JP2011181852A - Thin film photoelectric conversion device and method of manufacturing thin film photoelectric conversion device - Google Patents

Thin film photoelectric conversion device and method of manufacturing thin film photoelectric conversion device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film photoelectric conversion device that has high quantum efficiency for a wavelength longer than 1,000 nm of a photoelectric conversion unit of a thin film photoelectric conversion device including a crystalline germanium photoelectric conversion layer. <P>SOLUTION: A method of manufacturing the thin film photoelectric conversion device which has a first electrode 2, one or more photoelectric conversion units 3 each having a photoelectric conversion layer between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and a second electrode layer 4 arranged in order on a substrate 1 includes a step of exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma during a step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion layer, at least one photoelectric conversion unit including, as its photoelectric conversion layer, a crystalline germanium photoelectric conversion layer composed of a substantially intrinsic or weak n-type crystalline germanium semiconductor including no silicon atom. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、薄膜光電変換装置と薄膜光電変換装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film photoelectric conversion device and a method for manufacturing the thin film photoelectric conversion device.

将来、エネルギー問題や地球環境問題が深刻化することを懸念し、化石燃料にかわる代替エネルギーの開発が精力的に行われている。代替エネルギー源の候補の中でも、半導体内部の光電効果を用いて光を電気に変換する光電変換装置が注目されており、光電変換層にシリコン系薄膜を用いた薄膜光電変換装置が広く研究開発されている。   In the future, energy and global environmental issues are becoming serious, and alternative energy alternatives to fossil fuels are being developed vigorously. Among alternative energy source candidates, photoelectric conversion devices that convert light into electricity using the photoelectric effect inside the semiconductor are attracting attention, and thin film photoelectric conversion devices that use silicon-based thin films as photoelectric conversion layers have been widely researched and developed. ing.

光電変換層は光を吸収し電子・正孔対を発生させる層であり、その吸収特性は薄膜光電変換装置の発電特性に深く関係する。例えば、光電変換層にシリコン系薄膜を用いた場合、1000nmより長い波長では光電変換層における光の吸収が十分でなく、薄膜光電変換装置の発電効率が著しく低下する。一方で地上に降り注ぐ太陽光には1000nmより長い波長も含まれていることから、薄膜光電変換装置の高効率化に際して1000nmよりも長い波長の光も効率的に光電変換可能な薄膜光電変換装置の開発が望まれている。   The photoelectric conversion layer is a layer that absorbs light and generates electron-hole pairs, and the absorption characteristics are closely related to the power generation characteristics of the thin film photoelectric conversion device. For example, when a silicon-based thin film is used for the photoelectric conversion layer, light absorption in the photoelectric conversion layer is not sufficient at wavelengths longer than 1000 nm, and the power generation efficiency of the thin film photoelectric conversion device is significantly reduced. On the other hand, since sunlight falling on the ground includes a wavelength longer than 1000 nm, a thin film photoelectric conversion device capable of efficiently photoelectrically converting light having a wavelength longer than 1000 nm when the efficiency of the thin film photoelectric conversion device is increased. Development is desired.

このような薄膜光電変換装置における長波長光の光電変換効率を向上させる試みとして非特許文献1に、光電変換層に弱n型微結晶ゲルマニウムを用いた単接合の薄膜光電変換装置が開示されている。薄膜光電変換装置の構造は、ステンレス基板/n型非晶質シリコン/i型非晶質シリコン/微結晶シリコンゲルマニウムの組成傾斜層/弱n型微結晶ゲルマニウム光電変換層/微結晶シリコンゲルマニウムの組成傾斜層/p型微結晶シリコン層/酸化インジウム錫(ITO)を順次積層した構造である。薄膜光電変換装置の特性は開放電圧Voc=0.22V、短絡電流密度Jsc=25mA/cm2、曲線因子FF=0.36、変換効率Eff=2.0%、長波長側で量子効率が10%となる波長は約1080nm、量子効率が5%となる波長は1130nmである。微結晶ゲルマニウム光電変換層はマイクロ波放電を用いたECRリモートプラズマCVD法で形成されている。 As an attempt to improve the photoelectric conversion efficiency of long wavelength light in such a thin film photoelectric conversion device, Non-Patent Document 1 discloses a single junction thin film photoelectric conversion device using weak n-type microcrystalline germanium for the photoelectric conversion layer. Yes. The structure of the thin film photoelectric conversion device is stainless steel substrate / n-type amorphous silicon / i-type amorphous silicon / microcrystalline silicon germanium composition gradient layer / weak n-type microcrystalline germanium photoelectric conversion layer / microcrystalline silicon germanium composition. It is a structure in which an inclined layer / p-type microcrystalline silicon layer / indium tin oxide (ITO) are sequentially laminated. The characteristics of the thin film photoelectric conversion device are open circuit voltage Voc = 0.22V, short circuit current density Jsc = 25 mA / cm 2 , fill factor FF = 0.36, conversion efficiency Eff = 2.0%, and quantum efficiency 10 on the long wavelength side. %, The wavelength at which the quantum efficiency is 5% is 1130 nm. The microcrystalline germanium photoelectric conversion layer is formed by an ECR remote plasma CVD method using microwave discharge.

また、特許文献1には非晶質シリコン薄膜上に微結晶シリコン薄膜を堆積・接合する製膜方法において、微結晶シリコン薄膜を堆積させる過程と水素プラズマを照射する過程とを交互に複数回行うことを特徴とする微結晶シリコン薄膜の製膜方法が開示されている。微結晶シリコン薄膜の堆積過程と水素プラズマを照射する過程を複数回繰り返すことにより、積層膜の接合特性を向上させ、光導電性やキャリア輸送性の高いデバイスを作製している。   In Patent Document 1, in a film forming method for depositing and bonding a microcrystalline silicon thin film on an amorphous silicon thin film, a process of depositing a microcrystalline silicon thin film and a process of irradiating hydrogen plasma are alternately performed a plurality of times. A method for forming a microcrystalline silicon thin film is disclosed. By repeating the process of depositing the microcrystalline silicon thin film and the process of irradiating with hydrogen plasma a plurality of times, the junction characteristics of the laminated film are improved, and a device having high photoconductivity and carrier transportability is manufactured.

Xuejun Niu, Jeremy Booher and Vikran L. Dalal, "Nanocrystalline Germanium and Germanium Carbide Films and Devices", Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol.862, A10.2 (2005).Xuejun Niu, Jeremy Booher and Vikran L. Dalal, "Nanocrystalline Germanium and Germanium Carbide Films and Devices", Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol.862, A10.2 (2005).

特開平4−266019JP-A-4-266019

本発明は、結晶質ゲルマニウム光電変換層を含む薄膜光電変換装置の光電変換ユニットの長波長光に対する光電変換効率を改善することを課題とする。   This invention makes it a subject to improve the photoelectric conversion efficiency with respect to the long wavelength light of the photoelectric conversion unit of the thin film photoelectric conversion apparatus containing a crystalline germanium photoelectric conversion layer.

2接合または3接合の積層型薄膜光電変換装置のボトムセルに、非晶質シリコンゲルマニウム(a−SiGe)光電変換ユニットまたは結晶質シリコン光電変換ユニットを用いた薄膜光電変換装置の場合、長波長側で利用できる波長の上限は900〜1100nmで、長波長光の利用が十分でなく変換効率の向上が不十分な課題がある。   In the case of a thin film photoelectric conversion device using an amorphous silicon germanium (a-SiGe) photoelectric conversion unit or a crystalline silicon photoelectric conversion unit for the bottom cell of a two-junction or three-junction stacked thin film photoelectric conversion device, The upper limit of the wavelength that can be used is 900 to 1100 nm, and there is a problem that the use of long wavelength light is insufficient and the conversion efficiency is insufficiently improved.

また、非特許文献1に示されるように、微結晶ゲルマニウム光電変換ユニットにおいて弱n型微結晶ゲルマニウム光電変換層を用いた薄膜光電変換装置は開放電圧と曲線因子(FF)が低く、変換効率が低い課題がある。また、量子効率が10%以上となる長波長光の波長の上限が約1080nmで十分な向上が得られない問題がある。   Further, as shown in Non-Patent Document 1, a thin film photoelectric conversion device using a weak n-type microcrystalline germanium photoelectric conversion layer in a microcrystalline germanium photoelectric conversion unit has a low open-circuit voltage and a low fill factor (FF), and conversion efficiency is low. There are low issues. In addition, there is a problem that sufficient improvement cannot be obtained when the upper limit of the wavelength of long-wavelength light having a quantum efficiency of 10% or more is about 1080 nm.

また、本発明者らが検討を行った結果、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットを含む薄膜光電変換装置において1000nmよりも長い波長の量子効率が低い要因の一つが結晶質ゲルマニウム光電変換層の欠陥と結晶質ゲルマニウム光電変換層の結晶性にあることを見出した。
上記を鑑み、1000nmよりも長い波長に対する量子効率が高い薄膜光電変換装置を提供することを目的とする。
In addition, as a result of the study by the present inventors, in the thin film photoelectric conversion device including the crystalline germanium photoelectric conversion unit, one of the factors that the quantum efficiency at a wavelength longer than 1000 nm is low is the defect of the crystalline germanium photoelectric conversion layer and the crystal It has been found that the crystalline germanium photoelectric conversion layer has crystallinity.
In view of the above, an object is to provide a thin film photoelectric conversion device having high quantum efficiency for wavelengths longer than 1000 nm.

本発明の第一は、「基板上に、第一電極層、p型半導体層とn型半導体層の間に光電変換層を備えた一つ以上の光電変換ユニット、第二電極層を順次配置した薄膜光電変換装置の製造方法であって、少なくとも一つの光電変換ユニットは光電変換層がシリコン原子を含まない実質的に真性または弱n型の結晶質ゲルマニウム半導体からなる結晶質ゲルマニウム光電変換層である結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットであって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの積層工程中に結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を含むことを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法」である。   According to the first aspect of the present invention, “a first electrode layer, one or more photoelectric conversion units each including a photoelectric conversion layer between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and a second electrode layer are sequentially disposed on the substrate. The at least one photoelectric conversion unit is a crystalline germanium photoelectric conversion layer made of a substantially intrinsic or weak n-type crystalline germanium semiconductor in which the photoelectric conversion layer does not contain silicon atoms. A thin film photoelectric conversion unit comprising a step of exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma in the step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion unit. "Manufacturing method of apparatus".

