JP2004296776A - 光起電力素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低い直列抵抗成分および高い開放電圧Ｖｏｃを維持しつつ、高い曲線因子Ｆ．Ｆ．を得ることができる光起電力素子を提供する。
【解決手段】ｎ型単結晶シリコン基板１の主面（表側の面）上にｉ型非晶質シリコン膜２およびｐ型非晶質シリコン膜３が順に形成されている。ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面には、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７が順に形成されている。ｉ型非晶質シリコン膜２には、厚さ方向の一部の領域にＢ（ボロン）が導入されることによりＢ導入層２１が形成されている。それにより、ｉ型非晶質シリコン膜２は、Ｂが導入されていない層にＢ導入層２１が挟まれた３層構造となっている。
【選択図】 図１
【解決手段】ｎ型単結晶シリコン基板１の主面（表側の面）上にｉ型非晶質シリコン膜２およびｐ型非晶質シリコン膜３が順に形成されている。ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面には、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７が順に形成されている。ｉ型非晶質シリコン膜２には、厚さ方向の一部の領域にＢ（ボロン）が導入されることによりＢ導入層２１が形成されている。それにより、ｉ型非晶質シリコン膜２は、Ｂが導入されていない層にＢ導入層２１が挟まれた３層構造となっている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体接合を用いた光起電力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との接合を有する光起電力素子が開発されている。このような光起電力素子において、光電変換効率を向上させるためには、高い短絡電流Ｉｓｃおよび開放電圧Ｖｏｃを維持しつつ曲線因子Ｆ．Ｆ．を向上させる必要がある。
【０００３】
しかしながら、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との接合部においては、界面準位が多数存在するため、キャリアの再結合が発生し、開放電圧Ｖｏｃが低下する。
【０００４】
そこで、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との接合部におけるキャリア再結合を抑制するために、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン膜（ｉ型非晶質シリコン膜）が挿入されたＨＩＴ（真性薄膜を有するヘテロ接合：Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｔｈｉｎ−Ｌａｙｅｒ）構造を有する光起電力素子が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２６１４５６１号公報
【特許文献２】
特開２００１−３４５４６３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のＨＩＴ構造を有する光起電力素子では、ｉ型非晶質シリコン膜によりｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との接合部の界面特性が改善される。これをパッシベーション効果と呼ぶ。
【０００７】
高い開放電圧Ｖｏｃを維持しつつより高い曲線因子Ｆ．Ｆ．を得るためには、ｉ型非晶質シリコン膜を厚くすることによりパッシベーション効果を高めることが考えられる。しかしながら、ｉ型非晶質シリコン膜を厚くすると、ｉ型非晶質シリコン膜により吸収される光の量が増加し、光電変換層である単結晶シリコン基板に入射する光の量が減少するため短絡電流Ｉｓｃの低下が起こる。さらに、ｉ型非晶質シリコン膜による直列抵抗成分が増加し、曲線因子Ｆ．Ｆ．の低下も生じる結果、高い光電変換効率を得ることができない。
【０００８】
本発明の目的は、低い直列抵抗成分および高い開放電圧を維持しつつ、高い曲線因子を得ることができる光起電力素子およびその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本明細書中における結晶系半導体には単結晶半導体および多結晶半導体が含まれるものとし、非晶質系半導体には非晶質半導体および微結晶半導体が含まれるものとする。
【００１０】
本発明に係る光起電力素子は、結晶系半導体と、第１の非晶質系半導体膜と、第２の非晶質系半導体膜とを順に備え、第１の非晶質系半導体膜は一導電型を示す不純物を含有し、第２の非晶質系半導体膜は一導電型を示す不純物を含有し、第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ不純物の濃度の減少率が部分的に低下した後に増加するものである。
【００１１】
本発明に係る光起電力素子においては、結晶系半導体と一導電型の第２の非晶質系半導体膜との間に低い不純物濃度の領域を有する第１の非晶質系半導体膜が存在する。それにより、結晶系半導体と一導電型の第２の非晶質系半導体膜との接合部における界面特性が改善されるので、高い開放電圧を維持することができる。また、第１の非晶質系半導体膜において、不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ、不純物の濃度の減少率が部分的に低下した後に増加するそれにより、結晶系半導体と第２の非晶質系半導体膜との間の直列抵抗成分が増加することなく曲線因子が増加する。したがって、高い光電変換効率が得られる。
【００１２】
結晶系半導体は、第２の非晶質系半導体膜とは異なる導電型を示してもよい。この場合、結晶系半導体と第１の非晶質系半導体膜との間にｐｎ接合が形成され、キャリアの取り出しが効率よく行われる。
【００１３】
第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度の減少率が低下する部分の不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜の不純物の濃度よりも低いことが好ましい。この場合、第１の非晶質系半導体膜中に電位差が生じるのでキャリアの取り出しを効率よく行うことができ、高い短絡電流を維持することができる。
【００１４】
第１の非晶質半導体膜における不純物の濃度の減少率が低下する部分の不純物の濃度は５×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３ 以下であってもよい。この場合、第１の非晶質系半導体膜中に電位差が生じ、直列抵抗成分の増加が抑制され、高い短絡電流を維持することができる。
【００１５】
本発明に係る光起電力素子の製造方法は、結晶系半導体上に第１の非晶質系半導体膜を形成するとともに前記第１の非晶質系半導体膜の厚さ方向における一部の領域に一導電型を示す不純物をドープし、第１の非晶質系半導体膜上に第２の非晶質系半導体膜を形成するとともに第２の非晶質半導体膜に一導電型を示す不純物をドープし、第１の非晶質系半導体膜中の一部の領域における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜中の不純物の濃度よりも低くするものである。
【００１６】
本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、結晶系半導体と一導電型の第２の非晶質系半導体膜との間に低い不純物濃度の領域を有する第１の非晶質系半導体膜が形成される。それにより、結晶系半導体と一導電型の第２の非晶質系半導体膜との接合部における界面特性が改善されるので、高い開放電圧を維持することができる。また、第１の非晶質系半導体膜において、不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ部分的に減少率が低下するとともに、第１の非晶質系半導体膜中の一部の領域における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜中の不純物の濃度よりも低くなるように第１の非晶質半導体膜および第２の非晶質半導体膜が形成される。それにより、結晶系半導体と第２の非晶質系半導体膜との間の直列抵抗成分が増加することなく曲線因子が増加する。したがって、高い光電変換効率が得られる。
