JP2009076743A - 光起電力素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ｐ層および／またはｎ層におけるドーピング効率を向上可能な光起電力素子を提供する。
【解決手段】光起電力素子１０は、下地層３、ｐ層４、ｉ層５、ｎ層６および電極７を基板１の透明導電膜２上に順次積層した構造からなる。下地層３は、ｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなり、ｐ層４は、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなり、ｉ層５は、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなり、ｎ層６は、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなり、電極７は、Ａｌからなる。下地層３およびｐ層４は、１０ｎｍの膜厚を有し、ｉ層５は、３００〜１０００ｎｍの膜厚を有し、ｎ層６は、２０ｎｍの膜厚を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光起電力素子およびその製造方法に関するものである。
従来、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる太陽電池が知られている（特許文献１）。この太陽電池は、基板上に形成されたｐｉｎ構造からなる。そして、ｐ層は、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなり、ｉ層は、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなり、ｎ層は、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈかなる。
特開２００４−０８７８１１号公報
しかし、ａ−Ｓｉ：Ｈからなる太陽電池においては、ｐ層およびｎ層におけるドーパントのドーピング効率が低いという問題がある。
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ｐ層および／またはｎ層におけるドーピング効率を向上可能な光起電力素子を提供することである。
また、この発明の別の目的は、ｐ層および／またはｎ層におけるドーピング効率を向上可能な光起電力素子の製造方法を提供することである。
この発明によれば、光起電力素子は、第１の電極と、第１の半導体層と、第２の半導体層と、第３の半導体層と、第４の半導体層と、第２の電極とを備える。第１の半導体層は、第１の電極上に形成され、第１の導電型を有する非晶質半導体からなる。第２の半導体層は、第１の半導体層上に形成され、光を電気に変換する非晶質半導体からなる。第３の半導体層は、第２の半導体層上に形成され、第１の導電型と異なる第２の導電型を有する非晶質半導体からなる。第２の電極は、第３の半導体層上に形成される。第４の半導体層は、第１の電極と第１の半導体層との間および第３の半導体層と第２の電極との間の少なくとも一方に第１の半導体層または第３の半導体層に接して形成され、第１の導電型または第２の導電型を有する結晶半導体からなる。
好ましくは、第４の半導体層は、第１の導電型を有し、第１の電極と第１の半導体層との間に第１の半導体層に接して形成される。
好ましくは、第４の半導体層は、第２の導電型を有し、第３の半導体層と第２の電極との間に第３の半導体層に接して形成される。
好ましくは、第４の半導体層は、第５および第６の半導体層を含む。第５の半導体層は、第１の導電型を有し、第１の電極と第１の半導体層との間に第１の半導体層に接して形成される。第６の半導体層は、第２の導電型を有し、第３の半導体層と第２の電極との間に第３の半導体層に接して形成される。
好ましくは、第１の電極は、透明導電膜であり、第１の導電型は、ｐ型であり、第２の導電型は、ｎ型であり、第２の電極は、金属電極である。
好ましくは、第１の電極は、金属基板であり、第１の導電型は、ｎ型であり、第２の導電型は、ｐ型であり、第２の電極は、透明導電膜である。
また、この発明によれば、光起電力素子の製造方法は、第１の導電型を有する非晶質半導体からなる第１の半導体層を第１の電極上に形成する第１のステップと、光を電気に変換する非晶質半導体からなる第２の半導体層を第１の半導体層上に形成する第２のステップと、第１の導電型と異なる第２の導電型を有する非晶質半導体からなる第３の半導体層を第２の半導体層上に形成する第３のステップと、第２の電極を第３の半導体層上に形成する第４のステップと、第１の電極と第１の半導体層との間および第３の半導体層と第２の電極との間の少なくとも一方に第１の導電型または第２の導電型を有する結晶半導体からなる第４の半導体層を第１の半導体層または第３の半導体層に接して形成する第５のステップとを備える。
好ましくは、第５のステップにおいて、第４の半導体層は、第１の電極と第１の半導体層との間に第１の半導体層に接して形成される。
好ましくは、第１のステップにおいて、ｐ型の導電型を有する第１の半導体層が透明導電膜からなる第１の電極上に形成される。また、第３のステップにおいて、ｎ型の導電型を有する第３の半導体層が第２の半導体層上に形成される。さらに、第５のステップにおいて、ｐ型の導電型を有する第４の半導体層が第１の電極と第１の半導体層との間に第１の半導体層に接して形成される。
好ましくは、第５のステップにおいて、第４の半導体層は、第３の半導体層と第２の電極との間に第３の半導体層に接して形成される。