前記薄膜光電変換装置の製造方法において、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部が水素ガスプラズマに暴露されることを特徴とする。水素ガスプラズマに暴露する工程とは、プラズマCVD装置内に水素ガスを導入した状態で放電を発生させ、そのとき発生したプラズマに薄膜光電変換装置の一部を暴露する工程を指す。結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットが水素ガスプラズマに暴露されることよって結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット中のダングリングボンドに由来する欠陥が減少し、結晶質ゲルマニウム光電変換層が光を吸収して発生する電子と正孔が潤滑に移動することが出来るようになり、その結果として薄膜光電変換装置の短絡電流と長波長光領域の量子効率が向上することから好ましい。   In the method for manufacturing the thin film photoelectric conversion device, a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit is exposed to hydrogen gas plasma. The step of exposing to hydrogen gas plasma refers to a step of generating a discharge in a state where hydrogen gas is introduced into the plasma CVD apparatus and exposing a part of the thin film photoelectric conversion device to the generated plasma. By exposing the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma, defects derived from dangling bonds in the crystalline germanium photoelectric conversion unit are reduced, and electrons generated by the crystalline germanium photoelectric conversion layer absorb light. And holes can move to lubrication, and as a result, the short-circuit current of the thin film photoelectric conversion device and the quantum efficiency in the long wavelength light region are improved.

本発明の第二は、「前記記載の薄膜光電変換装置の製造方法であって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の間あるいは結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直後に結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を行うことを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法」である。   The second aspect of the present invention is “a method for producing a thin film photoelectric conversion device as described above, wherein the crystalline germanium photoelectric conversion layer is formed during the crystalline germanium photoelectric conversion layer lamination step or immediately after the crystalline germanium photoelectric conversion layer lamination step. “A method for producing a thin film photoelectric conversion device,” comprising performing a step of exposing a part of the photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma.

前記薄膜光電変換装置の製造方法において、前記結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の間あるいは結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直後に水素ガスプラズマに暴露する工程を行うことで結晶質ゲルマニウム光電変換層が水素プラズマに暴露されることを特徴とする。結晶質ゲルマニウム光電変換層は光を吸収し電子・正孔対を発生させる層であり、ゲルマニウム光電変換ユニットにおいて主要な膜厚を占める。そのため、結晶質ゲルマニウム光電変換層内における電子・正孔対の移動が潤滑に起こるかどうかは薄膜光電変換装置の性能を左右する主要因となる。したがって、結晶質ゲルマニウム光電変換層を水素ガスプラズマに暴露することにより、結晶質ゲルマニウム光電変換層内のダングリングボンドを水素終端し、ダングリングボンドに由来する欠陥を低減することは薄膜光電変換装置の短絡電流向上にとって好ましい。   In the method for manufacturing the thin film photoelectric conversion device, the step of exposing to a hydrogen gas plasma is performed during the step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion layer or immediately after the step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion layer. The conversion layer is exposed to hydrogen plasma. The crystalline germanium photoelectric conversion layer is a layer that absorbs light and generates electron / hole pairs, and occupies a major film thickness in the germanium photoelectric conversion unit. Therefore, whether or not the movement of electron-hole pairs in the crystalline germanium photoelectric conversion layer occurs by lubrication is a main factor that affects the performance of the thin film photoelectric conversion device. Therefore, by exposing the crystalline germanium photoelectric conversion layer to hydrogen gas plasma, dangling bonds in the crystalline germanium photoelectric conversion layer are terminated with hydrogen, and defects derived from the dangling bonds are reduced. It is preferable for improving the short circuit current.

また、結晶質ゲルマニウム光電変換層を水素プラズマに暴露することによって、結晶質ゲルマニウム光電変換層の結晶性が向上し、長波長光領域における光吸収効率が増加する。長波長光領域における光吸収率が増加する効果と前記の欠陥低減の効果によって、薄膜光電変換装置の長波長光領域における量子効率が向上することから好ましい。   Further, by exposing the crystalline germanium photoelectric conversion layer to hydrogen plasma, the crystallinity of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is improved, and the light absorption efficiency in the long wavelength light region is increased. It is preferable because the quantum efficiency in the long wavelength light region of the thin film photoelectric conversion device is improved by the effect of increasing the light absorption rate in the long wavelength light region and the effect of reducing the defects.

本発明の第三は、「前記記載の薄膜光電変換装置の製造方法であって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程が結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の間に導入され、かつ水素ガスプラズマに暴露する工程を行うときの結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜厚が1nm以上50nm以下であることを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法」である。   A third aspect of the present invention is “a method for producing a thin film photoelectric conversion device as described above, wherein the step of exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma is a step of laminating a crystalline germanium photoelectric conversion layer”. The method for producing a thin film photoelectric conversion device, wherein the crystalline germanium photoelectric conversion layer is introduced in the period between and is exposed to hydrogen gas plasma and has a thickness of 1 nm to 50 nm.

前記薄膜光電変換装置の製造方法において、前記水素ガスプラズマに暴露する工程を行うときの結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜厚が1nm以上50nm以下であることを特徴とする。結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程のうち結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜厚が1nm以上50nm以下の範囲にあるときに水素プラズマに暴露する工程を行うことにより、結晶質ゲルマニウム光電変換層と隣接する層の接合界面近傍に存在するダングリングボンド由来の欠陥を低減することができる。この接合界面近傍の欠陥を低減することにより薄膜光電変換装置の短絡電流が向上することから好ましい。   In the method for manufacturing the thin film photoelectric conversion device, the film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer when performing the step of exposing to the hydrogen gas plasma is 1 nm to 50 nm. Adjacent to the crystalline germanium photoelectric conversion layer by performing a step of exposing to a hydrogen plasma when the film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is in the range of 1 nm to 50 nm in the lamination process of the crystalline germanium photoelectric conversion layer It is possible to reduce dangling bond-derived defects that exist in the vicinity of the bonding interface of the layer to be processed. It is preferable because the short-circuit current of the thin film photoelectric conversion device is improved by reducing defects near the bonding interface.

また、水素ガスプラズマに暴露された結晶質ゲルマニウム光電変換層は結晶性が向上し、長波長光領域における光吸収率が増加するだけでなく、その後に積層されるゲルマニウム光電変換層の結晶性を向上させる効果あり、ゲルマニウム光電変換層における長波長光吸収効率ならびに薄膜光電変換装置の1000nm以上の長波長光領域における量子効率が向上することから好ましい。   In addition, the crystalline germanium photoelectric conversion layer exposed to hydrogen gas plasma has improved crystallinity, which not only increases the light absorption rate in the long wavelength light region, but also improves the crystallinity of the germanium photoelectric conversion layer laminated thereafter. It is preferable because it has the effect of improving, and the long wavelength light absorption efficiency in the germanium photoelectric conversion layer and the quantum efficiency in the long wavelength light region of 1000 nm or more of the thin film photoelectric conversion device are improved.

結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜厚が50nm以上の場合に水素ガスプラズマに暴露する工程を行った場合に比べて、結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜厚が1nm以上50nm以下の範囲にあるときに水素プラズマに暴露する工程を行った場合において、薄膜光電変換装置の短絡電流が高いことが見出された。これは、水素プラズマに暴露される表層部分の結晶性が向上する効果と、結晶質ゲルマニウム光電変換層と隣接する層の接合界面近傍に存在するダングリングボンド由来の欠陥を低減する効果が現れているためであると考えられる。   When the film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is in the range of 1 nm or more and 50 nm or less compared to the case where the step of exposing to hydrogen gas plasma is performed when the film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is 50 nm or more. It was found that the short-circuit current of the thin film photoelectric conversion device was high when the step of exposure to hydrogen plasma was performed. This is because the crystallinity of the surface layer portion exposed to hydrogen plasma is improved and the effect of reducing defects derived from dangling bonds existing in the vicinity of the junction interface between the crystalline germanium photoelectric conversion layer and the adjacent layer appears. It is thought that this is because.

さらに本発明者らが検討した結果、意外なことに結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程と水素ガスプラズマに暴露する工程を複数回繰り返す場合よりも、結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程のうち結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜厚が1nm以上50nm以下の範囲にあるときに1回水素プラズマに暴露する工程を行うほうが薄膜光電変換装置の性能が高いことを見出した。結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程と水素ガスプラズマに暴露する工程を複数回繰り返す場合の薄膜光電変換装置ではゲルマニウム光電変換ユニットにおけるリーク電流が増加した。これは、複数回水素ガスプラズマに暴露することにより、結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜密度が低下したためと考えられる。   Furthermore, as a result of the examination by the present inventors, it is surprising that the crystalline germanium photoelectric conversion layer is laminated more than the step of exposing the crystalline germanium photoelectric conversion layer and the step of exposing to hydrogen gas plasma multiple times. When the film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is in the range of 1 nm to 50 nm, it has been found that the performance of the thin film photoelectric conversion device is higher when the step of exposing to hydrogen plasma is performed once. In the thin film photoelectric conversion device in which the step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion layer and the step of exposing to the hydrogen gas plasma are repeated a plurality of times, the leakage current in the germanium photoelectric conversion unit increased. This is presumably because the film density of the crystalline germanium photoelectric conversion layer was reduced by exposure to hydrogen gas plasma multiple times.

本発明の第四は、「前記記載の薄膜光電変換装置の製造方法であって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程が結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に行われることを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法」である。   A fourth aspect of the present invention is “a method for producing a thin film photoelectric conversion device as described above, wherein the step of exposing part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma is a step of laminating a crystalline germanium photoelectric conversion layer” Is performed immediately before the manufacturing method of the thin film photoelectric conversion device ”.

前記薄膜光電変換装置の製造方法において、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程が結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に行われることを特徴とする。結晶質ゲルマニウム光電変換層と接合界面を形成する表面層が水素ガスプラズマに暴露されることにより、結晶質ゲルマニウム光電変換層と接合界面を形成する表面部分の欠陥が低減され、隣接する層自身の結晶性とその層を下地として成長する結晶質ゲルマニウム光電変換層の結晶性が向上する。それにより、薄膜光電変換装置の短絡電流と1000nm以上の長波長領域における量子効率が向上することから好ましい。   In the method of manufacturing the thin film photoelectric conversion device, the step of exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma is performed immediately before the step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion layer. By exposing the surface layer that forms the bonding interface with the crystalline germanium photoelectric conversion layer to hydrogen gas plasma, defects in the surface portion that forms the bonding interface with the crystalline germanium photoelectric conversion layer are reduced, and the adjacent layer itself The crystallinity and the crystallinity of the crystalline germanium photoelectric conversion layer grown using the layer as a base are improved. Thereby, the short circuit current of the thin film photoelectric conversion device and the quantum efficiency in a long wavelength region of 1000 nm or more are preferable.

