JP2010067920A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定電荷により誘起した反転層を利用した構成の光電変換装置において優れた特性を有する光電変換装置を提供する。
【解決手段】半導体層と、半導体層の表面に接するように設置された誘電体膜とを含み、誘電体膜は、半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有する光電変換装置である。ここで、半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなっていてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換装置に関し、特に、固定電荷により誘起した反転層を利用した構成の光電変換装置において優れた特性を有する光電変換装置に関する。

たとえば特許文献１には、半導体表面に直接接する酸化シリコンからなる第一層と、その第一層上に形成された第一層とは異なる絶縁材料からなる第二層とを有し、第二層内に固定電荷が含まれている構成の太陽電池が記載されている。

特許文献１に記載の太陽電池においては、第一層と第二層との界面に固定電荷が設置さることによって、半導体表面に反転層が誘起される。このような反転層を誘起することによって、不純物をドープした通常のｐｎ接合よりも高い紫外感度を有することが予想される。

また、特許文献１には、第二層に窒化シリコンを用いること、さらには第二層中にアルカリイオンなどの異種イオンを加える場合には、固定電荷密度をさらに高くできることが記載されている。
特開昭５５−５９７８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の太陽電池においては、窒化シリコンからなる第二層中にアルカリイオンなどの異種イオンを加えた場合でも、半導体表面の反転層におけるキャリア密度が高くならないことから、優れた特性の太陽電池を得ることができないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、固定電荷により誘起した反転層を利用した構成の光電変換装置において優れた特性を有する光電変換装置を提供することにある。

本発明は、半導体層と、半導体層の表面に接するように設置された誘電体膜とを含み、誘電体膜は、半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有する光電変換装置である。

ここで、本発明の光電変換装置においては、半導体層が、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなっていてもよい。

また、本発明の光電変換装置においては、誘電体膜のバンドギャップが４．２ｅＶ以上であることが好ましい。

また、本発明の光電変換装置においては、誘電体膜が、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなっていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、正の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、負の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置は、誘電体膜が接する半導体層の表面の領域の少なくとも一部に、第１導電型または第２導電型の表面反転層を含むことが好ましい。

また、本発明の光電変換装置は、半導体層の表面の少なくとも一部に表面反転層と同一の導電型の不純物を含有する不純物含有層を有し、不純物含有層に接する電極をさらに備えていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、電極は、金属、金属シリサイドおよび透明導電膜からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層と誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、半導体層の表面には凹凸が形成されていることが好ましい。

また、本発明は、第１の光電変換層と、第２の光電変換層とを含み、第１の光電変換層は、第１の半導体層と、第１の半導体層の表面に接するように設置されて第１の半導体層との界面近傍に正または負の固定電荷となる不純物を有する表面誘電体膜と、表面誘電体膜が接する第１の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に設置された第１導電型または第２導電型の表面反転層と、第１の半導体層の表面とは反対側の裏面に設置されて表面反転層とは逆の導電型の第１の不純物を有する第１の不純物含有層とを備えており、第２の光電変換層は、第２の半導体層と、第２の半導体層の表面に設置されて表面反転層とは逆の導電型の第２の不純物を有する第２の不純物含有層と、第２の半導体層の表面とは反対側の裏面に設置されて第２の不純物とは逆の導電型の第３の不純物を有する第３の不純物含有層とを備えており、第１の光電変換層の第１の不純物含有層と、第２の光電変換層の第２の不純物含有層とが接合されて第１の光電変換層と第２の光電変換層とが積層されてなる積層構造を有する光電変換装置である。

ここで、本発明の光電変換装置において、第１の半導体層の厚さは第１の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄く、第２の半導体層の厚さは第２の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、光入射側に近い第１の半導体層のバンドギャップが、光入射側から遠い第２の半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、第１の半導体層および第２の半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなっていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜のバンドギャップは４．２ｅＶ以上であることが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜は、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなっていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、正の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、負の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置においては、第１の半導体層に電極をさらに備えていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、電極は、金属、金属シリサイドおよび透明導電膜からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置においては、表面誘電体膜において正または負の固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第１の半導体層と表面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第１の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、表面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。

また、本発明の光電変換装置は、第３の光電変換層をさらに含み、第３の光電変換層は、第３の半導体層と、第３の半導体層の裏面に接するように設置されて第３の半導体層との界面近傍に表面誘電体膜が有する不純物とは逆の極性の固定電荷となる不純物を有する裏面誘電体膜と、裏面誘電体膜が接する第３の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に設置された表面反転層とは逆の導電型の裏面反転層と、第３の半導体層の裏面とは反対側の表面に設置されて裏面反転層とは逆の導電型の第４の不純物を有する第４の不純物含有層とを備えており、第３の光電変換層の第４の不純物含有層と、第２の光電変換層の第３の不純物含有層とが接合されて、第２の光電変換層と第３の光電変換層とが積層されてなる積層構造を有していてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、裏面誘電体膜において不純物が最も多く存在する箇所は、第３の半導体層と裏面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第３の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、裏面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。

また、本発明は、半導体層と、半導体層の表面上に接するように設置された表面誘電体膜と、半導体層の表面とは反対側の裏面に接するように設置された裏面誘電体膜とを含み、表面誘電体膜は、半導体層との界面近傍に、第１極性の固定電荷となる不純物を有し、裏面誘電体膜は、半導体層との界面近傍に、第１極性とは逆の第２極性の固定電荷となる不純物を有する光電変換装置である。

ここで、本発明の光電変換装置において、半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなっていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜のバンドギャップは４．２ｅＶ以上であることが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜および裏面誘電体膜は、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなっていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、第１極性の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含み、第２極性の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、第１極性の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含み、第２極性の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、半導体層の表面には凹凸が形成されていることが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜が接する半導体層の表面の領域の少なくとも一部に、第１導電型または第２導電型の表面反転層を有することが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、裏面誘電体膜が接する半導体層の裏面の領域の少なくとも一部に、表面反転層とは逆の導電型の裏面反転層を有することが好ましい。

また、本発明の光電変換装置は、半導体層の表面の少なくとも一部に表面反転層と同一の導電型の不純物を含有する不純物含有層を有し、不純物含有層に接する電極をさらに備えていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、電極は、金属、金属シリサイドおよび透明導電膜からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、第１極性の固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層と表面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、表面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、裏面誘電体膜において第２極性の不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層と裏面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、裏面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。

さらに、本発明は、第１の半導体層と、第１の半導体層の表面に接合された第１の誘電体膜と、第１の半導体層の裏面に接合された第２の誘電体膜と、第２の誘電体膜の裏面に接合された第２の半導体層とを含み、第１の誘電体膜は第１の半導体層との界面近傍において第１極性または第２極性の固定電荷となる不純物を有し、第２の誘電体膜は第１の半導体層との界面近傍および第２の半導体層との界面近傍において第１の誘電体膜に含まれる不純物とは逆の極性の固定電荷となる不純物を有している光電変換装置である。

また、本発明の光電変換装置において、第１の半導体層の厚さが第１の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄く、第２の半導体層の厚さが第２の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、光入射側に近い第１の半導体層のバンドギャップが、光入射側から遠い第２の半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、第１の半導体層および第２の半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなっていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、第１の誘電体膜および第２の誘電体膜のバンドギャップは４．２ｅＶ以上であることが好ましい。

また、本発明の光電変換装置において、第１の誘電体膜および第２の誘電体膜は、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなっていてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、第１極性の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含み、第２極性の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、第１極性の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含み、第２極性の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、第１の誘電体膜が接合する第１の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に第１導電型または第２導電型の第１の反転層を有し、第２の誘電体膜が接合する第１の半導体層の裏面の領域の少なくとも一部および第２の誘電体膜が接合する第２の半導体層の表面の領域の少なくとも一部にそれぞれ第１の反転層とは逆の導電型の第２の反転層を有していてもよい。

また、本発明の光電変換装置において、積層構造の一方の側面に第１導電型半導体層を有し、積層構造の他方の側面に第２導電型半導体層を有していてもよい。

本発明によれば、固定電荷により誘起した反転層を利用した構成の光電変換装置において優れた特性を有する光電変換装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

また、本発明において、反転層とは、誘電体膜中の固定電荷となる不純物によって誘起される、ｐ型半導体表面の電子キャリア層、ｎ型半導体層表面の正孔キャリア層、または、ｉ型（真性型）半導体表面の電子キャリア層または正孔キャリア層の場合も含む。

また、本発明の実施の形態においては、ｎ型層およびｐ型層を、半導体層と同じ半導体材料に不純物をドープすることによって形成したが、半導体層とは異なる半導体材料を用いてもよい。たとえば、半導体層としてアモルファスシリコンを用いる場合、ｎ型またはｐ型不純物をドープしたアモルファスシリコンゲルマニウム、または、アモルファス炭化シリコンなどをｎ型層またはｐ型層として用いることもできる。

また、本発明の実施の形態においては、半導体層として主にシリコンを用いる場合を中心に説明するが、半導体層としてはシリコンのほかに、窒化ガリウム、炭化シリコン、カドミウムテルル、ガリウム砒素、インジウムリン、Ｃｕ(Ｉｎ，Ｇａ)Ｓｅ₂、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム等を用いることもできる。

＜実施の形態１＞
図１（ａ）に、本発明の光電変換装置の一例の光入射側の表面の模式的な平面図を示す。ここで、図１（ａ）に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の光入射側の表面には誘電体膜としての酸化シリコン膜６が設置されている。また、酸化シリコン膜６の下部には不純物含有層としての櫛形状のｎ+層３が形成されており、櫛形状のｎ+層３に接する表面電極として帯状の金属電極８が形成されている。

図１（ｂ）に、図１（ａ）の１ｂ−１ｂに沿った模式的な断面を示し、図１（ｃ）に図１（ａ）の１ｃ−１ｃに沿った模式的な断面を示す。図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、本実施の形態の光電変換装置においては、半導体層としてのｐ型シリコン基板２の光入射側の表面には上記のｎ+層３が形成されている。また、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面にはｐ+層１が形成されており、ｐ+層１の裏面に接するように裏面電極７が形成されている。なお、ｐ+層１は、ｐ型シリコン基板２よりも高濃度でｐ型不純物が含有されている層である。

さらに、上記の酸化シリコン膜６は、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面を覆うようにして形成されている。そして、酸化シリコン膜６は、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面において、正の固定電荷となる不純物としてのセシウム５を有している。

ここで、セシウム５は、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面近傍においてイオン化して正の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜６が接するｐ型シリコン基板２の光入射側の表面の少なくとも一部の領域にはｎ+層３と同様にｎ型半導体として機能する表面反転層４が誘起される。