好ましくは、第１のステップにおいて、ｎ型の導電型を有する第１の半導体層が金属基板からなる第１の電極上に形成される。また、第３のステップにおいて、ｐ型の導電型を有する第３の半導体層が第２の半導体層上に形成される。さらに、第５のステップにおいて、ｎ型の導電型を有する第４の半導体層が第１の電極と第１の半導体層との間に第１の半導体層に接して形成される。
好ましくは、第５のステップは、第１の導電型を有する結晶半導体からなる第５の半導体層を第１の電極と第１の半導体層との間に第１の半導体層に接して形成する第１のサブステップと、第２の導電型を有する結晶半導体からなる第６の半導体層を第３の半導体層と第２の電極との間に第３の半導体層に接して形成する第２のサブステップとを含む。
好ましくは、第１のステップにおいて、ｐ型の導電型を有する第１の半導体層が透明導電膜からなる第１の電極上に形成される。また、第３のステップにおいて、ｎ型の導電型を有する第３の半導体層が第２の半導体層上に形成される。さらに、第１のサブステップにおいて、ｐ型の導電型を有する第５の半導体層が第１の電極と第１の半導体層との間に第１の半導体層に接して形成される。さらに、第２のサブステップにおいて、ｎ型の導電型を有する第６の半導体層が第３の半導体層と第２の電極との間に第３の半導体層に接して形成される。
好ましくは、第１のステップにおいて、ｎ型の導電型を有する第１の半導体層が金属基板からなる第１の電極上に形成される。また、第３のステップにおいて、ｐ型の導電型を有する第３の半導体層が第２の半導体層上に形成される。さらに、第１のサブステップにおいて、ｎ型の導電型を有する第５の半導体層が第１の電極と第１の半導体層との間に第１の半導体層に接して形成される。さらに、第２のサブステップにおいて、ｐ型の導電型を有する第６の半導体層が第３の半導体層と第２の電極との間に第３の半導体層に接して形成される。
この発明においては、第１の電極と第１の半導体層との間および第３の半導体層と第２の電極との間の少なくとも一方に第１の半導体層または第３の半導体層と同じ導電型を有する結晶半導体からなる第４の半導体層が第１の半導体層または第３の半導体層に接して形成される。つまり、第１の電極と一方のドーピング層との間、および第２の電極と他方のドーピング層との間の少なくとも一方に、一方のドーピング層または他方のドーピング層よりもドーピング効率が高い第４の半導体層が形成される。その結果、第４の半導体層は、一方のドーピング層および／または他方のドーピング層として機能し、光起電力素子の内部電位が大きくなる。
したがって、この発明によれば、光起電力素子におけるドーピング効率を高くできる。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による光起電力素子の概略断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１による光起電力素子１０は、基板１と、透明導電膜２と、下地層３と、ｐ層４と、ｉ層５と、ｎ層６と、電極７とを備える。
透明導電膜２は、基板１の一主面に形成される。下地層３は、透明導電膜２に接して形成される。ｐ層４は、下地層３に接して形成される。ｉ層５は、ｐ層４に接して形成される。ｎ層６は、ｉ層５に接して形成される。電極７は、ｎ層６に接して形成される。
基板１は、ガラス等の入射光Ｌｇｔを透過する透明基板からなる。透明導電膜２は、たとえば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）からなり、５００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の膜厚を有する。下地層３は、たとえば、ｐ型多結晶シリコン（ｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなり、１０ｎｍの膜厚を有する。ｐ層４は、たとえば、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなり、１０ｎｍの膜厚を有する。
ｉ層５は、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなり、３００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の膜厚を有する。ｎ層６は、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなり、２０ｎｍの膜厚を有する。電極７は、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）からなる。
光起電力素子１０は、ｐ層４側から光Ｌｇｔを受け、その受けた光Ｌｇｔを電気に変換する。
図２は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置の概略断面図である。図２を参照して、プラズマＣＶＤ装置１００は、反応室１１０と、搬送室１２０と、アンテナ１３０，１４０と、ガス供給管１５０，１６０と、支持台１７０と、アーム１８０と、ヒーター１９０と、高周波電源２００とを備える。
反応室１１０は、中空の円筒形状を有し、内直径が４５０ｍｍφである。そして、反応室１１０は、側壁１１０Ａに排気管１１１を有する。また、反応室１１０は、支持台１７０が通過可能な孔（図示せず）を底面１１０Ｂに有する。排気管１１１は、一方端が反応室１１０に接続され、他方端が排気装置（図示せず）に接続されている。排気装置は、ターボ分子ポンプおよびロータリーポンプ等からなる。
搬送室１２０は、中空の円筒形状を有し、反応室１１０の底面１１０Ｂに接して配置されている。そして、搬送室１２０は、開閉扉１２１を側壁１２０Ａに有する。