本発明の第五は、また、「前記薄膜光電変換装置の製造方法であって、基板温度が120℃以上250℃以下の範囲内で前記結晶質ゲルマニウム光電変換層をプラズマCVD法により形成する工程を備えることを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法」である。   The fifth aspect of the present invention is also “a method for producing the thin film photoelectric conversion device, wherein the crystalline germanium photoelectric conversion layer is formed by a plasma CVD method within a substrate temperature range of 120 ° C. to 250 ° C. A method for manufacturing a thin film photoelectric conversion device ”.

前記結晶質ゲルマニウム光電変換層を形成するときの基板温度が250℃以下であると、P型半導体層中の導電型決定不純物の拡散や第一界面層の構造変化を低減することができ、開放電圧、短絡電流、曲線因子の向上につながる。また、前記結晶質ゲルマニウム光電変換層を形成するときの基板温度が250℃以下であると、複数の光電変換ユニットを積層した構造を持つ場合において結晶質ゲルマニウム光電変換層を形成するより前に積層した光電変換ユニットの加熱による劣化を防ぐことができるため好ましい。   When the substrate temperature when forming the crystalline germanium photoelectric conversion layer is 250 ° C. or less, diffusion of conductivity-determining impurities in the P-type semiconductor layer and structural change of the first interface layer can be reduced. It leads to improvement of voltage, short circuit current, and fill factor. In addition, when the substrate temperature when forming the crystalline germanium photoelectric conversion layer is 250 ° C. or lower, in the case of having a structure in which a plurality of photoelectric conversion units are stacked, the layer is formed before the crystalline germanium photoelectric conversion layer is formed. This is preferable because deterioration of the photoelectric conversion unit by heating can be prevented.

前記結晶質ゲルマニウム光電変換層を形成するときの基板温度が120℃以上であると、結晶質ゲルマニウム光電変換層の欠陥が少なく膜密度の高い膜を形成でき、リーク電流の低減、短絡電流の向上につながる。前記結晶質ゲルマニウム光電変換層を形成するときの基板温度が120℃未満であると、結晶質ゲルマニウム光電変換層中の欠陥密度が高く、膜密度の低い膜になるだけでなく、結晶質ゲルマニウム光電変換層の結晶性が低下し1000nm以上の長波長領域の光吸収が十分でなく短絡電流が低下するため好ましくない。   If the substrate temperature when forming the crystalline germanium photoelectric conversion layer is 120 ° C. or more, a film having a high film density with few defects in the crystalline germanium photoelectric conversion layer can be formed, leakage current is reduced, and short circuit current is improved. Leads to. When the substrate temperature when forming the crystalline germanium photoelectric conversion layer is less than 120 ° C., not only the defect density in the crystalline germanium photoelectric conversion layer is high and the film density is low, but also the crystalline germanium photoelectric conversion layer is formed. This is not preferable because the crystallinity of the conversion layer is lowered and light absorption in a long wavelength region of 1000 nm or more is not sufficient and the short-circuit current is reduced.

本発明の第六は、「基板上に、第一電極層、p型半導体層とn型半導体層の間に光電変換層を備えた一つ以上の光電変換ユニット、第二電極層を順次配置した薄膜光電変換装置であって、少なくとも一つの光電変換ユニットは光電変換層がシリコン原子を含まない実質的に真性または弱n型の結晶質ゲルマニウム半導体からなる結晶質ゲルマニウム光電変換層である結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットであり、かつ結晶質ゲルマニウム光電変換層の基板に近い側50nmの厚さの結晶体積分率が2%以上50%以下であることを特徴とする薄膜光電変換装置」である。   According to a sixth aspect of the present invention, “a first electrode layer, one or more photoelectric conversion units each including a photoelectric conversion layer between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and a second electrode layer are sequentially disposed on the substrate. A thin film photoelectric conversion device, wherein at least one photoelectric conversion unit is a crystalline germanium photoelectric conversion layer in which the photoelectric conversion layer is substantially made of an intrinsic or weak n-type crystalline germanium semiconductor containing no silicon atom. A thin-film photoelectric conversion device, which is a germanium photoelectric conversion unit and has a crystal volume fraction of 2% to 50% at a thickness of 50 nm on the side close to the substrate of the crystalline germanium photoelectric conversion layer ”.

前記結晶質ゲルマニウム光電変換層の基板に近い側50nmの厚さの結晶体積分率は、それより後に積層する結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜密度、結晶体積分率、結晶配向性、欠陥密度といった膜質に影響を与えると考えられ、結晶質ゲルマニウム光電変換層を評価するうえで重要であると考えられる。   The crystal volume fraction having a thickness of 50 nm on the side close to the substrate of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is the film density, crystal volume fraction, crystal orientation, defect density, etc. of the crystalline germanium photoelectric conversion layer to be laminated thereafter. It is considered that the film quality is affected, and is considered to be important in evaluating the crystalline germanium photoelectric conversion layer.

結晶質ゲルマニウム光電変換層の基板に近い側50nmの厚さの結晶体積分率が2%以上であることによって、1000nmより長い波長の光を光電変換することができることから好ましい。また、結晶質ゲルマニウム光電変換層の基板に近い側50nmの厚さの結晶体積分率が50%より大きい場合に比べ、結晶体積分率が50%以下である場合は、ゲルマニウム光電変換ユニットにおけるリーク電流が小さく、薄膜光電変換装置の性能が高いことが見出された。したがって、結晶質ゲルマニウム光電変換層の基板に近い側50nmの厚さの結晶体積分率が2%以上50%以下であることが好ましい。   The crystal volume fraction having a thickness of 50 nm on the side close to the substrate of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is preferably 2% or more, so that light having a wavelength longer than 1000 nm can be photoelectrically converted. Further, when the crystal volume fraction is 50% or less compared to the case where the crystal volume fraction of the thickness of 50 nm near the substrate of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is larger than 50%, the leakage in the germanium photoelectric conversion unit It has been found that the current is small and the performance of the thin film photoelectric conversion device is high. Therefore, it is preferable that the crystal volume fraction having a thickness of 50 nm on the side close to the substrate of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is 2% or more and 50% or less.

本発明において、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部が水素ガスプラズマに暴露されることによって、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット内の欠陥を低減し、結晶質ゲルマニウム光電変換層の結晶性を向上させることで、薄膜光電変換装置の短絡電流、ならびに1000nm以上の長波長光における量子効率を向上させることができる。   In the present invention, a portion of the crystalline germanium photoelectric conversion unit is exposed to hydrogen gas plasma, thereby reducing defects in the crystalline germanium photoelectric conversion unit and improving the crystallinity of the crystalline germanium photoelectric conversion layer. Thus, the short-circuit current of the thin film photoelectric conversion device and the quantum efficiency in long wavelength light of 1000 nm or more can be improved.

本発明の1つの実施形態に係る単接合の薄膜光電変換装置の模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a single junction thin film photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention. 本発明の別の実施形態に係る3接合の薄膜光電変換装置の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of the 3 junction thin film photoelectric conversion apparatus which concerns on another embodiment of this invention. 本発明の実施例1乃至7ならびに比較例1に係る単接合の薄膜光電変換装置の模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a single-junction thin-film photoelectric conversion device according to Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 of the present invention. 本発明の実施例8ならびに比較例2に係る3接合の薄膜光電変換装置の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of the 3 junction thin film photoelectric conversion apparatus which concerns on Example 8 and Comparative Example 2 of this invention. 本発明の比較例3に係る2接合の薄膜光電変換装置の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of the 2 junction thin film photoelectric conversion apparatus which concerns on the comparative example 3 of this invention. 本発明の実施例9ならびに比較例4に係る半導体積層膜の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of the semiconductor laminated film which concerns on Example 9 and Comparative Example 4 of this invention. 本発明の実施例9ならびに比較例4に係る半導体積層膜のラマンスペクトルである。It is a Raman spectrum of the semiconductor laminated film which concerns on Example 9 and Comparative Example 4 of this invention.

近年、半導体内部の光電効果を用いて光を電気に変換する光電変換装置が注目され、開発が精力的に行われているが、その光電変換装置の中でもシリコン系薄膜光電変換装置は、低温で大面積のガラス基板やステンレス基板上に形成できることから、低コスト化が期待されている。   In recent years, photoelectric conversion devices that convert light into electricity using photoelectric effects inside semiconductors have attracted attention and are being developed vigorously. Among these photoelectric conversion devices, silicon-based thin film photoelectric conversion devices are at low temperatures. Since it can be formed on a large area glass substrate or stainless steel substrate, cost reduction is expected.

このようなシリコン系薄膜光電変換装置は、一般に透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層と1つ以上の光電変換ユニットと裏面電極層とを含んでいる。ここで、光電変換ユニットは一般にp型半導体層、i型層、及びn型半導体層がこの順、またはその逆順に積層されてなり、その主要部を占めるi型の光電変換層が非晶質のものは非晶質光電変換ユニットと、またi型層が結晶質のものは結晶質光電変換ユニットと呼ばれている。   Such a silicon-based thin film photoelectric conversion device generally includes a transparent electrode layer, one or more photoelectric conversion units, and a back electrode layer, which are sequentially stacked on a transparent insulating substrate. Here, the photoelectric conversion unit is generally formed by stacking a p-type semiconductor layer, an i-type layer, and an n-type semiconductor layer in this order or vice versa, and the i-type photoelectric conversion layer occupying the main part is amorphous. Are called amorphous photoelectric conversion units, and those having a crystalline i-type layer are called crystalline photoelectric conversion units.