なお、ｐ型シリコン基板２の代わりに、真性タイプのシリコン基板を用いてもよい。
以下、図１に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。まず、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に酸化シリコン膜６を形成する。ここで、ｐ型シリコン基板２が単結晶シリコンからなる場合には、たとえば８００℃〜１２００℃の温度で、好ましくは９００℃〜１０５０℃の温度で熱酸化することによりｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に酸化シリコン膜６を形成することができる。なお、酸化シリコン膜６は、たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法などを用いて形成してもよい。また、プラズマＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜６を形成することにより、たとえば４００℃以下といった低温で酸化シリコン膜６を形成することができる。

次に、ｐ型シリコン基板２の裏面にｐ+層１を形成する。ここで、ｐ+層１の形成は、たとえばｐ型シリコン基板２の裏面にｐ型不純物を拡散させることなどによって行なうことができる。また、ｐ型不純物の拡散は、たとえばＢＢｒ₃などのｐ型不純物（ボロン）を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。なお、ｐ型不純物としては、ボロン以外にも、たとえばアルミニウムやインジウムなどを用いることができる。また、ｐ+層１は、たとえばイオン注入法またはイオンドーピング法などを用いてｐ型不純物をｐ型シリコン基板２の裏面に導入した後にアニールすることなどによっても形成することができる。

次に、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面にｎ+層３を形成する。ここで、ｎ+層３の形成は、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面にｎ型不純物を拡散させることによって行なうことができる。また、ｎ型不純物の拡散は、たとえば、ｎ+層３の形成箇所に対応する箇所の酸化シリコン膜６の一部に開口部を設け、その開口部からＰＯＣｌ₃などのｎ型不純物（リン）を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。なお、ｎ型不純物としては、リン以外にも、たとえば砒素またはアンチモンなどを用いることができる。また、ｎ+層３は、たとえばイオン注入法またはイオンドーピング法などを用いてｎ型不純物をｐ型シリコン基板２の表面に導入した後にアニールすることなどによっても形成することができる。

次に、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に形成された酸化シリコン膜６にセシウム５を含有させる。ここで、セシウム５は、たとえば、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面上に形成された酸化シリコン膜６にセシウムイオンをイオン注入することによって、酸化シリコン膜６にセシウム５を含有させることができる。

次に、ｐ型シリコン基板２のアニールを行なう。ここで、ｐ型シリコン基板２のアニールは、たとえば上記のセシウムイオン注入後のｐ型シリコン基板２をたとえば８００℃〜１０００℃の温度でアニールすることにより行なうことができる。これにより、酸化シリコン膜６中のセシウム５をｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面に偏析させることができる。酸化シリコン膜６とｐ型シリコン基板２との界面に偏析したセシウム５は電子をｐ型シリコン基板２に放出することによって正に帯電してイオン化するため、酸化シリコン膜６が接するｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に表面反転層４が形成される。

次に、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に金属電極８を形成する。ここで、金属電極８は、たとえば、金属電極８が形成される箇所に対応する酸化シリコン膜６の箇所に開口部を設け、マスクなどを用いて金属を所定の形状に蒸着すること等によって形成することができる。

次に、ｐ型シリコン基板２のｐ+層１の裏面に裏面電極７を形成する。ここで、裏面電極７は、たとえば、ｐ型シリコン基板２のｐ+層１の裏面に金属を蒸着すること等によって形成することができる。

最後に、上記の金属電極８および裏面電極７の形成後のｐ型シリコン基板２のアニールを行なうことによって、上記の構成を有する本実施の形態の光電変換装置の一例が作製される。ここで、ｐ型シリコン基板２のアニールは、たとえば３５０℃〜５００℃の温度の水素雰囲気にｐ型シリコン基板２を曝すことによって行なうことができる。

以上のようにして作製した上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６とｐ型シリコン基板２の光入射側の表面とが接しており、酸化シリコン膜６のｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面でイオン化したセシウムによって、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に表面反転層４が形成される。

したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、固定電荷を含む第二層と半導体表面との間に固定電荷を含まない第一層が設置された構成の特許文献１に記載の太陽電池と比べて表面反転層４に高密度に負電荷が誘起されやすく、ｎ型半導体としての機能が高められ、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面におけるキャリアの再結合が抑制されることなどにより、光電変換効率などの光電変換装置の特性が向上する。

また、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に短波長の光の吸収源となるｎ+層３の代わりに、ｎ型半導体として機能する表面反転層４を設けることによって、短波長の光の吸収がｎ+層３と比べて抑えられるため、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６とｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面におけるセシウムの偏析量によって表面反転層４に誘起される負電荷（電子）の密度を制御することができる。

特に、本実施の形態のように、酸化シリコン膜６へのセシウムイオン注入とアニールによって酸化シリコン膜６とｐ型シリコン基板２との界面にセシウムを偏析させる場合、表面反転層４における最適な負電荷の密度を得るためのセシウムイオン注入量のマージンが広いため、安定した品質で高特性の光電変換装置を提供することができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面における界面準位を表面反転層４に誘起される負電荷で終端することにより、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。

また、上記においては、半導体層としてｐ型シリコン基板２を用いたが、これには限定されず、たとえば結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコンまたはシリコン以外の他の種類の半導体などの半導体層を用いてもよい。なお、結晶シリコンには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンと多結晶シリコンとの混合体などが含まれる。

また、上記においては、ｐ型シリコン基板２が単結晶シリコンからなる場合について説明したが、ｐ型シリコン基板２に代えてたとえばアモルファスシリコンからなる半導体層を用いた場合には、セシウム５を含む酸化シリコン膜６を形成した後には、高温プロセスを行なわないようにして本実施の形態の光電変換装置を作製することが好ましい。

また、上記においては、誘電体膜として酸化シリコン膜６を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種を用いてもよい。

また、誘電体膜としては、バンドギャップが４．２ｅＶ以上である誘電体膜を用いることが好ましい。たとえば太陽光の大部分は３００ｎｍ以上の波長を有する光から構成されているため、バンドギャップが４．２ｅＶ以上である誘電体膜を用いて太陽光を入射させた場合には、３００ｎｍ以上の波長を有する太陽光が誘電体膜で吸収されるのが抑制され、変換ロスが少なくなるため、光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。

また、上記においては、正の固定電荷となる不純物としてセシウム５を用いた場合について説明したが、これには限定されず、たとえば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、ｐ型とｎ型の導電型が入れ替わっていてもよい。この場合には、セシウムのような正の固定電荷となる不純物の代わりに、負の固定電荷となる不純物を用いることができる。負の固定電荷となる不純物としては、たとえば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。

なお、正の固定電荷となる不純物および負の固定電荷となる不純物はそれぞれ酸化物の状態で含まれていてもよい。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、上記の不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層としてのｐ型シリコン基板２と誘電体膜としての酸化シリコン膜６との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層としてのｐ型シリコン基板２側に５ｎｍ進向した領域と、誘電体膜としての酸化シリコン膜６側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。

すなわち、本実施の形態の光電変換装置においては、誘電体膜が、半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有していればよいが、この不純物の少なくとも一部が、半導体層と誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に存在していればよい。

また、上記においては、ｐ型シリコン基板２の光入射側の酸化シリコン膜６を反射防止膜として機能させてもよく、酸化シリコン膜６の表面にテクスチャ構造および／またはモスアイ構造などを形成してもよいことは言うまでもない。

また、上述したように、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｎ型とｐ型の導電型を入れ替えてもよい。なお、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においてｎ型とｐ型の導電型を入れ替えた場合には、正と負の電荷の極性も入れ替わることになる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｐ+層１については形成しなくてもよい。

＜実施の形態２＞
図２（ａ）に、本発明の光電変換装置の他の一例の光入射側の表面の模式的な平面図を示す。また、図２（ｂ）に図２（ａ）の２ｂ−２ｂに沿った模式的な断面を示し、図２（ｃ）に図２（ａ）の２ｃ−２ｃに沿った模式的な断面を示す。

ここで、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面の全面にｎ+層３と接する電極として透明導電膜９が形成されている点に特徴がある。

本実施の形態のような構成とすることによって、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面の全面から光を入射させることができ、電極の低抵抗化による光電変換装置の光電変換効率などの特性の向上をさらに向上させることが可能になる。また、電極のパターンニング工程および電極のパターンニング用のマスクが必要なくなるため、製造コストの低減および製造効率の向上も可能となる。

なお、透明導電膜９としては、たとえば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＯ（Indium Oxide；酸化インジウム）、ＴＯ（Tin Oxide；酸化スズ）またはＺＯ（Zinc Oxide；酸化亜鉛）からなる層の単層または複数層の積層体を用いることができる。

また、透明導電膜９は、たとえば、ｎ+層３の少なくとも一部が露出するように酸化シリコン膜６の一部に開口部を設け、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯなどからなる透明導電膜９をその上から覆うように蒸着等することによって形成することができる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。

＜実施の形態３＞
図３（ａ）に、本発明の光電変換装置の他の一例の光入射側の表面の模式的な平面図を示す。また、図３（ｂ）に図３（ａ）の３ｂ−３ｂに沿った模式的な断面を示し、図３（ｃ）に図３（ａ）の３ｃ−３ｃに沿った模式的な断面を示す。

ここで、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面にｎ+層３と接する電極としての透明導電膜９が櫛形状に形成されている点に特徴がある。

本実施の形態のような構成とすることによって、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面上に形成される透明導電膜９の表面の面積を低減することができるため、透明導電膜９による光の反射や吸収を抑制することができる。これにより、本実施の形態の光電変換装置においては、実施の形態２の構成の光電変換装置と比べて、光電変換効率などの特性の向上をさらに向上させることが可能になる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１および実施の形態２と同様であるため、ここではその説明を省略する。

＜実施の形態４＞
図４（ａ）に、本発明の光電変換装置の他の一例の光入射側の表面の模式的な平面図を示す。また、図４（ｂ）に図４（ａ）の４ｂ−４ｂに沿った模式的な断面を示し、図４（ｃ）に図４（ａ）の４ｃ−４ｃに沿った模式的な断面を示す。

ここで、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面にｎ+層３と接する電極として櫛形状の金属シリサイド１０が形成されている点に特徴がある。

本実施の形態のような構成とすることによって、従来から公知の自己整合シリサイド化（SALICIDE）プロセスを用いることによって櫛形状のｎ+層３の表面上に櫛形状の金属シリサイド１０を形成することができ、電極のパターンニング工程および電極のパターンニング用のマスクが必要なくなるため、製造コストの低減および製造効率の向上が可能となる。

