JP2004296652A - 積層型光起電力素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は積層型光起電力素子に係わり、更に詳細には入射光を効率よくエネルギー収集を行うことができ、かつ、欠陥の影響を少なく、開放電圧、曲線因子の良好な高い光電変換効率を持つ積層型光起電力素子を提供することを目的とする。
【解決手段】ＰＮ接合、または、ＰＩＮ接合を含む光起電力層を複数積層した光起電力素子であって、少なくとも一つの半導体層界面に島状の中間層を設けることを特徴とする。
【選択図】 図４
【解決手段】ＰＮ接合、または、ＰＩＮ接合を含む光起電力層を複数積層した光起電力素子であって、少なくとも一つの半導体層界面に島状の中間層を設けることを特徴とする。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は少なくとも２つ以上の光起電力層を持つ積層型光起電力素子に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
光起電力素子は入射光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置で、その内太陽電池は太陽光を電気エネルギーに変換するもので広い波長域の光を効率的に変換することを特徴とする光起電力素子ある。そのため高い光電変換効率を達成するためには広い波長領域全体にわたって無駄なく光を吸収する必要がある。その解決手段の一つとして異なるバンドギャップの光活性層を含む光起電力素子を積層する積層型光起電力素子が知られている。この積層型光起電力素子は光入射側にバンドギャップが相対的に大きい光活性層を用いた素子、或いは、相対的に膜厚を薄くした素子を配置して短波長の光を吸収させ、その下にバンドギャップが相対的に小さい光活性層を用いた素子、或いは、膜厚が厚い素子を配置することで、上部の素子を透過した長波長の光を吸収させ、広い波長域で効率よく光を吸収利用するものである。
【０００３】
ここで重要な点は各々のバンドギャップの異なる光活性層を有する光起電力素子に適した波長領域の光を各素子に導入することが必要であるということである。これは各々の光起電力素子がその光活性層に用いられている半導体のバンドギャップにより入射光の利用可能波長域が異なることに理由がある。すなわち、バンドギャップよりもエネルギーが低い光子は半導体に吸収されず利用することができない。またバンドギャップより大きなエネルギーを持った光子は、吸収はされるが電子を励起した際に与えることができる電子のポテンシャルエネルギーはそのバンドギャップの大きさに制限されてしまうためにバンドギャップエネルギーと光子エネルギーの差分は利用することができない。すなわち積層型光起電力素子においてはその光入射側の素子には短波長領域の光のみを、その下の素子には長波長領域の光のみを入射させることが重要である。
【０００４】
この解決手段の一つとして光起電力素子の間に中間層を設けて反射層として使うといった方法が知られており、各素子間に短波長の光を反射し長波長の光を透過する導電層を設けるといった方法がある（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−７７１６７号公報
【非特許文献１】
山本憲治，「薄膜多結晶シリコン太陽電池」，応用物理，応用物理学会，平１４年５月，第７１巻，第５号，ｐ．５２４−５２７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の様な反射層を中間層として設ける場合、シャント抵抗が低下し、開放電圧（以下、Ｖｏｃ）、曲線因子（以下、ＦＦ）が低下する場合があった。また、通常の積層型セルや単セルの場合、欠陥封止（以下、パッシベーション）処理によってシャント抵抗が増加し、ＦＦが回復するが、上記の様な反射層を中間層として設ける場合、あまりシャント抵抗が増加せず、ＦＦの回復が小さい。
【０００７】
特に、下部に在るセルの欠陥が多い場合、Ｖｏｃ、ＦＦが低下する傾向にあった。
【０００８】
さらに、このような現象は中間層の厚さが厚くなるほど、中間層の抵抗率が低いほど、顕著に表れる傾向にあった。
【０００９】
このような現象は上記の様な反射層を中間層として設ける場合、中間層を介して面内方向に電流が流れ、欠陥を通して、漏れ電流が流れることによって起こるものと考えられる。このような欠陥は、光起電力層を作製する時に、ダスト等の影響で、ピンホールや異物付着によって生じ、ピンホールでは、中間層と下部電極が直接接触したり、異物によっては異物付着部分で合金を作って低抵抗となったりして中間層を面内に流れた電流が欠陥に流れ込むこととなり、発生した電流を損失してしまう。
【００１０】
特に太陽電池などの面積の大きい光起電力素子の場合、大面積にわたって欠陥のない光起電力素子を作るのは困難であるので、欠陥による影響を低下させることが重要である。
【００１１】
また、欠陥部分を樹脂で埋める方法などによって欠陥を封止する方法があるが、上層まで積層した後に下層の欠陥を封止することは困難である。
【００１２】
こうした課題を解決するための方法の一つとして、中間層を高抵抗にするか、十分薄くするといった事が考えられる。しかし、中間層を高抵抗にすると、光起電力層間の直列抵抗が増え、逆にＦＦが低下する。また、中間層を薄くすると、反射層としての、効果が十分得られないといった問題があるので、中間層の設計が非常に難しくなる。
【００１３】
本発明は入射光の全ての波長領域に渡って効率よくエネルギー収集を行うことができ、かつ、中間層を介して面内方向に電流が流れ、欠陥を通して、漏れ電流が流れることによって起こるシャント抵抗の低下、Ｖｏｃ及び、ＦＦの低下を抑制し、高い光電変換効率を持つ光起電力素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、島状の中間層を設けることによって、シャント抵抗の低下及びＶｏｃ、ＦＦの低下を防ぐことができることを見出した。すなわち、本発明の骨子とするところは、ＰＮ接合、または、ＰＩＮ接合を含む光起電力層を複数積層した光起電力素子であって、少なくとも一つの半導体層界面に島状の中間層を設けることを特徴とする光起電力素子が提供される。
【００１５】
さらに本発明は以下の技術的内容を含む。
（１）島状の周辺をなす部分の膜厚は薄いほうが好ましく、平均膜厚の５０％未満が好ましい。
（２）実質的に島状の周辺をなす部分の平均膜厚が全平均膜厚の２５％未満であることが好ましい。
（３）実質的に島状の正射投影の平均面積は５×１０３ｎｍ２以上５×１０７ｎｍ２以下であること好ましい。
（４）さらに実質的に島状の正射投影の面積が全面積に占める割合は３０％以上８０％以下であることが好ましい。
（５）実質的に島状の周辺をなす部分の一部に中間層のない部分が存在することがさらに好ましい。
（６）島状の中間層の平均膜厚は１０ｎｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。
（７）島状の中間層において、光入射側の面の凹凸の平均傾斜角はその反対側の面の凹凸の平均傾斜角よりも大きいことが好ましい。
（８）本発明は、光起電力層は少なくとも一部が非単結晶シリコン系半導体よりなる場合に好適である。
（９）本発明は、光起電力層はアモルファスシリコン系半導体よりなる層を含む場合に好適である。
（１０）本発明は、光起電力層は微結晶シリコン系半導体よりなる層を含む場合に好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の積層型光起電力素子として光起電力層が２層ある太陽電池を例に実施の形態を説明するが、本発明はこれらによって何ら制限されるものではなく、光起電力層の数は適宜選択し得る。
【００１７】
まず、本発明の概念を説明する。
【００１８】
図１は島状の中間層の概念を示す模式図である。（Ａ）は中間層表面の平面図、（Ｂ）は平面図（Ａ）でＡ―Ａ‘と示したところの断面図である。図には光起電力層１０５、島状の中間層１０４が図示されている。一般的に島とは水面より上に出て孤立しているものを島というが、物質表面には海水面という基準が無いので、ここでは、平均膜厚に対して５０％の膜厚の地点を結んだ線を島の境界とし、この線で囲まれた部分を島と表し、その外側を島の周辺をなす部分とする。（Ａ）では、実線が島の境界１０１を表し、実線で囲まれた部分（斜線の部分）が島１０２であり、それ以外の部分が島の周辺をなす部分１０３である。（Ｂ）では、点線にて平均膜厚の５０％のライン１０６を表している。この点線と交わる部分が島の境界１０１を形成しており、この点線より上にある部分が島１０２であり（矢印の範囲）、下にある部分が島の周辺をなす部分１０３である。図２は比較の例として、同じ凹凸であるが平均膜厚が厚い例を示している。図には光起電力層２０２、中間層２０１が図示されている。同じく、点線にて平均膜厚の５０％のライン２０３を表している。この図では、点線と交わる部分が無く、島となる部分が無いことを示している。
【００１９】
図３には、光起電力層に欠陥が存在する場合の漏れ電流の経路の模式図を示す。
【００２０】
（Ａ）は本発明の島状の中間層３０１を用いた場合であり、欠陥３０３は、異物の付着等による半導体層の欠落、ひび割れ、不純物混入などであり、光起電力効果を失っているだけでなく、漏れ電流の経路となる。中間層３０１は光起電力層３０２と良好なコンタクトを取るために適当に導電性を持っており、面内方向にも漏れ電流３０６が流れる。この場合、島の周辺をなす部分３０４が島３０５の部分よりも薄くなっており、この部分は漏れ電流が流れにくくなる。したがって、欠陥が影響を及ぼす範囲は島３０５の部分に限られる。その結果、シャント抵抗の低下、Ｖｏｃ、ＦＦの低下が抑制される。
【００２１】
（Ｂ）は実質的に平坦な中間層を用いた場合であり、表面に凹凸は形成されているが、膜厚に比べて小さい。このような中間層の場合、漏れ電流３０６が広範囲から流れ、欠陥３０３の影響は広範囲に及び、シャント抵抗が低下し、Ｖｏｃ、ＦＦの低下につながる。このような中間層の場合、漏れ電流３０６を流れにくくするには平均膜厚を薄くすることが考えられるが、平均膜厚が薄くなると反射層としての機能が低下してゆく。また相対的に、膜厚が薄くなれば、表面の凹凸も小さくなるので、散乱効果も得られなくなってゆく。また、他方、抵抗率を高くすることが考えられるが、光起電力層とのコンタクトを取るためには、平均膜厚にもよるが抵抗率をあまり高くできない。したがって、中間層の設計が非常に難しくなる。
【００２２】
反射層としての効果は、中間層の界面での屈折率の違いによって生まれるものであり、両界面での多重反射を考慮しなければならない。光の干渉があるので波長によって反射率は変わってくるが、概して、平均膜厚が厚いほど、反射率は増加していく。また、中間層の表面が凹凸であれば、光の散乱効果が現れて、反射光の光路長が伸び、上側の光起電力素層において短絡光電流の増加が見られる。一方、透過する光も、散乱されるので、下側の光起電力素層においても、短絡光電流の増加が見られる。従って、反射層としての効果は、おもに中間層の平均膜厚によって制御可能である。さらに島の凹凸を適当に選べば、散乱効果も期待でき、半導体層中での光路長が伸び、中間層の両側のセルで、短絡光電流の増加が見られる。
【００２３】
以上の作用により、中間層を島状の中間層とすることによって、短絡光電流の増加、シャント抵抗の低下の抑制によるＶｏｃ、ＦＦの低下の抑制で、光電変換効率の向上が見られる。さらに、島の周辺部は薄ければ薄いほど、漏れ電流が流れにくくなるので、島状の周辺をなす部分の平均膜厚が全平均膜厚の２５％未満になっていれば、さらに好ましい。また、全く中間層がない部分があれば、漏れ電流は流れないので、実質的に島状の周辺をなす部分の一部に中間層のない部分が存在することがより好ましい。
【００２４】
漏れ電流の流れる範囲（欠陥が影響を及ぼす範囲）は島の範囲におおむね限られるので、島の大きさが大きいほど、広い範囲が欠陥の影響を受けてしまい、島状の中間層とした効果が薄れてくる。また、逆に、島の面積が小さいと、上に堆積される半導体層の被覆性が悪くなり、上部の光起電力層に新たな欠陥を発生させるので、光電変換効率の低下につながる。従って、島状の正射投影の平均面積は５×１０３ｎｍ２以上５×１０７ｎｍ２以下の範囲が好ましい。より好ましくは１×１０４ｎｍ２以上１×１０７ｎｍ２以下の範囲であり、最適には５×１０４ｎｍ２以上５×１０６ｎｍ２以下の範囲である。
【００２５】
島の面積×島の数が減っていけば、つまり、島の周辺部分が増えていけば、島状となっている効果が薄れていくので島状の正射投影の面積が全面積に占める割合は３０％以上が好ましい。一方、前記割合が大きいと島の周辺部分が減り、漏れ電流を減らす効果が薄れので、８０％以下が望ましい。さらに好ましくは、３５％以上７５％以下であり、最適には、４０％以上７０％以下である。
【００２６】
島状の中間層の平均膜厚は１０ｎｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。上で述べたように、反射層としての効果は、中間層の界面での屈折率の違いによって生まれるものであるので、あまり薄いと効果が得られない。よって、１０ｎｍ以上が好ましい。また、２μｍを超えるような厚さは中間層での吸収が増えてくるために、下部のセルの短絡光電流が低下するので、２μｍ以下が好ましい。さらに好ましくは、５０ｎｍ以上１．５μｍ以下であり、最適には１００ｎｍ以上１μｍ以下である。
【００２７】
さらに、島状の中間層において、光入射側の面の凹凸の平均傾斜角はその反対側の面の凹凸の平均傾斜角よりも大きいことが好ましい。ここでいう平均傾斜角とは、中間層の表面の曲面ｆにおいて、ある位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）の曲面ｆ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）の法線方向が実質的な基板の垂線となす角を面内の各位置において平均したものである。傾斜角はＡＦＭ等、表面形状が観察できる測定手段を用いて、容易に観測できる。光の波長が数１００ｎｍ程度を対象としているので、測定において、解像度は最低限、数１０ｎｍ程度の解像度が必要である。一方、最近の技術の進歩によって、原子構造レベルの像を観測できるようになっているが、一般的に表面形状と言う観点からは、このような観測手段は必要ない。実質的に固体表面形状が観測できる適当な解像度（数ｎｍ〜数１０ｎｍ）を選べばよい。
【００２８】