【００１７】
処理室内でプラズマ化学蒸着法により第１の非晶質系半導体膜を形成するとともに処理室内に一導電型を示す不純物を含むドーパントガスを導入することにより第１の非晶質系半導体膜の厚さ方向における一部の領域に一導電型を示す不純物をドープし、処理室内でプラズマ化学蒸着法により第２の非晶質系半導体膜を形成するとともに処理室内に一導電型を示す不純物を含むドーパントガスを導入することにより第２の非晶質系半導体膜に一導電型を示す不純物をドープし、第２の非晶質系半導体膜に一導電型の不純物をドープする際のドーパントガスの流量に対する第１の非晶質系半導体膜の厚さ方向における一部の領域に一導電型を示す不純物をドープする際のドーパントガスの流量の比が０．０５〜０．５の範囲であってもよい。
【００１８】
この場合、第１の非晶質系半導体膜において、不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ部分的に減少率が低下するとともに、第１の非晶質系半導体膜中の一部の領域における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜中の不純物の濃度よりも低くなるように第１の非晶質系半導体膜および第２の非晶質系半導体膜が形成される。それにより、結晶系半導体と第２の非晶質系半導体膜との間の直列抵抗成分が増加せずに曲線因子が増加する。
【００１９】
第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ、不純物の濃度の減少率が部分的に低下した後に増加するように不純物をドープしてもよい。
【００２０】
この場合、結晶系半導体と第２の非晶質系半導体膜との直列抵抗成分が増加することなく曲線因子が増加する。したがって、高い光電変換効率が得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。
図１に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の主面（表側の面）上にｉ型非晶質シリコン膜２（ノンドープ非晶質シリコン膜）およびｐ型非晶質シリコン膜３が順に形成されている。ｐ型非晶質シリコン膜３上に表面電極４が形成され、表面電極４上にくし形の集電極５が形成されている。ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面には、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７が順に形成されている。ｎ型非晶質シリコン膜７上に裏面電極８が形成され、裏面電極８上にくし形の集電極９が形成されている。図１の光起電力素子では、ｎ型単結晶シリコン基板１が主たる発電層となる。
【００２３】
ｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚は５０〜２００Åであることが好ましく、例えば１００Åである。ｉ型非晶質シリコン膜２には、厚さ方向の一部の領域にｐ型不純物としてＢ（ボロン）がドープされることによりＢ導入層２１が形成されている。それにより、ｉ型非晶質シリコン膜２は、Ｂがドープされていない層にＢ導入層２１が挟まれた３層構造となっている。
【００２４】
Ｂ導入層２１の膜厚は、例えば、ｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚の２５％程度である。また、Ｂ導入層２１中のＢ濃度は、５×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３ 以下であることが好ましく、１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３ 〜５×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３ の範囲であることがより好ましい。
【００２５】
表面電極４および裏面電極８は、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＳｎＯ２ （酸化錫）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等からなる透明電極である。集電極５，９は、Ａｇ（銀）等からなる。
【００２６】
本実施の形態の光起電力素子は、ｐｎ接合特性を改善するためにｎ型単結晶シリコン基板１とｐ型非晶質シリコン膜３との間にｉ型非晶質シリコン膜２を設けたＨＩＴ構造を有するとともに、裏面でのキャリア再結合を防止するためにｎ型単結晶シリコン基板１の裏面にｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７を設けたＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）構造を有する。
【００２７】
次に、図１の光起電力素子の製造方法を説明する。まず、洗浄したｎ型単結晶シリコン基板１を真空チャンバ内で加熱する。それにより、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面に付着した水分が除去される。その後、真空チャンバ内にＨ２（水素）ガスを導入して、プラズマ放電によりｎ型単結晶シリコン基板１表面のクリーニングを行う。
【００２８】
次に、真空チャンバ内にＳｉＨ４ （シラン）ガスおよびＨ２ ガスを導入し、プラズマＣＶＤ（化学蒸着）法によりｎ型単結晶シリコン基板１の主面上にｉ型非晶質シリコン膜２を形成する。Ｈ２ 希釈したＢ２ Ｈ６ （ジボラン）ガスは、Ｂ導入層２１を形成する際に導入する。続いて、真空チャンバ内にＳｉＨ４ ガス、Ｈ２ ガスおよびＢ２ Ｈ６ ガスを導入して、ｉ型非晶質シリコン膜２上にプラズマＣＶＤ法によりｐ型非晶質シリコン膜３を形成する。
【００２９】
次いで、真空チャンバ内にＳｉＨ４ ガスおよびＨ２ ガスを導入して、プラズマＣＶＤ法によりｎ型単結晶シリコン基板１の裏面にｉ型非晶質シリコン膜６を形成する。続いて、真空チャンバ内にＳｉＨ４ ガス、Ｈ２ ガスおよびＰＨ３ （ホスフィン）ガスを導入して、ｉ型非晶質シリコン膜６上にプラズマＣＶＤ法によりｎ型非晶質シリコン膜７を形成する。
【００３０】
次に、スパッタリング法により、ｐ型非晶質シリコン膜３上に表面電極４を形成し、ｎ型非晶質シリコン膜７上に裏面電極８を形成する。さらに、スクリーン印刷法により、表面電極４上に集電極５を形成し、裏面電極８上に集電極９を形成する。
【００３１】
本実施の形態の光起電力素子においては、ｉ型非晶質シリコン膜２を有することによりｎ型単結晶シリコン基板１とｐ型非晶質シリコン膜３との間でのキャリア再結合の抑制効果が高まる。また、Ｂ導入層２１を有することにより直列抵抗成分が減少する。したがって、高い開放電圧Ｖｏｃおよび高い曲線因子Ｆ．Ｆ．が得られる。その結果、光電変換効率が向上する。
【００３２】
なお、本実施の形態のＢ導入層２１はプラズマＣＶＤ法により形成したがそれに限られない。例えば、プラズマＣＶＤ法によりｉ型非晶質シリコン膜２を形成した後に、イオン注入法またはプラズマイオン注入法によりｉ型非晶質シリコン膜２にＢを導入してＢ導入層２１を形成してもよい。
【００３３】
また、本実施の形態のｉ型非晶質シリコン膜２には不純物としてＢをドープしたＢ導入層２１を形成したが、それに限られない。例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）等のＩＩＩ 族元素を不純物としてドープした導入層を形成してもよい。また、ｎ型単結晶シリコン基板１の代わりにｎ型多結晶シリコン基板を用いてもよい。ｉ型非晶質シリコン膜２、ｐ型非晶質シリコン膜３、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７が微結晶シリコンを含んでもよい。
【００３４】
また、本実施の形態のｎ型単結晶シリコン基板１、ｉ型非晶質シリコン膜２、ｐ型非晶質シリコン膜３、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７の代わりに、例えば、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）等のような他のＩＶ族元素を用いてもよい。
【００３５】