なお、金属シリサイド１０としては、少なくとも１種の任意の金属とシリコンとの化合物からなるものであれば特には限定されず用いることができ、たとえば、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ_x（ｘ≒０．５〜２））、エルビウムシリサイド（ＥｒＳｉ_x（ｘ≒０．５〜２））、イッテルビウムシリサイド（ＹｂＳｉ_x（ｘ≒０．５〜２））、白金シリサイド（ＰｔＳｉ_x（ｘ≒０．５〜１））、ニッケルシリサイド（Ｎｉ_xＳｉ（ｘ≒０．５〜２））またはコバルトシリサイド（Ｃｏ_xＳｉ（ｘ≒０．５〜２））などを用いることができる。また、ｐ型シリコン基板２の代わりに、アモルファスシリコンなどを用いる場合のように低温プロセスが必要である場合であっても、Ｎｉ_xＳｉ（ｘ≒１〜２）、Ｃｏ_xＳｉ（ｘ≒１〜２）を用いることにより、たとえば４００℃以下の低温で金属シリサイド１０を形成することが可能である。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１〜実施の形態３と同様であるため、ここではその説明を省略する。

＜実施の形態５＞
図５に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。図５に示す構成の本実施の形態の光電変換装置は、第１の光電変換層５１と、第２の光電変換層５２と、第３の光電変換層５３とが光入射側からこの順序で積層された積層構造を有している。

ここで、第１の光電変換層５１は、第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層２ａと、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面に接するように設置されている誘電体膜である表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６とを有している。

また、酸化シリコン膜６は、第１のアモルファスシリコン層２ａとの界面近傍に、正の固定電荷となる不純物としてのセシウム５を有している。ここで、セシウム５は、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面との界面近傍においてイオン化して正の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜６が接する第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面の少なくとも一部の領域にはｎ型半導体として機能する表面反転層４が誘起される。

また、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面には、上記の表面反転層４とは逆の導電型の第１の不純物（本実施の形態においてはｐ型不純物）を有する第１の不純物含有層としてのｐ+層１が形成されている。

また、第２の光電変換層５２は、第２の半導体層としての第２のアモルファスシリコン層２ｂを有している。

ここで、第２のアモルファスシリコン層２ｂの光入射側の表面に上記の第１の不純物とは逆の導電型の第２の不純物（本実施の形態においてはｎ型不純物）を有する第２の不純物含有層としてのｎ+層３が形成されている。

また、第２のアモルファスシリコン層２ｂの光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面には、上記の第２の不純物とは逆の導電型の第３の不純物（本実施の形態においてはｐ型不純物）を有する第３の不純物含有層としてのｐ+層１が形成されている。

また、第３の光電変換層５３は、第３の半導体層としての第３のアモルファスシリコン層２ｃを有している。

ここで、第３のアモルファスシリコン層２ｃの光入射側の表面には、上記の第３の不純物とは逆の導電型の第４の不純物（本実施の形態においてはｎ型不純物）を有する第４の不純物含有層としてのｎ+層３が形成されている。

また、第３のアモルファスシリコン層２ｃの光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面には、上記の第４の不純物とは逆の導電型の第５の不純物（本実施の形態においてはｐ型不純物）を有する第５の不純物含有層としてのｐ+層１が形成されている。

そして、上記の第１の光電変換層５１の光入射側の表面とは反対側の裏面に形成されたｐ+層１と、上記の第２の光電変換層５２の光入射側の表面に形成されたｎ+層３とが接合されている。また、上記の第２の光電変換層５２の光入射側の表面とは反対側の裏面に形成されたｐ+層１と、上記の第３の光電変換層５３の光入射側の表面に形成されたｎ+層３とが接合されている。これらの接合によって、第１の光電変換層５１、第２の光電変換層５２および第３の光電変換層５３が光入射側からこの順序で積層された積層構造を構成している。

また、上記の積層構造の第１の光電変換層５１の第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面の一部に接するように表面電極としての透明導電膜９が形成されているとともに、上記の積層構造の第３の光電変換層５３の第３のアモルファスシリコン層２ｃの裏面のｐ+層１に接するようにたとえばアルミニウムなどからなる裏面電極７が形成されている。ここで、透明導電膜９は、酸化シリコン膜６に形成された開口部を通して第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面と接している。

なお、透明導電膜９と第１のアモルファスシリコン層２ａとの大部分の接触部においてはショットキバリアにより導通を図ることが困難であり、光電変換装置で生成したキャリアを取り出すのは難しい。しかしながら、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面に接触する透明導電膜９の端部であるエッジ部１１は表面反転層４と接触し、エッジ部１１においてはショットキバリア変調効果によりショットキバリアが低減して接触抵抗が低くなりオーミック接続が可能となるため、光電変換装置で生成したキャリアをより容易に外部に取り出すことが可能になる。

以下、図５に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。まず、裏面電極７の表面上に第３の光電変換層５３を形成する。ここで、第３の光電変換層５３は、たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによって、裏面電極７の表面上に、ｐ型不純物をドープさせたｐ型アモルファスシリコン膜を形成してｐ+層１を形成した後に、ｐ型不純物のドープを停止してノンドープのアモルファスシリコン膜を形成して第３のアモルファスシリコン層２ｃを形成し、さらにはｎ型不純物をドープさせたｎ型アモルファスシリコン膜を形成してｎ+層３を形成することによって形成することができる。

また、ｐ型不純物のドープによるｐ型アモルファスシリコン膜の形成は、たとえば、ｐ型不純物を含むドーピングガスをアモルファスシリコン膜の原料ガスに混入した状態でアモルファスシリコン膜を成膜することによって行なうことができる。なお、ｐ型不純物としては、たとえば、ボロン、インジウムまたはアルミニウムなどを用いることができる。

また、ｎ型不純物のドープによるｎ型アモルファスシリコン膜の形成は、たとえば、ｎ型不純物を含むドーピングガスをアモルファスシリコン膜の原料ガスに混入した状態でアモルファスシリコン膜を成膜することによって行なうことができる。なお、ｎ型不純物としては、たとえば、リン、砒素またはアンチモンなどを用いることができる。

なお、第３の光電変換層５３として、ｎ−ｉ−ｐ構造のアモルファスシリコンを用いたが、表面にｎ+層を形成したｐ型の単結晶または多結晶シリコンを用いてもよい。この場合には、変換効率がさらに向上する。

次に、第３の光電変換層５３の表面上に第２の光電変換層５２を形成する。ここで、第２の光電変換層５２も、第３の光電変換層５３と同様に、たとえばＣＶＤ法などによって、第３の光電変換層５３の表面上に、ｐ型不純物をドープさせたｐ型アモルファスシリコン膜を形成してｐ+層１を形成した後に、ｐ型不純物のドープを停止してノンドープのアモルファスシリコン膜を形成して第２のアモルファスシリコン層２ｂを形成し、さらにはｎ型不純物をドープさせたｎ型アモルファスシリコン膜を形成してｎ+層３を形成することによって形成することができる。

次に、第２の光電変換層５２の表面上に第１の光電変換層５１を形成する。ここで、第１の光電変換層５１は、たとえば以下のようにして形成することができる。まず、ＣＶＤ法などによって、第２の光電変換層５２の表面上に、ｐ型不純物をドープさせたｐ型アモルファスシリコン膜を形成してｐ+層１を形成した後に、ｐ型不純物のドープを停止してノンドープのアモルファスシリコン膜を形成して第１のアモルファスシリコン層２ａを形成する。その後、第１のアモルファスシリコン層２ａの表面上にセシウム５を含む酸化シリコン膜６を形成することによって、第１の光電変換層５１を形成することができる。

ここで、セシウム５を含む酸化シリコン膜６は、たとえばＣＶＤ法において、酸化シリコンの原料とともにセシウム蒸気などのセシウムを含むガスを導入することにより形成することができる。また、セシウム５は、たとえば、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面上に形成された酸化シリコン膜６にセシウムイオンをイオン注入することによって、酸化シリコン膜６にイオン化したセシウム５を含有させることができる。また、アモルファスシリコン層２ａの表面に、たとえば塩化セシウム水溶液または水酸化セシウム水溶液などのセシウムを含有する溶液を塗布し、乾燥した後、たとえばＣＶＤ法などによって酸化シリコン膜６を形成することにより、アモルファスシリコン層２ａと酸化シリコン膜６との界面付近にセシウム５を配置することができる。

最後に、第１の光電変換層５１の光入射側の表面上に透明導電膜９を形成することによって、図５に示す構成の本実施の形態の光電変換装置が作製される。ここで、透明導電膜９は、たとえば、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面の少なくとも一部が露出するように酸化シリコン膜６の一部に開口部を設け、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯなどからなる透明導電膜９をその上から覆うように、スパッタリングまたは蒸着等することによって形成することができる。

以上のようにして作製した上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６と第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面とが接しており、酸化シリコン膜６の第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面との界面でイオン化したセシウムによって、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面に表面反転層４が形成される。

したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、固定電荷を含む第二層と半導体表面との間に固定電荷を含まない第一層が設置された構成の特許文献１に記載の太陽電池と比べて表面反転層４に高密度に負電荷が誘起されやすく、ｎ型半導体としての機能が高められ、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面におけるキャリアの再結合が抑制されることなどにより、光電変換効率などの光電変換装置の特性が向上する。

また、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面に短波長の光の吸収源となるｎ+層の代わりに、ｎ型半導体として機能する表面反転層４を設けることによって、短波長の光の吸収がｎ+層と比べて抑えられるため、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６と第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面との界面におけるセシウムの偏析量によって表面反転層４に誘起される負電荷の密度を制御することができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面における界面準位を表面反転層４に誘起される負電荷で終端することにより、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。

また、本実施の形態の光電変換装置のように、表面電極と接する半導体層にアモルファスシリコンを用いている場合には、不純物の活性化率が低くなるため、表面電極と接する半導体層に高濃度の不純物ドープ層を形成することは難しいが、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６中のイオン化したセシウムによって第１のアモルファスシリコン層２ａの表面に表面反転層４を形成することができ、表面反転層４と透明導電膜９とを接触させることができるため、高濃度の不純物ドープ層を形成する必要がない。

また、上記においては、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層としてそれぞれアモルファスシリコンを用いたが、これには限定されず、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層としては、たとえば結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコンまたはシリコン以外の他の種類の半導体などの半導体層をそれぞれ用いてもよい。なお、結晶シリコンには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンと多結晶シリコンとの混合体などが含まれる。

また、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層にそれぞれ結晶シリコンを用いた場合には、第１の光電変換層５１と第２の光電変換層５２と第３の光電変換層５３との積層構造は、たとえば、以下のようにして作製することができる。まず、結晶シリコンの一方の表面にｐ型不純物を拡散させてｐ+層１を形成し、結晶シリコンの他方の表面にｎ型不純物を拡散させてｎ+層３を形成したシリコン基板（両面ドープシリコン基板）を２枚作製するとともに、結晶シリコンの一方の表面のみにｐ型不純物を拡散させてｐ+層１を形成し、結晶シリコンの他方の表面にはｎ型不純物を拡散させずにｎ+層３を形成しなかったシリコン基板（片面ドープシリコン基板）を１枚作製する。そして、片面ドープシリコン基板のｐ+層１に１枚の両面ドープシリコン基板のｎ+層３を貼り合わせるとともに、当該両面ドープシリコン基板のｐ+層１に他の両面ドープシリコン基板のｎ+層３を貼り合わせることによって、上記の積層構造を作製することができる。