ここで、傾斜している面に光が入射すると屈折率の違いに起因する屈折がおきる。島状でかつ凹凸の平均傾斜角が大きければ、光の屈折する角度が大きくなり、光学的な散乱効果が増える。ところで、上にも述べたように、反射層としては膜の光入射側の面とその反対側の面の二つの界面での多重反射があるので、その反対側の面では光入射側の面と異なる角度へ屈折するほうが、散乱効果が高くなるので、両面が異なる平均傾斜角を有するほうが、散乱効果が高い。
【００２９】
太陽光のスペクトルを考えた場合、有効に利用できる波長範囲はおおむね３００ｎｍ〜１２００ｎｍ付近である。中間層の上部のセルで短波光は吸収されており、中間層としては長波の光が有効に透過することが好ましく、長波長の目安である８００ｎｍの透過率がさらに５０％以上あることが望ましい。さらに好ましくは、７０％以上である。最適には８０％以上である。
【００３０】
また、たとえば、中間層として、金属の極薄膜も用いることもできるが、長波長光を透過し、かつ適度な抵抗率であるものとして、前記島状の中間層は金属酸化物が好適である。
【００３１】
本発明は光起電力層が少なくとも一部が非単結晶シリコン系半導体よりなる場合に好適である。シリコン系非単結晶半導体では、バンドギャップエネルギーが光を最も効率的に吸収できるバンドギャップエネルギー（１．４ｅＶ付近）とずれており、積層型光起電力素子を用いて、本発明の島状の中間層を適用するのに好適である。
【００３２】
本発明は、光起電力層はアモルファスシリコン系半導体よりなる層を含む場合に好適である。アモルファスシリコン系半導体はバンドギャップエネルギーが１．７ｅＶと大きく、光入射側にアモルファスシリコン系半導体を用いるとよい。
【００３３】
本発明は、光起電力層は微結晶シリコン系半導体よりなる層を含む場合に好適である。微結晶シリコン系半導体はバンドギャップエネルギーが１．１ｅＶと小さく、光閉じ込め効果も期待できることから、光入射側と異なる光起電力層に微結晶シリコン系半導体を用いるとよい。
【００３４】
次に本発明の構成および各構成要素について詳細に説明する。
【００３５】
図４は本発明の実施形態である積層型光起電力素子の断面構造を示す概略図である。金属等の導電性の基板４０１上に光反射層４０２、第２の光起電力層４０３、島状の中間層４０４、第１の光起電力層４０５、透明電極４０６が順に積層されている。第１の光起電力層４０５と第２の光起電力層４０３の光活性部を構成する半導体は第１の光起電力層４０３が第２の光起電力層の半導体よりバンドギャップが大きい半導体で構成されていたり、光活性部が薄く構成されていたりして、第１の光起電力層４０５で短波長域を第２の光起電力層４０３で長波長域の光が吸収されるように設計されている。島状の中間層４０４は光の一部を反射し、第１の光起電力層４０５の光吸収量を増加させる効果を持っている。
【００３６】
また、図５は本発明の他の実施形態である積層型光起電力素子の断面構造を示す概略図である。ガラス等の透光性絶縁板の基板５０１上に透明電極５０６、第１の光起電力層５０５、島状の中間層５０４、第２の光起電力層５０３、導電性の光反射層５０２が順に積層されている。この場合には光入射は透光性絶縁基板である基板５０１側から行われる。
【００３７】
図６は中間層がないこと以外は図４に示す本発明の積層型光起電力素子と同じ構成の積層型光起電力素子の断面構造を示す概略図である。金属等の導電性の基板６０１上に光反射層６０２、第２の光起電力層６０３、第１の光起電力層６０４、透明電極６０５が順に積層されている。（基板）
本発明の積層型光起電力素子に用いる基板を構成する材料には、導電性材料及び絶縁性材料の何れでもよく、その種類を問わない。導電性材料としては、例えば、めっき鋼板，ＮｉＣｒ，ステンレス，Ａｌ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｐｂ，Ｓｎ等の金属、またはこれらの合金などが挙げられる。絶縁性材料としては、ポリエステル，ポリエチレン，ポリカーボネート，セルロースアセテート，ポリプロピレン，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，ポリスチレン，ポリアミド等の合成樹脂、またはガラス，セラミックス，紙などが挙げられる。特に金属基板としてはステンレス鋼、絶縁基板としてはガラス、セラミックス、ポリイミドが好適に用いられる。また基板側から光入射する場合には透光性絶縁性基板が用いられ、特にガラスが好適に用いられる。
【００３８】
基板の表面性状は、平滑面、あるいは山の高さが最大０．１〜１．０μｍの凹凸面となるテクスチャー化した形状であってもよい。例えば、ステンレスによる基板の表面をテクスチャー化する一つの方法として、酸性溶液を用いて表面をエッチング処理することが挙げられる。
【００３９】
基板の厚さは、各層を所定に積層できて光起電力素子を所定に形成し得るように適宜に決定するが、光起電力素子としての柔軟性が要求される場合には、支持体としての機能が十分に発揮される範囲で可能な限り薄くすればよい。しかし、基板の製造上及び取り扱い上の面から、そして機械的強度の面から、通常は厚さが１０μｍ以上とされる。
【００４０】
（反射層）
本発明の積層型光起電力素子に用いる反射層には可視光から近赤外で反射率が高い金属、例えばＡｇ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属やこれらの合金の堆積膜が用いられる。真空蒸着法，スパッタリング法等や、水溶液からの電解析出法などの方法で堆積することが好適である。この反射層の厚さは、１０ｎｍから５０００ｎｍが適した層厚として挙げられる。また乱反射をさせるために表面が凹凸であることが好ましい。また反射層には反射する光量を多くするために反射増加層を備えるのが望ましい。
【００４１】
反射増加層の構成材料には、ＺｎＯ，ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＩＴＯ，ＴｉＯ２，ＣｄＯ，Ｃｄ２ＳｎＯ４，Ｂｉ２Ｏ３，ＭｏＯ３，ＮａｘＷＯ３等が挙げられる。反射増加層は、これらの材料を使用し、真空蒸着法，スパッタリング法，電解析出法，ＣＶＤ法，スプレー法，スピンオン法，ディッング法等の方法で形成することが好適である。この反射増加層の厚さは、使用材料が固有に持つ屈折率により最適な層厚は異なるが、好ましくは５０ｎｍ〜１０μｍが層厚の範囲として挙げられる。また、光を散乱させるために反射増加層の表面が凹凸であることが好ましい。例えば、スパッタリング法においては、堆積条件によって、結晶粒界を基にした凹凸が生成される。
【００４２】
（光起電力層）
本発明の積層型光起電力素子に用いられる半導体としてはＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ２族の単結晶、多結晶、微結晶、非晶質が用いられる。ＩＶ族としてはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、及びこれらの合金、ＩＩＩ−Ｖ族としてはＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩＩ−ＶＩ族としてはＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、Ｃｕ２Ｓ、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ２族としてはＣｕＩｎＳｅ２などが挙げられる。特にシリコン系半導体が好適に用いられる。また形体は単結晶、多結晶、微結晶、非晶質が好適に用いられる。
【００４３】
本発明の積層型光起電力素子に用いられる光起電力層は、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合を含んでおり、光起電力層を少なくとも２構成以上積層して構成される。それぞれの光起電力層は材料の異なる半導体を用いて構成することも、同一の材料で構成することもできるが、短波長の光ほど吸収されやすいことから、光入射側には、より短波長を吸収しやすい材料を用いた光起電力層の配置し、その後により長波長を吸収しやすい材料を用いた光起電力層の配置する構成が好適に用いられる。
【００４４】
（中間層）
本発明の積層型光起電力素子に用いられる中間層は金属の薄膜や金属酸化物が用いられる。金属の薄膜としては、Ａｇ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属やこれらの合金の堆積膜が用いられるが、吸収があるために極薄い薄膜が用いられる。また、金属酸化物としては、ＺｎＯ，ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＩＴＯ，ＴｉＯ２，ＣｄＯ，Ｃｄ２ＳｎＯ４，Ｂｉ２Ｏ３，ＭｏＯ３，ＮａｘＷＯ３等が挙げられる。特に酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛が好適に用いられる。
【００４５】
また、金属酸化物として中間層の屈折率は反射率を上げるために光起電力層の中間層に接する部分の屈折率より低いことが望ましい。
【００４６】
島状の中間層の形成方法であるが、たとえば、エッチングが挙げられる。まず、中間層を真空蒸着法，スパッタリング法，電解析出法，ＣＶＤ法，スプレー法，スピンオン法，ディッング法等の方法で形成することが好適である。そのとき、導電率を変化させる物質を添加してもよい。
【００４７】
その後、ウエットエッチングやドライエッチングで結晶粒界のエッチング速度が大きいことを利用して、島状に形成することができる。このときドライエッチングとしてはハロゲン化水素やメタンガスと不活性ガスの混合気体等を用いることができる。ウエットエッチングでは酢酸、塩酸、硝酸等の酸を用いることができる。上記方法では、制御が難しいので、エッチング速度が遅い極薄の薄膜を中間層上に設けて、これをマスクとして、エッチングを行うこともできる。
【００４８】
また、真空蒸着法，スパッタリング法，電解析出法，ＣＶＤ法，スプレー法，スピンオン法，ディッング法等の方法で形成後、加熱処理によって凝集させることによっても得られる。
【００４９】
（透明電極）
本発明の積層型光起電力素子に用いられる透明電極は酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛等が挙げられ、スパッタリング法、真空蒸着法、化学的気相成長法、イオンプレーティング法、イオンビーム法、およびイオンビームスパッタ法などで形成することができる。また、硝酸基や酢酸基やアンモニア基などと金属イオンからなる水溶液中からの電気析出法や浸漬法でも作製することができる。透明電極の厚さは、反射防止膜としての条件を満たす層厚に形成するのが好ましい。
【００５０】
【実施例】
以下に、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５１】
（実施例１）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力素子、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力素子、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子を作製した。
【００５２】
基板４０１には、縦横４５ｍｍ×４５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの形状で、一般的にＢＡ仕上げと呼ばれる平坦なステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）を使用し、市販の直流マグネトロンスパッタ装置（不図示）に設置し、圧力が１０−３Ｐａ以下になるまで排気した。
【００５３】
その後、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。基板は加熱せず、６ｉｎｃｈφのアルミニウムターゲットに１２０Ｗの直流電力を印加し、９０秒間で７０ｎｍのアルミニウムの金属層を堆積した。引き続き、基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて５００Ｗの直流電力を３０分間印加し、約３０００ｎｍの酸化亜鉛の反射増加層を堆積した。
【００５４】
図７は本発明の積層型光起電力素子の半導体層を作製するために好適な装置の一形態を示す模式図である。図７に示す堆積膜形成装置は、ロードチャンバー７０１、微結晶シリコンｉ型層チャンバー７０３、アモルファスシリコンｉ型層ＲＦチャンバー７０４とｎ型層ＲＦチャンバー７０２とｐ型層ＲＦチャンバー７０５、およびアンロードチャンバー７０６から主に構成されている。各チヤンバー間は、ゲートバルブ７０７、７０８、７０９、７１０、７１１で各原料ガスが混合しないように分離されている。
【００５５】
微結晶シリコンｉ型層チャンバー７０３は、基板加熱用のヒーター７１２およびプラズマＣＶＤ室７１３から構成されている。ＲＦチャンバー７０２は、ｎ型層堆積用ヒーター７１４とｎ型層堆積用の堆積室７１５を、ＲＦチャンバー７０４はｉ型層堆積用ヒーター７１６とｉ型層堆積用の堆積室７１７を、ＲＦチャンバー７０５はｐ型層堆積用ヒーター７１８とｐ型層堆積用の堆積室７１９を有している。基板は基板ホルダー６２１に取り付けられ、レール７２０上を外部から駆動されるローラーによって移動する。プラズマＣＶＤ室７１３では、微結晶を形成する。微結晶は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法またはＶＨＦプラズマＣＶＤ法が使用される。
【００５６】
このような堆積膜形成装置を使用して、表１に示す様に各層における所定の成膜条件のもとに半導体層を堆積した。
【００５７】
【表１】
【００５８】
最初に、反射層４０２を堆積した基板４０１上に表１に従って以下の手順で第２の光起電力層を堆積した。基板４０１を基板ホルダー７２１にセットしロードチャンバー７０１のレール７２０上にセットする。そして、ロードチャンバー７０１内を数百ｍＰａ以下の真空度に排気する。
【００５９】
次に、ゲートバルブ７０７を開け、基板ホルダー７２１をチャンバー７０２のｎ型層堆積室７１５に移動する。各ゲートバルブ７０７、７０８、７０９、７１０、７１１を閉じた状態で、所定の原料ガスにてｎ型層を所定の層厚に堆積する。十分に排気した後、ゲートバルブ７０８を開けて基板ホルダー７２１を堆積チャンバー７０３に移動し、ゲートバルブ７０８を閉じる。
【００６０】
ヒーター７１２で基板を所定の基板温度に加熱し、所定の原料ガスを必要量導入し、所定の真空度にして、所定のマイクロ波エネルギーまたはＶＨＦエネルギーを堆積室７１３へ導入し、プラズマを発生させて基板上に微結晶シリコンｉ型層を所定の層厚に堆積する。チャンバー７０３を十分に排気し、ゲートバルブ７０９、７１０を開けて基板ホルダー７２１をチャンバー７０３からチャンバー７０５へ移動する。