光電変換層は、光を吸収して電子・正孔対を発生させる層である。一般に、シリコン系薄膜光電変換装置では、pin接合のうちi型層が光電変換層であり、光電変換層であるi型層が光電変換ユニットの主要な膜厚を占めている。   The photoelectric conversion layer is a layer that absorbs light and generates electron-hole pairs. In general, in a silicon-based thin film photoelectric conversion device, an i-type layer of a pin junction is a photoelectric conversion layer, and an i-type layer that is a photoelectric conversion layer occupies the main film thickness of the photoelectric conversion unit.

i型層は、理想的には導電型決定不純物を含まない真性の半導体層である。しかし、微量の不純物を含んでいても、フェルミ準位が禁制帯のほぼ中央にあれば、pin接合のi型層として機能するので、これを「実質的にi型の層」と呼ぶ。一般に、実質的にi型の層は、導電型決定不純物を原料ガスに添加せずに作製する。この場合、i型層として機能する許容範囲で導電型決定不純物を含んでも良い。また、実質的にi型の層は、大気や下地層に起因する不純物がフェルミ準位に与える影響を取り除くために、微量の導電型決定不純物を意図的に添加して作製しても良い。ここで、i型層をn型化する不純物をn型不純物と呼ぶことにすると、i型層として機能する許容範囲でn型不純物を含むi型層を弱n型の層と呼ぶ。   The i-type layer is an intrinsic semiconductor layer that does not ideally contain a conductivity determining impurity. However, even if a small amount of impurities is included, if the Fermi level is in the middle of the forbidden band, it functions as a pin junction i-type layer, so this is called a “substantially i-type layer”. Generally, a substantially i-type layer is produced without adding a conductivity determining impurity to a source gas. In this case, a conductivity determining impurity may be included in an allowable range that functions as an i-type layer. Further, the substantially i-type layer may be formed by intentionally adding a small amount of conductivity-type determining impurities in order to remove the influence of impurities caused by the atmosphere or the underlayer on the Fermi level. Here, when an impurity that makes an i-type layer n-type is referred to as an n-type impurity, an i-type layer containing an n-type impurity within an allowable range that functions as an i-type layer is referred to as a weak n-type layer.

また、光電変換装置の変換効率を向上させる方法として、2つ以上の光電変換ユニットを積層した、積層型と呼ばれる構造を採用した光電変換装置が知られている。この方法においては、光電変換装置の光入射側に大きな光学的禁制帯幅を有する光電変換層を含む前方光電変換ユニットを配置し、その後ろに順に小さな光学的禁制帯幅を有する(たとえばシリコン−ゲルマニウム合金などの)光電変換層を含む後方光電変換ユニットを配置することにより、入射光の広い波長範囲にわたる光電変換を可能にし、入射する光を有効利用することにより装置全体としての変換効率の向上が図られている。   As a method for improving the conversion efficiency of a photoelectric conversion device, a photoelectric conversion device employing a structure called a stacked type in which two or more photoelectric conversion units are stacked is known. In this method, a front photoelectric conversion unit including a photoelectric conversion layer having a large optical forbidden band width is disposed on the light incident side of the photoelectric conversion device, and a small optical forbidden band width is sequentially provided behind the photoelectric conversion unit (for example, silicon- By arranging a rear photoelectric conversion unit including a photoelectric conversion layer (such as a germanium alloy), it is possible to perform photoelectric conversion over a wide wavelength range of incident light, and improve the conversion efficiency of the entire device by effectively using incident light Is planned.

例えば非晶質シリコン光電変換ユニットと結晶質シリコン光電変換ユニットとを積層した2接合型薄膜光電変換装置の場合、i型の非晶質シリコンが光電変換し得る光の波長は長波長側において700nm程度までであるが、i型の結晶質シリコンはそれより長い約1100nm程度の波長の光までを光電変換することができる。ここで、光吸収係数の大きな非晶質シリコンからなる非晶質シリコン光電変換層では、光電変換に充分な光吸収のためには0.3μm程度の厚さでも十分であるが、これと比較して光吸収係数の小さな結晶質シリコンからなる結晶質シリコン光電変換層では長波長の光をも十分に吸収するためには2〜3μm程度以上の厚さを有することが好ましい。すなわち、結晶質シリコン光電変換層は、通常は、非晶質シリコン光電変換層に比べて10倍程度の大きな膜厚が必要となる。なお、この2接合型薄膜光電変換装置の場合、光入射側にある光電変換ユニットをトップセル、後方にある光電変換ユニットをボトムセルと呼ぶこととする。   For example, in the case of a two-junction thin film photoelectric conversion device in which an amorphous silicon photoelectric conversion unit and a crystalline silicon photoelectric conversion unit are stacked, the wavelength of light that can be photoelectrically converted by i-type amorphous silicon is 700 nm on the long wavelength side. However, i-type crystalline silicon can photoelectrically convert light having a longer wavelength of about 1100 nm. Here, in the amorphous silicon photoelectric conversion layer made of amorphous silicon having a large light absorption coefficient, a thickness of about 0.3 μm is sufficient for light absorption sufficient for photoelectric conversion. The crystalline silicon photoelectric conversion layer made of crystalline silicon having a small light absorption coefficient preferably has a thickness of about 2 to 3 μm or more in order to sufficiently absorb long-wavelength light. That is, the crystalline silicon photoelectric conversion layer usually requires a film thickness about 10 times larger than that of the amorphous silicon photoelectric conversion layer. In the case of this two-junction thin film photoelectric conversion device, the photoelectric conversion unit on the light incident side is referred to as a top cell, and the photoelectric conversion unit on the rear side is referred to as a bottom cell.

さらに光電変換ユニットを3つ備える3接合型薄膜光電変換装置も用いられる。本明細書では、3接合型薄膜光電変換装置の光電変換ユニットを光入射側から順にトップセル、ミドルセル、ボトムセルと呼ぶこととする。3接合の積層型薄膜光電変換装置にすることによって、開放電圧(Voc)が高く、短絡電流密度(Jsc)が低くなり、2接合の場合に比べてトップセルの非晶質シリコン光電変換層の膜厚を薄くできる。このため、トップセルの光劣化を抑制することができる。また、ミドルセルの光電変換層の光学的禁制帯幅をトップセルより狭く、ボトムセルより広くすることによって、入射した光をより有効に利用することができる。   Further, a three-junction thin film photoelectric conversion device including three photoelectric conversion units is also used. In this specification, the photoelectric conversion units of the three-junction thin film photoelectric conversion device are referred to as a top cell, a middle cell, and a bottom cell in order from the light incident side. By using a three-junction stacked thin film photoelectric conversion device, the open-circuit voltage (Voc) is high, the short-circuit current density (Jsc) is low, and the amorphous silicon photoelectric conversion layer of the top cell is lower than in the case of two junctions. The film thickness can be reduced. For this reason, the optical deterioration of the top cell can be suppressed. Further, by making the optical forbidden band width of the photoelectric conversion layer of the middle cell narrower than that of the top cell and wider than that of the bottom cell, incident light can be used more effectively.

3接合の積層型薄膜光電変換装置の例として、ミドルセルの光電変換層に非晶質シリコンゲルマニウムを用いた、非晶質シリコン光電変換ユニット/非晶質シリコンゲルマニウム光電変換ユニット/非晶質シリコンゲルマニウム光電変換ユニットの順に積層した薄膜光電変換装置、あるいは非晶質シリコン光電変換ユニット/非晶質シリコンゲルマニウム光電変換ユニット/結晶質シリコン光電変換ユニットの順に積層した薄膜光電変換装置が挙げられる。非晶質シリコンゲルマニウムの膜中のゲルマニウム濃度を適宜調整することによって、ミドルセルの光電変換層の非晶質シリコンゲルマニウムの光学的禁制帯幅をトップセルとボトムセルの間の値に制御することができる。また、ミドルセルとボトムセルの両方に非晶質シリコンゲルマニウム光電変換層を用いた場合、ミドルセルよりボトムセルのゲルマニウム濃度が高くなるようにする。   As an example of a three-junction stacked thin film photoelectric conversion device, an amorphous silicon photoelectric conversion unit / amorphous silicon germanium photoelectric conversion unit / amorphous silicon germanium using amorphous silicon germanium for a photoelectric conversion layer of a middle cell Thin film photoelectric conversion devices stacked in the order of photoelectric conversion units, or thin film photoelectric conversion devices stacked in the order of amorphous silicon photoelectric conversion units / amorphous silicon germanium photoelectric conversion units / crystalline silicon photoelectric conversion units can be given. By appropriately adjusting the germanium concentration in the amorphous silicon germanium film, the optical band gap of amorphous silicon germanium in the photoelectric conversion layer of the middle cell can be controlled to a value between the top cell and the bottom cell. . Further, when an amorphous silicon germanium photoelectric conversion layer is used for both the middle cell and the bottom cell, the germanium concentration in the bottom cell is made higher than that in the middle cell.

しかし、非晶質シリコンに比べて、合金層である非晶質シリコンゲルマニウムは欠陥密度が高くて半導体特性が劣っており、また、光照射による欠陥密度の増加が大きいことがわかっている。このため、非晶質シリコンゲルマニウムをミドルセルまたはボトムセルの光電変換層に用いた3接合の積層型薄膜光電変換装置は2接合の薄膜光電変換装置に比べて効率の向上が十分でない。また、非晶質シリコンゲルマニウムの光劣化が大きいため、3接合の積層型薄膜光電変換装置にしたにもかかわらず、光劣化の抑制が十分でない問題がある。   However, it is known that amorphous silicon germanium, which is an alloy layer, has a high defect density and inferior semiconductor characteristics as compared with amorphous silicon, and a large increase in defect density due to light irradiation. For this reason, a three-junction stacked thin film photoelectric conversion device using amorphous silicon germanium for the photoelectric conversion layer of the middle cell or the bottom cell is not sufficiently improved in efficiency as compared with the two-junction thin film photoelectric conversion device. Moreover, since amorphous silicon germanium has a large photodegradation, there is a problem that the photodegradation is not sufficiently suppressed even though a three-junction stacked thin film photoelectric conversion device is used.

ボトムセルに非晶質シリコンゲルマニウム光電変換ユニットを用いた場合は光電変換し得る光の波長は長波長側において900nm程度まで、ボトムセルに結晶質シリコン光電変換ユニットを用いた場合の光電変換し得る光の波長は長波長側において1100nm程度までで、長波長側の利用できる波長の限界は2接合の薄膜光電変換装置と同様の波長で改善されず、3接合の薄膜光電変換装置の変換効率の向上が十分でない課題がある。   When the amorphous silicon germanium photoelectric conversion unit is used for the bottom cell, the wavelength of light that can be photoelectrically converted is about 900 nm on the long wavelength side, and the light that can be photoelectrically converted when the crystalline silicon photoelectric conversion unit is used for the bottom cell. The wavelength is up to about 1100 nm on the long wavelength side, and the limit of the usable wavelength on the long wavelength side is not improved at the same wavelength as the two-junction thin film photoelectric conversion device, and the conversion efficiency of the three-junction thin film photoelectric conversion device is improved. There are issues that are not enough.

以下において本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお本願の各図において、厚さや長さなどの寸法関係については図面の明瞭化と簡略化のため適宜変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。また、各図において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。
本発明における「結晶質」および「微結晶」の用語は、当該技術分野において用いられているように、部分的に非晶質を含む場合も包含する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing of the present application, dimensional relationships such as thickness and length are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships. Moreover, in each figure, the same referential mark represents the same part or an equivalent part.
The terms “crystalline” and “microcrystalline” in the present invention also include a case where a partly amorphous material is used as used in the art.