さらに、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面側のｉ型非晶質シリコン膜６に不純物導入層を設けてもよい。この場合には、不純物としてＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）等のＶ族元素をドープする。
【００３６】
また、本実施の形態の光起電力素子においては、ｎ型単結晶シリコン基板１の表裏面に膜を形成しているがそれに限られない。例えば、ｐ型単結晶シリコン基板の主面にｉ型非晶質シリコン膜およびｎ型非晶質シリコン膜を形成し、裏面にはｉ型非晶質シリコン膜およびｐ型非晶質シリコン膜を形成し、ｐ型単結晶シリコン基板の主面側のｉ型非晶質シリコン膜の一部にＮ、Ｐ、Ａｓ等のＶ族元素をドープした層を形成してもよい。
【００３７】
さらに、本発明は、図１に示す光起電力素子の構造に限定されず、他の種々の構造を有する光起電力素子に適用することができる。例えば、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面のｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７を設けなくてもよい。
【００３８】
本実施の形態では、ｎ型単結晶シリコン基板１が結晶系半導体に相当し、ｉ型非晶質シリコン膜２が第１の非晶質半導体膜に相当し、ｐ型非晶質シリコン膜３が第２の非晶質半導体膜に相当する。
【００３９】
【実施例】
以下の実施例１〜８では、上記実施の形態の方法で図１の構造を有する光起電力素子を作製し、出力特性を測定した。実施例１〜８の光起電力素子の作製条件を表１に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１に示すように、Ｂ導入層２１を形成する際にはＨ２ ガス希釈したＢ２ Ｈ６ガスを用い、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ の濃度を１％以下にした。なお、Ｂ２ Ｈ６ ガスの濃度を変化させても、水素希釈率は一定とする。
【００４２】
（実施例１〜４）
実施例１〜４では、図１のＢ導入層２１を形成する際に導入するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を変えて光起電力素子を作製し、Ｂ２ Ｈ６ ガスの濃度が開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘに及ぼす影響を調べた。以下、実験方法および実験結果について説明する。
【００４３】
図２は、実施例１〜４の光起電力素子におけるＢ導入層２１形成時のＢ２ Ｈ６流量比およびＢ導入層２１の位置を示す図である。図２の縦軸はＢ２ Ｈ６ 流量比を示し、横軸は膜厚方向の位置を示す。
【００４４】
ここで、Ｂ２ Ｈ６ 流量比とは、ｐ型非晶質シリコン膜３の形成時に導入するＢ２ Ｈ６ ガスの流量に対するＢ導入層２１の形成時に導入するＢ２ Ｈ６ ガスの流量の比である。
【００４５】
実施例１では、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を１％に調整した。したがって、Ｂ導入層２１の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度は図１のｐ型非晶質シリコン膜３の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度と等しく、Ｂ２ Ｈ６ 流量比は１である。
【００４６】
実施例２では、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を０．５％に調整した。したがって、Ｂ導入層２１の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度はｐ型非晶質シリコン膜３の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度の０．５倍であり、Ｂ２ Ｈ６ 流量比は０．５である。
【００４７】
実施例３では、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を１×１０−２％に調整した。したがって、Ｂ導入層２１の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度はｐ型非晶質シリコン膜３の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度の０．０１倍であり、Ｂ２ Ｈ６ 流量比は０．０１である。
【００４８】
実施例４では、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を０．５×１０−２％に調整した。したがって、Ｂ導入層２１の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度はｐ型非晶質シリコン膜３の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度の０．００５倍であり、Ｂ２ Ｈ６ 流量比は０．００５である。
【００４９】
実施例１〜４において、Ｂ導入層２１の膜厚は２５Åで一定であり、ｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚は１００Åで一定である。また、Ｂ導入層２１は、ｉ型非晶質シリコン膜２中においてｐ型非晶質シリコン膜３との界面から膜厚方向に１２．５Å〜３７．５Å離れた範囲内に位置する。
【００５０】
（比較例）
比較例では、Ｈ２ 希釈したＢ２ Ｈ６ ガスを導入せずにｉ型非晶質シリコン膜２を形成した点を除いて実施例１〜４と同様の条件および方法で光起電力素子を作製した。したがって、比較例におけるｉ型非晶質シリコン膜２はＢ導入層２１を含まない。
【００５１】
（評価１）
実施例１〜４および比較例の光起電力素子の出力特性を測定した。表２に実施例１〜４および比較例の光起電力素子の出力特性の測定結果を示す。表２においては、実施例１〜４の光起電力素子における開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘの測定結果を比較例の光起電力素子における測定結果を１．０００として規格化し、規格化した開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘを示している。
【００５２】
【表２】
【００５３】
表２に示すように、実施例１の光起電力素子では、比較例の光起電力素子に比較して、開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘが低下した。
【００５４】
実施例２の光起電力素子では、開放電圧Ｖｏｃおよび短絡電流Ｉｓｃは若干低下したが、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘは向上した。特に、曲線因子Ｆ．Ｆ．が大幅に向上した。
【００５５】
実施例３の光起電力素子では、比較例の光起電力素子に比較して、開放電圧Ｖｏｃおよび短絡電流Ｉｓｃにほとんど変化は見られなかったが、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘが向上した。特に、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘが大幅に向上した。実施例４の光起電力素子では、比較例の光起電力素子に比較して、変化がほとんど見られなかった。
【００５６】
実施例１の光起電力素子における開放電圧Ｖｏｃの低下は、Ｂ導入層２１のＢ濃度が高くなるとキャリアの再結合抑制効果が低下していくことが原因であると考えられる。また、短絡電流Ｉｓｃの低下は、Ｂの導入による再結合準位が増加したためだと考えられる。さらに、Ｂ導入層２１のＢ濃度が高くなるとｐ型非晶質シリコン膜３とＢ導入層２１との間の電位差が小さくなり、電流が流れにくくなり直列抵抗成分が大きくなったと考えられる。
【００５７】
実施例２および３の光起電力素子においては、直列抵抗成分の低下によると考えられる曲線因子Ｆ．Ｆ．の向上が見られている。
【００５８】
実施例４の光起電力素子においては、曲線因子Ｆ．Ｆ．の向上があまり見られていない。これは、Ｂ濃度が低いためにＢの影響を受ける実効的なＢ導入層２１が形成されなかったためであると考えられる。
【００５９】