その後、露出している片面ドープシリコン基板の表面にセシウム５を配置した後、たとえば、熱酸化法、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、ＲＴＯ（Rapid Thermal Oxidation：急速熱酸化）法、またはプラズマ酸化法などによって露出している片面ドープシリコン基板の表面の一部に酸化シリコン膜６を形成する。続いて、たとえば、スパッタ法、ＣＶＤ法またはゾルゲル法などを用いることによって、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯなどからなる透明導電膜９を形成し、当該透明導電膜９とは逆側の上記積層構造の裏面のｐ型層に接して裏面電極７を形成することによって本実施の形態の光電変換装置を作製することができる。なお、セシウム５は、酸化シリコン膜６を形成した後、酸化シリコン膜６中にセシウムイオンをイオン注入し、その後アニールすることによって、酸化シリコン膜６と片面ドープシリコン基板の界面に偏析させてもよい。

このように、酸化シリコン膜６のアニールによって酸化シリコン膜６と第１の半導体層との界面近傍にイオン化したセシウム５を偏析させる場合、表面反転層４における最適な電子の密度を得るためのセシウムイオン注入量のマージンが広いため、安定した品質で高特性の光電変換装置を提供することができる。また、所望の膜厚よりも厚い酸化シリコン膜６を形成した後、酸化シリコン膜６中にセシウムイオンをイオン注入し、続いてアニールすることによってセシウムを酸化シリコン膜６と片面ドープシリコン基板との界面に偏析させ、その後、フッ酸水溶液などでの処理または反応性イオンエッチングなどを行なうことによって、酸化シリコン膜６が所望の膜厚になるまで薄膜化してもよい。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、光入射側に近い第１の半導体層のバンドギャップが、光入射側から遠い第２の半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。また、光入射側に近い第２の半導体層のバンドギャップが、光入射側から遠い第３の半導体層のバンドギャップ以上であることがより好ましい。さらには、光入射側に近い第１の半導体層のバンドギャップが光入射側から遠い第２の半導体層のバンドギャップ以上であり、かつ光入射側に近い第２の半導体層のバンドギャップが光入射側から遠い第３の半導体層のバンドギャップ以上である（第３の半導体層のバンドギャップ≦第２の半導体層のバンドギャップ≦第１の半導体層のバンドギャップ）ことがさらに好ましい。このような光入射側から短波長の光から長波長の光を順次吸収できるような積層構造とすることによって、本実施の形態の光電変換装置に入射した光の吸収量が大きくなるため、光電変換効率などの本実施の形態の光電変換装置の特性が向上する傾向にある。

なお、上記の第３の半導体層のバンドギャップ≦第２の半導体層のバンドギャップ≦第１の半導体層のバンドギャップの関係とするための半導体層の構成としては、たとえば、第１の半導体層にアモルファスの炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用い、第２の半導体層にアモルファスシリコンを用い、第３の半導体層に微結晶シリコンを用いる構成が挙げられる。

また、上記の第３の半導体層のバンドギャップ≦第２の半導体層のバンドギャップ≦第１の半導体層のバンドギャップの関係とするための半導体層の他の構成としては、たとえば、第１の半導体層にアモルファスの炭化ケイ素を用い、第２の半導体層にアモルファスシリコンを用い、第３の半導体層にアモルファスのシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を用いる構成が挙げられる。

また、第１の半導体層の厚さは、第１の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、第１の半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって、入射した光が吸収される確率も高くすることができる。

また、第２の半導体層の厚さは、第２の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、第２の半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって、入射した光が吸収される確率も高くすることができる。

また、第３の半導体層の厚さは、第３の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、第３の半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって、入射した光が吸収される確率も高くすることができる。

また、上記においては、表面誘電体膜として酸化シリコン膜６を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種を用いてもよい。

また、表面誘電体膜としては、バンドギャップが４．２ｅＶ以上である誘電体膜を用いることが好ましい。たとえば太陽光の大部分は３００ｎｍ以上の波長を有する光から構成されているため、バンドギャップが４．２ｅＶ以上である表面誘電体膜を用いて太陽光を入射させた場合には、３００ｎｍ以上の波長を有する太陽光が誘電体膜で吸収されるのが抑制され、変換ロスが少なくなるため、光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。

また、上記においては、正の固定電荷となる不純物としてセシウム５を用いた場合について説明したが、これには限定されず、たとえば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、ｐ型とｎ型の導電型が入れ替わっていてもよい。この場合には、セシウムのような正の固定電荷となる不純物の代わりに、負の固定電荷となる不純物を用いることができる。負の固定電荷となる不純物としては、たとえば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。

なお、正の固定電荷となる不純物および負の固定電荷となる不純物はそれぞれ酸化物の状態で含まれていてもよい。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、上記の不純物が最も多く存在する箇所は、第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層２ａと表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６との界面から、この界面に対して垂直な方向に第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層２ａ側に５ｎｍ進向した領域と、表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。

すなわち、本発明の光電変換装置においては、表面誘電体膜が、第１の半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有していればよいが、この不純物の少なくとも一部が、第１の半導体層と表面誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に第１の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、表面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に存在していればよい。

また、上記においては、第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の酸化シリコン膜６を反射防止膜として機能させてもよく、酸化シリコン膜６の表面にテクスチャ構造および／またはモスアイ構造などを形成してもよいことは言うまでもない。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層の３層を積層した積層構造を有する場合について説明したが、３層に限定されるものではないことは言うまでもない。

また、上述したように、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｎ型とｐ型の導電型を入れ替えてもよい。なお、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においてｎ型とｐ型の導電型を入れ替えた場合には、正と負の電荷の極性も入れ替わることになる。

また、本実施の形態の光電変換装置のように、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層にそれぞれアモルファスシリコンを用いる場合には、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層はそれぞれ光入射側の表面にｐ+層を有していることが好ましい。これは次のような理由による。光照射時のキャリア生成は、半導体層の中でも光入射側で多く起こるため、半導体層の光入射側の表面にｐ+層を設けることによって、電子に比べてライフタイムの短い正孔がｐ+層に到達するまでの移動距離を小さくすることができる。したがって、正孔の再結合を抑制することによって、変換効率を向上させることができる。

上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、透明導電膜９として、たとえば、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯからなる層の単層または複数層の積層体を用いることができる。

なお、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、透明導電膜９に代えて、金属電極を用いてもよい。しかしながら、第１の半導体層に接する電極として金属電極を用いる場合には、光入射を考慮して、第１の半導体層の表面の一部のみに形成されていることが好ましい。

＜実施の形態６＞
図６に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図６に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第１の光電変換層５１の第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面の一部にｎ+層３が形成されており、ｎ+層３に透明導電膜９が接するようにして形成されている点に特徴がある。

本実施の形態のような構成とすることによって、実施の形態５の構成の光電変換装置と比べて、透明導電膜９の接触抵抗を低減することができるため、光電変換装置の光電変換効率などの特性を向上させることが可能になる。

また、本実施の形態の光電変換装置の酸化シリコン膜６においては、正の固定電荷となるイオン化されたセシウム５が第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面との界面近傍に配置されているため、酸化シリコン膜６と接するｎ+層３の領域に負電荷が誘起されて蓄積層１３が形成される。この蓄積層１３と透明導電膜９との接触によっても透明導電膜９の接触抵抗を低減することができる。なお、上記および下記のいずれの実施の形態の光電変換装置の構成においても、負の電荷が誘起される反転層とｎ+層との重複領域、および正の電荷が誘起される反転層とｐ+層との重複領域はいずれも蓄積層となりうることは言うまでもない。

また、ｎ+層３は、第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面に、ｎ+層３の形成箇所に対応する箇所に開口部を有するマスクを設置した後にｎ型不純物をこの開口部から拡散させることによって形成することができる。なお、ｎ型不純物の拡散は、たとえば、ＰＯＣｌ₃などのｎ型不純物を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。また、たとえば、上記の開口部へのイオン注入またはイオンドーピングによって、リン、砒素またはアンチモンなどのｎ型不純物をドーピングすることによってｎ+層３を形成することもできる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態５と同様であるため、ここではその説明を省略する。

＜実施の形態７＞
図７に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図７に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第１の光電変換層５１の第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面の一部に金属シリサイド１０が形成されている点に特徴がある。

本実施の形態のような構成とすることによって、金属シリサイド１０は、金属のように低抵抗であるために金属シリサイド１０によって低抵抗の櫛形状の電極を形成することができ、また透明導電膜による光の吸収を抑制することができることから、実施の形態５の光電変換装置と比べて、光電変換装置の光電変換効率などの特性を向上させることが可能になる。

なお、金属シリサイド１０は、たとえば従来から公知の自己整合シリサイド化（SALICIDE）プロセスを用いることによって形成することができる。ＳＡＬＩＣＩＤＥプロセスを用いることにより、電極加工用のマスクを不要とし、容易に電極を形成することが可能となる。

また、金属シリサイド１０としては、少なくとも１種の任意の金属とシリコンとの化合物からなるものであれば特には限定されず用いることができ、シリコンと化合する金属としては、たとえば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｅｒ、ＹｂまたはＰｔなどが挙げられる。なかでも、シリコンと化合する金属としては、低温で形成可能なニッケルシリサイド（Ｎｉ_xＳｉ（ｘ≒０．５〜２））またはコバルトシリサイド（Ｃｏ_xＳｉ（ｘ≒０．５〜２））などを用いることができる。

また、本実施の形態の光電変換装置においては、金属シリサイド１０に接する透明導電膜等を用いて配線層を形成しても良い。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態５と同様であるため、ここではその説明を省略する。

＜実施の形態８＞
図８に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図８に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第１の光電変換層５１の第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層２ａの光入射側の表面の一部に金属シリサイド１０が形成されており、金属シリサイド１０と第１のアモルファスシリコン層２ａとの間の領域にｎ型不純物が偏析することによって形成されたｎ+層３が形成されている点に特徴がある。

本実施の形態のような構成においても、実施の形態７の構成の光電変換装置と比べて、金属シリサイド１０と第１のアモルファスシリコン層２ａとの間の整流特性を改善することができ、また金属シリサイド１０と表面反転層４と間の抵抗を下げることができるため、光電変換装置の光電変換効率などの特性を向上させることが可能になる。

また、本実施の形態のような構成とすることによって、実施の形態７の構成の光電変換装置と比べて、透明導電膜９の接触抵抗をさらに低減することができるため、光電変換装置の光電変換効率などの特性をさらに向上させることが可能になる。

また、本実施の形態の光電変換装置においては、金属シリサイド１０と接する透明導電膜を形成しても良い。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態５〜７と同様であるため、ここではその説明を省略する。