アンテナ１３０，１４０は、反応室１１０の上面１１０Ｃを貫通し、一方端が反応室１１０の上面１１０Ｃに接するように反応室１１０に固定されている。そして、反応室１１０内に配置されたアンテナ１３０，１４０の一部分は、略円弧状に湾曲されている。
ガス供給管１５０，１６０は、直径が５０ｍｍφの配管からなり、一方端が反応室１１０の上面１１０Ｃに接続され、他方端がガスボンベ（図示せず）に接続されている。
支持台１７０は、略円盤形状を有し、アーム１８０の一方端に固定されている。そして、支持台１７０の底面が反応室１１０の底面１１０Ｂに接している場合、反応室１１０の上面１１０Ｃと支持台１７０との間隔は、４００ｍｍである。
アーム１８０は、搬送室１２０内に配置されている。ヒーター１９０は、支持台１７０の内部に配置されている。高周波電源２００は、アンテナ１３０，１４０に接続されている。
排気管１１１は、反応室１１０内のガスを排気する。開閉扉１２１は、プラズマＣＶＤ装置１００の操作者によって開閉される。
ガス供給管１５０，１６０は、ガスボンベから原料ガスを反応室１１０内に供給する。より具体的には、ガス供給管１５０，１６０は、ｐ層３が形成される場合、シラン（ＳｉＨ４）ガス、水素（Ｈ２）ガスおよびＨ２ガスによって希釈された５％ジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスをガスボンベから反応室１１０内へ供給する。また、ガス供給管１５０，１６０は、ｉ層４が形成される場合、ＳｉＨ４ガスおよびＨ２ガスをガスボンベから反応室１１０内へ供給する。さらに、ガス供給管１５０，１６０は、ｎ層５が形成される場合、ＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガスおよびＨ２ガスによって希釈された５％ホスフィン（ＰＨ３）ガスをガスボンベから反応室１１０内へ供給する。
支持台１７０は、試料３００を支持する。アーム１８０は、反応室１１０の底面１１０Ｂと搬送室１２０の底面１２０との間で支持台１７０を上下方向ＤＲ１に移動させる。ヒーター１９０は、試料３００を加熱する。高周波電源２００は、１３．５６ＭＨｚの高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加する。
図３は、図２に示すＡ方向から見たプラズマＣＶＤ装置１００の平面図である。図３を参照して、アンテナ１３０，１４０およびガス供給管１５０，１６０は、アンテナ１３０，１４０間を結ぶ線分がガス供給管１５０，１６０間を結ぶ線分と直交するように配置される。そして、アンテナ１３０，１４０およびガス供給管１５０，１６０は、反応室１１０の側壁１１０Ａから距離Ｌ１の位置に配置される。この場合、距離Ｌ１は、１００ｍｍに設定される。
また、アンテナ１３０，１４０とガス供給管１５０，１６０との間隔Ｌ２は、１００ｍｍ以上に設定される。
アンテナ１３０，１４０は、図３に示す平面図において、１００ｍｍの長さを有する。したがって、アンテナ１３０，１４０は、反応室１１０内においては、直径１００ｍｍの円に沿って湾曲されている。
プラズマＣＶＤ装置１００においては、高周波電源２００が高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加することによって高周波電流がアンテナ１３０，１４０に流れ、その流れた高周波電流によってアンテナ１３０，１４０の軸の周囲に高周波磁場が発生し、さらに、その発生した高周波磁場によって高周波電場が発生する。そうすると、高周波磁場および高周波電場によってプラズマがアンテナ１３０，１４０の周囲で発生する。
このように、プラズマＣＶＤ装置１００においては、高周波電流が湾曲されたアンテナ１３０，１４０に流れることによって、高周波磁場および高周波電場が誘起され、その誘起された高周波磁場および高周波電場によってプラズマが発生するので、プラズマＣＶＤ装置１００は、誘導結合型のプラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ＣＶＤ装置である。
プラズマＣＶＤ装置１００を用いて薄膜を形成する動作について説明する。薄膜を形成する動作が開始されると、支持台１７０の底面が搬送室１２０の底面１２０Ｂに接するようにアーム１８０が下方向へ移動し、開閉扉１２１が開けられる。そして、試料３００が開閉扉１２１を介して支持台１７０上に設置され、開閉扉１２１が閉じられる。
その後、支持台１７０の底面が反応室１１０の底面１１０Ｂに接するようにアーム１８０が上方向へ移動する。そして、排気管１１１を介して反応室１１０内の真空引が行なわれる。また、ヒーター１９０は、試料３００を所定の温度に加熱する。
そうすると、ガス供給管１５０，１６０は、ＳｉＨ４ガス等をガスボンベから反応室１１０内に供給する。これによって、反応室１１０内の圧力は、所定の圧力に設定される。そして、高周波電源２００は、所定の高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加する。これによって、プラズマがアンテナ１３０，１４０の周囲で発生し、薄膜が試料３００上に堆積される。
図４および図５は、それぞれ、図１に示す光起電力素子１０の製造工程を示す第１および第２の工程図である。光起電力素子１０の製造が開始されると、透明導電膜２が形成された基板１は、洗浄され、プラズマＣＶＤ装置１００の支持台１７０上に設置される（図４の（ａ）参照）。
そして、反応室１１０の真空引が行なわれ、反応室１１０内の圧力が所定の到達圧力に達すると、表１に示す形成条件を用いて下地層３、ｐ層４、ｉ層５およびｎ層６が透明導電膜２上に順次形成される。