以上のことから、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘを向上させるには、ｐ型非晶質シリコン膜３形成時のＢ２ Ｈ６ ガス流量に対してＢ導入層２１形成時のＢ２ Ｈ６ ガス流量の比を０．０５〜０．５とすることが好ましい。
【００６０】
（実施例５）
ｉ型非晶質シリコン膜２中におけるＢ濃度の分布をＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により測定した。以下、図３および図４を用いてｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度の分布について説明する。
【００６１】
図３は、実施例５のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度を示す図である。
図３の縦軸はＢ濃度比を示し、横軸は膜厚方向の位置を示す。ここで、Ｂ濃度比とは、ｐ型非晶質シリコン膜３中のＢ濃度に対するｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度の比である。
【００６２】
実施例５のｉ型非晶質シリコン膜２の形成条件は、図２の実施例２と同様である。ＳＩＭＳ分析の精度を向上させるために、ｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚は１６０Åとし、Ｂ導入層２１の膜厚はその２５％である４０Åとした。ｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比の測定結果を、図３中に実線で示す。なお、破線は比較例のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比を示している。
【００６３】
膜厚０Åの位置は、ｐ型非晶質シリコン膜３中のある深さを示す。膜厚２０Åの位置は、ｐ型非晶質シリコン膜３とｉ型非晶質シリコン膜２との境界である。図示していないが、膜厚１８０Åの位置にはｉ型非晶質シリコン膜２とｎ型単結晶シリコン基板１との境界が存在する。
【００６４】
比較例のｉ型非晶質シリコン膜２では、Ｂ濃度比はｐ型非晶質シリコン膜３側からｎ型単結晶シリコン基板１側へ膜厚方向に単調に減少している。
【００６５】
実施例５のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比は、比較例のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比と同様にｐ型非晶質シリコン膜３側からｎ型単結晶シリコン基板１側へ膜厚方向に単調に減少しているが、途中で傾きが緩やかになっている部分が見られた。そこで、この部分を詳しく調べるために、図３の実線で表されるＢ濃度比を２回微分した。
【００６６】
図４は、図３の実線で表されるＢ濃度比を２回微分した曲線を示す図である。
縦軸は２回微分したＢ濃度比を示し、横軸は膜厚方向の位置を示す。図５に示すように、２回微分したＢ濃度比はｐ型非晶質シリコン膜３側からｎ型単結晶シリコン基板１側へ膜厚方向に減少しつつも、膜厚方向の位置１００Å付近で極大点Ｓを有する。したがって、実施例５のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比は単調に減少しているが、Ｂ導入層２１においては、Ｂ濃度比の減少率が低下していることがわかった。また、図４の極大点ＳにおけるＢ濃度は、５×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３ であった。
【００６７】
以上のように、ｉ型非晶質シリコン膜２中にＢ導入層２１を形成し、ｐ型非晶質シリコン膜３とＢ導入層２１との間に電位差が生じる程度にＢ導入層２１中のＢ濃度を調整することで、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘが向上することがわかった。
【００６８】
（実施例６〜８）
実施例６〜８では、ｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ導入層２１の位置を変えて光起電力素子を作製し、Ｂ導入層２１の位置が開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘに及ぼす影響を調べた。以下、実験方法および実験結果について説明する。
【００６９】
図５は、実施例６〜８のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ導入層２１の位置を示す図である。
【００７０】
図５のＸは、ｐ型非晶質シリコン膜３側のＢを含まないｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚を示す。Ｙは、Ｂ導入層２１の膜厚を示す。Ｚは、ｎ型単結晶シリコン基板１側のＢを含まないｉ型非晶質シリコン膜の膜厚を示す。
【００７１】
図５（ａ）に示す実施例６ではＸ：Ｙ：Ｚ＝１：２：５であり、図５（ｂ）に示す実施例７ではＸ：Ｙ：Ｚ＝２：２：４であり、図５（ｄ）に示す実施例８ではＸ：Ｙ：Ｚ＝３：２：３である。
【００７２】
各実施例６〜８において、Ｂ導入層２１の膜厚は２５Åで一定であり、ｉ型非晶質シリコン膜２全体の膜厚は１００Åで一定である。ｉ型非晶質シリコン膜２を形成する際にＨ２ガス希釈したＢ２ Ｈ６ ガスを導入するタイミングを変化させることにより、Ｂ導入層２１の位置を変化させた。Ｈ２ ガス希釈したＢ２ Ｈ６ ガスの濃度は０．０１％である。
【００７３】
（評価２）
実施例６〜８および比較例の光起電力素子の出力特性を測定した。表３に実施例６〜８および比較例の光起電力素子の出力特性の測定結果を示す。表３においては、実施例６〜８の光起電力素子における開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘの測定結果を比較例の光起電力素子における測定結果を１．０００として規格化し、規格化した開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘを示している。
【００７４】
【表３】
【００７５】
表３に示すように、実施例６〜８のいずれにおいても、開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘにあまり変化は見られず、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘは比較例に比較して高い値を維持した。
【００７６】
以上のことから、ｉ型非晶質シリコン膜２中におけるＢ導入層２１の位置は、開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘに大きな影響を及ぼさないものと考えられる。
【００７７】
評価１および評価２より、図１のｉ型非晶質シリコン膜２中にＢ導入層２１を形成し、Ｂ導入層２１中におけるＢ濃度をｐ型非晶質シリコン膜３中のＢ濃度以下とすることで、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘの向上に伴う光電変換効率の向上が見られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。
【図２】実施例１〜４の光起電力素子におけるＢ導入層形成時のＢ２ Ｈ６ 流量比およびＢ導入層の位置を示す図である。
【図３】実施例５のｉ型非晶質シリコン膜中のＢ濃度を示す図である。
【図４】図３の実線で表されるＢ濃度比を２回微分した曲線を示す図である。
【図５】図５は、実施例６〜８のｉ型非晶質シリコン膜中のＢ導入層の位置を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ型単結晶シリコン基板
２，６ ｉ型非晶質シリコン膜
３ ｐ型非晶質シリコン膜
７ ｎ型非晶質シリコン膜
２１ Ｂ導入層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体接合を用いた光起電力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との接合を有する光起電力素子が開発されている。このような光起電力素子において、光電変換効率を向上させるためには、高い短絡電流Ｉｓｃおよび開放電圧Ｖｏｃを維持しつつ曲線因子Ｆ．Ｆ．を向上させる必要がある。
【０００３】