＜実施の形態９＞
図９に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図９に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第３の光電変換層５３の第３のアモルファスシリコン層２ｃの裏面に接するように、表面誘電体膜４が有する正の固定電荷となるセシウム５とは逆の極性の負の固定電荷となる不純物５０を有する裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜６０が形成されている点に特徴がある。

ここで、裏面誘電体膜に含まれる負の固定電荷となる不純物は、第３のアモルファスシリコン層２ｃの裏面との界面近傍においてイオン化等して負の固定電荷となっているため、裏面誘電体膜が接する第３のアモルファスシリコン層２ｃの裏面の少なくとも一部の領域にはｐ型半導体として機能する裏面反転層４０が誘起される。

上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、裏面電極７として透明導電膜などの透明電極を用いて、第１の光電変換層５１側からだけでなく第３の光電変換層５３側からも光を入射させたときに、第３の光電変換層のｐ+層１による短波長の光の吸収を抑制することができるため、光電変換装置の光電変換効率などの特性を向上させることが可能になる。

なお、裏面誘電体膜としては、酸化シリコン膜６０を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種を用いてもよい。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜６０に含まれる不純物５０が最も多く存在する箇所は、第３の半導体層としての第３のアモルファスシリコン層２ｃと裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜６０との界面から、この界面に対して垂直な方向に第３の半導体層としての第３のアモルファスシリコン層２ｃ側に５ｎｍ進向した領域と、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜６０側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。

すなわち、本発明の光電変換装置においては、裏面誘電体膜が、第３の半導体層との界面近傍に、表面誘電体膜に含まれる正または負の固定電荷となる不純物と逆の極性の固定電荷となる不純物を有していることが好ましいが、この不純物の少なくとも一部が、第３の半導体層と裏面誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に第３の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、裏面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に存在していればよい。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態５と同様であるため、ここではその説明を省略する。

＜実施の形態１０＞
図１０に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な斜視図を示す。ここで、図１０に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の半導体層としてのｐ型シリコン基板２の光入射側の表面には凹凸１５が形成されており、凹凸１５が形成されているｐ型シリコン基板２の光入射側の表面上には表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６が設置されている。また、半導体層としてのｐ型シリコン基板２の光入射側の表面の一部にはｎ+層３が形成されている。

また、酸化シリコン膜６は、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面近傍において、正の固定電荷となる不純物としてのセシウム（図示せず）を有しており、セシウムはｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面近傍においてイオン化して正の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜６が接するｐ型シリコン基板２の光入射側の表面の少なくとも一部の領域にはｎ+層３と同様にｎ型半導体として機能する表面反転層４が誘起される。

また、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面の一部にはｐ+層１が形成されているとともに、ｐ型シリコン基板２の裏面上には酸化シリコン膜２６が設置されている。また、ｐ型シリコン基板２の裏面上には酸化シリコン膜２６を介して裏面電極７が形成されており、裏面電極７は酸化シリコン膜２６に形成された開口部を通してｐ+層１の裏面の一部に接するように形成されている。

また、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面上には酸化シリコン膜６を介して表面電極としての金属電極８が形成されており、金属電極８は酸化シリコン膜６に形成された開口部を通してｎ+層３の表面の一部に接するように形成されている。

以下、図１０に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。まず、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に凹凸１５を形成する。ここで、凹凸１５の形成は、たとえば、水酸化カリウム水溶液または水酸化ナトリウム水溶液を用いたウエットエッチングによりｐ型シリコン基板２の光入射側の表面にテクスチャ構造を形成することにより行なうことができる。

また、凹凸１５の形成は、たとえば、レーザ光の照射、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）またはプラズマ照射などによってｐ型シリコン基板２の光入射側の表面の一部を除去することによっても行なうことができる。

次に、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面上に酸化シリコン膜６を形成するとともに、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面とは反対側の裏面上に酸化シリコン膜２６を形成する。ここで、ｐ型シリコン基板２が単結晶シリコンからなる場合には、たとえば９５０℃以上の温度で熱酸化することによりｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に酸化シリコン膜６を形成するとともに、ｐ型シリコン基板２の裏面に酸化シリコン膜２６を形成することができる。

次に、ｐ型シリコン基板２の裏面にｐ+層１を形成する。ここで、ｐ+層１の形成は、たとえば、ｐ型シリコン基板２の裏面にｐ+層１の形成箇所に対応する箇所に開口部を設けたマスクを設置し、その開口部からｐ型不純物を拡散させることなどによって行なうことができる。また、ｐ型不純物の拡散は、たとえばＢＢｒ₃などのｐ型不純物を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。

次に、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面にｎ+層３を形成する。ここで、ｎ+層３の形成は、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面にｎ型不純物を拡散させることによって行なうことができる。また、ｎ型不純物の拡散は、たとえば、ｎ+層３の形成箇所に対応する箇所の酸化シリコン膜６の一部に開口部を設け、その開口部からＰＯＣｌ₃などのｎ型不純物を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。

次に、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に形成された酸化シリコン膜６にセシウム５を含有させる。ここで、セシウム５は、たとえば、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面上に形成された酸化シリコン膜６にセシウムイオンをイオン注入することによって、酸化シリコン膜６にイオン化したセシウム５を含有させることができる。

次に、ｐ型シリコン基板２のアニールを行なう。ここで、ｐ型シリコン基板２のアニールは、たとえば上記のセシウムイオン注入後のｐ型シリコン基板２をたとえば８００℃〜１０００℃の温度でアニールすることにより行なうことができる。これにより、酸化シリコン膜６中のイオン化したセシウム５をｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面に偏析させることができるため、酸化シリコン膜６が接するｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に表面反転層４が形成される。

次に、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に金属電極８を形成する。ここで、金属電極８は、たとえば、金属電極８に接触させるｎ+層３の表面を露出させる箇所に酸化シリコン膜６に開口部を設け、マスクなどを用いて金属を所定の形状に蒸着すること等によって形成することができる。

次に、ｐ型シリコン基板２の裏面に裏面電極７を形成する。ここで、裏面電極７は、たとえば、裏面電極７に接触させるｐ+層１の表面を露出させる箇所に酸化シリコン膜６に開口部を設け、マスクなどを用いて金属を蒸着すること等によって形成することができる。

最後に、上記の金属電極８および裏面電極７の形成後のｐ型シリコン基板２のアニールを行なうことによって、上記の構成を有する本実施の形態の光電変換装置の一例が作製される。ここで、ｐ型シリコン基板２のアニールは、たとえば３５０℃〜５００℃の温度の水素雰囲気にｐ型シリコン基板２を曝すことによって行なうことができる。

以上のようにして作製した上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６とｐ型シリコン基板２の光入射側の表面とが接しており、酸化シリコン膜６のｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面でイオン化したセシウムによって、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に表面反転層４が形成される。

したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、固定電荷を含む第二層と半導体表面との間に固定電荷を含まない第一層が設置された構成の特許文献１に記載の太陽電池と比べて表面反転層４に高密度に負電荷が誘起されやすく、ｎ型半導体としての機能が高められ、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面におけるキャリアの再結合が抑制されることなどにより、光電変換効率などの光電変換装置の特性が向上する。

また、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に短波長の光の吸収源となるｎ+層３の代わりに、ｎ型半導体として機能する表面反転層４を設けることによって、短波長の光の吸収がｎ+層３と比べて抑えられるため、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。

また、酸化シリコン膜６中に固定電荷を配置することにより、ｎ+層３を形成する場合に比べてビルトインポテンシャルが増大するため、ｐ型シリコン基板２の内部電界が大きくなる。この大きい内部電界によりキャリア伝導は拡散成分よりもドリフト成分の方が支配的となり、キャリアの移動速度が増大し、キャリアの再結合が抑制される。これにより、キャリアの収集効率を向上させることができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６とｐ型シリコン基板２の光入射側の表面との界面におけるセシウムの偏析量によって表面反転層４に誘起される負電荷の密度を制御することができる。

特に、本実施の形態のように、酸化シリコン膜６へのセシウムイオン注入とアニールによって酸化シリコン膜６とｐ型シリコン基板２との界面にセシウムを偏析させる場合、表面反転層４における最適な負電荷の密度を得るためのセシウムイオン注入量のマージンが広いため、安定した品質で高特性の光電変換装置を提供することができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面における界面準位を表面反転層４に誘起される負電荷で終端することにより、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。

さらに、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に形成された凹凸１５と、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面とは反対側の裏面に形成された裏面電極７とによって、ｐ型シリコン基板２の内部における光閉じ込め効果を得ることもできる。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。

＜実施の形態１１＞
図１１に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な斜視図を示す。ここで、図１１に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｐ型シリコン基板２の裏面に裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜６０が設置されており、酸化シリコン膜６０はｐ型シリコン基板２の裏面との界面近傍にｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に表面誘電体膜として設置された酸化シリコン膜６に含まれるセシウムとは異なる極性の負の固定電荷となる不純物（図示せず）を有している点に特徴がある。

ここで、酸化シリコン膜６０は、ｐ型シリコン基板２の裏面との界面近傍において、負の固定電荷となる不純物を有しており、負の固定電荷となる不純物はｐ型シリコン基板２の裏面との界面近傍においてイオン化等して負の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜６０が接するｐ型シリコン基板２の裏面の少なくとも一部の領域にはｐ+層１と同様にｐ型半導体として機能する裏面反転層４０が誘起される。

上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面に表面反転層４が形成されているだけでなく、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面と反対側の裏面に裏面反転層４０が形成されており、ｐ型シリコン基板２の光入射側の表面とその反対側の裏面においてそれぞれキャリアの再結合を抑制することができるため、実施の形態１０の光電変換装置と比べて、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、実施の形態１０の光電変換装置と比較して、ｐ+層１による光の吸収を抑制することができる。

なお、裏面誘電体膜としては、酸化シリコン膜６０を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種を用いてもよい。

また、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜６０中に負の固定電荷となる不純物を含有させる方法は、表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６と同様の方法を用いることができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜６０に含まれる不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層としてのｐ型シリコン基板２と裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜６０との界面から、この界面に対して垂直な方向にｐ型シリコン基板２側に５ｎｍ進向した領域と、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜６０側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。

すなわち、本発明の光電変換装置においては、裏面誘電体膜が、半導体層との界面近傍に、表面誘電体膜に含まれる正または負の固定電荷となる不純物と逆の極性の固定電荷となる不純物を有していることが好ましいが、この不純物の少なくとも一部が、半導体層と裏面誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、裏面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に存在していればよい。

本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１および実施の形態１０と同様であるため、ここではその説明を省略する。