Figure 2009076743
以下、下地層３、ｐ層４、ｉ層５およびｎ層６の形成を具体的に説明する。
下地層３が形成される場合、ガス供給管１５０，１６０は、３．６ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび０．５ｓｃｃｍの５％Ｂ２Ｈ６ガスをガスボンベから反応室１１０内に供給する。
その後、ヒーター１９０は、基板１の温度を２００℃に加熱し、高周波電源２００は、３．０ｋＷの高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加する。そして、高周波電源２００は、高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加し始めてから１０分が経過すると、高周波電力のアンテナ１３０，１４０への印加を停止する。これによって、下地層３が透明導電膜２上に形成される（図４の（ｂ）参照）。
引き続いて、ｐ層３が形成される場合、ガス供給管１５０，１６０は、５〜１０ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび０．５ｓｃｃｍの５％Ｂ２Ｈ６ガスをガスボンベから反応室１１０内に供給する。
その後、高周波電源２００は、０．５〜１．０ｋＷの高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加する。そして、高周波電源２００は、高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加し始めてから１分が経過すると、高周波電力のアンテナ１３０，１４０への印加を停止する。これによって、ｐ層４が下地層３上に形成される（図４の（ｃ）参照）。
ｐ層４が形成された後、ガス供給管１５０，１６０は、５％Ｂ２Ｈ６ガスの供給を停止し、５〜１０ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガスおよび２７ｓｃｃｍのＨ２ガスを反応室１１０内に供給する。そして、高周波電源２００は、０．５〜１．０ｋＷの高周波電力を、３０〜１００分間、アンテナ１３０，１４０に印加する。これによって、ｉ層５がｐ層４上に形成される（図４の（ｄ）参照）。
ｉ層５の形成が終了すると、ガス供給管１５０，１６０は、５〜１０ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび１ｓｃｃｍの５％ＰＨ３ガスを反応室１１０内に供給し、高周波電源２００は、０．５〜１．０ｋＷの高周波電力を、１分間、アンテナ１３０，１４０に印加する。これによって、ｎ層６がｉ層５上に形成される（図５の（ｅ）参照）。
その後、試料は、プラズマＣＶＤ装置１００から取り出され、蒸着装置を用いてＡｌがｎ層６上に形成される。これによって、光起電力素子１０が完成する（図５の（ｆ）参照）。
光起電力素子１０は、透明導電膜２とｐ層４との間にｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる下地層３を備えるので、下地層３もｐ層として機能し、ｐ層におけるドーピング効率を高くできる。その結果、ｐｉｎ構造における内部電位（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が高くなり、光起電力素子の開放電圧が高くなり、変換効率を向上できる。
図６は、実施の形態１による他の光起電力素子の概略断面図である。実施の形態１による光起電力素子は、図６に示す光起電力素子１０Ａであってもよい。図６を参照して、光起電力素子１０Ａは、図１に示す光起電力素子１０の下地層３を界面層８に代えたものであり、その他は、光起電力素子１０と同じである。
界面層８は、ｎ層６と電極７との間に配置される。そして、界面層８は、ｎ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなり、１０ｎｍの膜厚を有する。
光起電力素子１０Ａは、表２に示す形成条件に従って作製される。
Figure 2009076743
この場合、図４に示す工程（ｂ）は、削除され、図４に示す工程（ｃ），（ｄ）および図５に示す（ｅ）に従ってｐ層４、ｉ層５およびｎ層６が透明導電膜２上に順次積層される。その後、プラズマＣＶＤ装置１００のガス供給管１５０，１６０は、３．６ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび１ｓｃｃｍの５％ＰＨ３ガスを反応室１１０へ供給し、高周波電源２００は、３．０ｋＷの高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加して界面層８がｎ層６上に形成される（表２に示す界面層の形成条件参照）。そして、図５に示す工程（ｆ）が実行され、光起電力素子１０Ａが完成する。
光起電力素子１０Ａは、ｎ層６と電極７との間にｎ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる界面層８を備えるので、界面層８もｎ層６として機能し、ｎ層におけるドーピング効率を高くできる。その結果、ｐｉｎ構造における内部電位（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が高くなり、光起電力素子の開放電圧が高くなり、変換効率を向上できる。
図７は、実施の形態１によるさらに他の光起電力素子の概略断面図である。実施の形態１による光起電力素子は、図７に示す光起電力素子１０Ｂであってもよい。図７を参照して、光起電力素子１０Ｂは、図１に示す光起電力素子１０に界面層８を追加したものであり、その他は、光起電力素子１０と同じである。