本発明者は、薄膜光電変換装置の変換効率を向上するために、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの短絡電流の向上に加えて従来のシリコン系薄膜光電変換装置では利用が十分ではない1000nmを超える長波長の光を効率的に光電変換するために、結晶質ゲルマニウム光電変換装置の製造方法について検討した。その結果、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露することによって、薄膜光電変換装置の短絡電流の向上に加えて1000nmを超える長波長光を効率的に光電変換できることを見出した。   In order to improve the conversion efficiency of the thin film photoelectric conversion device, the present inventor has added a short-circuit current of a crystalline germanium photoelectric conversion unit, and in addition, the conventional silicon-based thin film photoelectric conversion device has a length exceeding 1000 nm. In order to efficiently photoelectrically convert light having a wavelength, a method for manufacturing a crystalline germanium photoelectric conversion device was studied. As a result, it was found that by exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma, long wavelength light exceeding 1000 nm can be efficiently photoelectrically converted in addition to the improvement of the short circuit current of the thin film photoelectric conversion device. .

図1に、本発明の実施形態の一例による単接合の薄膜光電変換装置の模式的断面図を示す。透明基板1上に、透明電極層2、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3および裏面電極層4の順に配置されている。本発明において、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3とは、光電変換層に実質的に真性または弱n型の結晶質ゲルマニウム半導体を含む結晶質ゲルマニウム光電変換層33を用いた光電変換ユニットをいう。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a single junction thin film photoelectric conversion device according to an example of an embodiment of the present invention. On the transparent substrate 1, the transparent electrode layer 2, the crystalline germanium photoelectric conversion unit 3, and the back electrode layer 4 are arranged in this order. In the present invention, the crystalline germanium photoelectric conversion unit 3 refers to a photoelectric conversion unit using a crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 containing a substantially intrinsic or weak n-type crystalline germanium semiconductor in the photoelectric conversion layer.

基板側から光を入射するタイプの光電変換装置にて用いられる透明基板1には、ガラス、透明樹脂等からなる板状部材やシート状部材が用いられる。特に、透明基板1としてガラス板を用いれば、それが高い透過率を有しかつ安価であるので好ましい。   A plate-like member or a sheet-like member made of glass, transparent resin or the like is used for the transparent substrate 1 used in a photoelectric conversion device of a type in which light enters from the substrate side. In particular, it is preferable to use a glass plate as the transparent substrate 1 because it has a high transmittance and is inexpensive.

すなわち、透明基板1は薄膜光電変換装置の光入射側に位置するので、より多くの太陽光を透過させて光電変換ユニットに吸収させるために、できるだけ透明であることが好ましい。同様の意図から、太陽光の入射面における光反射ロスを低減させるために、透明基板1の光入射面上に無反射コーティングを設けることが好ましい。   That is, since the transparent substrate 1 is located on the light incident side of the thin film photoelectric conversion device, it is preferable that the transparent substrate 1 be as transparent as possible so that more sunlight is transmitted and absorbed by the photoelectric conversion unit. From the same intention, it is preferable to provide a non-reflective coating on the light incident surface of the transparent substrate 1 in order to reduce the light reflection loss on the sunlight incident surface.

基板側から光を入射するタイプの光電変換装置にて用いられる第一電極層としては、透明電極層2が挙げられる。特に、透明電極層2としては、太陽光を透過させて光電変換ユニットに吸収させる為にできるだけ透明であることが望ましく、かつ光電変換ユニットで発生した正孔を損失なく輸送する為に、導電性を有することが望ましい。   The transparent electrode layer 2 is mentioned as a 1st electrode layer used with the photoelectric conversion apparatus of the type which injects light from a board | substrate side. In particular, the transparent electrode layer 2 is desirably transparent as much as possible in order to allow sunlight to pass through and be absorbed by the photoelectric conversion unit, and in order to transport holes generated in the photoelectric conversion unit without loss, it is conductive. It is desirable to have

そのため、透明電極層2は酸化すず(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)等の導電性金属酸化物からなることが好ましく、例えば化学気相蒸着(CVD)、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが好ましい。透明電極層2はその表面に微細な凹凸形状を有することにより、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。 Therefore, the transparent electrode layer 2 is preferably made of a conductive metal oxide such as tin oxide (SnO 2 ) or zinc oxide (ZnO). For example, a method such as chemical vapor deposition (CVD), sputtering, or vapor deposition is used. Preferably it is formed. The transparent electrode layer 2 desirably has an effect of increasing the scattering of incident light by having a fine uneven shape on the surface thereof.

結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3は、たとえばプラズマCVD法によって、p型半導体層31、第一界面層32、結晶質ゲルマニウム光電変換層33、第二界面層35およびn型半導体層34の順に積層して形成される。ここで、第一界面層32や第二界面層35は結晶質ゲルマニウム光電変換層におけるリーク電流を低減する効果があることから配置することが好ましいが、第一界面層32や第二界面層35を含まない結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットであってもよい。   The crystalline germanium photoelectric conversion unit 3 is formed by laminating a p-type semiconductor layer 31, a first interface layer 32, a crystalline germanium photoelectric conversion layer 33, a second interface layer 35, and an n-type semiconductor layer 34 in this order, for example, by plasma CVD. Formed. Here, the first interface layer 32 and the second interface layer 35 are preferably arranged because of the effect of reducing the leakage current in the crystalline germanium photoelectric conversion layer. It may be a crystalline germanium photoelectric conversion unit that does not contain any.

水素ガスプラズマに暴露される工程は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3を形成する工程に含まれる。例えば、第一界面層32を積層後水素ガスプラズマに暴露する場合、第一界面層32の表面部分が水素プラズマに暴露された後結晶質ゲルマニウム光電変換層33が積層される。水素ガスプラズマに暴露する工程は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットのうちP型半導体層31、第一界面層32、結晶質ゲルマニウム光電変換層33、第二界面層35、n型半導体層34のいずれの積層工程後に導入してもよく、各層における積層工程の間に導入してもよい。   The step of being exposed to the hydrogen gas plasma is included in the step of forming the crystalline germanium photoelectric conversion unit 3. For example, when the first interface layer 32 is exposed to hydrogen gas plasma after being stacked, the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is stacked after the surface portion of the first interface layer 32 is exposed to hydrogen plasma. The step of exposing to hydrogen gas plasma includes any of the P-type semiconductor layer 31, the first interface layer 32, the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33, the second interface layer 35, and the n-type semiconductor layer 34 in the crystalline germanium photoelectric conversion unit. It may be introduced after the laminating step, or may be introduced during the laminating step in each layer.

水素ガスプラズマは、水素ガスを用いて、高周波プラズマCVD法によって発生させることが好ましい。用いる水素ガスは、水素ガスの純度が99.99%以上であることが好ましく、水素ガスプラズマに暴露される薄膜光電変換ユニットの一部に水素以外の元素をドープしない為にも、酸素や二酸化炭素を含まないことが好ましい。   The hydrogen gas plasma is preferably generated by high frequency plasma CVD using hydrogen gas. The hydrogen gas to be used preferably has a hydrogen gas purity of 99.99% or higher, and oxygen or dioxide dioxide is used in order not to dope elements other than hydrogen into a part of the thin film photoelectric conversion unit exposed to the hydrogen gas plasma. Preferably it does not contain carbon.

大面積に均一にプラズマCVD法で水素ガスプラズマを発生させるためには、2.45GHzなどのマイクロ波の周波数を用いるより、容量結合型平行平板電極を用い、10〜100MHzの周波数を用いることが望ましい。特に工業的に使用が認められている13.56MHz、27.12Mz、40MHzを用いることが好適である。高周波パワー密度は、結晶化を促進するために50mW/cm2以上が望まししく、150mW/cm2以上にすることがより望ましい。光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する際の基板温度は、水素ガスプラズマによる結晶化を促進するために120℃以上にすることが望ましく、150℃以上にすることがより望ましい。導電型層から光電変換層への不純物の拡散を抑制するために、基板温度は250℃以下が望ましく、230℃以下がさらに望ましい。 In order to generate hydrogen gas plasma uniformly over a large area by plasma CVD, it is preferable to use a capacitively coupled parallel plate electrode and a frequency of 10 to 100 MHz rather than using a microwave frequency such as 2.45 GHz. desirable. In particular, it is preferable to use 13.56 MHz, 27.12 Mz, and 40 MHz that are approved for industrial use. The high frequency power density is preferably 50 mW / cm 2 or more, and more preferably 150 mW / cm 2 or more in order to promote crystallization. The substrate temperature when a part of the photoelectric conversion unit is exposed to hydrogen gas plasma is preferably 120 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher in order to promote crystallization by hydrogen gas plasma. In order to suppress the diffusion of impurities from the conductive layer to the photoelectric conversion layer, the substrate temperature is preferably 250 ° C. or lower, and more preferably 230 ° C. or lower.

また、光電変換ユニットを水素ガスプラズマに暴露する際の圧力は、暴露する光電変換ユニットの結晶化を促進する観点から、40Pa以上2000Pa以下の範囲が好ましい。また、200Pa以上1500Pa以下が大面積での放電の均一性を向上する観点からより好ましい。   Moreover, the pressure at the time of exposing a photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma has the preferable range of 40 Pa or more and 2000 Pa or less from a viewpoint of promoting crystallization of the photoelectric conversion unit to expose. Moreover, 200 Pa or more and 1500 Pa or less are more preferable from a viewpoint of improving the uniformity of discharge in a large area.

p型半導体層31は、p型不純物がドープされた結晶質シリコン、非晶質シリコン、結晶質シリコンゲルマニウム、非晶質シリコンゲルマニウム、結晶質ゲルマニウム、非晶質ゲルマニウムのうち少なくとも一つ以上から形成されうる。また、結晶質ゲルマニウム光電変換層33と同じ製膜装置を用いることができる。特に、p型半導体層31としては、ボロンが0.01原子%以上ドープされた微結晶シリコンを用いることが好ましい。p型半導体層31が微結晶シリコンからなることによって、結晶質ゲルマニウム光電変換層33からp型半導体層31への正孔の移動が潤滑になるのでより好ましい。   The p-type semiconductor layer 31 is formed of at least one of crystalline silicon doped with p-type impurities, amorphous silicon, crystalline silicon germanium, amorphous silicon germanium, crystalline germanium, and amorphous germanium. Can be done. Moreover, the same film forming apparatus as the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 can be used. In particular, as the p-type semiconductor layer 31, it is preferable to use microcrystalline silicon doped with 0.01 atomic% or more of boron. It is more preferable that the p-type semiconductor layer 31 is made of microcrystalline silicon because the movement of holes from the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 to the p-type semiconductor layer 31 is lubricated.