【００６１】
基板ホルダー７２１をチャンバー７０５のｐ型層堆積室７１９に移動させた後、ヒーター７１８によって基板を所望の温度に加熱する。堆積室７１９にｐ型層堆積用の原料ガスを所定の流量だけ供給し、所定の真空度に維持しつつ堆積室７１９にＲＦエネルギーを導入し、ｐ型層を所望の層厚に堆積する。
【００６２】
上記と同様にして堆積室７１９を十分に排気した後、ゲートバルブ７１１を開け、半導体層が堆積された基板４０１をセットした基板ホルダー７２１をアンロードチャンバー７０６へ移動する。
【００６３】
ゲートバルブを全て閉じ、アンロードチャンバー７０６内へ窒素ガスを封入して、基板温度を冷却する。その後、アンロードチャンバー７０６の取り出しバルブを開けて、基板ホルダー７２１を取り出す。
【００６４】
次に基板ホルダー７２１から第２の光起電力層まで作製した基板４０１をとりはずし中間層を形成するために市販の直流マグネトロンスパッタ装置（不図示）に設置し、圧力が１０−３Ｐａ以下になるまで排気した。
【００６５】
その後、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。引き続き、基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて１００Ｗの直流電力を２５分間印加し、約５００ｎｍの酸化亜鉛層を堆積した。引き続き、アルゴンガｒスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφのクロムを５重量％含む酸化亜鉛ターゲットに電気接続を切り替えて５０Ｗの直流電力を１分間印加し、約１０ｎｍのクロムが添加された酸化亜鉛層を堆積した。その後、取り出して、１０重量％の酢酸溶液に４０秒間浸してエッチングを行った。そして、イソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄を行い、オーブンにて乾燥させた。
【００６６】
次に再び堆積膜形成装置７００を用いて、上記中間層が堆積された基板４０１上に第１の光起電力層としてｐｉｎ型非晶質Ｓｉ：Ｈ光起電力素子を以下に述べるように作製した。
【００６７】
上記と同様にして所定の条件でｎ型層を所定の層厚に堆積する。十分に排気した後、ゲートバルブ７０８、７０９を開けて基板ホルダー７２１を堆積チャンバー７０４に移動し、ゲートバルブ７０８、７０９を閉じた。
【００６８】
ヒーター７１６で基板を所定の基板温度に加熱し、所定の原料ガスを必要量導入し、所定の真空度にして、所定のＲＦエネルギーを堆積室７１７へ導入し、プラズマを発生させて基板上に非晶質Ｓｉ：Ｈ ｉ型層を所定の層厚に堆積する。チャンバー７０４を十分に排気し、ゲートバルブ７１０を開けて基板ホルダー７２１をチャンバー７０４からチャンバー７０５へ移動させた。
【００６９】
上記と同様にして所定の条件でｐ型層を所定の層厚に堆積した。
【００７０】
上記と同様にして堆積室７１９を十分に排気した後、ゲートバルブ７１１を開け、半導体層が堆積された基板４０１をセットした基板ホルダー７２１をアンロードチャンバー７０６へ移動した。
【００７１】
上記と同様にしてアンロードチャンバー７０６内から基板ホルダー７２１を取り出した。
【００７２】
次に、基板をＤＣマグネトロンスパッタ装置のアノードの表面に取り付け、ステンレス鋼のマスクで試料の周囲を遮蔽して、中央部４０ｍｍ×４０ｍｍの領域に１０重量％の酸化錫と９０重量％の酸化インジウムからなるターゲットを用いて透明電極として酸化インジウムスズをスパッタリングした。
【００７３】
堆積条件は基板温度１７０℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量５０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）、酸素ガス０．５ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）、堆積室内の圧力３００ｍＰａ、ターゲットの単位面積当たりの投入電力量０．２Ｗ／ｃｍ２にて約１００秒で厚さが７０ｎｍとなるように堆積した。膜の厚みは、前もって同じ条件で堆積時間との関係を検量して形成することにより、所定の厚みとした。こうして作製したサンプルを「実１」とした。
【００７４】
（比較例１）
中間層の作製においてアルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。引き続き、基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて１００Ｗの直流電力を１５分間印加し、約３００ｎｍの酸化亜鉛層を堆積した。このようにして中間層を作製した以外は実施例１と同様の手順により、光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「比１」とした。
【００７５】
まず、実施例１と比較例１で中間層まで作製した中間層表面観察用サンプルを用いて、中間層の膜厚分布を評価した。表面形状の観測にはＡＦＭ（原子間力顕微鏡 セイコーインスツルメンツ製Ｎａｎｏｐｉｃｓ １０００）を用いた。平均膜厚は断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡 ＪＥＯＬ製ＪＥＭ−４０００ＥＸ）で観測し、求めた。その手順は観測した断面像より、像の明暗によって中間層部分を確定し、観測範囲で中間層の厚さを断面像より求め、平均することより算定した。膜厚分布の評価は、表面観察用のサンプルを用い、中間層をつける前のＡＦＭ像をまず観測しておき、マーキングを元に同じところの中間層表面をＡＦＭで観測する。この後、この範囲の一部の断面部分をＴＥＭで観測し、この部分の膜厚を求める。この結果と、２つのＡＦＭ像から、演算して、表面の膜厚分布を求めた。観測範囲は２０μｍ□で分解能は５１２×５１２点で行った。測定は無作為に２０箇所観測し、面内にほぼ、同一の結果が得られるのを確認した。
【００７６】
実施例１では中間層が島状の形体をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚が平均膜厚の５０％未満であった。また、最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積したクロムを含む酸化亜鉛層は除去されていることを確認した。さらに平均膜厚は３００ｎｍであった。
【００７７】
対して、比較例１では、中間層に凹凸は在るものの島状ではなく、平均膜厚の５０％未満の部分は無かった。また、平均膜厚は３００ｎｍであった。
【００７８】
こうして実施例１と比較例１で作製した計１０個のサンプルについて山下電装株式会社製のＹＳＳ−１５０を使用し、ＡＭ１．５のスペクトル、強度１００ｍＷ／ｃｍ２で光照射した状態で電流電圧特性を測定した。測定した電流電圧特性から短絡電流密度［Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ２）］、開放電圧［Ｖｏｃ（Ｖ）］、曲性因子［ＦＦ］、光電変換効率［η（％）］ を求めた。
【００７９】
試料の暗状態での電圧電流特性を測定し、原点付近の傾きからシャント抵抗［Ｒｓｈ（ＫΩｃｍ２）］を求めた。
【００８０】
これらの特性値を比較例に対する実施例の比率（実１／比１）をまとめたものを表２に示す。
【００８１】
【表２】
【００８２】
実１は比１に比べ、Ｊｓｃ、ＦＦ、Ｖｏｃ、Ｒｓｈのいずれも改善し、高い光電変換効率を示した。
【００８３】
さらに、信頼性試験を以下のように行った。試料を高温高湿槽に投入し、＋８５℃、相対湿度８５％に保持した。この試験中に、試料に逆バイアス−０．８５Ｖを２０時間印加し続けた。その後、取り出し、自然に十分乾燥冷却してから、電圧電流特性を測定した。各特性は初期値に対する相対値で、表３に示す。
【００８４】
【表３】
【００８５】
実１は、信頼性試験によって、ほとんどシャント抵抗の低下は見られなかった。一方、比１では、シャント抵抗が初期よりも低下して、主にＶｏｃ、ＦＦが低下し、光電変換効率の低下が見られた。
【００８６】
以上のことから、本発明の島状の中間層を持つ光起電力素子では欠陥が発生しても、欠陥の影響が面内方向に及ばず、初期光電変換効率が良好で、信頼性も高いことがわかった。
【００８７】
（実施例２）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力層、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力層、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子の作製条件を変えて４サンプル作製した。
【００８８】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製し、中間層の作製条件は中間層の平均膜厚をいずれも３００ｎｍのそろえるために、酸化亜鉛層の堆積時間を調整して、エッチング前の膜厚を調整し、また、酢酸水溶液の濃度とエッチング時間を調整することによって、島の周辺をなす部分の平均膜厚の異なるサンプルを得た。こうして得られたサンプルを「実２Ａ」、「実２Ｂ」、「実２Ｃ」、「実２Ｄ」とした。
【００８９】
酸化亜鉛層の堆積条件とエッチング条件を表４にまとめて示す。
【００９０】
【表４】
【００９１】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表５に示す。ここで、島の周辺部の平均膜厚比とは島の周辺をなす部分の平均膜厚を全平均膜厚で割ったものである。
【００９２】
【表５】
【００９３】
いずれのサンプルも中間層が島状の形体をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚が平均膜厚の５０％未満であった。平均膜厚はいずれのサンプルもほぼ３００ｎｍであった。いずれのサンプルも最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積したクロムを含む酸化亜鉛層は除去されていることを確認した。また、実２Ａ、実２Ｂ、実２Ｃは全面にわたって中間層が被覆していたが、実２Ｄは、一部、中間層の無い部分があった。
【００９４】
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表６に示す。結果は比較例１との相対値で示す。
【００９５】
【表６】
【００９６】
さらに、信頼性試験を実施例１と同様に行った。各特性は初期値に対する相対値で、表７に示す。
【００９７】
【表７】
【００９８】
実２Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄは、いずれも信頼性試験によって、ほとんどシャント抵抗の低下は見られず、光電変換効率は初期の値を維持していた。
【００９９】
以上の結果から、実施例２Ｂ、２Ｃ、２Ｄは実施例２Ａよりも、よりシャント抵抗が改善し、Ｖｏｃ、ＦＦがより向上した。よって、島の周辺部の平均膜厚が全平均膜厚の２５％未満であればより高い光電変換効率を得ることができた。また、実２Ｄは、実２Ｃよりもさらに、シャント抵抗が改善し、Ｖｏｃ、ＦＦが向上したことより、島状の周辺をなす部分の一部に中間層のない部分が存在することにより、よりいっそう高い光電変換効率を得ることができた。
【０１００】
（実施例３）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力層、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力層、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子の作製条件を変えて６サンプル作製した。
【０１０１】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製し、中間層の作製条件はマスクとなるクロムが添加された酸化亜鉛層の堆積時間と堆積温度を変えることによって島の平均面積の異なるサンプルを得た。こうして得られたサンプルを「実３Ａ」、「実３Ｂ」、「実３Ｃ」、「実３Ｄ」、「実３Ｅ」、「実３Ｆ」とした。
【０１０２】
クロムが添加された酸化亜鉛層の堆積条件は表８にまとめて示す。
【０１０３】
【表８】
【０１０４】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表９に示す。ここで島の平均面積は島の正射投影の面積合計を島の数で割ったものである。得られた膜厚分布より、島の部分の面積を計算して、島の個数で除することで、平均面積を求めた。
【０１０５】
【表９】
【０１０６】
いずれのサンプルも中間層が島状の形体をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚が平均膜厚の５０％未満であった。平均膜厚はいずれのサンプルもほぼ３００ｎｍであった。いずれのサンプルも最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積したクロムを含む酸化亜鉛層は除去されていることを確認した。
【０１０７】
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表１０に示す。結果は比較例１との相対値で示す。
【０１０８】
【表１０】
【０１０９】
実３Ａ，実３Ｃ，実３Ｄ，実３Ｅよりも実３Ｂと実３Ｆは若干光電変換効率が低くかった。さらに、信頼性試験を実施例１と同様に行った。各特性は初期値に対する相対値で、表１１に示す。
【０１１０】
【表１１】
【０１１１】
実３Ａ，実３Ｂ、実３Ｃ，実３Ｄ，実３Ｅはほとんど低下しなかったが、実３Ｆは比１よりも改善されているが、若干の低下が見られた。
【０１１２】
以上結果より、島状の中間層において、島の正射投影の平均面積が５０００ｎｍ２以上で５０μｍ２以下がより好ましいことがわかった。
【０１１３】
（実施例４）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力層、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力層、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子の作製条件を変えて５サンプル作製した。
【０１１４】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製し、中間層は以下の作製手順で作製した。
【０１１５】