界面層８については、図６において説明したとおりである。光起電力素子１０Ｂは、表３に示す形成条件に従って作製される。
Figure 2009076743
この場合、図４および図５に示す工程（ａ）〜（ｅ）に従って下地層３、ｐ層４、ｉ層５およびｎ層６が基板１の透明導電膜２上に順次形成された後、プラズマＣＶＤ装置１００のガス供給管１５０，１６０は、３．６ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび１ｓｃｃｍの５％ＰＨ３ガスを反応室１１０へ供給し、高周波電源２００は、３．０ｋＷの高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加して界面層８がｎ層６上に形成され、その後、図５に示す工程（ｆ）が実行されて光起電力素子１０Ｂが作製される。すなわち、光起電力素子１０Ｂは、図４および図５に示す工程（ａ）〜（ｆ）の工程（ｅ）と工程（ｆ）との間に界面層８を形成する工程を挿入した工程に従って作製される。
光起電力素子１０Ｂは、透明導電膜２とｐ層４との間にｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる下地層３を備え、ｎ層６と電極７との間にｎ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる界面層８を備えるので、下地層３がｐ層として機能し、界面層８がｎ層６として機能し、ｐ層およびｎ層におけるドーピング効率を高くできる。その結果、ｐｉｎ構造における内部電位（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が高くなり、光起電力素子の開放電圧が高くなり、変換効率を向上できる。
なお、実施の形態１においては、透明導電膜２は、「第１の電極」を構成し、電極７は、「第２の電極」を構成する。
また、ｐ層４は、「第１の半導体層」を構成し、ｉ層５は、「第２の半導体層」を構成し、ｎ層６は、「第３の半導体層」を構成し、下地層３および／または界面層８は、「第４の半導体層」を構成する。
さらに、下地層３は、「第５の半導体層」を構成し、界面層８は、「第６の半導体層」を構成する。
［実施の形態２］
図８は、実施の形態２による光起電力素子の概略断面図である。図８を参照して、実施の形態２による光起電力素子１０Ｃは、図１に示す光起電力素子１０の基板１を基板１１に代え、下地層３を下地層１２に代え、透明導電膜２を透明導電膜１３に代えたものであり、その他は、光起電力素子１０と同じである。
基板１１は、金属基板からなる。下地層１２は、基板１１とｎ層６との間に基板１１およびｎ層６に接して形成される。そして、下地層１２は、ｎ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなり、１０ｎｍの膜厚を有する。
透明導電膜１３は、ＩＴＯからなり、ｐ層４上に形成される。そして、透明導電膜１３は、５００〜１０００ｎｍの膜厚を有する。
図９および図１０は、それぞれ、図８に示す光起電力素子１０Ｃの製造工程を示す第１および第２の工程図である。光起電力素子１０Ｃの製造が開始されると、基板１１は、洗浄され、プラズマＣＶＤ装置１００の支持台１７０上に設置される（図９の（ａ１）参照）。
そして、反応室１１０の真空引が行なわれ、反応室１１０内の圧力が所定の到達圧力に達すると、表４に示す形成条件を用いて下地層１２、ｎ層６、ｉ層５およびｐ層４が基板１１上に順次形成される。
Figure 2009076743
以下、下地層１２、ｎ層６、ｉ層５およびｐ層４の形成を具体的に説明する。
下地層１２が形成される場合、ガス供給管１５０，１６０は、３．６ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび１ｓｃｃｍの５％ＰＨ３ガスをガスボンベから反応室１１０内に供給する。
その後、ヒーター１９０は、基板１１の温度を２００℃に加熱し、高周波電源２００は、３．０ｋＷの高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加する。そして、高周波電源２００は、高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加し始めてから１０分が経過すると、高周波電力のアンテナ１３０，１４０への以下を停止する。これによって、下地層１２が基板１１上に形成される（図９の（ｂ１）参照）。
引き続いて、ｎ層６が形成される場合、ガス供給管１５０，１６０は、５〜１０ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび１ｓｃｃｍの５％ＰＨ３ガスをガスボンベから反応室１１０内に供給する。
その後、高周波電源２００は、０．５〜１．０ｋＷの高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加する。そして、高周波電源２００は、高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加し始めてから１分が経過すると、高周波電力のアンテナ１３０，１４０への印加を停止する。これによって、ｎ層６が下地層１２上に形成される（図９の（ｃ１）参照）。
ｎ層６が形成された後、ガス供給管１５０，１６０は、５％ＰＨ３ガスの供給を停止し、５〜１０ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガスおよび２７ｓｃｃｍのＨ２ガスを反応室１１０内に供給する。そして、高周波電源２００は、０．５〜１．０ｋＷの高周波電力を、３０〜１００分間、アンテナ１３０，１４０に印加する。これによって、ｉ層５がｎ層６上に形成される（図９の（ｄ１）参照）。