＜実施の形態１２＞
図１２に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。図１２に示す構成の本実施の形態の光電変換装置は、第１の半導体層としての薄膜シリコン層１２ａと、薄膜シリコン層１２ａの光入射側の表面に接合された第１の誘電体膜としての酸化シリコン膜６ａと、薄膜シリコン層１２ａの光入射側の表面とは反対側の裏面に接合された第２の誘電体膜としての酸化シリコン膜６ｂと、酸化シリコン膜６ｂの裏面に接合された第２の半導体層としての薄膜シリコン層１２ｂとの積層構造を含む構成を有している。また、（正の固定電荷を含む酸化シリコン膜）／（薄膜シリコン層）／（負の固定電荷を含む酸化シリコン膜）の周期構造を有していてもよい。

また、酸化シリコン膜６ａは、薄膜シリコン層１２ａとの界面近傍に、正の固定電荷となる不純物２０を有している。ここで、酸化シリコン膜６ａにおいて、正の固定電荷となる不純物２０はイオン化等することによって正の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜６ａが接する薄膜シリコン層１２ａの光入射側の表面の少なくとも一部の領域には負の電荷が誘起してｎ型半導体として機能する第１の反転層４ａが誘起される。

また、酸化シリコン膜６ｂは、薄膜シリコン層１２ａとの界面近傍および薄膜シリコン層１２ｂとの界面近傍に、負の固定電荷となる不純物２１を有している。ここで、酸化シリコン膜６ｂにおいて、負の固定電荷となる不純物２１はイオン化等することによって負の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜６ｂが接する薄膜シリコン層１２ａの裏面の少なくとも一部の領域には正の電荷が誘起してｐ型半導体として機能する第２の反転層４ｂが誘起され、酸化シリコン膜６ｂが接する薄膜シリコン層１２ｂの光入射側の表面の少なくとも一部の領域には正の電荷が誘起してｐ型半導体として機能する第３の反転層４ｃが誘起される。

さらに、薄膜シリコン層１２ｂの裏面には、上記構成の他の積層構造が接合され、この接合されている積層構造の最外層には、薄膜シリコン層１２ｂの裏面との界面近傍において正の固定電荷となる不純物２０を含む酸化シリコン膜６ｃが配置されており、酸化シリコン膜６ｃにおいて不純物２０は正の固定電荷となっている。これにより、薄膜シリコン層１２ｂの裏面には負の電荷が誘起してｎ型半導体として機能する第４の反転層４ｄが誘起される。

したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、各半導体層と各半導体層の両面にそれぞれ形成された反転層によってｐ−ｉ−ｎ構造の光電変換層が形成され、この光電変換層が順次積層された構成となっている。

なお、上記において、正の固定電荷または負の固定電荷は少なくとも界面近傍に存在していればよいため、酸化シリコン膜中に存在していてもよい。

さらに、上記構成の積層構造の一方の側面には第１導電型半導体層としてのｎ型半導体層１７が設置されており、上記構成の積層構造の他方の側面には第２導電型半導体層としてのｐ型半導体層１６が設置されており、ｎ型半導体層１７およびｐ型半導体層１６にはそれぞれ図示しない電極が設置されている。

上記構成の本実施の形態の光電変換装置に光が入射することによって、薄膜シリコン層１２ａで生成したキャリアのうち、電子は正の固定電荷となる不純物２０を有する酸化シリコン膜６ａ側に移動し、酸化シリコン膜６ａおよびｎ型半導体層１７を通って、ｎ型半導体層１７に設置された電極から取り出される。一方、薄膜シリコン層１２ａで生成したキャリアのうち、正孔は負の固定電荷となる不純物２１を有する酸化シリコン膜６ｂ側に移動し、酸化シリコン膜６ｂおよびｐ型半導体層１６を通って、ｐ型半導体層１６に設置された電極から取り出される。

同様に、上記構成の本実施の形態の光電変換装置に光が入射することによって、薄膜シリコン層１２ｂで生成したキャリアのうち、電子は正の固定電荷となる不純物２０を有する酸化シリコン膜６ｃ側に移動し、酸化シリコン膜６ｃおよびｎ型半導体層１７を通って、ｎ型半導体層１７に設置された電極から取り出される。一方、薄膜シリコン層１２ｂで生成したキャリアのうち、正孔は負の固定電荷となる不純物２１を有する酸化シリコン膜６ｂ側に移動し、酸化シリコン膜６ｂおよびｐ型半導体層１６を通って、ｐ型半導体層１６に設置された電極から取り出される。

以上のような機構によるキャリアの取り出しが、本実施の形態の光電変換装置を構成する積層構造の各半導体層および各誘電体膜で行なわれることによって、本実施の形態の光電変換装置からキャリアを外部に取り出すことができる。

以下、図１２に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。まず、基板の表面上に、上記の積層構造が３周期繰り返された積層構造体を形成する。

ここで、積層構造体は、たとえばＣＶＤ法などを用いて、たとえばガラス基板などの所定の基板の表面上に、負の固定電荷となる不純物を含む酸化シリコン膜、薄膜シリコン層、正の固定電荷となる不純物を含む酸化シリコン膜および薄膜シリコン層をこの順序で順次積層していくことによって形成することができる。

なお、酸化シリコン膜中に正の固定電荷となる不純物または負の固定電荷となる不純物を導入する方法としては、たとえば、ＣＶＤ法などによって薄膜シリコン層を形成した後に、正の固定電荷となる不純物のイオンまたは負の固定電荷となる不純物のイオンをイオン注入することなどによって行なうことができる。また、薄膜シリコン層に、たとえば水酸化セシウム水溶液、塩化セシウム水溶液または水酸化アルミニウム水溶液などの正または負の固定電荷となる不純物を含む水溶液を塗布して乾燥した後に、ＣＶＤ法にて酸化シリコン膜を形成することによって、セシウムまたはアルミニウムなどの正または負の固定電荷となる不純物を含む酸化シリコン膜を形成することができる。また、イオン注入などを用いて正の固定電荷となる不純物を含ませた酸化シリコン膜を表面に形成した薄膜シリコン層を貼り合わせることによって形成することもできる。たとえば、単結晶シリコン基板の表面に熱酸化等によって酸化シリコン膜を形成した後、酸化シリコン膜中に固定電荷となる不純物をイオン注入等によって導入しアニールする。次に、スマートカット法等を用いることによって、単結晶シリコン基板の表面を剥離し、ガラス基板等に順次積層することもできる。

次に、上記の積層構造体の一部を除去して基板の表面の一部を露出させる。ここで、上記の積層構造体の除去は、たとえばエッチングなどによって行なうことができる。

次に、たとえば図１３の模式的断面図に示すように、上記の積層構造体の除去部分にｎ型半導体層１７およびｐ型半導体層１６をそれぞれ堆積させる。ここで、ｎ型半導体層１７およびｐ型半導体層１６はそれぞれ、たとえばＣＶＤ法などによって堆積させることができる。

その後、たとえば図１３に示すように、ｎ型半導体層１７の表面上にｎ型用電極１８を形成するとともに、ｐ型半導体層１６の表面上にｐ型用電極１９を形成する。ここで、ｎ型用電極１８およびｐ型用電極１９はそれぞれ、たとえば、ｎ型用電極１８に用いられる金属およびｐ型用電極１９に用いられる金属をそれぞれ蒸着させることなどによって形成することができる。

最後に、たとえば図１３に示す破線に沿ってｎ型半導体層１７およびｐ型半導体層１６をそれぞれ切断することによって、図１２に示す構成の本実施の形態の光電変換装置を作製することができる。また、ｎ型半導体層１７およびｐ型半導体層１６を切断せずに、適切に配線を形成してもよい。

以上のようにして作製した上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６ａが薄膜シリコン層１２ａとが接しており、酸化シリコン膜６ｂが薄膜シリコン層１２ａと薄膜シリコン層１２ｂの双方と接している。

したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、固定電荷を含む第二層と半導体表面との間に固定電荷を含まない第一層が設置された構成の特許文献１に記載の太陽電池と比べて、第１の反転層４ａ、第２の反転層４ｂ、第３の反転層４ｃおよび第４の反転層４ｄなどの反転層に正または負の電荷が高密度に誘起されやすくなり、ｎ型半導体またはｐ型半導体としての機能が高められるため、各半導体層の表面におけるキャリアの再結合が抑制されることなどにより、光電変換効率などの光電変換装置の特性が向上する。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、薄膜シリコン層１２ａおよび薄膜シリコン層１２ｂなどの半導体層の光入射側の表面に短波長の光の吸収源となるｎ+層またはｐ+層の代わりに、ｎ型半導体またはｐ型半導体として機能する反転層を設けることによって、短波長の光の吸収がｎ+層またはｐ+層と比べて抑えられるため、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜などの誘電体膜と薄膜シリコン層などの半導体層との界面における正または負の固定電荷となる不純物の偏析量によって反転層に誘起される正電荷または負電荷の密度を制御することができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、薄膜シリコン層１２ａの光入射側の表面における界面準位を第１の反転層４ａに誘起される負電荷で終端することにより、薄膜シリコン層１２ａの光入射側の表面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。

また、上記においては、第１の半導体層および第２の半導体層にそれぞれ薄膜シリコン層を用いたが、その薄膜シリコン層は、たとえば結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンのいずれから構成されていてもよく、シリコン以外の他の種類の半導体から構成されていてもよい。なお、結晶シリコンには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンと多結晶シリコンとの混合体などが含まれる。

また、上記積層構造の各半導体層ごとに材質が異なっていてもよい。たとえば、光入射側から、アモルファスシリコン、多結晶シリコンおよび単結晶シリコンをこの順序で有する構成としてもよい。

また、各半導体層にそれぞれ結晶シリコンを用いた場合には、上記の積層構造は、たとえば、上記の誘電体膜が形成された結晶シリコン同士を貼り合わせることなどによって作製することができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、光入射側に近い半導体層のバンドギャップが、その半導体層よりも光入射側から遠い半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。このような光入射側から短波長の光から長波長の光を順次吸収できるような半導体層の積層構造とすることによって、本実施の形態の光電変換装置に入射した光の吸収量が大きくなるため、光電変換効率などの本実施の形態の光電変換装置の特性が向上する傾向にある。

このようなバンドギャップの関係となる半導体層の積層構造のとしては、たとえば、光入射側から、アモルファスの炭化ケイ素、アモルファスシリコンおよび微結晶シリコンが積層された構造、ならびに光入射側から、アモルファスの炭化ケイ素、アモルファスシリコンおよびアモルファスのシリコンゲルマニウムが積層された構造を挙げることができる。

上記積層構造を構成する少なくとも１層の半導体層の厚さは、当該半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって入射した光が吸収される確率も高くすることができる。

また、上記においては、第１の誘電体膜および第２の誘電体膜などの上記積層構造を構成する誘電体膜に酸化シリコン膜を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種を用いることもできる。

また、第１の誘電体膜および第２の誘電体膜などの上記積層構造を構成する誘電体膜としては、バンドギャップが４．２ｅＶ以上である誘電体膜を用いることが好ましい。たとえば太陽光の大部分は３００ｎｍ以上の波長を有する光から構成されているため、バンドギャップが４．２ｅＶ以上である誘電体膜を用いて太陽光を入射させた場合には、３００ｎｍ以上の波長を有する太陽光が誘電体膜で吸収されるのが抑制され、変換ロスが少なくなるため、光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。