実施例１と同様に中間層の作製条件は中間層の平均膜厚をいずれも３００ｎｍのそろえるために、酸化亜鉛層の堆積時間を２５分とし、５００ｎｍに堆積した。引き続き、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。基板温度を室温にし、銀ターゲットに電気接続を切り替えて５０Ｗの直流電力を４０秒間印加し、６ｉｎｃｈφの２０ｎｍの銀を堆積した。その後、所定の温度に加熱することによって、金属薄膜を凝集させた。その後、取り出して、１０重量％の酢酸溶液に所定の時間、浸してエッチングを行った。そして、イソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄を行い、オーブンにて乾燥させた。
【０１１６】
こうして得られたサンプルを「実４Ａ」、「実４Ｂ」、「実４Ｃ」、「実４Ｄ」、「実４Ｅ」とした。
【０１１７】
銀薄膜の加熱処理とエッチングの条件を表１２にまとめて示す。
【０１１８】
【表１２】
【０１１９】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表１３に示す。ここで、島状の正射投影の面積が全面積に占める割合とは島状の正射投影の面積を全面積で割ったものである。
【０１２０】
【表１３】
【０１２１】
いずれのサンプルも中間層が島状の形体をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚が平均膜厚の５０％未満であった。平均膜厚はいずれのサンプルもほぼ３００ｎｍであった。いずれのサンプルも最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積した銀薄膜は除去されていることを確認した。
【０１２２】
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表１４に示す。結果は比較例１との相対値で示す。
【０１２３】
【表１４】
【０１２４】
さらに、信頼性試験を実施例１と同様に行った。各特性は初期値に対する相対値で、表１５に示す。
【０１２５】
【表１５】
【０１２６】
実４Ａ、実４Ｂ、実４Ｃ、実４Ｄは、いずれも信頼性試験によって、ほとんどシャント抵抗の低下は見られなかった。一方、実４Ｅは比１より改善されているが、若干の低下が見られた。
【０１２７】
以上結果より、島状の中間層において、島状の正射投影の面積が全面積に占める割合は３０％以上で８０％以下がより好ましいことがわかった。
【０１２８】
（実施例５）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力層、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力層、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子を作製条件の変えて、６サンプル作製した。
【０１２９】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製し、中間層の作製条件は中間層の平均膜厚を変えるために、酸化亜鉛層の堆積時間を調整して、エッチング前の膜厚を調整し、また、酢酸水溶液の濃度とエッチング時間を調整することによって、平均膜厚の異なるサンプルを得た。こうして得られたサンプルを「実５Ａ」、「実５Ｂ」、「実５Ｃ」、「実５Ｄ」、「実５Ｅ」、「実５Ｆ」とした。
【０１３０】
酸化亜鉛層の堆積条件とエッチング条件を表１６にまとめて示す。
【０１３１】
【図１６】
【０１３２】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表１７に示す。
【０１３３】
【表１６】
【０１３４】
いずれのサンプルも中間層の膜厚分布を評価したところ、島の周辺部分は平均膜厚の５０％未満であった。また、いずれのサンプルも最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積したクロムを含む酸化亜鉛層は除去されていることを確認した。
【０１３５】
（比較例５）
図６のような中間層のない光起電力素子を実施例１と同様の手順により、光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「比５」とした。
【０１３６】
作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表１８に示す。結果は比較例５との相対値で示す。
【０１３７】
【表１７】
【０１３８】
さらに、信頼性試験を実施例１と同様に行った。各特性は初期値に対する相対値で、表１９に示す。
【０１３９】
【表１８】
【０１４０】
実５Ａ、実５Ｂ、実５Ｃ、実５Ｄ、実５Ｅ、実５Ｆ、比５は、いずれも信頼性試験によって、ほとんどシャント抵抗の低下は見られなかった。
【０１４１】
分光感度特性を日本分光株式会社製のＹＱ−２５０ＢＸを使用して測定した。各積層型光起電力素子の第１の光起電力層と第２の光起電力層の分光感度特性は以下のように測定した。第１の光起電力層の分光感度特性は、積層型光起電力素子に第２の光起電力層が光照射時に発生させる起電力に見合うバイアス電圧を印加しかつ第２の光起電力素子で主に吸収される波長領域のバイアス光を照射して、分光された参照光を照射しその時の発生電流を観測することにより分光感度特性を測定した。また第２の光起電力層の分光感度特性は、第１の光起電力層と同様に、第１の光起電力層の起電力に見合うバイアス電圧を印加し、第１の光起電力層で主に吸収される波長領域のバイアス光を照射して、この状態で分光感度特性を測定した。
【０１４２】
さらにこの分光感度特性から各光起電力素子の短絡光電流を計算した。第１の光起電力層の短絡光電流は先に測定した第１の光起電力層の分光感度スペクトルに太陽光の分光強度を畳み込んで第１の光起電力層の電流値を計算した。第２の光起電力層の短絡光電流は先に測定した第２の光起電力層の分光感度スペクトルと太陽光の分光強度を畳み込んで第２の光起電力層の短絡光電流を計算した。
【０１４３】
実施例５の６個のサンプルに関して結果を比較例５に対する比率で表２０に示す。
【０１４４】
【表１９】
【０１４５】
第１の光起電力層の短絡光電流はいずれのサンプルも比５より増加している。一方、第２の光起電力層の短絡光電流は、実５Ａ、実５Ｂ、実５Ｃ、実５Ｄは変わらないか増加しているが、実５Ｅ、実５Ｆについては、減少している。この結果から、膜厚が１０ｎｍより薄いと反射層としての効果があまり現れないことがわかる。また、平均膜厚が厚くなると、第２の光起電力層への光の透過が減ってくるために、第２の光起電力層の短絡光電流は減少してくることが分かる。さらに平均膜厚が２．０μｍを超えてくるとかなり減少してくる。
【０１４６】
以上の結果から、実５Ｂは、あまり短絡光電流が増えず、本発明の島状の中間層が設ける効果がほとんどない。また、実５Ｆは本発明の島状の中間層があるにもかかわらず、第２の光起電力層へ光の透過が減少して、素子の短絡光電流があまり増えず、本発明の島状の中間層を設ける効果があまり見られない。一方、実５Ａ、実５Ｃ、実５Ｄ、実５Ｅは短絡光電流が増え、光電変換効率が向上した。従って、中間層の平均膜厚は１０ｎｍ以上２．０μｍの範囲でより高い光電変換効率を得ることができた。
【０１４７】
（実施例６）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力素子、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力素子、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子の作製条件を変えて３サンプル作製した。
【０１４８】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製した。中間層は以下の作製手順で作製した。
【０１４９】
中間層を堆積するために市販の直流マグネトロンスパッタ装置（不図示）に設置し、圧力が１０−３Ｐａ以下になるまで排気した。
【０１５０】
その後、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。引き続き、基板温度を１５０℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて１００Ｗの直流電力を１３０分間印加し、約２６００ｎｍの酸化亜鉛層を堆積した。引き続き、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。基板温度を１５０℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化インジウムターゲットに電気接続を切り替えて１０Ｗの直流電力を所定の時間印加し、所定の膜厚の酸化インジウムを堆積した。
【０１５１】
その後、取り出して、所定の濃度の塩酸溶液に所定の時間浸してエッチングを行った。そして、イソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄を行い、オーブンにて乾燥させた。
【０１５２】
マスクとなる酸化インジウムの膜厚を変えて、「実６Ａ」、「実６Ｂ」「実５６」の３サンプルを得た。酸化インジウムの堆積条件とエッチング条件は表２１にまとめて示す。
【０１５３】
【表２０】
【０１５４】
（比較例６）
中間層の作製においてアルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。引き続き、基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて１００Ｗの直流電力を１００分間印加し、約２０００ｎｍの酸化亜鉛層を堆積した。このようにして中間層を作製した以外は実施例１と同様の手順により、光起電力素子を作製した。このサンプルを「比６」とした。
【０１５５】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表２２に示す。ここで平均傾斜角はＡＦＭで得られた高さ情報から、面内の各点において隣り合う３点が作る平面の法線が基板の垂線となす角度を傾斜角として、面内で平均したものである。
【０１５６】
平均膜厚はいずれも２．０μｍであった。また、実６Ａ，実６Ｂ、実６Ｃのサンプルは島状の形状をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚は平均膜厚の５０％以下であった。比６のサンプルは、凹凸は在るが島状の形状をしていなかった。実６Ａ，実６Ｂ、実６Ｃのサンプルは最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積した酸化インジウムは除去されていることを確認した。
【０１５７】
【表２１】
【０１５８】
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表２３に示す。結果は比較例６との相対値で示す。
【０１５９】
【表２２】
【０１６０】
実６Ｃと実６Ｂは比６よりも短絡光電流が増えているが、実６Ａはほとんど増えていない。この結果より、光入射側の面の凹凸の平均傾斜角がその反対側の面の凹凸の平均傾斜角よりも大きいことことにより光電変換効率が向上していることがわかった。
【０１６１】
また、分光感度特性を実施例５と同様に測定し、第１の光起電力層の短絡光電流と第２の光起電力層の短絡光電流を求めた。
【０１６２】
実施例６の３個のサンプル関して、結果を比較例６に対する比率で表２４に示す。
【０１６３】
【表２３】
【０１６４】
実６Ｃと実６Ｂは比６よりも第１の光起電力層の短絡光電流と第２の光起電力層の短絡光電流が増えているが、実６Ａはほとんど増えていない。
【０１６５】
以上の結果より、光入射側の面の凹凸の平均傾斜角がその反対側の面の凹凸の平均傾斜角よりも大きいことことにより、光の散乱が増えて光起電力層での吸収が増え、短絡光電流の増加により光電変換効率が向上していることがわかった。
【０１６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、積層型光起電力素子において島状の中間層を設けることによって、短絡光電流が増え、かつ、光起電力層に発生した欠陥の影響を低減し、良好な開放電圧、曲線因子が得られる。よって、高い光電変換効率が得られる。また、容易に欠陥の影響が低減できるので製造する上で、コストが低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】島状の中間層の概念を示す模式図である。
【図２】同じ凹凸であるが平均膜厚が厚い場合の中間層の概念図である。
【図３】光起電力層に欠陥が存在する場合の漏れ電流の経路の模式図である。
【図４】本発明の積層型光起電力素子の一実施形態の断面構造を模式的に示す概略図である。
【図５】本発明の積層型光起電力素子の他の一実施形態の断面構造を模式的に示す概略図である。
【図６】中間層を備えていない以外は本発明の積層型光起電力素子同じ構成の積層型光起電力素子の断面構造を模式的に示す概略図である。
【図７】本発明の積層型光起電力素子の半導体層を堆積するために好適な装置の一形態を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１ 島の境界
１０２ 島
１０３ 島の周辺をなす部分
１０４ 島状の中間層
１０５ 光起電力層
１０６ 平均膜厚の５０％のライン
２０１ 中間層
２０２ 光起電力層
２０３ 平均膜厚の５０％のライン
３０１ 島状の中間層
３０２ 光起電力層
３０３ 欠陥
３０４ 島の周辺をなす部分
３０５ 島
３０６ 漏れ電流
４０２ 反射層
４０３ 第２の光起電力層
４０４ 中間層
４０５ 第１の光起電力層素子
４０６ 透明電極
５０１ 基板
５０２ 反射層
５０３ 第２の光起電力層
５０４ 中間層
５０５ 第１の光起電力層
５０６ 透明電極
６０１ 基板
６０２ 反射層
６０３ 第２の光起電力層
６０４ 第１の光起電力層素子
６０５ 透明電極
７０１ ロードチャンバー
７０２ ｎ層チャンバー
７０３ 微結晶ｉ層チャンバー
７０４ 非晶質ｉ層チャンバー
７０５ ｐ層チャンバー
７０６ アンロード室
７０７、７０８、７０９、７１０、７１１ ゲートバルブ
７１２ 微結晶ｉ層基板加熱用ヒーター
７１３ 微結晶ｉ層プラズマＣＶＤ室
７１４ ｎ層基板加熱用ヒーター
７１５ ｎ層プラズマＣＶＤ室
７１６ 非晶質ｉ層基板加熱用ヒーター
７１７ ｉ層プラズマＣＶＤ室
７１８ ｐ層基板加熱用ヒーター
７１９ ｐ層プラズマＣＶＤ室
７２０ ホルダー搬送レール
７２１ 基板ホルダー
【発明の属する技術分野】
本発明は少なくとも２つ以上の光起電力層を持つ積層型光起電力素子に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