しかしながら、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との接合部においては、界面準位が多数存在するため、キャリアの再結合が発生し、開放電圧Ｖｏｃが低下する。
【０００４】
そこで、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との接合部におけるキャリア再結合を抑制するために、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン膜（ｉ型非晶質シリコン膜）が挿入されたＨＩＴ（真性薄膜を有するヘテロ接合：Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｔｈｉｎ−Ｌａｙｅｒ）構造を有する光起電力素子が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２６１４５６１号公報
【特許文献２】
特開２００１−３４５４６３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来のＨＩＴ構造を有する光起電力素子では、ｉ型非晶質シリコン膜によりｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との接合部の界面特性が改善される。これをパッシベーション効果と呼ぶ。
【０００７】
高い開放電圧Ｖｏｃを維持しつつより高い曲線因子Ｆ．Ｆ．を得るためには、ｉ型非晶質シリコン膜を厚くすることによりパッシベーション効果を高めることが考えられる。しかしながら、ｉ型非晶質シリコン膜を厚くすると、ｉ型非晶質シリコン膜により吸収される光の量が増加し、光電変換層である単結晶シリコン基板に入射する光の量が減少するため短絡電流Ｉｓｃの低下が起こる。さらに、ｉ型非晶質シリコン膜による直列抵抗成分が増加し、曲線因子Ｆ．Ｆ．の低下も生じる結果、高い光電変換効率を得ることができない。
【０００８】
本発明の目的は、低い直列抵抗成分および高い開放電圧を維持しつつ、高い曲線因子を得ることができる光起電力素子およびその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本明細書中における結晶系半導体には単結晶半導体および多結晶半導体が含まれるものとし、非晶質系半導体には非晶質半導体および微結晶半導体が含まれるものとする。
【００１０】
本発明に係る光起電力素子は、結晶系半導体と、第１の非晶質系半導体膜と、第２の非晶質系半導体膜とを順に備え、第１の非晶質系半導体膜は一導電型を示す不純物を含有し、第２の非晶質系半導体膜は一導電型を示す不純物を含有し、第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ不純物の濃度の減少率が部分的に低下した後に増加するものである。
【００１１】
本発明に係る光起電力素子においては、結晶系半導体と一導電型の第２の非晶質系半導体膜との間に低い不純物濃度の領域を有する第１の非晶質系半導体膜が存在する。それにより、結晶系半導体と一導電型の第２の非晶質系半導体膜との接合部における界面特性が改善されるので、高い開放電圧を維持することができる。また、第１の非晶質系半導体膜において、不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ、不純物の濃度の減少率が部分的に低下した後に増加するそれにより、結晶系半導体と第２の非晶質系半導体膜との間の直列抵抗成分が増加することなく曲線因子が増加する。したがって、高い光電変換効率が得られる。
【００１２】
結晶系半導体は、第２の非晶質系半導体膜とは異なる導電型を示してもよい。この場合、結晶系半導体と第１の非晶質系半導体膜との間にｐｎ接合が形成され、キャリアの取り出しが効率よく行われる。
【００１３】
第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度の減少率が低下する部分の不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜の不純物の濃度よりも低いことが好ましい。この場合、第１の非晶質系半導体膜中に電位差が生じるのでキャリアの取り出しを効率よく行うことができ、高い短絡電流を維持することができる。
【００１４】
第１の非晶質半導体膜における不純物の濃度の減少率が低下する部分の不純物の濃度は５×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３ 以下であってもよい。この場合、第１の非晶質系半導体膜中に電位差が生じ、直列抵抗成分の増加が抑制され、高い短絡電流を維持することができる。
【００１５】
本発明に係る光起電力素子の製造方法は、結晶系半導体上に第１の非晶質系半導体膜を形成するとともに前記第１の非晶質系半導体膜の厚さ方向における一部の領域に一導電型を示す不純物をドープし、第１の非晶質系半導体膜上に第２の非晶質系半導体膜を形成するとともに第２の非晶質半導体膜に一導電型を示す不純物をドープし、第１の非晶質系半導体膜中の一部の領域における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜中の不純物の濃度よりも低くするものである。
【００１６】
本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、結晶系半導体と一導電型の第２の非晶質系半導体膜との間に低い不純物濃度の領域を有する第１の非晶質系半導体膜が形成される。それにより、結晶系半導体と一導電型の第２の非晶質系半導体膜との接合部における界面特性が改善されるので、高い開放電圧を維持することができる。また、第１の非晶質系半導体膜において、不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ部分的に減少率が低下するとともに、第１の非晶質系半導体膜中の一部の領域における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜中の不純物の濃度よりも低くなるように第１の非晶質半導体膜および第２の非晶質半導体膜が形成される。それにより、結晶系半導体と第２の非晶質系半導体膜との間の直列抵抗成分が増加することなく曲線因子が増加する。したがって、高い光電変換効率が得られる。
【００１７】
処理室内でプラズマ化学蒸着法により第１の非晶質系半導体膜を形成するとともに処理室内に一導電型を示す不純物を含むドーパントガスを導入することにより第１の非晶質系半導体膜の厚さ方向における一部の領域に一導電型を示す不純物をドープし、処理室内でプラズマ化学蒸着法により第２の非晶質系半導体膜を形成するとともに処理室内に一導電型を示す不純物を含むドーパントガスを導入することにより第２の非晶質系半導体膜に一導電型を示す不純物をドープし、第２の非晶質系半導体膜に一導電型の不純物をドープする際のドーパントガスの流量に対する第１の非晶質系半導体膜の厚さ方向における一部の領域に一導電型を示す不純物をドープする際のドーパントガスの流量の比が０．０５〜０．５の範囲であってもよい。
【００１８】
この場合、第１の非晶質系半導体膜において、不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ部分的に減少率が低下するとともに、第１の非晶質系半導体膜中の一部の領域における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜中の不純物の濃度よりも低くなるように第１の非晶質系半導体膜および第２の非晶質系半導体膜が形成される。それにより、結晶系半導体と第２の非晶質系半導体膜との間の直列抵抗成分が増加せずに曲線因子が増加する。
【００１９】
第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度が第２の非晶質系半導体膜側から結晶系半導体側へ減少しつつ、不純物の濃度の減少率が部分的に低下した後に増加するように不純物をドープしてもよい。
【００２０】
この場合、結晶系半導体と第２の非晶質系半導体膜との直列抵抗成分が増加することなく曲線因子が増加する。したがって、高い光電変換効率が得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。