また、上記においては、正の固定電荷となる不純物としては、たとえば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。

負の固定電荷となる不純物としては、たとえば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、ｐ型とｎ型の導電型を入れ替えるとともに、固定電荷の極性を入れ替えてもよい。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、上記の不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層と誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。

すなわち、各誘電体膜中における正または負の固定電荷となる不純物の少なくとも一部が、半導体層と誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に存在していればよい。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、薄膜シリコン層１２ａの光入射側の酸化シリコン膜６ａを反射防止膜として機能させてもよく、酸化シリコン膜６ａの表面にテクスチャ構造および／またはモスアイ構造などを形成してもよいことは言うまでもない。

また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置における半導体層の数および誘電体膜の数は上記の構成に限定されるものではないことは言うまでもない。

また、上述したように、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｎ型とｐ型の導電型を入れ替えてもよい。なお、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においてｎ型とｐ型の導電型を入れ替えた場合には、正と負の電荷の極性も入れ替わることになる。

図１４に、本実施例で作製した光電変換装置のサンプルの模式的な断面図を示す。ここで、図１４に示す光電変換装置のサンプルは、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面の一部にｎ+層１０２が形成されている。また、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面上には酸化シリコン膜１０５と窒化シリコン膜１０６とがこの順序で形成されており、酸化シリコン膜１０５および窒化シリコン膜１０６に設けられたコンタクトホールを通してｎ+層１０２に接する電極１０７が設けられている。さらに、酸化シリコン膜１０５は、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面との界面近傍にイオン化したセシウム１０４を有しているため、酸化シリコン膜１０５が接するｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面の領域には負の電荷が誘起されてｎ型半導体として機能する表面反転層１０３が形成される。なお、図示はされていないが、ｐ型シリコン基板１０１の裏面には裏面電極が形成されている。

以下、図１５に示すフローチャートを参照して、図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルの作製方法について説明する。

まず、ステップＳ１において、ボロンイオンがイオン注入されたシリコンを１１９０℃の温度でアニールすることによってｐ型シリコン基板１０１を作製する。

次に、ステップＳ２において、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面に熱酸化法で酸化シリコン膜１０５を形成した後にプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜１０６を形成する。

次に、ステップＳ３において、酸化シリコン膜１０５および窒化シリコン膜１０６の積層体の一部にコンタクトホールを設けた後に、当該コンタクトホールからＰＯＣｌ₃を拡散させることによってｎ+層１０２を形成する。

次に、ステップＳ４において、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面に形成された酸化シリコン膜１０５にセシウムイオンをイオン注入する。

次に、ステップＳ５において、セシウムイオンのイオン注入後のｐ型シリコン基板１０１を９００℃に加熱することによって、酸化シリコン膜１０５が接するｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面の領域に表面反転層１０３を形成する。

その後、ステップＳ６において、酸化シリコン膜１０５および窒化シリコン膜１０６の積層体に設けられたコンタクトホールを通して電極１０７が形成されたｐ型シリコン基板１０１を水素雰囲気中でアニールすることによって、図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルが作製される。

図１６に、図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍の組成分析を行なった結果を示す。ここで、図１６に示す結果は、酸化シリコン膜１０５の全体におけるセシウム１０４の濃度を様々に変化（２×１０¹⁵ｃｍ^-2、１×１０¹⁴ｃｍ^-2および５×１０¹³ｃｍ^-2）させて、高解像度ＲＢＳ（Rutherford Back Scattering）により、酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍の組成分析を行なったときの結果である。

なお、図１６における横軸は、図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面からの距離（ｎｍ）を示し、縦軸は、セシウム濃度（×１０²¹ｃｍ^-3）、シリコン濃度（原子％）および酸素濃度（原子％）をそれぞれ示している。

図１６に示すように、酸化シリコン膜１０５の全体におけるセシウム１０４の濃度を様々に変化させた場合のいずれにおいても、酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面から酸化シリコン膜１０６側への距離およびｐ型シリコン基板１０１側への距離がそれぞれ５ｎｍの範囲内にセシウム１０４の大部分が存在しており、イオン化したセシウム１０４が酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍に偏析していることがわかる。

図１７に、図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍におけるセシウムの偏析量（ｃｍ^-2）と、セシウムの偏析によりｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）との関係を示す。ここで、図１７の横軸は、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量を示し、図１７の縦軸は、酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍におけるセシウムの偏析量（ｃｍ^-2）およびセシウムの偏析によりｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起された電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）を示している。

また、図１７に示す結果は、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量を様々に変化させて、図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルを作製してホール測定により上記の電子反転層の電子面密度を測定している。また、図１７に示すセシウムの偏析量は、図１６に示す結果に基づいて算出している。また、図１７に示す結果は、ｐ型シリコン基板１０１のボロン濃度をそれぞれ変化（６．５×１０¹⁴ｃｍ^-3、２．９×１０¹⁶ｃｍ^-3、１．４×１０¹⁷ｃｍ^-3および６．６×１０¹⁷ｃｍ^-3）させたそれぞれサンプルについて求めたものである。

図１７に示すように、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量が増加するにしたがって、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）は増加していくが、セシウムイオンのドーズ量が２×１０¹⁴ｃｍ^-2以上になると上記の電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）はほぼ一定（２×１０¹³ｃｍ^-2程度）となることがわかる。

また、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量が増加するにしたがって、酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍におけるセシウムの偏析量（ｃｍ^-2）も増加していくが、セシウムイオンのドーズ量が一定以上になると上記のセシウムの偏析量（ｃｍ^-2）もほぼ一定となる。

したがって、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）およびセシウムの偏析量（ｃｍ^-2）はともに同じような挙動を示すため、これらの間には相関関係があると考えられることから、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）はセシウムの偏析量（ｃｍ^-2）によって制御することができると考えられる。

また、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）がほぼ一定となる値を光電変換装置に最適な電子反転層の電子面密度とすることによって、本発明の光電変換装置に最適な電子反転層の電子面密度を得るための広いプロセスマージンを確保することができ、高精度な電子反転層の電子面密度の制御を実現することが可能になる。

図１８に、図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量（ｃｍ^-2）と、ｐ型シリコン基板１０１の電子が誘起された表面のシート抵抗（ｋΩ／□）との関係を示す。ここで、図１８の横軸は、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量を示し、図１８の縦軸は、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起された電子反転層のシート抵抗（ｋΩ／□）を示している。また、図１８に示す結果は、ｐ型シリコン基板１０１のボロン濃度をそれぞれ変化（４．６×１０¹⁴ｃｍ^-3、２．９×１０¹⁶ｃｍ^-3、１．４×１０¹⁷ｃｍ^-3および６．６×１０¹⁷ｃｍ^-3）させたそれぞれサンプルについて求めたものである。

図１８に示すように、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量が増加するにしたがって、ｐ型シリコン基板１０１に誘起された電子反転層のシート抵抗（ｋΩ／□）が低下していくが、セシウムイオンのドーズ量が一定以上（２×１０¹⁴ｃｍ^-2以上）になると上記のｐ型シリコン基板１０１の表面の電子反転層のシート抵抗（ｋΩ／□）もほぼ一定（約２ｋΩ／□程度）となる。ここでも、ｐ型シリコン基板１０１の表面の電子反転層のシート抵抗がほぼ一定となる値を光電変換装置に最適なシート抵抗とすることによって、本発明の光電変換装置に最適な上記シート抵抗を得るための広いプロセスマージンを確保することができ、高精度な上記シート抵抗の制御を実現することが可能になる。

図１９に、図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルのｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）と温度（Ｋ）との関係を示す。ここで、図１９の横軸は温度（Ｋ）を示し、図１９の縦軸はｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）を示している。また、図１９に示す結果は、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量をそれぞれ変化（５×１０¹³ｃｍ^-2、５×１０¹⁴ｃｍ^-2および２×１０¹⁵ｃｍ^-2）させて求めたものである。

図１９に示すように、温度（Ｋ）が上昇するにつれて、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）が低下している。これは、シリコンにドープされたリンや砒素などの通常のドーパントによって形成されたｎ+層とは逆の温度依存性を示していることになる。

図２０（ａ）に、ｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化する前の状態のｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図を示す。また、図２０（ｂ）に、ｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化した後の状態のｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図を示す。

図２０（ａ）においては、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に不純物が存在し、当該不純物が不純物準位２００を形成している。不純物準位２００は、ｐ型シリコン基板の伝導帯下端の上方−Ｅ_A（Ｅ_Aは、不純物による電子キャリア生成の活性化エネルギーを表わす。）の位置に形成されている。このような状態が形成されると、図２０（ｂ）に示すように、不純物準位２００からｐ型シリコン基板に電子が放出され、空になった不純物準位は正電荷として振舞う（不純物がイオン化する）。そして、当該正電荷による電界によって、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面近傍では、ｐ型シリコン基板のエネルギーバンドの曲がりが生じ、上記の界面近傍において、電子反転層が形成される。なお、イオン化した不純物準位２０１に対応してｐ型シリコン基板の表面に表面反転層に対応する準位２０２が形成されることになる。

図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すエネルギーバンド図に基づいて数値計算を行なったところ、不純物としてのセシウムによる電子キャリア生成の活性化エネルギーＥ_Aは−０．１１ｅＶ〜−０．１３ｅＶであり、特に−０．１２ｅＶであることがわかった。すなわち、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面付近に存在するセシウムは、ｐ型シリコン基板の伝導帯下端の上方約０．１２ｅＶの位置に不純物準位を形成し、当該不純物準位からの電子放出により、ｐ型シリコン基板の表面に電子反転層が形成されることが解明された。

なお、図１９においては、一点鎖線は不純物としてのセシウムによる電子キャリア生成の活性化エネルギーＥ_Aが−０．１３ｅＶである場合の挙動を示し、実線が当該活性化エネルギーＥ_Aが−０．１２ｅＶである場合の挙動を示し、破線が当該活性化エネルギーＥ_Aが−０．１１ｅＶである場合の挙動を示しているが、不純物としてのセシウムによる電子キャリア生成の活性化エネルギーＥ_Aが−０．１１ｅＶ〜−０．１３ｅＶである場合、特に−０．１２ｅＶである場合の挙動は図１９に示す結果と一致する。

図２１〜図２５にそれぞれ、図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）と、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に存在する不純物の面密度（ｃｍ^-2）との関係を示す。

ここで、図２１〜図２５において、横軸は上記の不純物の面密度（ｃｍ^-2）を示しており、縦軸は上記の電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）を示している。また、図２１〜図２５には、それぞれ活性化エネルギーＥ_Aが−０．００ｅＶから−０．２０ｅＶまで順次−０．０２ｅＶずつ変化させたときの酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に存在する不純物の面密度（ｃｍ^-2）と電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）との関係が線で示されている。なお、上述した実験の結果から、不純物としてセシウムを用いる場合は、Ｅ_A≒−０．１２ｅＶの場合に相当する。