光起電力素子は入射光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置で、その内太陽電池は太陽光を電気エネルギーに変換するもので広い波長域の光を効率的に変換することを特徴とする光起電力素子ある。そのため高い光電変換効率を達成するためには広い波長領域全体にわたって無駄なく光を吸収する必要がある。その解決手段の一つとして異なるバンドギャップの光活性層を含む光起電力素子を積層する積層型光起電力素子が知られている。この積層型光起電力素子は光入射側にバンドギャップが相対的に大きい光活性層を用いた素子、或いは、相対的に膜厚を薄くした素子を配置して短波長の光を吸収させ、その下にバンドギャップが相対的に小さい光活性層を用いた素子、或いは、膜厚が厚い素子を配置することで、上部の素子を透過した長波長の光を吸収させ、広い波長域で効率よく光を吸収利用するものである。
【０００３】
ここで重要な点は各々のバンドギャップの異なる光活性層を有する光起電力素子に適した波長領域の光を各素子に導入することが必要であるということである。これは各々の光起電力素子がその光活性層に用いられている半導体のバンドギャップにより入射光の利用可能波長域が異なることに理由がある。すなわち、バンドギャップよりもエネルギーが低い光子は半導体に吸収されず利用することができない。またバンドギャップより大きなエネルギーを持った光子は、吸収はされるが電子を励起した際に与えることができる電子のポテンシャルエネルギーはそのバンドギャップの大きさに制限されてしまうためにバンドギャップエネルギーと光子エネルギーの差分は利用することができない。すなわち積層型光起電力素子においてはその光入射側の素子には短波長領域の光のみを、その下の素子には長波長領域の光のみを入射させることが重要である。
【０００４】
この解決手段の一つとして光起電力素子の間に中間層を設けて反射層として使うといった方法が知られており、各素子間に短波長の光を反射し長波長の光を透過する導電層を設けるといった方法がある（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−７７１６７号公報
【非特許文献１】
山本憲治，「薄膜多結晶シリコン太陽電池」，応用物理，応用物理学会，平１４年５月，第７１巻，第５号，ｐ．５２４−５２７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の様な反射層を中間層として設ける場合、シャント抵抗が低下し、開放電圧（以下、Ｖｏｃ）、曲線因子（以下、ＦＦ）が低下する場合があった。また、通常の積層型セルや単セルの場合、欠陥封止（以下、パッシベーション）処理によってシャント抵抗が増加し、ＦＦが回復するが、上記の様な反射層を中間層として設ける場合、あまりシャント抵抗が増加せず、ＦＦの回復が小さい。
【０００７】
特に、下部に在るセルの欠陥が多い場合、Ｖｏｃ、ＦＦが低下する傾向にあった。
【０００８】
さらに、このような現象は中間層の厚さが厚くなるほど、中間層の抵抗率が低いほど、顕著に表れる傾向にあった。
【０００９】
このような現象は上記の様な反射層を中間層として設ける場合、中間層を介して面内方向に電流が流れ、欠陥を通して、漏れ電流が流れることによって起こるものと考えられる。このような欠陥は、光起電力層を作製する時に、ダスト等の影響で、ピンホールや異物付着によって生じ、ピンホールでは、中間層と下部電極が直接接触したり、異物によっては異物付着部分で合金を作って低抵抗となったりして中間層を面内に流れた電流が欠陥に流れ込むこととなり、発生した電流を損失してしまう。
【００１０】
特に太陽電池などの面積の大きい光起電力素子の場合、大面積にわたって欠陥のない光起電力素子を作るのは困難であるので、欠陥による影響を低下させることが重要である。
【００１１】
また、欠陥部分を樹脂で埋める方法などによって欠陥を封止する方法があるが、上層まで積層した後に下層の欠陥を封止することは困難である。
【００１２】
こうした課題を解決するための方法の一つとして、中間層を高抵抗にするか、十分薄くするといった事が考えられる。しかし、中間層を高抵抗にすると、光起電力層間の直列抵抗が増え、逆にＦＦが低下する。また、中間層を薄くすると、反射層としての、効果が十分得られないといった問題があるので、中間層の設計が非常に難しくなる。
【００１３】
本発明は入射光の全ての波長領域に渡って効率よくエネルギー収集を行うことができ、かつ、中間層を介して面内方向に電流が流れ、欠陥を通して、漏れ電流が流れることによって起こるシャント抵抗の低下、Ｖｏｃ及び、ＦＦの低下を抑制し、高い光電変換効率を持つ光起電力素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、島状の中間層を設けることによって、シャント抵抗の低下及びＶｏｃ、ＦＦの低下を防ぐことができることを見出した。すなわち、本発明の骨子とするところは、ＰＮ接合、または、ＰＩＮ接合を含む光起電力層を複数積層した光起電力素子であって、少なくとも一つの半導体層界面に島状の中間層を設けることを特徴とする光起電力素子が提供される。
【００１５】
さらに本発明は以下の技術的内容を含む。
（１）島状の周辺をなす部分の膜厚は薄いほうが好ましく、平均膜厚の５０％未満が好ましい。
（２）実質的に島状の周辺をなす部分の平均膜厚が全平均膜厚の２５％未満であることが好ましい。
（３）実質的に島状の正射投影の平均面積は５×１０３ｎｍ２以上５×１０７ｎｍ２以下であること好ましい。
（４）さらに実質的に島状の正射投影の面積が全面積に占める割合は３０％以上８０％以下であることが好ましい。
（５）実質的に島状の周辺をなす部分の一部に中間層のない部分が存在することがさらに好ましい。
（６）島状の中間層の平均膜厚は１０ｎｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。
（７）島状の中間層において、光入射側の面の凹凸の平均傾斜角はその反対側の面の凹凸の平均傾斜角よりも大きいことが好ましい。
（８）本発明は、光起電力層は少なくとも一部が非単結晶シリコン系半導体よりなる場合に好適である。
（９）本発明は、光起電力層はアモルファスシリコン系半導体よりなる層を含む場合に好適である。
（１０）本発明は、光起電力層は微結晶シリコン系半導体よりなる層を含む場合に好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の積層型光起電力素子として光起電力層が２層ある太陽電池を例に実施の形態を説明するが、本発明はこれらによって何ら制限されるものではなく、光起電力層の数は適宜選択し得る。
【００１７】
まず、本発明の概念を説明する。
【００１８】
図１は島状の中間層の概念を示す模式図である。（Ａ）は中間層表面の平面図、（Ｂ）は平面図（Ａ）でＡ―Ａ‘と示したところの断面図である。図には光起電力層１０５、島状の中間層１０４が図示されている。一般的に島とは水面より上に出て孤立しているものを島というが、物質表面には海水面という基準が無いので、ここでは、平均膜厚に対して５０％の膜厚の地点を結んだ線を島の境界とし、この線で囲まれた部分を島と表し、その外側を島の周辺をなす部分とする。（Ａ）では、実線が島の境界１０１を表し、実線で囲まれた部分（斜線の部分）が島１０２であり、それ以外の部分が島の周辺をなす部分１０３である。（Ｂ）では、点線にて平均膜厚の５０％のライン１０６を表している。この点線と交わる部分が島の境界１０１を形成しており、この点線より上にある部分が島１０２であり（矢印の範囲）、下にある部分が島の周辺をなす部分１０３である。図２は比較の例として、同じ凹凸であるが平均膜厚が厚い例を示している。図には光起電力層２０２、中間層２０１が図示されている。同じく、点線にて平均膜厚の５０％のライン２０３を表している。この図では、点線と交わる部分が無く、島となる部分が無いことを示している。
【００１９】
図３には、光起電力層に欠陥が存在する場合の漏れ電流の経路の模式図を示す。
【００２０】
（Ａ）は本発明の島状の中間層３０１を用いた場合であり、欠陥３０３は、異物の付着等による半導体層の欠落、ひび割れ、不純物混入などであり、光起電力効果を失っているだけでなく、漏れ電流の経路となる。中間層３０１は光起電力層３０２と良好なコンタクトを取るために適当に導電性を持っており、面内方向にも漏れ電流３０６が流れる。この場合、島の周辺をなす部分３０４が島３０５の部分よりも薄くなっており、この部分は漏れ電流が流れにくくなる。したがって、欠陥が影響を及ぼす範囲は島３０５の部分に限られる。その結果、シャント抵抗の低下、Ｖｏｃ、ＦＦの低下が抑制される。
【００２１】
（Ｂ）は実質的に平坦な中間層を用いた場合であり、表面に凹凸は形成されているが、膜厚に比べて小さい。このような中間層の場合、漏れ電流３０６が広範囲から流れ、欠陥３０３の影響は広範囲に及び、シャント抵抗が低下し、Ｖｏｃ、ＦＦの低下につながる。このような中間層の場合、漏れ電流３０６を流れにくくするには平均膜厚を薄くすることが考えられるが、平均膜厚が薄くなると反射層としての機能が低下してゆく。また相対的に、膜厚が薄くなれば、表面の凹凸も小さくなるので、散乱効果も得られなくなってゆく。また、他方、抵抗率を高くすることが考えられるが、光起電力層とのコンタクトを取るためには、平均膜厚にもよるが抵抗率をあまり高くできない。したがって、中間層の設計が非常に難しくなる。
【００２２】
反射層としての効果は、中間層の界面での屈折率の違いによって生まれるものであり、両界面での多重反射を考慮しなければならない。光の干渉があるので波長によって反射率は変わってくるが、概して、平均膜厚が厚いほど、反射率は増加していく。また、中間層の表面が凹凸であれば、光の散乱効果が現れて、反射光の光路長が伸び、上側の光起電力素層において短絡光電流の増加が見られる。一方、透過する光も、散乱されるので、下側の光起電力素層においても、短絡光電流の増加が見られる。従って、反射層としての効果は、おもに中間層の平均膜厚によって制御可能である。さらに島の凹凸を適当に選べば、散乱効果も期待でき、半導体層中での光路長が伸び、中間層の両側のセルで、短絡光電流の増加が見られる。
【００２３】
以上の作用により、中間層を島状の中間層とすることによって、短絡光電流の増加、シャント抵抗の低下の抑制によるＶｏｃ、ＦＦの低下の抑制で、光電変換効率の向上が見られる。さらに、島の周辺部は薄ければ薄いほど、漏れ電流が流れにくくなるので、島状の周辺をなす部分の平均膜厚が全平均膜厚の２５％未満になっていれば、さらに好ましい。また、全く中間層がない部分があれば、漏れ電流は流れないので、実質的に島状の周辺をなす部分の一部に中間層のない部分が存在することがより好ましい。
【００２４】
漏れ電流の流れる範囲（欠陥が影響を及ぼす範囲）は島の範囲におおむね限られるので、島の大きさが大きいほど、広い範囲が欠陥の影響を受けてしまい、島状の中間層とした効果が薄れてくる。また、逆に、島の面積が小さいと、上に堆積される半導体層の被覆性が悪くなり、上部の光起電力層に新たな欠陥を発生させるので、光電変換効率の低下につながる。従って、島状の正射投影の平均面積は５×１０３ｎｍ２以上５×１０７ｎｍ２以下の範囲が好ましい。より好ましくは１×１０４ｎｍ２以上１×１０７ｎｍ２以下の範囲であり、最適には５×１０４ｎｍ２以上５×１０６ｎｍ２以下の範囲である。
【００２５】
島の面積×島の数が減っていけば、つまり、島の周辺部分が増えていけば、島状となっている効果が薄れていくので島状の正射投影の面積が全面積に占める割合は３０％以上が好ましい。一方、前記割合が大きいと島の周辺部分が減り、漏れ電流を減らす効果が薄れので、８０％以下が望ましい。さらに好ましくは、３５％以上７５％以下であり、最適には、４０％以上７０％以下である。
【００２６】
島状の中間層の平均膜厚は１０ｎｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。上で述べたように、反射層としての効果は、中間層の界面での屈折率の違いによって生まれるものであるので、あまり薄いと効果が得られない。よって、１０ｎｍ以上が好ましい。また、２μｍを超えるような厚さは中間層での吸収が増えてくるために、下部のセルの短絡光電流が低下するので、２μｍ以下が好ましい。さらに好ましくは、５０ｎｍ以上１．５μｍ以下であり、最適には１００ｎｍ以上１μｍ以下である。
【００２７】
さらに、島状の中間層において、光入射側の面の凹凸の平均傾斜角はその反対側の面の凹凸の平均傾斜角よりも大きいことが好ましい。ここでいう平均傾斜角とは、中間層の表面の曲面ｆにおいて、ある位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）の曲面ｆ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）の法線方向が実質的な基板の垂線となす角を面内の各位置において平均したものである。傾斜角はＡＦＭ等、表面形状が観察できる測定手段を用いて、容易に観測できる。光の波長が数１００ｎｍ程度を対象としているので、測定において、解像度は最低限、数１０ｎｍ程度の解像度が必要である。一方、最近の技術の進歩によって、原子構造レベルの像を観測できるようになっているが、一般的に表面形状と言う観点からは、このような観測手段は必要ない。実質的に固体表面形状が観測できる適当な解像度（数ｎｍ〜数１０ｎｍ）を選べばよい。
【００２８】
ここで、傾斜している面に光が入射すると屈折率の違いに起因する屈折がおきる。島状でかつ凹凸の平均傾斜角が大きければ、光の屈折する角度が大きくなり、光学的な散乱効果が増える。ところで、上にも述べたように、反射層としては膜の光入射側の面とその反対側の面の二つの界面での多重反射があるので、その反対側の面では光入射側の面と異なる角度へ屈折するほうが、散乱効果が高くなるので、両面が異なる平均傾斜角を有するほうが、散乱効果が高い。
【００２９】
太陽光のスペクトルを考えた場合、有効に利用できる波長範囲はおおむね３００ｎｍ〜１２００ｎｍ付近である。中間層の上部のセルで短波光は吸収されており、中間層としては長波の光が有効に透過することが好ましく、長波長の目安である８００ｎｍの透過率がさらに５０％以上あることが望ましい。さらに好ましくは、７０％以上である。最適には８０％以上である。
【００３０】
また、たとえば、中間層として、金属の極薄膜も用いることもできるが、長波長光を透過し、かつ適度な抵抗率であるものとして、前記島状の中間層は金属酸化物が好適である。
【００３１】
本発明は光起電力層が少なくとも一部が非単結晶シリコン系半導体よりなる場合に好適である。シリコン系非単結晶半導体では、バンドギャップエネルギーが光を最も効率的に吸収できるバンドギャップエネルギー（１．４ｅＶ付近）とずれており、積層型光起電力素子を用いて、本発明の島状の中間層を適用するのに好適である。