結晶質ゲルマニウムは光学的禁制帯幅が0.65eVであり、非晶質シリコンの1.8eVや結晶質シリコンの1.1eVに比べて狭い為、結晶質ゲルマニウムを光電変換層に使用する場合、光学的禁制帯中の欠陥準位や不純物準位を介したリーク電流が発生しやすく、太陽電池の性能のうち曲線因子と開放電圧を著しく低下させる要因になると考えられる。   Crystalline germanium has an optical forbidden band width of 0.65 eV, which is narrower than 1.8 eV of amorphous silicon and 1.1 eV of crystalline silicon. Therefore, when crystalline germanium is used for the photoelectric conversion layer, Leakage current is likely to occur through defect levels and impurity levels in the optical forbidden band, which is considered to be a factor that significantly lowers the fill factor and open circuit voltage of the solar cell performance.

結晶質ゲルマニウムを光電変換層33で発生するリーク電流を低減するため、p型半導体層31と結晶質ゲルマニウム光電変換層33との界面に配置する実質的に真正な非単結晶シリコン半導体層である第一界面層32を配置することが好ましい。また第一界面層32はP型半導体層31表面全体を被覆することが好ましい。   This is a substantially genuine non-single-crystal silicon semiconductor layer disposed at the interface between the p-type semiconductor layer 31 and the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 in order to reduce the leakage current generated in the photoelectric conversion layer 33 by crystalline germanium. It is preferable to arrange the first interface layer 32. The first interface layer 32 preferably covers the entire surface of the P-type semiconductor layer 31.

結晶質ゲルマニウム光電変換層33は、反応ガスとしてたとえばGeH4、H2を用い、高周波プラズマCVD法で形成することが望ましい。このとき、H2/GeH4比を200〜5000の範囲にすることが望ましい。H2/GeH4比が200より小さいと結晶化率が低下して非晶質化する傾向があるため望ましくなく、逆にH2/GeH4比が5000より大きいと製膜速度が低下して生産性が低下する傾向がある。良好な結晶性と工業的に許容できる製膜速度を得るためには、H2/GeH4比を500〜2000の範囲にすることがより望ましい。 The crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is desirably formed by a high frequency plasma CVD method using, for example, GeH 4 or H 2 as a reactive gas. At this time, the H 2 / GeH 4 ratio is desirably in the range of 200 to 5000. If the H 2 / GeH 4 ratio is smaller than 200, the crystallization rate tends to be reduced and the film tends to be amorphous. On the contrary, if the H 2 / GeH 4 ratio is larger than 5000, the film forming speed decreases. Productivity tends to decrease. In order to obtain good crystallinity and an industrially acceptable film forming speed, it is more desirable to set the H 2 / GeH 4 ratio in the range of 500 to 2000.

結晶質ゲルマニウム光電変換層33を形成するときのシャワープレートを通り抜けるときの製膜ガスの流速が、0.1以上10 m/s以下であることが望ましい。製膜ガスの流速が、0.1m/s以下である場合は、反応ガスがプラズマ中で高反応性を有する活性種まで分解され、基板上の膜密度が疎となる。製膜ガスの流速が、10 m/s以上である場合は、反応ガスがプラズマ中で分解される割合が少なくなり、基板への着膜にムラが発生する。ここで流速とは、製膜時の圧力における流速を示す。流速は、製膜室における圧力の体積流量を、シャワープレートの穴の合計面積で割ることで求めることが出来る。   The flow rate of the film-forming gas when passing through the shower plate when forming the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is preferably 0.1 or more and 10 m / s or less. When the flow rate of the film-forming gas is 0.1 m / s or less, the reactive gas is decomposed to active species having high reactivity in the plasma, and the film density on the substrate becomes sparse. When the flow rate of the film-forming gas is 10 m / s or more, the rate at which the reaction gas is decomposed in the plasma is reduced, and unevenness occurs in the film formation on the substrate. Here, the flow rate indicates a flow rate at a pressure during film formation. The flow rate can be obtained by dividing the volume flow rate of the pressure in the film forming chamber by the total area of the holes in the shower plate.

結晶質ゲルマニウム光電変換層33を大面積に均一にプラズマCVD法で製膜するためには、2.45GHzなどのマイクロ波の周波数を用いるより、容量結合型平行平板電極を用い、10〜100MHzの周波数を用いることが望ましい。特に工業的に使用が認められている13.56MHz、27.12Mz、40MHzを用いることが好適である。高周波パワー密度は、結晶化を促進するために200mW/cm2以上が望まししく、550mW/cm2以上にすることがより望ましい。 In order to uniformly form the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 in a large area by the plasma CVD method, a capacitively coupled parallel plate electrode is used rather than a microwave frequency such as 2.45 GHz, and a frequency of 10 to 100 MHz is used. It is desirable to use frequency. In particular, it is preferable to use 13.56 MHz, 27.12 Mz, and 40 MHz that are approved for industrial use. RF power density, 200 mW / cm 2 or more is desirable Shi properly in order to promote crystallization, it is more desirable to 550 mW / cm 2 or more.

結晶質ゲルマニウム光電変換層33を製膜する際の基板温度は、製膜時の粉の発生を抑制するために120℃以上にすることが望ましく、150℃以上にすることがより望ましい。導電型層から光電変換層への不純物の拡散を抑制するために、基板温度は250℃以下が望ましく、230℃以下がさらに望ましい。   The substrate temperature when the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is formed is preferably 120 ° C. or higher and more preferably 150 ° C. or higher in order to suppress the generation of powder during film formation. In order to suppress the diffusion of impurities from the conductive layer to the photoelectric conversion layer, the substrate temperature is preferably 250 ° C. or lower, and more preferably 230 ° C. or lower.

また、結晶質ゲルマニウム光電変換層33を製膜する際の圧力は、良好な結晶性を有する観点から、40Pa以上2000Pa以下の範囲が好ましい。また、200Pa以上1500Pa以下が大面積の均一性を向上する観点からより好ましい。さらに、500Pa以上1330Pa以下が結晶性と高い製膜速度を両立する上でより好ましい。   Moreover, the pressure at the time of forming the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is preferably in the range of 40 Pa to 2000 Pa from the viewpoint of having good crystallinity. Moreover, 200 Pa or more and 1500 Pa or less are more preferable from a viewpoint of improving the uniformity of a large area. Furthermore, 500 Pa or more and 1330 Pa or less is more preferable in achieving both crystallinity and a high film forming speed.

結晶質ゲルマニウム光電変換層33はシリコン原子を含まないことが好ましい。ここで「シリコン原子を含まない」とは、X線光電子分光法(XPS)、エネルギー分散X線分光法(EDX)、オージェ電子分光法のいずれかを用いて測定したときに、ほぼ測定限界の1%以下であることを示すことをいう。結晶質ゲルマニウム光電変換層33がシリコン原子を含まないことによって、意外なことにシリコンゲルマニウムより結晶性が向上し、長波長の吸収係数を向上することができる。   The crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 preferably does not contain silicon atoms. Here, “does not contain silicon atoms” means that the measurement limit is approximately when measurement is performed using any of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and Auger electron spectroscopy. It means that it is 1% or less. Since the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 does not contain silicon atoms, surprisingly, the crystallinity is improved as compared with silicon germanium, and the absorption coefficient of a long wavelength can be improved.

また、結晶質ゲルマニウム光電変換層の基板に近い側50nmの厚さの結晶体積分率を求める方法としては、基板上に結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットを積層する際結晶質ゲルマニウム光電変換層を50nm積層した時点で基板をCVD装置から取り出し、結晶質ゲルマニウム光電変換層表面から光入射して測定したラマン分光スペクトルより算出できる。得られたラマン分光スペクトルには300cm-1付近に結晶質ゲルマニウムに由来するピークと、280cm-1付近に非晶質ゲルマニウムに由来するブロードなピークが観測される。これら2つのピークをピーク分割し、ピーク全体の面積強度に対する結晶質ゲルマニウムに由来するピーク面積強度の割合(結晶質ゲルマニウム由来のピーク面積強度 / (結晶質ゲルマニウム由来のピーク面積強度+非晶質ゲルマニウム由来のピーク面積強度))から結晶体積分率が算出される。 In addition, as a method for obtaining a crystal volume fraction having a thickness of 50 nm on the side close to the substrate of the crystalline germanium photoelectric conversion layer, the crystalline germanium photoelectric conversion layer is stacked by 50 nm when the crystalline germanium photoelectric conversion unit is stacked on the substrate. At that time, the substrate can be taken out from the CVD apparatus, and can be calculated from the Raman spectrum measured by light incidence from the surface of the crystalline germanium photoelectric conversion layer. In the obtained Raman spectrum, a peak derived from crystalline germanium is observed near 300 cm −1 and a broad peak derived from amorphous germanium is observed near 280 cm −1 . These two peaks are divided into peaks, and the ratio of the peak area intensity derived from crystalline germanium to the area intensity of the entire peak (peak area intensity derived from crystalline germanium / (peak area intensity derived from crystalline germanium + amorphous germanium The crystal volume fraction is calculated from the derived peak area intensity)).

そのほかにも結晶質ゲルマニウム光電変換層の基板に近い側50nmの厚さの結晶体積分率を求める方法として薄膜光電変換装置の断面について透過型電子顕微鏡像を観察する方法が挙げられる。結晶質ゲルマニウム光電変換層の基板に近い側50nm近傍について透過型電子顕微鏡(TEM)の断面像で20万倍から50万倍程度を撮影し、結晶質ゲルマニウム相と非晶質ゲルマニウム相の割合を確認することが出来る。特に暗視野像を撮影すると、明るく見える部分が結晶相なので、容易に結晶質ゲルマニウム相を確認できる。   In addition, as a method for obtaining a crystal volume fraction having a thickness of 50 nm on the side close to the substrate of the crystalline germanium photoelectric conversion layer, there is a method of observing a transmission electron microscope image of a cross section of the thin film photoelectric conversion device. About 200 nm to 500,000 times are taken in a transmission electron microscope (TEM) cross-sectional image about 50 nm on the side close to the substrate of the crystalline germanium photoelectric conversion layer, and the ratio of the crystalline germanium phase to the amorphous germanium phase is determined. It can be confirmed. In particular, when a dark field image is taken, the portion that appears bright is a crystalline phase, so that a crystalline germanium phase can be easily confirmed.