図１に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の主面（表側の面）上にｉ型非晶質シリコン膜２（ノンドープ非晶質シリコン膜）およびｐ型非晶質シリコン膜３が順に形成されている。ｐ型非晶質シリコン膜３上に表面電極４が形成され、表面電極４上にくし形の集電極５が形成されている。ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面には、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７が順に形成されている。ｎ型非晶質シリコン膜７上に裏面電極８が形成され、裏面電極８上にくし形の集電極９が形成されている。図１の光起電力素子では、ｎ型単結晶シリコン基板１が主たる発電層となる。
【００２３】
ｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚は５０〜２００Åであることが好ましく、例えば１００Åである。ｉ型非晶質シリコン膜２には、厚さ方向の一部の領域にｐ型不純物としてＢ（ボロン）がドープされることによりＢ導入層２１が形成されている。それにより、ｉ型非晶質シリコン膜２は、Ｂがドープされていない層にＢ導入層２１が挟まれた３層構造となっている。
【００２４】
Ｂ導入層２１の膜厚は、例えば、ｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚の２５％程度である。また、Ｂ導入層２１中のＢ濃度は、５×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３ 以下であることが好ましく、１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３ 〜５×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３ の範囲であることがより好ましい。
【００２５】
表面電極４および裏面電極８は、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＳｎＯ２ （酸化錫）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等からなる透明電極である。集電極５，９は、Ａｇ（銀）等からなる。
【００２６】
本実施の形態の光起電力素子は、ｐｎ接合特性を改善するためにｎ型単結晶シリコン基板１とｐ型非晶質シリコン膜３との間にｉ型非晶質シリコン膜２を設けたＨＩＴ構造を有するとともに、裏面でのキャリア再結合を防止するためにｎ型単結晶シリコン基板１の裏面にｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７を設けたＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）構造を有する。
【００２７】
次に、図１の光起電力素子の製造方法を説明する。まず、洗浄したｎ型単結晶シリコン基板１を真空チャンバ内で加熱する。それにより、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面に付着した水分が除去される。その後、真空チャンバ内にＨ２（水素）ガスを導入して、プラズマ放電によりｎ型単結晶シリコン基板１表面のクリーニングを行う。
【００２８】
次に、真空チャンバ内にＳｉＨ４ （シラン）ガスおよびＨ２ ガスを導入し、プラズマＣＶＤ（化学蒸着）法によりｎ型単結晶シリコン基板１の主面上にｉ型非晶質シリコン膜２を形成する。Ｈ２ 希釈したＢ２ Ｈ６ （ジボラン）ガスは、Ｂ導入層２１を形成する際に導入する。続いて、真空チャンバ内にＳｉＨ４ ガス、Ｈ２ ガスおよびＢ２ Ｈ６ ガスを導入して、ｉ型非晶質シリコン膜２上にプラズマＣＶＤ法によりｐ型非晶質シリコン膜３を形成する。
【００２９】
次いで、真空チャンバ内にＳｉＨ４ ガスおよびＨ２ ガスを導入して、プラズマＣＶＤ法によりｎ型単結晶シリコン基板１の裏面にｉ型非晶質シリコン膜６を形成する。続いて、真空チャンバ内にＳｉＨ４ ガス、Ｈ２ ガスおよびＰＨ３ （ホスフィン）ガスを導入して、ｉ型非晶質シリコン膜６上にプラズマＣＶＤ法によりｎ型非晶質シリコン膜７を形成する。
【００３０】
次に、スパッタリング法により、ｐ型非晶質シリコン膜３上に表面電極４を形成し、ｎ型非晶質シリコン膜７上に裏面電極８を形成する。さらに、スクリーン印刷法により、表面電極４上に集電極５を形成し、裏面電極８上に集電極９を形成する。
【００３１】
本実施の形態の光起電力素子においては、ｉ型非晶質シリコン膜２を有することによりｎ型単結晶シリコン基板１とｐ型非晶質シリコン膜３との間でのキャリア再結合の抑制効果が高まる。また、Ｂ導入層２１を有することにより直列抵抗成分が減少する。したがって、高い開放電圧Ｖｏｃおよび高い曲線因子Ｆ．Ｆ．が得られる。その結果、光電変換効率が向上する。
【００３２】
なお、本実施の形態のＢ導入層２１はプラズマＣＶＤ法により形成したがそれに限られない。例えば、プラズマＣＶＤ法によりｉ型非晶質シリコン膜２を形成した後に、イオン注入法またはプラズマイオン注入法によりｉ型非晶質シリコン膜２にＢを導入してＢ導入層２１を形成してもよい。
【００３３】
また、本実施の形態のｉ型非晶質シリコン膜２には不純物としてＢをドープしたＢ導入層２１を形成したが、それに限られない。例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）等のＩＩＩ 族元素を不純物としてドープした導入層を形成してもよい。また、ｎ型単結晶シリコン基板１の代わりにｎ型多結晶シリコン基板を用いてもよい。ｉ型非晶質シリコン膜２、ｐ型非晶質シリコン膜３、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７が微結晶シリコンを含んでもよい。
【００３４】
また、本実施の形態のｎ型単結晶シリコン基板１、ｉ型非晶質シリコン膜２、ｐ型非晶質シリコン膜３、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７の代わりに、例えば、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）等のような他のＩＶ族元素を用いてもよい。
【００３５】
さらに、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面側のｉ型非晶質シリコン膜６に不純物導入層を設けてもよい。この場合には、不純物としてＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）等のＶ族元素をドープする。
【００３６】
また、本実施の形態の光起電力素子においては、ｎ型単結晶シリコン基板１の表裏面に膜を形成しているがそれに限られない。例えば、ｐ型単結晶シリコン基板の主面にｉ型非晶質シリコン膜およびｎ型非晶質シリコン膜を形成し、裏面にはｉ型非晶質シリコン膜およびｐ型非晶質シリコン膜を形成し、ｐ型単結晶シリコン基板の主面側のｉ型非晶質シリコン膜の一部にＮ、Ｐ、Ａｓ等のＶ族元素をドープした層を形成してもよい。
【００３７】
さらに、本発明は、図１に示す光起電力素子の構造に限定されず、他の種々の構造を有する光起電力素子に適用することができる。例えば、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面のｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７を設けなくてもよい。
【００３８】
本実施の形態では、ｎ型単結晶シリコン基板１が結晶系半導体に相当し、ｉ型非晶質シリコン膜２が第１の非晶質半導体膜に相当し、ｐ型非晶質シリコン膜３が第２の非晶質半導体膜に相当する。
【００３９】
【実施例】
以下の実施例１〜８では、上記実施の形態の方法で図１の構造を有する光起電力素子を作製し、出力特性を測定した。実施例１〜８の光起電力素子の作製条件を表１に示す。
【００４０】
【表１】
表１に示すように、Ｂ導入層２１を形成する際にはＨ２ ガス希釈したＢ２ Ｈ６ガスを用い、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ の濃度を１％以下にした。なお、Ｂ２ Ｈ６ ガスの濃度を変化させても、水素希釈率は一定とする。
【００４２】
（実施例１〜４）