【００３２】
本発明は、光起電力層はアモルファスシリコン系半導体よりなる層を含む場合に好適である。アモルファスシリコン系半導体はバンドギャップエネルギーが１．７ｅＶと大きく、光入射側にアモルファスシリコン系半導体を用いるとよい。
【００３３】
本発明は、光起電力層は微結晶シリコン系半導体よりなる層を含む場合に好適である。微結晶シリコン系半導体はバンドギャップエネルギーが１．１ｅＶと小さく、光閉じ込め効果も期待できることから、光入射側と異なる光起電力層に微結晶シリコン系半導体を用いるとよい。
【００３４】
次に本発明の構成および各構成要素について詳細に説明する。
【００３５】
図４は本発明の実施形態である積層型光起電力素子の断面構造を示す概略図である。金属等の導電性の基板４０１上に光反射層４０２、第２の光起電力層４０３、島状の中間層４０４、第１の光起電力層４０５、透明電極４０６が順に積層されている。第１の光起電力層４０５と第２の光起電力層４０３の光活性部を構成する半導体は第１の光起電力層４０３が第２の光起電力層の半導体よりバンドギャップが大きい半導体で構成されていたり、光活性部が薄く構成されていたりして、第１の光起電力層４０５で短波長域を第２の光起電力層４０３で長波長域の光が吸収されるように設計されている。島状の中間層４０４は光の一部を反射し、第１の光起電力層４０５の光吸収量を増加させる効果を持っている。
【００３６】
また、図５は本発明の他の実施形態である積層型光起電力素子の断面構造を示す概略図である。ガラス等の透光性絶縁板の基板５０１上に透明電極５０６、第１の光起電力層５０５、島状の中間層５０４、第２の光起電力層５０３、導電性の光反射層５０２が順に積層されている。この場合には光入射は透光性絶縁基板である基板５０１側から行われる。
【００３７】
図６は中間層がないこと以外は図４に示す本発明の積層型光起電力素子と同じ構成の積層型光起電力素子の断面構造を示す概略図である。金属等の導電性の基板６０１上に光反射層６０２、第２の光起電力層６０３、第１の光起電力層６０４、透明電極６０５が順に積層されている。（基板）
本発明の積層型光起電力素子に用いる基板を構成する材料には、導電性材料及び絶縁性材料の何れでもよく、その種類を問わない。導電性材料としては、例えば、めっき鋼板，ＮｉＣｒ，ステンレス，Ａｌ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｐｂ，Ｓｎ等の金属、またはこれらの合金などが挙げられる。絶縁性材料としては、ポリエステル，ポリエチレン，ポリカーボネート，セルロースアセテート，ポリプロピレン，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，ポリスチレン，ポリアミド等の合成樹脂、またはガラス，セラミックス，紙などが挙げられる。特に金属基板としてはステンレス鋼、絶縁基板としてはガラス、セラミックス、ポリイミドが好適に用いられる。また基板側から光入射する場合には透光性絶縁性基板が用いられ、特にガラスが好適に用いられる。
【００３８】
基板の表面性状は、平滑面、あるいは山の高さが最大０．１〜１．０μｍの凹凸面となるテクスチャー化した形状であってもよい。例えば、ステンレスによる基板の表面をテクスチャー化する一つの方法として、酸性溶液を用いて表面をエッチング処理することが挙げられる。
【００３９】
基板の厚さは、各層を所定に積層できて光起電力素子を所定に形成し得るように適宜に決定するが、光起電力素子としての柔軟性が要求される場合には、支持体としての機能が十分に発揮される範囲で可能な限り薄くすればよい。しかし、基板の製造上及び取り扱い上の面から、そして機械的強度の面から、通常は厚さが１０μｍ以上とされる。
【００４０】
（反射層）
本発明の積層型光起電力素子に用いる反射層には可視光から近赤外で反射率が高い金属、例えばＡｇ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属やこれらの合金の堆積膜が用いられる。真空蒸着法，スパッタリング法等や、水溶液からの電解析出法などの方法で堆積することが好適である。この反射層の厚さは、１０ｎｍから５０００ｎｍが適した層厚として挙げられる。また乱反射をさせるために表面が凹凸であることが好ましい。また反射層には反射する光量を多くするために反射増加層を備えるのが望ましい。
【００４１】
反射増加層の構成材料には、ＺｎＯ，ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＩＴＯ，ＴｉＯ２，ＣｄＯ，Ｃｄ２ＳｎＯ４，Ｂｉ２Ｏ３，ＭｏＯ３，ＮａｘＷＯ３等が挙げられる。反射増加層は、これらの材料を使用し、真空蒸着法，スパッタリング法，電解析出法，ＣＶＤ法，スプレー法，スピンオン法，ディッング法等の方法で形成することが好適である。この反射増加層の厚さは、使用材料が固有に持つ屈折率により最適な層厚は異なるが、好ましくは５０ｎｍ〜１０μｍが層厚の範囲として挙げられる。また、光を散乱させるために反射増加層の表面が凹凸であることが好ましい。例えば、スパッタリング法においては、堆積条件によって、結晶粒界を基にした凹凸が生成される。
【００４２】
（光起電力層）
本発明の積層型光起電力素子に用いられる半導体としてはＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ２族の単結晶、多結晶、微結晶、非晶質が用いられる。ＩＶ族としてはＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、及びこれらの合金、ＩＩＩ−Ｖ族としてはＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩＩ−ＶＩ族としてはＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、Ｃｕ２Ｓ、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ２族としてはＣｕＩｎＳｅ２などが挙げられる。特にシリコン系半導体が好適に用いられる。また形体は単結晶、多結晶、微結晶、非晶質が好適に用いられる。
【００４３】
本発明の積層型光起電力素子に用いられる光起電力層は、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合を含んでおり、光起電力層を少なくとも２構成以上積層して構成される。それぞれの光起電力層は材料の異なる半導体を用いて構成することも、同一の材料で構成することもできるが、短波長の光ほど吸収されやすいことから、光入射側には、より短波長を吸収しやすい材料を用いた光起電力層の配置し、その後により長波長を吸収しやすい材料を用いた光起電力層の配置する構成が好適に用いられる。
【００４４】
（中間層）
本発明の積層型光起電力素子に用いられる中間層は金属の薄膜や金属酸化物が用いられる。金属の薄膜としては、Ａｇ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属やこれらの合金の堆積膜が用いられるが、吸収があるために極薄い薄膜が用いられる。また、金属酸化物としては、ＺｎＯ，ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３，ＩＴＯ，ＴｉＯ２，ＣｄＯ，Ｃｄ２ＳｎＯ４，Ｂｉ２Ｏ３，ＭｏＯ３，ＮａｘＷＯ３等が挙げられる。特に酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛が好適に用いられる。
【００４５】
また、金属酸化物として中間層の屈折率は反射率を上げるために光起電力層の中間層に接する部分の屈折率より低いことが望ましい。
【００４６】
島状の中間層の形成方法であるが、たとえば、エッチングが挙げられる。まず、中間層を真空蒸着法，スパッタリング法，電解析出法，ＣＶＤ法，スプレー法，スピンオン法，ディッング法等の方法で形成することが好適である。そのとき、導電率を変化させる物質を添加してもよい。
【００４７】
その後、ウエットエッチングやドライエッチングで結晶粒界のエッチング速度が大きいことを利用して、島状に形成することができる。このときドライエッチングとしてはハロゲン化水素やメタンガスと不活性ガスの混合気体等を用いることができる。ウエットエッチングでは酢酸、塩酸、硝酸等の酸を用いることができる。上記方法では、制御が難しいので、エッチング速度が遅い極薄の薄膜を中間層上に設けて、これをマスクとして、エッチングを行うこともできる。
【００４８】
また、真空蒸着法，スパッタリング法，電解析出法，ＣＶＤ法，スプレー法，スピンオン法，ディッング法等の方法で形成後、加熱処理によって凝集させることによっても得られる。
【００４９】
（透明電極）
本発明の積層型光起電力素子に用いられる透明電極は酸化インジウム、酸化スズ、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛等が挙げられ、スパッタリング法、真空蒸着法、化学的気相成長法、イオンプレーティング法、イオンビーム法、およびイオンビームスパッタ法などで形成することができる。また、硝酸基や酢酸基やアンモニア基などと金属イオンからなる水溶液中からの電気析出法や浸漬法でも作製することができる。透明電極の厚さは、反射防止膜としての条件を満たす層厚に形成するのが好ましい。
【００５０】
【実施例】
以下に、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５１】
（実施例１）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力素子、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力素子、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子を作製した。
【００５２】
基板４０１には、縦横４５ｍｍ×４５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの形状で、一般的にＢＡ仕上げと呼ばれる平坦なステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）を使用し、市販の直流マグネトロンスパッタ装置（不図示）に設置し、圧力が１０−３Ｐａ以下になるまで排気した。
【００５３】
その後、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。基板は加熱せず、６ｉｎｃｈφのアルミニウムターゲットに１２０Ｗの直流電力を印加し、９０秒間で７０ｎｍのアルミニウムの金属層を堆積した。引き続き、基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて５００Ｗの直流電力を３０分間印加し、約３０００ｎｍの酸化亜鉛の反射増加層を堆積した。
【００５４】
図７は本発明の積層型光起電力素子の半導体層を作製するために好適な装置の一形態を示す模式図である。図７に示す堆積膜形成装置は、ロードチャンバー７０１、微結晶シリコンｉ型層チャンバー７０３、アモルファスシリコンｉ型層ＲＦチャンバー７０４とｎ型層ＲＦチャンバー７０２とｐ型層ＲＦチャンバー７０５、およびアンロードチャンバー７０６から主に構成されている。各チヤンバー間は、ゲートバルブ７０７、７０８、７０９、７１０、７１１で各原料ガスが混合しないように分離されている。
【００５５】
微結晶シリコンｉ型層チャンバー７０３は、基板加熱用のヒーター７１２およびプラズマＣＶＤ室７１３から構成されている。ＲＦチャンバー７０２は、ｎ型層堆積用ヒーター７１４とｎ型層堆積用の堆積室７１５を、ＲＦチャンバー７０４はｉ型層堆積用ヒーター７１６とｉ型層堆積用の堆積室７１７を、ＲＦチャンバー７０５はｐ型層堆積用ヒーター７１８とｐ型層堆積用の堆積室７１９を有している。基板は基板ホルダー６２１に取り付けられ、レール７２０上を外部から駆動されるローラーによって移動する。プラズマＣＶＤ室７１３では、微結晶を形成する。微結晶は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法またはＶＨＦプラズマＣＶＤ法が使用される。
【００５６】
このような堆積膜形成装置を使用して、表１に示す様に各層における所定の成膜条件のもとに半導体層を堆積した。
【００５７】
【表１】
最初に、反射層４０２を堆積した基板４０１上に表１に従って以下の手順で第２の光起電力層を堆積した。基板４０１を基板ホルダー７２１にセットしロードチャンバー７０１のレール７２０上にセットする。そして、ロードチャンバー７０１内を数百ｍＰａ以下の真空度に排気する。
【００５９】
次に、ゲートバルブ７０７を開け、基板ホルダー７２１をチャンバー７０２のｎ型層堆積室７１５に移動する。各ゲートバルブ７０７、７０８、７０９、７１０、７１１を閉じた状態で、所定の原料ガスにてｎ型層を所定の層厚に堆積する。十分に排気した後、ゲートバルブ７０８を開けて基板ホルダー７２１を堆積チャンバー７０３に移動し、ゲートバルブ７０８を閉じる。
【００６０】
ヒーター７１２で基板を所定の基板温度に加熱し、所定の原料ガスを必要量導入し、所定の真空度にして、所定のマイクロ波エネルギーまたはＶＨＦエネルギーを堆積室７１３へ導入し、プラズマを発生させて基板上に微結晶シリコンｉ型層を所定の層厚に堆積する。チャンバー７０３を十分に排気し、ゲートバルブ７０９、７１０を開けて基板ホルダー７２１をチャンバー７０３からチャンバー７０５へ移動する。
【００６１】
基板ホルダー７２１をチャンバー７０５のｐ型層堆積室７１９に移動させた後、ヒーター７１８によって基板を所望の温度に加熱する。堆積室７１９にｐ型層堆積用の原料ガスを所定の流量だけ供給し、所定の真空度に維持しつつ堆積室７１９にＲＦエネルギーを導入し、ｐ型層を所望の層厚に堆積する。
【００６２】
上記と同様にして堆積室７１９を十分に排気した後、ゲートバルブ７１１を開け、半導体層が堆積された基板４０１をセットした基板ホルダー７２１をアンロードチャンバー７０６へ移動する。
【００６３】
ゲートバルブを全て閉じ、アンロードチャンバー７０６内へ窒素ガスを封入して、基板温度を冷却する。その後、アンロードチャンバー７０６の取り出しバルブを開けて、基板ホルダー７２１を取り出す。
【００６４】
次に基板ホルダー７２１から第２の光起電力層まで作製した基板４０１をとりはずし中間層を形成するために市販の直流マグネトロンスパッタ装置（不図示）に設置し、圧力が１０−３Ｐａ以下になるまで排気した。
【００６５】