結晶質ゲルマニウム光電変換層33は波数935±5cm-1の赤外吸収ピークの吸収係数が0cm-1以上6000cm-1未満であることが好ましく、好ましくは0cm-1以上5000cm-1未満であり、さらに好ましくは10cm-1以上2500cm-1未満である。波数935±5cm-1の赤外吸収ピークの起源は同定されていないが、ポリマーまたはクラスター状の水素化ゲルマニウム、あるいは酸化ゲルマニウムに由来すると考えられ、この赤外吸収ピークを小さく抑えることによって緻密な結晶質ゲルマニウムが形成されて、薄膜光電変換装置の特性が向上すると推定される。
また、波数960±5cm-1の赤外吸収ピークの吸収係数が0cm-1以上3500cm-1未満であることが好ましく、0cm-1以上3000cm-1未満であることがより好ましく、10cm-1以上1300cm-1未満であることがさらに好ましい。960±5cm-1の赤外吸収ピークの起源も同定されていないが、上述と同様にポリマーまたはクラスター状の水素化ゲルマニウム、あるいは酸化ゲルマニウムに由来すると考えられ、この赤外吸収ピークを小さく抑えることによって緻密な結晶質ゲルマニウムが形成されて、薄膜光電変換装置の特性が向上するといえる。
Crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is preferably an absorption coefficient of infrared absorption peak at a wavenumber of 935 ± 5 cm -1 is less than 0 cm -1 or more 6000 cm -1, preferably less than 0 cm -1 or more 5000 cm -1, more preferably less than 10 cm -1 or more 2500 cm -1. Although the origin of the infrared absorption peak with a wave number of 935 ± 5 cm −1 has not been identified, it is thought to be derived from polymer or cluster-like germanium hydride or germanium oxide. It is estimated that crystalline germanium is formed and the characteristics of the thin film photoelectric conversion device are improved.
It is preferable that the absorption coefficient of the infrared absorption peak at a wavenumber of 960 ± 5 cm -1 is less than 0 cm -1 or more 3500 cm -1, more preferably less than 0 cm -1 or more 3000 cm -1, 10 cm -1 or more More preferably, it is less than 1300 cm −1 . The origin of the infrared absorption peak at 960 ± 5 cm -1 has not been identified, but it is thought to be derived from polymer or clustered germanium hydride or germanium oxide as described above, and this infrared absorption peak should be kept small. Thus, it can be said that dense crystalline germanium is formed, and the characteristics of the thin film photoelectric conversion device are improved.

赤外線の吸収スペクトルは、FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)により測定することができる。たとえば、以下の手順で赤外線の吸収スペクトルを求めることができる。(1)光電変換層と同じ製膜条件で1Ω・cm以上の高抵抗の結晶シリコン基板上に製膜して、赤外線透過スペクトルを測定する。(2)サンプルの透過率を膜のついていない結晶シリコン基板の透過率で割って、結晶質ゲルマニウム膜のみの透過スペクトルを求める。(3)前記(2)で求めた透過スペクトルは干渉の影響やオフセットが載っているため、吸収のない領域を結んでベースラインを引き、ベースラインの透過率で割る。(4)最後に次式で吸収係数αを求める。   The infrared absorption spectrum can be measured by FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). For example, an infrared absorption spectrum can be obtained by the following procedure. (1) A film is formed on a crystalline silicon substrate having a high resistance of 1 Ω · cm or more under the same film forming conditions as the photoelectric conversion layer, and an infrared transmission spectrum is measured. (2) Divide the transmittance of the sample by the transmittance of the crystalline silicon substrate without the film to obtain the transmission spectrum of only the crystalline germanium film. (3) Since the transmission spectrum obtained in (2) includes the influence of interference and offset, the base line is drawn by connecting non-absorption areas, and divided by the base line transmittance. (4) Finally, the absorption coefficient α is obtained by the following equation.

結晶質ゲルマニウム光電変換層33はX線回折で測定した(220)ピークと(111)ピークの強度比が2以上であることが好ましい。(220)配向が強くなることによって、結晶質ゲルマニウムが基板に垂直方向に柱状の結晶を形成して、膜厚方向の結晶サイズが大きくなって、光電変換電流が流れやすくなって薄膜光電変換装置の特性が向上する。   The crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 preferably has an intensity ratio of (220) peak and (111) peak measured by X-ray diffraction of 2 or more. (220) The crystalline germanium forms columnar crystals in the direction perpendicular to the substrate due to the strengthening of the (220) orientation, the crystal size in the film thickness direction increases, and the photoelectric conversion current easily flows, so that the thin film photoelectric conversion device Improved characteristics.

また、結晶質ゲルマニウム光電変換層33は波長600nmの光に対する屈折率が4.0以上であることが好ましい。さらに好ましくは波長600nmの光に対する屈折率が4.7以上である。これは、波長600nmの光に対する屈折率が4.0以上であることによって緻密な結晶質ゲルマニウムが形成され、1000nm以上の長波長光の利用が可能になる。   The crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 preferably has a refractive index of 4.0 or more with respect to light having a wavelength of 600 nm. More preferably, the refractive index for light with a wavelength of 600 nm is 4.7 or more. This is because when the refractive index with respect to light having a wavelength of 600 nm is 4.0 or more, dense crystalline germanium is formed, and it becomes possible to use long wavelength light having a wavelength of 1000 nm or more.

結晶質ゲルマニウム光電変換層33の膜厚としては、50nm以上1000nm以下であることが好ましい。結晶質ゲルマニウム光電変換層33の膜厚は透過型電子顕微鏡により観察した像から確認できる。結晶質ゲルマニウム光電変換層33は吸収係数が高いことから、単接合薄膜光電変換装置、多接合薄膜光電変換装置のいずれに使用する場合であっても、結晶質ゲルマニウム光電変換層33の膜厚が、50nm以上1000nm以下で、短絡電流ならびに900nm以上の長波長光を効率的に光電変換することができる。また、膜厚が1000nm以下であると、製膜時間が短くなるだけでなく、コストが低くなるという利点がある。   The film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is preferably 50 nm or more and 1000 nm or less. The film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 can be confirmed from an image observed with a transmission electron microscope. Since the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 has a high absorption coefficient, the film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is the same regardless of whether the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is used for a single junction thin film photoelectric conversion device or a multijunction thin film photoelectric conversion device. The short-circuit current and the long wavelength light of 900 nm or more can be efficiently photoelectrically converted at 50 nm or more and 1000 nm or less. Moreover, when the film thickness is 1000 nm or less, there is an advantage that not only the film forming time is shortened but also the cost is lowered.

また、n型半導体層34と結晶質ゲルマニウム光電変換層33との界面に実質的に真性な非単結晶シリコン半導体層からなる第二界面層35を配置することが好ましい。第二界面層35は、具体的には結晶質シリコンまたは非晶質シリコンを用いることができる。 さらに、図3に示すように、第ニ界面層35として、実質的に真性な結晶質シリコン層と実質的に真性な非晶質シリコン層を積層した構造をもつことが好ましい。特に、n型半導体層34に近い側から順に、実質的に真性な非晶質シリコン層352、実質的に真性な結晶質シリコン層351を配置した層であることが好ましい。これは、接合界面における欠陥密度を減少させ、電子と正孔の再結合に由来する電流損失を抑制する働きがあるためと考えられる。第ニ界面層35における実質的に真性な結晶質シリコン層351の膜厚としては、0.5nmから500nmの範囲が好ましい。特に、膜厚として1nmから100nmの範囲がより好ましい。第ニ界面層35における実質的に真性な非晶質シリコン層352の膜厚としては、0.1nmから100nmの範囲が好ましい。特に0.5nmから50nmの範囲の膜厚がより好ましい。   Moreover, it is preferable to arrange | position the 2nd interface layer 35 which consists of a substantially intrinsic non-single-crystal silicon semiconductor layer in the interface of the n-type semiconductor layer 34 and the crystalline germanium photoelectric converting layer 33. FIG. Specifically, crystalline silicon or amorphous silicon can be used for the second interface layer 35. Furthermore, as shown in FIG. 3, the second interface layer 35 preferably has a structure in which a substantially intrinsic crystalline silicon layer and a substantially intrinsic amorphous silicon layer are laminated. In particular, a layer in which a substantially intrinsic amorphous silicon layer 352 and a substantially intrinsic crystalline silicon layer 351 are arranged in this order from the side closer to the n-type semiconductor layer 34 is preferable. This is considered to be due to the function of reducing the defect density at the bonding interface and suppressing current loss due to recombination of electrons and holes. The film thickness of the substantially intrinsic crystalline silicon layer 351 in the second interface layer 35 is preferably in the range of 0.5 nm to 500 nm. In particular, the film thickness is more preferably in the range of 1 nm to 100 nm. The film thickness of the substantially intrinsic amorphous silicon layer 352 in the second interface layer 35 is preferably in the range of 0.1 nm to 100 nm. In particular, a film thickness in the range of 0.5 nm to 50 nm is more preferable.

次に、n型半導体層34は、n型不純物がドープされた、結晶質シリコン、非晶質シリコン、結晶質シリコンゲルマニウム、非晶質シリコンゲルマニウム、結晶質ゲルマニウム、非晶質ゲルマニウムのうち少なくとも一つ以上から形成されることが好ましい。これらのいずれかの層を用いることによって、結晶質ゲルマニウム光電変換層33と接合を好適に形成することができる。また、結晶質ゲルマニウム光電変換層33と同じ製膜装置を用いることができる。たとえば、リンが0.01原子%以上ドープされたドープされた微結晶シリコンを用いることができる。n型半導体層としては、結晶質シリコン層よりも非晶質シリコン層341が好ましい。これは、結晶質シリコン層に比べ非晶質シリコン層の光学的禁制帯幅が広いため、結晶質ゲルマニウム光電変換層33からn型半導体層への正孔の拡散を抑制して、正孔がn型半導体層で再結合することを防ぐ働きがあるためと考えられる。   Next, the n-type semiconductor layer 34 includes at least one of crystalline silicon, amorphous silicon, crystalline silicon germanium, amorphous silicon germanium, crystalline germanium, and amorphous germanium doped with an n-type impurity. It is preferable to form from two or more. By using any one of these layers, the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 and the junction can be suitably formed. Moreover, the same film forming apparatus as the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 can be used. For example, doped microcrystalline silicon doped with 0.01 atomic% or more of phosphorus can be used. As the n-type semiconductor layer, an amorphous silicon layer 341 is preferable to a crystalline silicon layer. This is because the optical forbidden band width of the amorphous silicon layer is wider than that of the crystalline silicon layer, so that the diffusion of holes from the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 to the n-type semiconductor layer is suppressed, This is considered to be due to the function of preventing recombination in the n-type semiconductor layer.

