導体層と
のオーミック特性が向上し得、良好な光起電力特性を得
ることが可能となる。
【図１】本発明に依る実施例の光起電力素子の断面構成
図である。
図である。
【図２】前記光起電力素子の光電変換特性図（曲線因子
と希ガスプラズマ処理時間の関係）である。
と希ガスプラズマ処理時間の関係）である。
【図３】前記光起電力素子の光電変換特性図（電流と希
ガスプラズマ処理時間の関係）である。
ガスプラズマ処理時間の関係）である。
【図４】従来のｐｉｎ型光起電力素子の断面構成図であ
る。
る。
１ 基板 ２ 透明導電膜 ２ａ 表面領域 ３ 第１の非晶質薄膜半導体層 ４ 第２の非晶質薄膜半導体層 ５ 第３の非晶質薄膜半導体層 ６ 裏面金属膜
Claims (8)
- 【請求項１】 透明導電膜の表面上に少なくとも一導電
型の非晶質薄膜半導体層と他導電型の非晶質薄膜半導体
層とをこの順に備えた光起電力素子であって、前記透明
導電膜は前記表面側にその内部よりも結晶性の低い表面
領域を備え、前記一導電型の非晶質薄膜半導体層は、該
表面領域に被着形成されていることを特徴とする光起電
力素子。 - 【請求項２】 請求項１に記載の光起電力素子におい
て、前記表面領域の厚みが５〜３００Åであることを特
徴とする光起電力素子。 - 【請求項３】 請求項１又は２に記載の光起電力素子に
おいて、前記表面領域がＺｎＯからなることを特徴とす
る光起電力素子。 - 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の光起
電力素子において、前記一導電型の非晶質薄膜半導体層
が非晶質シリコンカーバイドからなることを特徴とする
光起電力素子。 - 【請求項５】 透明導電膜の表面を希ガスプラズマによ
り処理する工程と、該希ガスプラズマにより処理された
前記透明導電膜の表面領域上に一導電型の非晶質薄膜半
導体層を被着形成する工程とを備えることを特徴とする
光起電力素子の製造方法。 - 【請求項６】 請求項５に記載の光起電力素子の製造方
法において、前記表面領域は、前記希ガスプラズマによ
り処理する工程より形成されてなる、前記透明導電膜の
表面側がその内部よりも結晶性の低い表面領域であるこ
とを特徴とする光起電力素子の製造方法。 - 【請求項７】 請求項５又は６のいずれかに記載の光起
電力素子の製造方法において、前記透明導電膜がＺｎＯ
からなることを特徴とする光起電力素子の製造方法。 - 【請求項８】 請求項５乃至７のいずれかに記載の光起
電力素子の製造方法において、前記一導電型の非晶質薄
膜半導体層が非晶質シリコンカーバイドからなることを
特徴とする光起電力素子の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000159634A JP4171162B2 (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 光起電力素子およびその製造方法 |
| US09/865,413 US6465727B2 (en) | 2000-05-30 | 2001-05-25 | Photovoltaic element and method of manufacturing the same |
| EP01113147A EP1160877A3 (en) | 2000-05-30 | 2001-05-30 | Photovoltaic element and method of manufacturing the same |
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|---|---|---|---|
| JP2000159634A JP4171162B2 (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 光起電力素子およびその製造方法 |
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|---|---|
| JP2001339079A true JP2001339079A (ja) | 2001-12-07 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000159634A Expired - Lifetime JP4171162B2 (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 光起電力素子およびその製造方法 |
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| US (1) | US6465727B2 (ja) |
| EP (1) | EP1160877A3 (ja) |
| JP (1) | JP4171162B2 (ja) |
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