その後、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。引き続き、基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて１００Ｗの直流電力を２５分間印加し、約５００ｎｍの酸化亜鉛層を堆積した。引き続き、アルゴンガｒスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφのクロムを５重量％含む酸化亜鉛ターゲットに電気接続を切り替えて５０Ｗの直流電力を１分間印加し、約１０ｎｍのクロムが添加された酸化亜鉛層を堆積した。その後、取り出して、１０重量％の酢酸溶液に４０秒間浸してエッチングを行った。そして、イソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄を行い、オーブンにて乾燥させた。
【００６６】
次に再び堆積膜形成装置７００を用いて、上記中間層が堆積された基板４０１上に第１の光起電力層としてｐｉｎ型非晶質Ｓｉ：Ｈ光起電力素子を以下に述べるように作製した。
【００６７】
上記と同様にして所定の条件でｎ型層を所定の層厚に堆積する。十分に排気した後、ゲートバルブ７０８、７０９を開けて基板ホルダー７２１を堆積チャンバー７０４に移動し、ゲートバルブ７０８、７０９を閉じた。
【００６８】
ヒーター７１６で基板を所定の基板温度に加熱し、所定の原料ガスを必要量導入し、所定の真空度にして、所定のＲＦエネルギーを堆積室７１７へ導入し、プラズマを発生させて基板上に非晶質Ｓｉ：Ｈ ｉ型層を所定の層厚に堆積する。チャンバー７０４を十分に排気し、ゲートバルブ７１０を開けて基板ホルダー７２１をチャンバー７０４からチャンバー７０５へ移動させた。
【００６９】
上記と同様にして所定の条件でｐ型層を所定の層厚に堆積した。
【００７０】
上記と同様にして堆積室７１９を十分に排気した後、ゲートバルブ７１１を開け、半導体層が堆積された基板４０１をセットした基板ホルダー７２１をアンロードチャンバー７０６へ移動した。
【００７１】
上記と同様にしてアンロードチャンバー７０６内から基板ホルダー７２１を取り出した。
【００７２】
次に、基板をＤＣマグネトロンスパッタ装置のアノードの表面に取り付け、ステンレス鋼のマスクで試料の周囲を遮蔽して、中央部４０ｍｍ×４０ｍｍの領域に１０重量％の酸化錫と９０重量％の酸化インジウムからなるターゲットを用いて透明電極として酸化インジウムスズをスパッタリングした。
【００７３】
堆積条件は基板温度１７０℃、不活性ガスとしてアルゴンの流量５０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）、酸素ガス０．５ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）、堆積室内の圧力３００ｍＰａ、ターゲットの単位面積当たりの投入電力量０．２Ｗ／ｃｍ２にて約１００秒で厚さが７０ｎｍとなるように堆積した。膜の厚みは、前もって同じ条件で堆積時間との関係を検量して形成することにより、所定の厚みとした。こうして作製したサンプルを「実１」とした。
【００７４】
（比較例１）
中間層の作製においてアルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。引き続き、基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて１００Ｗの直流電力を１５分間印加し、約３００ｎｍの酸化亜鉛層を堆積した。このようにして中間層を作製した以外は実施例１と同様の手順により、光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「比１」とした。
【００７５】
まず、実施例１と比較例１で中間層まで作製した中間層表面観察用サンプルを用いて、中間層の膜厚分布を評価した。表面形状の観測にはＡＦＭ（原子間力顕微鏡 セイコーインスツルメンツ製Ｎａｎｏｐｉｃｓ １０００）を用いた。平均膜厚は断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡 ＪＥＯＬ製ＪＥＭ−４０００ＥＸ）で観測し、求めた。その手順は観測した断面像より、像の明暗によって中間層部分を確定し、観測範囲で中間層の厚さを断面像より求め、平均することより算定した。膜厚分布の評価は、表面観察用のサンプルを用い、中間層をつける前のＡＦＭ像をまず観測しておき、マーキングを元に同じところの中間層表面をＡＦＭで観測する。この後、この範囲の一部の断面部分をＴＥＭで観測し、この部分の膜厚を求める。この結果と、２つのＡＦＭ像から、演算して、表面の膜厚分布を求めた。観測範囲は２０μｍ□で分解能は５１２×５１２点で行った。測定は無作為に２０箇所観測し、面内にほぼ、同一の結果が得られるのを確認した。
【００７６】
実施例１では中間層が島状の形体をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚が平均膜厚の５０％未満であった。また、最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積したクロムを含む酸化亜鉛層は除去されていることを確認した。さらに平均膜厚は３００ｎｍであった。
【００７７】
対して、比較例１では、中間層に凹凸は在るものの島状ではなく、平均膜厚の５０％未満の部分は無かった。また、平均膜厚は３００ｎｍであった。
【００７８】
こうして実施例１と比較例１で作製した計１０個のサンプルについて山下電装株式会社製のＹＳＳ−１５０を使用し、ＡＭ１．５のスペクトル、強度１００ｍＷ／ｃｍ２で光照射した状態で電流電圧特性を測定した。測定した電流電圧特性から短絡電流密度［Ｊｓｃ（ｍＡ／ｃｍ２）］、開放電圧［Ｖｏｃ（Ｖ）］、曲性因子［ＦＦ］、光電変換効率［η（％）］ を求めた。
【００７９】
試料の暗状態での電圧電流特性を測定し、原点付近の傾きからシャント抵抗［Ｒｓｈ（ＫΩｃｍ２）］を求めた。
【００８０】
これらの特性値を比較例に対する実施例の比率（実１／比１）をまとめたものを表２に示す。
【００８１】
【表２】
実１は比１に比べ、Ｊｓｃ、ＦＦ、Ｖｏｃ、Ｒｓｈのいずれも改善し、高い光電変換効率を示した。
【００８３】
さらに、信頼性試験を以下のように行った。試料を高温高湿槽に投入し、＋８５℃、相対湿度８５％に保持した。この試験中に、試料に逆バイアス−０．８５Ｖを２０時間印加し続けた。その後、取り出し、自然に十分乾燥冷却してから、電圧電流特性を測定した。各特性は初期値に対する相対値で、表３に示す。
【００８４】
【表３】
実１は、信頼性試験によって、ほとんどシャント抵抗の低下は見られなかった。一方、比１では、シャント抵抗が初期よりも低下して、主にＶｏｃ、ＦＦが低下し、光電変換効率の低下が見られた。
【００８６】
以上のことから、本発明の島状の中間層を持つ光起電力素子では欠陥が発生しても、欠陥の影響が面内方向に及ばず、初期光電変換効率が良好で、信頼性も高いことがわかった。
【００８７】
（実施例２）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力層、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力層、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子の作製条件を変えて４サンプル作製した。
【００８８】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製し、中間層の作製条件は中間層の平均膜厚をいずれも３００ｎｍのそろえるために、酸化亜鉛層の堆積時間を調整して、エッチング前の膜厚を調整し、また、酢酸水溶液の濃度とエッチング時間を調整することによって、島の周辺をなす部分の平均膜厚の異なるサンプルを得た。こうして得られたサンプルを「実２Ａ」、「実２Ｂ」、「実２Ｃ」、「実２Ｄ」とした。
【００８９】
酸化亜鉛層の堆積条件とエッチング条件を表４にまとめて示す。
【００９０】
【表４】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表５に示す。ここで、島の周辺部の平均膜厚比とは島の周辺をなす部分の平均膜厚を全平均膜厚で割ったものである。
【００９２】
【表５】
いずれのサンプルも中間層が島状の形体をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚が平均膜厚の５０％未満であった。平均膜厚はいずれのサンプルもほぼ３００ｎｍであった。いずれのサンプルも最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積したクロムを含む酸化亜鉛層は除去されていることを確認した。また、実２Ａ、実２Ｂ、実２Ｃは全面にわたって中間層が被覆していたが、実２Ｄは、一部、中間層の無い部分があった。
【００９４】
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表６に示す。結果は比較例１との相対値で示す。
【００９５】
【表６】
さらに、信頼性試験を実施例１と同様に行った。各特性は初期値に対する相対値で、表７に示す。
【００９７】
【表７】
実２Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｄは、いずれも信頼性試験によって、ほとんどシャント抵抗の低下は見られず、光電変換効率は初期の値を維持していた。
【００９９】
以上の結果から、実施例２Ｂ、２Ｃ、２Ｄは実施例２Ａよりも、よりシャント抵抗が改善し、Ｖｏｃ、ＦＦがより向上した。よって、島の周辺部の平均膜厚が全平均膜厚の２５％未満であればより高い光電変換効率を得ることができた。また、実２Ｄは、実２Ｃよりもさらに、シャント抵抗が改善し、Ｖｏｃ、ＦＦが向上したことより、島状の周辺をなす部分の一部に中間層のない部分が存在することにより、よりいっそう高い光電変換効率を得ることができた。
【０１００】
（実施例３）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力層、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力層、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子の作製条件を変えて６サンプル作製した。
【０１０１】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製し、中間層の作製条件はマスクとなるクロムが添加された酸化亜鉛層の堆積時間と堆積温度を変えることによって島の平均面積の異なるサンプルを得た。こうして得られたサンプルを「実３Ａ」、「実３Ｂ」、「実３Ｃ」、「実３Ｄ」、「実３Ｅ」、「実３Ｆ」とした。
【０１０２】
クロムが添加された酸化亜鉛層の堆積条件は表８にまとめて示す。
【０１０３】
【表８】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表９に示す。ここで島の平均面積は島の正射投影の面積合計を島の数で割ったものである。得られた膜厚分布より、島の部分の面積を計算して、島の個数で除することで、平均面積を求めた。
【０１０５】
【表９】
いずれのサンプルも中間層が島状の形体をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚が平均膜厚の５０％未満であった。平均膜厚はいずれのサンプルもほぼ３００ｎｍであった。いずれのサンプルも最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積したクロムを含む酸化亜鉛層は除去されていることを確認した。
【０１０７】
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表１０に示す。結果は比較例１との相対値で示す。
【０１０８】
【表１０】
実３Ａ，実３Ｃ，実３Ｄ，実３Ｅよりも実３Ｂと実３Ｆは若干光電変換効率が低くかった。さらに、信頼性試験を実施例１と同様に行った。各特性は初期値に対する相対値で、表１１に示す。
【０１１０】
【表１１】
実３Ａ，実３Ｂ、実３Ｃ，実３Ｄ，実３Ｅはほとんど低下しなかったが、実３Ｆは比１よりも改善されているが、若干の低下が見られた。
【０１１２】
以上結果より、島状の中間層において、島の正射投影の平均面積が５０００ｎｍ２以上で５０μｍ２以下がより好ましいことがわかった。
【０１１３】
（実施例４）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力層、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力層、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子の作製条件を変えて５サンプル作製した。
【０１１４】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製し、中間層は以下の作製手順で作製した。
【０１１５】
実施例１と同様に中間層の作製条件は中間層の平均膜厚をいずれも３００ｎｍのそろえるために、酸化亜鉛層の堆積時間を２５分とし、５００ｎｍに堆積した。引き続き、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。基板温度を室温にし、銀ターゲットに電気接続を切り替えて５０Ｗの直流電力を４０秒間印加し、６ｉｎｃｈφの２０ｎｍの銀を堆積した。その後、所定の温度に加熱することによって、金属薄膜を凝集させた。その後、取り出して、１０重量％の酢酸溶液に所定の時間、浸してエッチングを行った。そして、イソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄を行い、オーブンにて乾燥させた。
【０１１６】
こうして得られたサンプルを「実４Ａ」、「実４Ｂ」、「実４Ｃ」、「実４Ｄ」、「実４Ｅ」とした。
【０１１７】
銀薄膜の加熱処理とエッチングの条件を表１２にまとめて示す。
【０１１８】
【表１２】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表１３に示す。ここで、島状の正射投影の面積が全面積に占める割合とは島状の正射投影の面積を全面積で割ったものである。
【０１２０】
【表１３】
いずれのサンプルも中間層が島状の形体をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚が平均膜厚の５０％未満であった。平均膜厚はいずれのサンプルもほぼ３００ｎｍであった。いずれのサンプルも最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積した銀薄膜は除去されていることを確認した。