実施例１〜４では、図１のＢ導入層２１を形成する際に導入するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を変えて光起電力素子を作製し、Ｂ２ Ｈ６ ガスの濃度が開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘに及ぼす影響を調べた。以下、実験方法および実験結果について説明する。
【００４３】
図２は、実施例１〜４の光起電力素子におけるＢ導入層２１形成時のＢ２ Ｈ６流量比およびＢ導入層２１の位置を示す図である。図２の縦軸はＢ２ Ｈ６ 流量比を示し、横軸は膜厚方向の位置を示す。
【００４４】
ここで、Ｂ２ Ｈ６ 流量比とは、ｐ型非晶質シリコン膜３の形成時に導入するＢ２ Ｈ６ ガスの流量に対するＢ導入層２１の形成時に導入するＢ２ Ｈ６ ガスの流量の比である。
【００４５】
実施例１では、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を１％に調整した。したがって、Ｂ導入層２１の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度は図１のｐ型非晶質シリコン膜３の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度と等しく、Ｂ２ Ｈ６ 流量比は１である。
【００４６】
実施例２では、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を０．５％に調整した。したがって、Ｂ導入層２１の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度はｐ型非晶質シリコン膜３の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度の０．５倍であり、Ｂ２ Ｈ６ 流量比は０．５である。
【００４７】
実施例３では、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を１×１０−２％に調整した。したがって、Ｂ導入層２１の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度はｐ型非晶質シリコン膜３の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度の０．０１倍であり、Ｂ２ Ｈ６ 流量比は０．０１である。
【００４８】
実施例４では、ＳｉＨ４ に対するＢ２ Ｈ６ ガスの濃度を０．５×１０−２％に調整した。したがって、Ｂ導入層２１の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度はｐ型非晶質シリコン膜３の形成時のＢ２ Ｈ６ ガスの濃度の０．００５倍であり、Ｂ２ Ｈ６ 流量比は０．００５である。
【００４９】
実施例１〜４において、Ｂ導入層２１の膜厚は２５Åで一定であり、ｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚は１００Åで一定である。また、Ｂ導入層２１は、ｉ型非晶質シリコン膜２中においてｐ型非晶質シリコン膜３との界面から膜厚方向に１２．５Å〜３７．５Å離れた範囲内に位置する。
【００５０】
（比較例）
比較例では、Ｈ２ 希釈したＢ２ Ｈ６ ガスを導入せずにｉ型非晶質シリコン膜２を形成した点を除いて実施例１〜４と同様の条件および方法で光起電力素子を作製した。したがって、比較例におけるｉ型非晶質シリコン膜２はＢ導入層２１を含まない。
【００５１】
（評価１）
実施例１〜４および比較例の光起電力素子の出力特性を測定した。表２に実施例１〜４および比較例の光起電力素子の出力特性の測定結果を示す。表２においては、実施例１〜４の光起電力素子における開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘの測定結果を比較例の光起電力素子における測定結果を１．０００として規格化し、規格化した開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘを示している。
【００５２】
【表２】
表２に示すように、実施例１の光起電力素子では、比較例の光起電力素子に比較して、開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘが低下した。
【００５４】
実施例２の光起電力素子では、開放電圧Ｖｏｃおよび短絡電流Ｉｓｃは若干低下したが、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘは向上した。特に、曲線因子Ｆ．Ｆ．が大幅に向上した。
【００５５】
実施例３の光起電力素子では、比較例の光起電力素子に比較して、開放電圧Ｖｏｃおよび短絡電流Ｉｓｃにほとんど変化は見られなかったが、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘが向上した。特に、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘが大幅に向上した。実施例４の光起電力素子では、比較例の光起電力素子に比較して、変化がほとんど見られなかった。
【００５６】
実施例１の光起電力素子における開放電圧Ｖｏｃの低下は、Ｂ導入層２１のＢ濃度が高くなるとキャリアの再結合抑制効果が低下していくことが原因であると考えられる。また、短絡電流Ｉｓｃの低下は、Ｂの導入による再結合準位が増加したためだと考えられる。さらに、Ｂ導入層２１のＢ濃度が高くなるとｐ型非晶質シリコン膜３とＢ導入層２１との間の電位差が小さくなり、電流が流れにくくなり直列抵抗成分が大きくなったと考えられる。
【００５７】
実施例２および３の光起電力素子においては、直列抵抗成分の低下によると考えられる曲線因子Ｆ．Ｆ．の向上が見られている。
【００５８】
実施例４の光起電力素子においては、曲線因子Ｆ．Ｆ．の向上があまり見られていない。これは、Ｂ濃度が低いためにＢの影響を受ける実効的なＢ導入層２１が形成されなかったためであると考えられる。
【００５９】
以上のことから、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘを向上させるには、ｐ型非晶質シリコン膜３形成時のＢ２ Ｈ６ ガス流量に対してＢ導入層２１形成時のＢ２ Ｈ６ ガス流量の比を０．０５〜０．５とすることが好ましい。
【００６０】
（実施例５）
ｉ型非晶質シリコン膜２中におけるＢ濃度の分布をＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により測定した。以下、図３および図４を用いてｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度の分布について説明する。
【００６１】
図３は、実施例５のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度を示す図である。
図３の縦軸はＢ濃度比を示し、横軸は膜厚方向の位置を示す。ここで、Ｂ濃度比とは、ｐ型非晶質シリコン膜３中のＢ濃度に対するｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度の比である。
【００６２】
実施例５のｉ型非晶質シリコン膜２の形成条件は、図２の実施例２と同様である。ＳＩＭＳ分析の精度を向上させるために、ｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚は１６０Åとし、Ｂ導入層２１の膜厚はその２５％である４０Åとした。ｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比の測定結果を、図３中に実線で示す。なお、破線は比較例のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比を示している。
【００６３】
膜厚０Åの位置は、ｐ型非晶質シリコン膜３中のある深さを示す。膜厚２０Åの位置は、ｐ型非晶質シリコン膜３とｉ型非晶質シリコン膜２との境界である。図示していないが、膜厚１８０Åの位置にはｉ型非晶質シリコン膜２とｎ型単結晶シリコン基板１との境界が存在する。
【００６４】
比較例のｉ型非晶質シリコン膜２では、Ｂ濃度比はｐ型非晶質シリコン膜３側からｎ型単結晶シリコン基板１側へ膜厚方向に単調に減少している。
【００６５】