また、図２１はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3のときの関係を示しており、図２２はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3のときの関係を示しており、図２３はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3のときの関係を示している。また、図２４はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3のときの関係を示しており、図２５はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が６×１０¹⁸ｃｍ^-3のときの関係を示している。

また、図２１〜図２５における斜線部分は、光電変換装置として優れた特性を示す範囲を表わしている。すなわち、上記斜線部分の範囲の上限を超えると電子反転層の電子面密度が大きくなりすぎてｐ型シリコン基板の表面がメタリック化して光が入射しにくくなって特性が低下し、上記斜線部分の範囲の下限を下回ると電子反転層の電子面密度が小さくなりすぎて抵抗が上昇して特性が低下する。

図２１〜図２５に示すように、不純物がセシウムである場合（Ｅ_A≒−０．１２ｅＶの場合）、ｐ型シリコン基板中のボロン濃度がいずれの場合であっても、不純物の面密度（ｃｍ^-2）と電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）とは一致していない。従来においては、酸化シリコン膜中のセシウムはすべてイオン化するものと考えられていたため、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に存在するセシウムの面密度（ｃｍ^-2）とイオン化したセシウム（正の固定電荷）の面密度（ｃｍ^-2）とは一致するものと考えられてきた。ここで、イオン化したセシウムの面密度は、ｐ型シリコン基板に誘起される電子反転層の電子面密度とｐ型シリコン基板の表面に形成される空乏層中の空間電荷密度の和として表わされるため、ｐ型シリコン基板中のボロン濃度が低い場合、若しくは電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）が十分に高い場合には、当該界面に存在するセシウムの面密度（ｃｍ^-2）とｐ型シリコン基板に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）とはほぼ一致することになる。しかしながら、図２１〜図２５に示される斜線部分の範囲において、上記のイオン化したセシウムの面密度（ｃｍ^-2）は、上記の電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）よりも小さくなっていることからわかるように、所望とする電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）を得るためには、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に存在するセシウムの面密度（ｃｍ^-2）が上記の所望とする電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）よりも高くなるようにセシウムイオンを酸化シリコン膜に導入する必要がある。

図２６（ａ）に従来の特許文献１のように、ｐ型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜を形成して、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図を示す。また、図２６（ｂ）に図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルのように、ｐ型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図を示す。

一般的には、正の固定電荷となる不純物の準位とｐ型シリコン基板との間で電子の移動が起こり、十分な密度の不純物が存在する場合には、正の固定電荷となる不純物の準位とｐ型シリコン基板のフェルミ準位がほぼ一致するまで電子の移動が起こることになる。

しかしながら、図２６（ａ）のように、正の固定電荷となる不純物とｐ型シリコン基板との間に酸化シリコン膜が存在する場合には、酸化シリコン膜中での電位勾配によって、正の固定電荷となる不純物の活性化エネルギ−Ｅ_Aが実効的に増加する（正の固定電荷となる不純物の準位２０１の位置が実効的に下がる）。これにより、ｐ型シリコン基板の表面の反転層に対応する準位２０２に移動する電子量が低減して、ｐ型シリコン基板の表面における反転層の電子面密度は小さくなる。

一方、図２６（ｂ）のように、ｐ型シリコン基板の表面に直接形成された酸化シリコン膜がｐ型シリコン基板の表面との界面に正の固定電荷となる不純物を有する場合には、図２６（ａ）の場合とは異なって介在する誘電体膜が存在しないため、正の固定電荷となる不純物の活性化エネルギ−Ｅ_Aの実効的な増加は起こらない。したがって、この場合には、ｐ型シリコン基板の表面の反転層に対応する準位２０２に移動する電子量が低減しないため、ｐ型シリコン基板の表面における反転層の電子面密度は小さくならない。

今回開示された実施の形態および実施例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。

本発明の光電変換装置は、たとえば太陽電池などに好適に用いることができる可能性がある。

（ａ）は本発明の光電変換装置の一例の光入射側の表面の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）の１ｂ−１ｂに沿った模式的な断面図であり、（ｃ）は（ａ）の１ｃ−１ｃに沿った模式的な断面図である。 （ａ）は本発明の光電変換装置の他の一例の光入射側の表面の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）の２ｂ−２ｂに沿った模式的な断面図であり、（ｃ）は（ａ）の２ｃ−２ｃに沿った模式的な断面図である。 （ａ）は本発明の光電変換装置の他の一例の光入射側の表面の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）の３ｂ−３ｂに沿った模式的な断面図であり、（ｃ）は（ａ）の３ｃ−３ｃに沿った模式的な断面図である。 （ａ）は本発明の光電変換装置の他の一例の光入射側の表面の模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）の４ｂ−４ｂに沿った模式的な断面図であり、（ｃ）は（ａ）の４ｃ−４ｃに沿った模式的な断面図である。 本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図である。 本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図である。 本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図である。 本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図である。 本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図である。 本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な斜視図である。 本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な斜視図である。 本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図である。 図１２に示す構成の光電変換装置の製造方法の一例の工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明の実施例で作製した光電変換装置のサンプルの模式的な断面図である。 図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルの作製方法のフローチャートである。 図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面近傍の組成分析を行なった結果を示す図である。 図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面近傍におけるセシウムの偏析量と、セシウムの偏析によりｐ型シリコン基板の表面に誘起される電子反転層の電子面密度との関係を示す図である。 図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量と、ｐ型シリコン基板の電子が誘起された電子反転層のシート抵抗との関係を示す図である。 図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルのｐ型シリコン基板の表面に誘起される電子反転層の電子面密度と温度との関係を示す図である。 （ａ）はｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化する前の状態のｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図であり、（ｂ）はｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化した後の状態のｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図である。 図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ^-2）との関係を示す図である。 図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ^-2）との関係を示す図である。 図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ^-2）との関係を示す図である。 図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ^-2）との関係を示す図である。 図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ^-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ^-2）との関係を示す図である。 （ａ）は従来の特許文献１に記載のように、ｐ型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜を形成して、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図であり、（ｂ）は図１４に示す構成の光電変換装置のサンプルのように、ｐ型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図である。

符号の説明

１ ｐ+層、２ ｐ型シリコン基板、２ａ 第１のアモルファスシリコン層、２ｂ 第２のアモルファスシリコン層、２ｃ 第３のアモルファスシリコン層、３，１０２ ｎ+層、４，１０３ 表面反転層、４ａ 第１の反転層、４ｂ 第２の反転層、４ｃ 第３の反転層、４ｄ 第４の反転層、５，１０４ セシウム、６，６ａ，６ｂ，６ｃ，２６，６０ 酸化シリコン膜、７ 裏面電極、８ 金属電極、９ 透明導電膜、１０ 金属シリサイド、１１ エッジ部、１２ａ，１２ｂ 薄膜シリコン層、１３ 蓄積層、１５ 凹凸、１６ ｐ型半導体層、１７ ｎ型半導体層、１８ ｎ型用電極、１９ ｐ型用電極、４０ 裏面反転層、２０，２１，５０ 不純物、５１ 第１の光電変換層、５２ 第２の光電変換層、５３ 第３の光電変換層、１０１ ｐ型シリコン基板、１０５ 酸化シリコン膜、１０６ 窒化シリコン膜、１０７ 電極、２００，２０１ 不純物準位、２０２ 準位。

Claims (14)

1. 半導体層と、
   前記半導体層の表面に接するように設置された誘電体膜とを含み、
   前記誘電体膜は、前記半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有する、光電変換装置。
2. 前記半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記誘電体膜のバンドギャップは４．２ｅＶ以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記誘電体膜は、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の光電変換装置。
5. 正の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の光電変換装置。
6. 負の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の光電変換装置。
7. 前記誘電体膜が接する前記半導体層の表面の領域の少なくとも一部に、第１導電型または第２導電型の表面反転層を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の光電変換装置。
8. 前記半導体層の表面の少なくとも一部に前記表面反転層と同一の導電型の不純物を含有する不純物含有層を有し、
   前記不純物含有層に接する電極をさらに備えた、請求項７に記載の光電変換装置。
9. 前記電極は、金属、金属シリサイドおよび透明導電膜からなる群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項８に記載の光電変換装置。
10. 前記不純物が最も多く存在する箇所は、前記半導体層と前記誘電体膜との界面から前記界面に対して垂直な方向に前記半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、前記誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の光電変換装置。
11. 前記半導体層の表面には凹凸が形成されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の光電変換装置。
12. 第１の光電変換層と、
    第２の光電変換層とを含み、
    前記第１の光電変換層は、第１の半導体層と、前記第１の半導体層の表面に接するように設置されて前記第１の半導体層との界面近傍に正または負の固定電荷となる不純物を有する表面誘電体膜と、前記表面誘電体膜が接する前記第１の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に設置された第１導電型または第２導電型の表面反転層と、前記第１の半導体層の表面とは反対側の裏面に設置されて前記表面反転層とは逆の導電型の第１の不純物を有する第１の不純物含有層とを備えており、
    前記第２の光電変換層は、第２の半導体層と、前記第２の半導体層の表面に設置されて前記表面反転層とは逆の導電型の第２の不純物を有する第２の不純物含有層と、前記第２の半導体層の表面とは反対側の裏面に設置されて前記第２の不純物とは逆の導電型の第３の不純物を有する第３の不純物含有層とを備えており、
    前記第１の光電変換層の前記第１の不純物含有層と、前記第２の光電変換層の前記第２の不純物含有層とが接合されて前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層とが積層されてなる積層構造を有する、光電変換装置。
13. 半導体層と、
    前記半導体層の表面上に接するように設置された表面誘電体膜と、
    前記半導体層の表面とは反対側の裏面に接するように設置された裏面誘電体膜とを含み、
    前記表面誘電体膜は、前記半導体層との界面近傍に、第１極性の固定電荷となる不純物を有し、
    前記裏面誘電体膜は、前記半導体層との界面近傍に、前記第１極性とは逆の第２極性の固定電荷となる不純物を有する、光電変換装置。
14. 第１の半導体層と、
    前記第１の半導体層の表面に接合された第１の誘電体膜と、
    前記第１の半導体層の裏面に接合された第２の誘電体膜と、
    前記第２の誘電体膜の裏面に接合された第２の半導体層とを含み、
    前記第１の誘電体膜は、前記第１の半導体層との界面近傍において、第１極性または第２極性の固定電荷となる不純物を有し、
    前記第２の誘電体膜は、前記第１の半導体層との界面近傍および前記第２の半導体層との界面近傍において、前記第１の誘電体膜に含まれる不純物とは逆の極性の固定電荷となる不純物を有している、光電変換装置。

Images