ｉ層５の形成が終了すると、ガス供給管１５０，１６０は、５〜１０ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび０．５ｓｃｃｍの５％Ｂ２Ｈ６ガスを反応室１１０内に供給し、高周波電源２００は、０．５〜１．０ｋＷの高周波電力を、１分間、アンテナ１３０，１４０に印加する。これによって、ｐ層４がｉ層５上に形成される（図１０の（ｅ１）参照）。
その後、試料は、プラズマＣＶＤ装置１００から取り出され、スパッタ装置を用いてＩＴＯからなる透明導電膜１３がｐ層４上に形成される。これによって、光起電力素子１０Ｂが完成する（図１０の（ｆ１）参照）。
光起電力素子１０Ｃは、基板１１とｎ層６との間にｎ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる下地層１２を備えるので、下地層１２もｎ層として機能し、ｎ層におけるドーピング効率を高くできる。その結果、ｐｉｎ構造における内部電位（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が高くなり、光起電力素子の開放電圧が高くなり、変換効率を向上できる。
図１１は、実施の形態２による他の光起電力素子の概略断面図である。実施の形態２による光起電力素子は、図１１に示す光起電力素子１０Ｄであってもよい。図１１を参照して、光起電力素子１０Ｄは、図８に示す光起電力素子１０Ｃの下地層１２を界面層１４に代えたものであり、その他は、光起電力素子１０Ｃと同じである。
界面層１４は、ｐ層４と透明導電膜１３との間に配置される。そして、界面層１４は、ｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなり、１０ｎｍの膜厚を有する。なお、光起電力素子１０Ｄにおいては、ｎ層６は、基板１１上に直接形成される。
光起電力素子１０Ｄは、表５に示す形成条件に従って作製される。
Figure 2009076743
この場合、図９に示す工程（ｂ１）は、削除され、図９に示す工程（ｃ１），（ｄ１）および図１０に示す（ｅ１）に従ってｎ層６、ｉ層５およびｐ層４が基板１１上に順次積層される。その後、プラズマＣＶＤ装置１００のガス供給管１５０，１６０は、３．６ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび０．５ｓｃｃｍの５％Ｂ２Ｈ６ガスを反応室１１０へ供給し、高周波電源２００は、３．０ｋＷの高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加して界面層１４がｐ層４上に形成される（表５に示す界面層の形成条件参照）。そして、図１０に示す工程（ｆ１）が実行され、光起電力素子１０Ｄが完成する。
光起電力素子１０Ｄは、ｐ層４と透明導電膜１３との間にｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる界面層１４を備えるので、界面層１４がｐ層として機能し、ｐ層におけるドーピング効率を高くできる。その結果、ｐｉｎ構造における内部電位（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が高くなり、光起電力素子の開放電圧が高くなり、変換効率を向上できる。
図１２は、実施の形態２によるさらに他の光起電力素子の概略断面図である。実施の形態２による光起電力素子は、図１２に示す光起電力素子１０Ｅであってもよい。図１２を参照して、光起電力素子１０Ｅは、図８に示す光起電力素子１０Ｃに界面層１４を追加したものであり、その他は、光起電力素子１０Ｃと同じである。
界面層１４については、図１１において説明したとおりである。光起電力素子１０Ｅは、表６に示す形成条件に従って作製される。
Figure 2009076743
この場合、図９および図１０に示す工程（ａ１）〜（ｅ１）に従って下地層１２、ｎ層６、ｉ層５およびｐ層４が基板１１上に順次形成された後、プラズマＣＶＤ装置１００のガス供給管１５０，１６０は、３．６ｓｃｃｍのＳｉＨ４ガス、２７ｓｃｃｍのＨ２ガスおよび０．５ｓｃｃｍの５％Ｂ２Ｈ６ガスを反応室１１０へ供給し、高周波電源２００は、３．０ｋＷの高周波電力をアンテナ１３０，１４０に印加して界面層１４がｐ層４上に形成され、その後、図１０に示す工程（ｆ１）が実行されて光起電力素子１０Ｅが作製される。すなわち、光起電力素子１０Ｅは、図９および図１０に示す工程（ａ１）〜（ｆ１）の工程（ｅ１）と工程（ｆ１）との間に界面層１４を形成する工程を挿入した工程に従って作製される。
光起電力素子１０Ｅは、基板１１とｎ層６との間にｎ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる下地層１２を備え、ｐ層４と透明導電膜１３との間にｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる界面層１４を備えるので、下地層１２がｎ層として機能し、界面層１４がｐ層として機能し、ｐ層およびｎ層におけるドーピング効率を高くできる。その結果、ｐｉｎ構造における内部電位（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が高くなり、光起電力素子の開放電圧が高くなり、変換効率を向上できる。
なお、実施の形態２においては、基板１１は、「第１の電極」を構成し、透明導電膜１３は、「第２の電極」を構成する。