実施例５のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比は、比較例のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比と同様にｐ型非晶質シリコン膜３側からｎ型単結晶シリコン基板１側へ膜厚方向に単調に減少しているが、途中で傾きが緩やかになっている部分が見られた。そこで、この部分を詳しく調べるために、図３の実線で表されるＢ濃度比を２回微分した。
【００６６】
図４は、図３の実線で表されるＢ濃度比を２回微分した曲線を示す図である。
縦軸は２回微分したＢ濃度比を示し、横軸は膜厚方向の位置を示す。図５に示すように、２回微分したＢ濃度比はｐ型非晶質シリコン膜３側からｎ型単結晶シリコン基板１側へ膜厚方向に減少しつつも、膜厚方向の位置１００Å付近で極大点Ｓを有する。したがって、実施例５のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ濃度比は単調に減少しているが、Ｂ導入層２１においては、Ｂ濃度比の減少率が低下していることがわかった。また、図４の極大点ＳにおけるＢ濃度は、５×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３ であった。
【００６７】
以上のように、ｉ型非晶質シリコン膜２中にＢ導入層２１を形成し、ｐ型非晶質シリコン膜３とＢ導入層２１との間に電位差が生じる程度にＢ導入層２１中のＢ濃度を調整することで、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘが向上することがわかった。
【００６８】
（実施例６〜８）
実施例６〜８では、ｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ導入層２１の位置を変えて光起電力素子を作製し、Ｂ導入層２１の位置が開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘに及ぼす影響を調べた。以下、実験方法および実験結果について説明する。
【００６９】
図５は、実施例６〜８のｉ型非晶質シリコン膜２中のＢ導入層２１の位置を示す図である。
【００７０】
図５のＸは、ｐ型非晶質シリコン膜３側のＢを含まないｉ型非晶質シリコン膜２の膜厚を示す。Ｙは、Ｂ導入層２１の膜厚を示す。Ｚは、ｎ型単結晶シリコン基板１側のＢを含まないｉ型非晶質シリコン膜の膜厚を示す。
【００７１】
図５（ａ）に示す実施例６ではＸ：Ｙ：Ｚ＝１：２：５であり、図５（ｂ）に示す実施例７ではＸ：Ｙ：Ｚ＝２：２：４であり、図５（ｄ）に示す実施例８ではＸ：Ｙ：Ｚ＝３：２：３である。
【００７２】
各実施例６〜８において、Ｂ導入層２１の膜厚は２５Åで一定であり、ｉ型非晶質シリコン膜２全体の膜厚は１００Åで一定である。ｉ型非晶質シリコン膜２を形成する際にＨ２ガス希釈したＢ２ Ｈ６ ガスを導入するタイミングを変化させることにより、Ｂ導入層２１の位置を変化させた。Ｈ２ ガス希釈したＢ２ Ｈ６ ガスの濃度は０．０１％である。
【００７３】
（評価２）
実施例６〜８および比較例の光起電力素子の出力特性を測定した。表３に実施例６〜８および比較例の光起電力素子の出力特性の測定結果を示す。表３においては、実施例６〜８の光起電力素子における開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘの測定結果を比較例の光起電力素子における測定結果を１．０００として規格化し、規格化した開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘを示している。
【００７４】
【表３】
表３に示すように、実施例６〜８のいずれにおいても、開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘにあまり変化は見られず、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘは比較例に比較して高い値を維持した。
【００７６】
以上のことから、ｉ型非晶質シリコン膜２中におけるＢ導入層２１の位置は、開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘに大きな影響を及ぼさないものと考えられる。
【００７７】
評価１および評価２より、図１のｉ型非晶質シリコン膜２中にＢ導入層２１を形成し、Ｂ導入層２１中におけるＢ濃度をｐ型非晶質シリコン膜３中のＢ濃度以下とすることで、曲線因子Ｆ．Ｆ．および最大出力Ｐｍａｘの向上に伴う光電変換効率の向上が見られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。
【図２】実施例１〜４の光起電力素子におけるＢ導入層形成時のＢ２ Ｈ６ 流量比およびＢ導入層の位置を示す図である。
【図３】実施例５のｉ型非晶質シリコン膜中のＢ濃度を示す図である。
【図４】図３の実線で表されるＢ濃度比を２回微分した曲線を示す図である。
【図５】図５は、実施例６〜８のｉ型非晶質シリコン膜中のＢ導入層の位置を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ型単結晶シリコン基板
２，６ ｉ型非晶質シリコン膜
３ ｐ型非晶質シリコン膜
７ ｎ型非晶質シリコン膜
２１ Ｂ導入層
Claims (7)
- 結晶系半導体と、
第１の非晶質系半導体膜と、
第２の非晶質系半導体膜とを順に備え、
前記第１の非晶質系半導体膜は一導電型を示す不純物を含有し、
前記第２の非晶質系半導体膜は前記一導電型を示す不純物を含有し、
前記第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度が前記第２の非晶質系半導体膜側から前記結晶系半導体側へ減少しつつ、前記不純物の濃度の減少率が部分的に低下した後に増加することを特徴とする光起電力素子。 - 前記結晶系半導体は、前記第２の非晶質系半導体膜とは異なる導電型を示すことを特徴とする請求項１記載の光起電力素子。
- 前記第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度の減少率が低下する部分の不純物の濃度が前記第２の非晶質系半導体膜の不純物の濃度よりも低いことを特徴とする請求項１または２記載の光起電力素子。
- 前記第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度の減少率が低下する部分の不純物の濃度が５×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３ 以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光起電力素子。
- 結晶系半導体上に第１の非晶質系半導体膜を形成するとともに前記第１の非晶質系半導体膜の厚さ方向における一部の領域に一導電型を示す不純物をドープし、
前記第１の非晶質系半導体膜上に第２の非晶質系半導体膜を形成するとともに前記第２の非晶質半導体膜に前記一導電型を示す不純物をドープし、
前記第１の非晶質系半導体膜中の前記一部の領域における不純物の濃度が前記第２の非晶質系半導体膜中の不純物の濃度よりも低いことを特徴とする光起電力素子の製造方法。 - 処理室内でプラズマ化学蒸着法により前記第１の非晶質系半導体膜を形成するとともに前記処理室内に前記一導電型を示す不純物を含むドーパントガスを導入することにより前記第１の非晶質系半導体膜の厚さ方向における一部の領域に一導電型を示す不純物をドープし、
前記処理室内でプラズマ化学蒸着法により前記第２の非晶質系半導体膜を形成するとともに前記処理室内に前記一導電型を示す不純物を含むドーパントガスを導入することにより前記第２の非晶質系半導体膜に前記一導電型を示す不純物をドープし、
前記第２の非晶質系半導体膜に一導電型の不純物をドープする際の前記ドーパントガスの流量に対する前記第１の非晶質系半導体膜の厚さ方向における一部の領域に一導電型を示す不純物をドープする際の前記ドーパントガスの流量の比が０．０５〜０．５の範囲であることを特徴とする請求項５記載の光起電力素子の製造方法。 - 前記第１の非晶質系半導体膜における不純物の濃度が前記第２の非晶質系半導体膜側から前記結晶系半導体側へ減少しつつ、前記不純物の濃度の減少率が部分的に低下した後に増加するように不純物をドープすることを特徴とする請求項５または６記載の光起電力素子の製造方法。
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