【０１２２】
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表１４に示す。結果は比較例１との相対値で示す。
【０１２３】
【表１４】
さらに、信頼性試験を実施例１と同様に行った。各特性は初期値に対する相対値で、表１５に示す。
【０１２５】
【表１５】
実４Ａ、実４Ｂ、実４Ｃ、実４Ｄは、いずれも信頼性試験によって、ほとんどシャント抵抗の低下は見られなかった。一方、実４Ｅは比１より改善されているが、若干の低下が見られた。
【０１２７】
以上結果より、島状の中間層において、島状の正射投影の面積が全面積に占める割合は３０％以上で８０％以下がより好ましいことがわかった。
【０１２８】
（実施例５）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力層、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力層、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子を作製条件の変えて、６サンプル作製した。
【０１２９】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製し、中間層の作製条件は中間層の平均膜厚を変えるために、酸化亜鉛層の堆積時間を調整して、エッチング前の膜厚を調整し、また、酢酸水溶液の濃度とエッチング時間を調整することによって、平均膜厚の異なるサンプルを得た。こうして得られたサンプルを「実５Ａ」、「実５Ｂ」、「実５Ｃ」、「実５Ｄ」、「実５Ｅ」、「実５Ｆ」とした。
【０１３０】
酸化亜鉛層の堆積条件とエッチング条件を表１６にまとめて示す。
【０１３１】
【図１６】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表１７に示す。
【０１３３】
【表１６】
いずれのサンプルも中間層の膜厚分布を評価したところ、島の周辺部分は平均膜厚の５０％未満であった。また、いずれのサンプルも最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積したクロムを含む酸化亜鉛層は除去されていることを確認した。
【０１３５】
（比較例５）
図６のような中間層のない光起電力素子を実施例１と同様の手順により、光起電力素子を作製した。こうして作製したサンプルを「比５」とした。
【０１３６】
作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表１８に示す。結果は比較例５との相対値で示す。
【０１３７】
【表１７】
さらに、信頼性試験を実施例１と同様に行った。各特性は初期値に対する相対値で、表１９に示す。
【０１３９】
【表１８】
実５Ａ、実５Ｂ、実５Ｃ、実５Ｄ、実５Ｅ、実５Ｆ、比５は、いずれも信頼性試験によって、ほとんどシャント抵抗の低下は見られなかった。
【０１４１】
分光感度特性を日本分光株式会社製のＹＱ−２５０ＢＸを使用して測定した。各積層型光起電力素子の第１の光起電力層と第２の光起電力層の分光感度特性は以下のように測定した。第１の光起電力層の分光感度特性は、積層型光起電力素子に第２の光起電力層が光照射時に発生させる起電力に見合うバイアス電圧を印加しかつ第２の光起電力素子で主に吸収される波長領域のバイアス光を照射して、分光された参照光を照射しその時の発生電流を観測することにより分光感度特性を測定した。また第２の光起電力層の分光感度特性は、第１の光起電力層と同様に、第１の光起電力層の起電力に見合うバイアス電圧を印加し、第１の光起電力層で主に吸収される波長領域のバイアス光を照射して、この状態で分光感度特性を測定した。
【０１４２】
さらにこの分光感度特性から各光起電力素子の短絡光電流を計算した。第１の光起電力層の短絡光電流は先に測定した第１の光起電力層の分光感度スペクトルに太陽光の分光強度を畳み込んで第１の光起電力層の電流値を計算した。第２の光起電力層の短絡光電流は先に測定した第２の光起電力層の分光感度スペクトルと太陽光の分光強度を畳み込んで第２の光起電力層の短絡光電流を計算した。
【０１４３】
実施例５の６個のサンプルに関して結果を比較例５に対する比率で表２０に示す。
【０１４４】
【表１９】
第１の光起電力層の短絡光電流はいずれのサンプルも比５より増加している。一方、第２の光起電力層の短絡光電流は、実５Ａ、実５Ｂ、実５Ｃ、実５Ｄは変わらないか増加しているが、実５Ｅ、実５Ｆについては、減少している。この結果から、膜厚が１０ｎｍより薄いと反射層としての効果があまり現れないことがわかる。また、平均膜厚が厚くなると、第２の光起電力層への光の透過が減ってくるために、第２の光起電力層の短絡光電流は減少してくることが分かる。さらに平均膜厚が２．０μｍを超えてくるとかなり減少してくる。
【０１４６】
以上の結果から、実５Ｂは、あまり短絡光電流が増えず、本発明の島状の中間層が設ける効果がほとんどない。また、実５Ｆは本発明の島状の中間層があるにもかかわらず、第２の光起電力層へ光の透過が減少して、素子の短絡光電流があまり増えず、本発明の島状の中間層を設ける効果があまり見られない。一方、実５Ａ、実５Ｃ、実５Ｄ、実５Ｅは短絡光電流が増え、光電変換効率が向上した。従って、中間層の平均膜厚は１０ｎｍ以上２．０μｍの範囲でより高い光電変換効率を得ることができた。
【０１４７】
（実施例６）
第１の光起電力層としてｉ層が真性非晶質Ｓｉ：Ｈのｐｉｎ型光起電力素子、第２の光起電力層としてｉ層が真性微結晶Ｓｉのｐｉｎ型光起電力素子、島状の中間層として酸化亜鉛層を用いた積層型光起電力素子の作製条件を変えて３サンプル作製した。
【０１４８】
中間層以外は実施例１と同様の条件で作製した。中間層は以下の作製手順で作製した。
【０１４９】
中間層を堆積するために市販の直流マグネトロンスパッタ装置（不図示）に設置し、圧力が１０−３Ｐａ以下になるまで排気した。
【０１５０】
その後、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。引き続き、基板温度を１５０℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて１００Ｗの直流電力を１３０分間印加し、約２６００ｎｍの酸化亜鉛層を堆積した。引き続き、アルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。基板温度を１５０℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化インジウムターゲットに電気接続を切り替えて１０Ｗの直流電力を所定の時間印加し、所定の膜厚の酸化インジウムを堆積した。
【０１５１】
その後、取り出して、所定の濃度の塩酸溶液に所定の時間浸してエッチングを行った。そして、イソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄を行い、オーブンにて乾燥させた。
【０１５２】
マスクとなる酸化インジウムの膜厚を変えて、「実６Ａ」、「実６Ｂ」「実５６」の３サンプルを得た。酸化インジウムの堆積条件とエッチング条件は表２１にまとめて示す。
【０１５３】
【表２０】
（比較例６）
中間層の作製においてアルゴンガスを３０ｃｍ３／ｍｉｎ（ｎｏｒｍａｌ）供給し、圧力を２×１０−１Ｐａに保持した。引き続き、基板温度を２００℃に加熱し、６ｉｎｃｈφの酸化亜鉛のターゲットに電気接続を切り替えて１００Ｗの直流電力を１００分間印加し、約２０００ｎｍの酸化亜鉛層を堆積した。このようにして中間層を作製した以外は実施例１と同様の手順により、光起電力素子を作製した。このサンプルを「比６」とした。
【０１５５】
中間層の膜厚分布を実施例１と同様に評価した結果を表２２に示す。ここで平均傾斜角はＡＦＭで得られた高さ情報から、面内の各点において隣り合う３点が作る平面の法線が基板の垂線となす角度を傾斜角として、面内で平均したものである。
【０１５６】
平均膜厚はいずれも２．０μｍであった。また、実６Ａ，実６Ｂ、実６Ｃのサンプルは島状の形状をしており、島状の周辺をなす部分の膜厚は平均膜厚の５０％以下であった。比６のサンプルは、凹凸は在るが島状の形状をしていなかった。実６Ａ，実６Ｂ、実６Ｃのサンプルは最大の膜厚がスパッタで堆積した膜厚よりも薄くなっていることより、マスクの用途で堆積した酸化インジウムは除去されていることを確認した。
【０１５７】
【表２１】
次に、作製した光電変換素子の電流電圧特性を実施例１と同様に測定した。その結果を表２３に示す。結果は比較例６との相対値で示す。
【０１５９】
【表２２】
実６Ｃと実６Ｂは比６よりも短絡光電流が増えているが、実６Ａはほとんど増えていない。この結果より、光入射側の面の凹凸の平均傾斜角がその反対側の面の凹凸の平均傾斜角よりも大きいことことにより光電変換効率が向上していることがわかった。
【０１６１】
また、分光感度特性を実施例５と同様に測定し、第１の光起電力層の短絡光電流と第２の光起電力層の短絡光電流を求めた。
【０１６２】
実施例６の３個のサンプル関して、結果を比較例６に対する比率で表２４に示す。
【０１６３】
【表２３】
実６Ｃと実６Ｂは比６よりも第１の光起電力層の短絡光電流と第２の光起電力層の短絡光電流が増えているが、実６Ａはほとんど増えていない。
【０１６５】
以上の結果より、光入射側の面の凹凸の平均傾斜角がその反対側の面の凹凸の平均傾斜角よりも大きいことことにより、光の散乱が増えて光起電力層での吸収が増え、短絡光電流の増加により光電変換効率が向上していることがわかった。
【０１６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、積層型光起電力素子において島状の中間層を設けることによって、短絡光電流が増え、かつ、光起電力層に発生した欠陥の影響を低減し、良好な開放電圧、曲線因子が得られる。よって、高い光電変換効率が得られる。また、容易に欠陥の影響が低減できるので製造する上で、コストが低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】島状の中間層の概念を示す模式図である。
【図２】同じ凹凸であるが平均膜厚が厚い場合の中間層の概念図である。
【図３】光起電力層に欠陥が存在する場合の漏れ電流の経路の模式図である。
【図４】本発明の積層型光起電力素子の一実施形態の断面構造を模式的に示す概略図である。
【図５】本発明の積層型光起電力素子の他の一実施形態の断面構造を模式的に示す概略図である。
【図６】中間層を備えていない以外は本発明の積層型光起電力素子同じ構成の積層型光起電力素子の断面構造を模式的に示す概略図である。
【図７】本発明の積層型光起電力素子の半導体層を堆積するために好適な装置の一形態を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１ 島の境界
１０２ 島
１０３ 島の周辺をなす部分
１０４ 島状の中間層
１０５ 光起電力層
１０６ 平均膜厚の５０％のライン
２０１ 中間層
２０２ 光起電力層
２０３ 平均膜厚の５０％のライン
３０１ 島状の中間層
３０２ 光起電力層
３０３ 欠陥
３０４ 島の周辺をなす部分
３０５ 島
３０６ 漏れ電流
４０２ 反射層
４０３ 第２の光起電力層
４０４ 中間層
４０５ 第１の光起電力層素子
４０６ 透明電極
５０１ 基板
５０２ 反射層
５０３ 第２の光起電力層
５０４ 中間層
５０５ 第１の光起電力層
５０６ 透明電極
６０１ 基板
６０２ 反射層
６０３ 第２の光起電力層
６０４ 第１の光起電力層素子
６０５ 透明電極
７０１ ロードチャンバー
７０２ ｎ層チャンバー
７０３ 微結晶ｉ層チャンバー
７０４ 非晶質ｉ層チャンバー
７０５ ｐ層チャンバー
７０６ アンロード室
７０７、７０８、７０９、７１０、７１１ ゲートバルブ
７１２ 微結晶ｉ層基板加熱用ヒーター
７１３ 微結晶ｉ層プラズマＣＶＤ室
７１４ ｎ層基板加熱用ヒーター
７１５ ｎ層プラズマＣＶＤ室
７１６ 非晶質ｉ層基板加熱用ヒーター
７１７ ｉ層プラズマＣＶＤ室
７１８ ｐ層基板加熱用ヒーター
７１９ ｐ層プラズマＣＶＤ室
７２０ ホルダー搬送レール
７２１ 基板ホルダー
Claims (12)
- ＰＮ接合、または、ＰＩＮ接合を含む光起電力層を複数積層した光起電力素子であって、少なくとも一つの半導体層界面に島状の中間層を設けることを特徴とする光起電力素子。
- 前記島状の中間層において、実質的に島状の周辺をなす部分の膜厚が平均膜厚の５０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の積層型光起電力素子。
- 前記島状の中間層において、実質的に島状の周辺をなす部分の平均膜厚が全平均膜厚の２５％未満であることを特徴とする請求項２に記載の積層型光起電力素子。
- 前記島状の中間層において、実質的に島状の正射投影の平均面積は５×１０３ｎｍ２以上５×１０７ｎｍ２以下であることを特徴とする請求項２に記載の積層型光起電力素子。
- 前記島状の中間層において、実質的に島状の正射投影の面積が全面積に占める割合は３０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の積層型光起電力素子。
- 前記島状の中間層において、実質的に島状の周辺をなす部分の一部に中間層のない部分が存在することを特徴とする請求項２に記載の積層型光起電力素子。
- 前記島状の中間層の平均膜厚は１０ｎｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６に記載の積層型光起電力素子。
- 前記島状の中間層において、光入射側の面の凹凸の平均傾斜角はその反対側の面の凹凸の平均傾斜角よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至７に記載の積層型光起電力素子。
- 前記島状の中間層は金属酸化物よりなることを特徴とする請求項１乃至８に記載の積層型光起電力素子。
- 前記光起電力層は少なくとも一部が非単結晶シリコン系半導体よりなることを特徴とする請求項１乃至９に記載の積層型光起電力素子。
- 前記光起電力層はアモルファスシリコン系半導体よりなる層を含むことを特徴とする請求項１乃至９に記載の積層型光起電力素子。
- 前記光起電力層は微結晶シリコン系半導体よりなる層を含むことを特徴とする請求項１乃至９に記載の積層型光起電力素子。
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