また、ｐ層４は、「第１の半導体層」を構成し、ｉ層５は、「第２の半導体層」を構成し、ｎ層６は、「第３の半導体層」を構成し、下地層１２および／または界面層１４は、「第４の半導体層」を構成する。
さらに、下地層１２は、「第５の半導体層」を構成し、界面層１４は、「第６の半導体層」を構成する。
その他は、実施の形態１と同じである。
上述したように、実施の形態１においては、透明導電膜２とｐ層４との間およびｎ層６と電極７との間の少なくとも一方にｐｏｌｙ−Ｓｉからなる層（下地層３または界面層８）を設けた光起電力素子１０，１０Ａ，１０Ｂについて説明した。
また、実施の形態２においては、基板１１とｎ層６との間およびｐ層４と透明導電膜１３との間の少なくとも一方にｐｏｌｙ−Ｓｉからなる層（下地層１２または界面層１４）を設けた光起電力素子１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅについて説明した。
したがって、この発明による光起電力素子は、ｐ層と透明導電膜との間およびｎ層と電極（または基板）との間の少なくとも一方にａ−Ｓｉ：Ｈよりもドーピング効率が高い半導体層を設けたものであればよい。
ｐ層と透明導電膜との間およびｎ層と電極（または基板）との間の少なくとも一方にａ−Ｓｉ：Ｈよりもドーピング効率が高い半導体層を備えていれば、ｐｉｎ構造における内部電位（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が高くなり、光起電力素子の開放電圧が高くなり、変換効率を向上できるからである。
また、上記においては、ｐ層４、ｉ層５およびｎ層６は、ａ−Ｓｉ：Ｈからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、ｐ層４、ｉ層５およびｎ層６は、水素化アモルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ：Ｈ）、水素化アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）、水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）および水素化アモルファスシリコンナイトライド（ａ−ＳｉＮ：Ｈ）のいずれかからなっていてもよい。
さらに、上記においては、透明導電膜２，１３は、ＩＴＯからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、透明導電膜２，１３は、ＺｎＯ（Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）およびＳｎＯ２（Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のいずれかからなっていてもよい。
さらに、透明導電膜２，１３および基板１１は、テクスチャ化されていてもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、ｐ層および／またはｎ層におけるドーピング効率を向上可能な光起電力素子に適用される。また、この発明は、ｐ層および／またはｎ層におけるドーピング効率を向上可能な光起電力素子の製造方法に適用される。
この発明の実施の形態１による光起電力素子の概略断面図である。 プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置の概略断面図である。 図２に示すＡ方向から見たプラズマＣＶＤ装置の平面図である。 図１に示す光起電力素子の製造工程を示す第１の工程図である。 図１に示す光起電力素子の製造工程を示す第２の工程図である。 実施の形態１による他の光起電力素子の概略断面図である。 実施の形態１によるさらに他の光起電力素子の概略断面図である。 実施の形態２による光起電力素子の概略断面図である。 図８に示す光起電力素子の製造工程を示す第１の工程図である。 図８に示す光起電力素子の製造工程を示す第２の工程図である。 実施の形態２による他の光起電力素子の概略断面図である。 実施の形態２によるさらに他の光起電力素子の概略断面図である。
符号の説明
１ 基板、２，１３ 透明導電膜、３ 下地層、４ ｐ層、５ ｉ層、６ ｎ層、７ 電極、８，１４ 界面層、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ 光起電力素子、１００ プラズマＣＶＤ装置、１１０ 反応室、１１０Ａ，１２０Ａ 側壁、１１０Ｂ，１２０Ｂ 底面、１１０Ｃ 上面、１１１ 排気管、１２０ 搬送室、１２１ 開閉扉、１３０，１４０ アンテナ、１５０，１６０ ガス供給管、１７０ 支持台、１８０ アーム、１９０ ヒーター、２００ 高周波電源、３００ 試料。

Claims (14)

  1. 第１の電極と、
    前記第１の電極上に形成され、第１の導電型を有する非晶質半導体からなる第１の半導体層と、
    前記第１の半導体層上に形成され、光を電気に変換する非晶質半導体からなる第２の半導体層と、
    前記第２の半導体層上に形成され、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有する非晶質半導体からなる第３の半導体層と、
    前記第３の半導体層上に形成された第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第１の半導体層との間および前記第３の半導体層と前記第２の電極との間の少なくとも一方に前記第１の半導体層または前記第３の半導体層に接して形成され、前記第１の導電型または前記第２の導電型を有する結晶半導体からなる第４の半導体層とを備える、光起電力素子。
  2. 前記第４の半導体層は、前記第１の導電型を有し、前記第１の電極と前記第１の半導体層との間に前記第１の半導体層に接して形成される、請求項１に記載の光起電力素子。
  3. 前記第４の半導体層は、前記第２の導電型を有し、前記第３の半導体層と前記第２の電極との間に前記第３の半導体層に接して形成される、請求項１に記載の光起電力素子。
  4. 前記第４の半導体層は、
    前記第１の導電型を有し、前記第１の電極と前記第１の半導体層との間に前記第１の半導体層に接して形成された第５の半導体層と、
    前記第２の導電型を有し、前記第３の半導体層と前記第２の電極との間に前記第３の半導体層に接して形成された第６の半導体層とを含む、請求項１に記載の光起電力素子。
  5. 前記第１の電極は、透明導電膜であり、
    前記第１の導電型は、ｐ型であり、
    前記第２の導電型は、ｎ型であり、
    前記第２の電極は、金属電極である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  6. 前記第１の電極は、金属基板であり、
    前記第１の導電型は、ｎ型であり、
    前記第２の導電型は、ｐ型であり、
    前記第２の電極は、透明導電膜である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光起電力素子。
  7. 第１の導電型を有する非晶質半導体からなる第１の半導体層を第１の電極上に形成する第１のステップと、
    光を電気に変換する非晶質半導体からなる第２の半導体層を前記第１の半導体層上に形成する第２のステップと、
    前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有する非晶質半導体からなる第３の半導体層を前記第２の半導体層上に形成する第３のステップと、
    第２の電極を前記第３の半導体層上に形成する第４のステップと、
    前記第１の電極と前記第１の半導体層との間および前記第３の半導体層と前記第２の電極との間の少なくとも一方に前記第１の導電型または前記第２の導電型を有する結晶半導体からなる第４の半導体層を前記第１の半導体層または前記第３の半導体層に接して形成する第５のステップとを備える光起電力素子の製造方法。
  8. 前記第５のステップにおいて、前記第４の半導体層は、前記第１の電極と前記第１の半導体層との間に前記第１の半導体層に接して形成される、請求項７に記載の光起電力素子の製造方法。
  9. 前記第１のステップにおいて、ｐ型の導電型を有する前記第１の半導体層が透明導電膜からなる前記第１の電極上に形成され、
    前記第３のステップにおいて、ｎ型の導電型を有する前記第３の半導体層が前記第２の半導体層上に形成され、
    前記第５のステップにおいて、前記ｐ型の導電型を有する前記第４の半導体層が前記第１の電極と前記第１の半導体層との間に前記第１の半導体層に接して形成される、請求項８に記載の光起電力素子の製造方法。
  10. 前記第５のステップにおいて、前記第４の半導体層は、前記第３の半導体層と前記第２の電極との間に前記第３の半導体層に接して形成される、請求項７に記載の光起電力素子の製造方法。
  11. 前記第１のステップにおいて、ｎ型の導電型を有する前記第１の半導体層が金属基板からなる前記第１の電極上に形成され、
    前記第３のステップにおいて、ｐ型の導電型を有する前記第３の半導体層が前記第２の半導体層上に形成され、
    前記第５のステップにおいて、前記ｎ型の導電型を有する前記第４の半導体層が前記第１の電極と前記第１の半導体層との間に前記第１の半導体層に接して形成される、請求項１０に記載の光起電力素子の製造方法。
  12. 前記第５のステップは、
    前記第１の導電型を有する結晶半導体からなる第５の半導体層を前記第１の電極と前記第１の半導体層との間に前記第１の半導体層に接して形成する第１のサブステップと、
    前記第２の導電型を有する結晶半導体からなる第６の半導体層を前記第３の半導体層と前記第２の電極との間に前記第３の半導体層に接して形成する第２のサブステップとを含む、請求項７に記載の光起電力素子の製造方法。
  13. 前記第１のステップにおいて、ｐ型の導電型を有する前記第１の半導体層が透明導電膜からなる前記第１の電極上に形成され、
    前記第３のステップにおいて、ｎ型の導電型を有する前記第３の半導体層が前記第２の半導体層上に形成され、
    前記第１のサブステップにおいて、前記ｐ型の導電型を有する前記第５の半導体層が前記第１の電極と前記第１の半導体層との間に前記第１の半導体層に接して形成され、
    前記第２のサブステップにおいて、前記ｎ型の導電型を有する前記第６の半導体層が前記第３の半導体層と前記第２の電極との間に前記第３の半導体層に接して形成される、請求項１２に記載の光起電力素子の製造方法。
  14. 前記第１のステップにおいて、ｎ型の導電型を有する前記第１の半導体層が金属基板からなる前記第１の電極上に形成され、
    前記第３のステップにおいて、ｐ型の導電型を有する前記第３の半導体層が前記第２の半導体層上に形成され、
    前記第１のサブステップにおいて、前記ｎ型の導電型を有する前記第５の半導体層が前記第１の電極と前記第１の半導体層との間に前記第１の半導体層に接して形成され、
    前記第２のサブステップにおいて、前記ｐ型の導電型を有する前記第６の半導体層が前記第３の半導体層と前記第２の電極との間に前記第３の半導体層に接して形成される、請求項１２に記載の光起電力素子の製造方法。
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