基板側から光を入射するタイプの光電変換装置に用いられる第二電極層としては、裏面電極層4が挙げられる。裏面電極層4は、光電変換ユニットを透過した太陽光を光電変換ユニット側に反射することにより、光電変換層における太陽光の吸収効率を高める働きがある。そのため裏面電極層4としては太陽光に対する反射率が高いことが望ましい。また光電変換ユニットで発生した電子を損失なく輸送する為に、導電性を有することが望ましい。   The back electrode layer 4 is mentioned as a 2nd electrode layer used for the photoelectric conversion apparatus of the type which injects light from a board | substrate side. The back electrode layer 4 has a function of increasing the absorption efficiency of sunlight in the photoelectric conversion layer by reflecting sunlight transmitted through the photoelectric conversion unit to the photoelectric conversion unit side. Therefore, it is desirable that the back electrode layer 4 has a high reflectance with respect to sunlight. Moreover, in order to transport the electron which generate | occur | produced in the photoelectric conversion unit without loss, it is desirable to have electroconductivity.

そのため、裏面電極層4としては、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、白金(Pt)およびクロム(Cr)から選ばれる少なくとも一つの材料からなる少なくとも一層の金属層をスパッタ法または蒸着法により形成することが好ましい。また、光電変換ユニットと金属層との間に、ITO、SnO2、ZnO等の導電性酸化物からなる層を形成しても構わない(図示せず)。 Therefore, as the back electrode layer 4, at least one layer made of at least one material selected from aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), platinum (Pt) and chromium (Cr). The metal layer is preferably formed by sputtering or vapor deposition. Between the photoelectric conversion unit and the metal layer, ITO, may be formed a layer made of SnO 2, conductive oxides such as ZnO (not shown).

図2は、本発明の他の実施形態による3接合の薄膜光電変換装置を概略的に示す断面図である。この薄膜光電変換装置は図1の単接合の薄膜光電変換装置の透明電極層2と結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3の間に、非晶質シリコン光電変換ユニット5および結晶質シリコン光電変換ユニット6を順次配置した構造になっている。すなわち、光入射側から順に非晶質シリコン光電変換ユニットがトップセル、結晶質シリコン光電変換ユニットがミドルセル、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットがボトムセルに相当する。この構成の場合、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットがボトムセルの製膜温度が250℃よりも低い場合は、非晶質シリコン光電変換ユニットがトップセル、結晶質シリコン光電変換ユニットがミドルセルに加熱による性能低下をおこすことが無く、結果として、3接合の薄膜光電変換装置の性能を向上させることが可能となる。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a three-junction thin film photoelectric conversion device according to another embodiment of the present invention. This thin film photoelectric conversion device includes an amorphous silicon photoelectric conversion unit 5 and a crystalline silicon photoelectric conversion unit 6 between the transparent electrode layer 2 and the crystalline germanium photoelectric conversion unit 3 of the single junction thin film photoelectric conversion device of FIG. The structure is arranged sequentially. That is, in order from the light incident side, the amorphous silicon photoelectric conversion unit corresponds to the top cell, the crystalline silicon photoelectric conversion unit corresponds to the middle cell, and the crystalline germanium photoelectric conversion unit corresponds to the bottom cell. In this configuration, when the crystalline germanium photoelectric conversion unit has a bottom cell deposition temperature lower than 250 ° C, the amorphous silicon photoelectric conversion unit is the top cell and the crystalline silicon photoelectric conversion unit is heated to the middle cell. As a result, the performance of the three-junction thin film photoelectric conversion device can be improved.

基板1、透明電極層2、ボトムセルである結晶質ゲルマニム光電変換ユニット3、裏面電極層は図1の場合と同様の構成、製造方法で形成することができる。ただし、結晶質ゲルマニウム光電変換層33の膜厚は、トップセル5、ミドルセル6の分光感度電流とほぼ一致するように、適宜調整している。   The substrate 1, the transparent electrode layer 2, the crystalline germanium photoelectric conversion unit 3 as the bottom cell, and the back electrode layer can be formed by the same configuration and manufacturing method as in FIG. However, the film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is appropriately adjusted so as to substantially match the spectral sensitivity currents of the top cell 5 and the middle cell 6.

トップセルである非晶質シリコン光電変換ユニット5は、たとえばp型半導体層、i型層、およびn型半導体層の順に積層して形成される。具体的には、ボロンが0.01原子%以上ドープされたp型非晶質シリコンカーバイド層51、実質的にi型の非晶質シリコンの光電変換層52、およびリンが0.01原子%以上ドープされたn型非晶質シリコン層53がこの順に堆積される。   The amorphous silicon photoelectric conversion unit 5 that is a top cell is formed by stacking, for example, a p-type semiconductor layer, an i-type layer, and an n-type semiconductor layer in this order. Specifically, p-type amorphous silicon carbide layer 51 doped with 0.01 atomic% or more of boron, photoelectric conversion layer 52 of substantially i-type amorphous silicon, and 0.01 atomic% of phosphorus. The n-type amorphous silicon layer 53 thus doped is deposited in this order.

ミドルセルである結晶質シリコン光電変換ユニット6は、たとえばp型半導体層、i型層、およびn型半導体層の順に積層して形成される。具体的には、ボロンが0.01原子%以上ドープされたp型微結晶シリコン層61、実質的にi型の結晶質シリコン光電変換層62、およびリンが0.01原子%以上ドープされたn型微結晶シリコン層63がこの順に堆積される。   The crystalline silicon photoelectric conversion unit 6 that is a middle cell is formed by stacking, for example, a p-type semiconductor layer, an i-type layer, and an n-type semiconductor layer in this order. Specifically, p-type microcrystalline silicon layer 61 doped with boron at 0.01 atomic% or more, substantially i-type crystalline silicon photoelectric conversion layer 62, and phosphorus doped at 0.01 atomic% or more. An n-type microcrystalline silicon layer 63 is deposited in this order.

なお、図2では3接合の薄膜光電変換装置を示したが、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットを光入射側から最も遠い光電変換ユニットに配置すれば、2接合あるいは4接合以上の光電変換ユニットが積層された薄膜光電変換装置であってもよいことは言うまでもない。   In FIG. 2, a three-junction thin film photoelectric conversion device is shown. However, if a crystalline germanium photoelectric conversion unit is arranged in the photoelectric conversion unit farthest from the light incident side, two or more junction photoelectric conversion units are stacked. Needless to say, the thin film photoelectric conversion device may be used.

また、図1では基板側から光を入射する薄膜光電変換装置を示したが、基板と反対側から光を入射する薄膜光電変換装置においても、本発明が有効であることは言うまでもない。基板と反対側から光を入射する場合、例えば、基板、裏面電極層、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット、透明電極層の順に積層すればよい。この場合、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットは、n型半導体層、結晶質ゲルマニウム光電変換層、p型半導体層の順に積層することが好ましい。また、基板と反対側から光を入射する薄膜光電変換装置において、第一電極層は裏面電極層であり、第二電極層は透明電極層となる。   Although FIG. 1 shows a thin film photoelectric conversion device in which light is incident from the substrate side, it goes without saying that the present invention is also effective in a thin film photoelectric conversion device in which light is incident from the opposite side of the substrate. When light is incident from the side opposite to the substrate, for example, the substrate, the back electrode layer, the crystalline germanium photoelectric conversion unit, and the transparent electrode layer may be stacked in this order. In this case, the crystalline germanium photoelectric conversion unit is preferably stacked in the order of the n-type semiconductor layer, the crystalline germanium photoelectric conversion layer, and the p-type semiconductor layer. In the thin film photoelectric conversion device in which light is incident from the side opposite to the substrate, the first electrode layer is a back electrode layer, and the second electrode layer is a transparent electrode layer.

本発明はレーザーパターニングを用いて同一の基板上に直列接続構造を形成した集積型薄膜光電変換装置においても有効であることは言うまでもない。集積型薄膜光電変換装置の場合、レーザーパターニングが容易にできるので図1に示すように基板側から光入射する構造が望ましい。   Needless to say, the present invention is also effective in an integrated thin film photoelectric conversion device in which a series connection structure is formed on the same substrate using laser patterning. In the case of an integrated thin film photoelectric conversion device, laser patterning can be easily performed. Therefore, a structure in which light is incident from the substrate side as shown in FIG. 1 is desirable.

また、集積する場合、基板側から光を入射する構造とすることにともなって、p型層、光電変換層、n型層の順に配置することが好ましい。これは薄膜光電変換装置において、正孔の移動度が電子に比べて短いために、p型層を光入射側に配置したほうが変換効率が高くなるためである。   Further, in the case of integration, it is preferable to arrange the p-type layer, the photoelectric conversion layer, and the n-type layer in order in accordance with the structure in which light is incident from the substrate side. This is because in a thin film photoelectric conversion device, since the mobility of holes is shorter than that of electrons, the conversion efficiency is higher when the p-type layer is arranged on the light incident side.

以下、本発明による実施例と、従来技術による比較例に基づいて詳細に説明する。各図において同様の部材には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。また、本発明はその趣旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, examples according to the present invention and comparative examples according to the prior art will be described in detail. In the drawings, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Moreover, this invention is not limited to a following example, unless the meaning is exceeded.

(実施例1)
実施例1として、図3に示す構造の単接合の薄膜光電変換装置7を作製した。実施例1では、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に導入した。透明基板1は、厚さ1.8mmのガラス基板を用いた。透明基板1の上に、第一電極層である透明電極層2を形成した。透明電極層2は微小なピラミッド状の表面凹凸を含みかつ平均厚さ700nmのSnO2膜が透明基板1の上に熱CVD法にて形成された。さらにスパッタ法でAlドープされたZnO膜を20nm形成し、SnO2とZnOが積層した透明電極層2を作製した。得られた透明電極層2のシート抵抗は約9Ω/□であった。またC光源で測定したヘイズ率は14%であり、表面凹凸の平均高低差dは約100nmであった。ヘイズ率はJISK7136に基づき測定した。
Example 1
As Example 1, a single-junction thin-film photoelectric conversion device 7 having the structure shown in FIG. In Example 1, the step of exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma was introduced immediately before the step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion layer. As the transparent substrate 1, a glass substrate having a thickness of 1.8 mm was used. On the transparent substrate 1, the transparent electrode layer 2 as the first electrode layer was formed. The transparent electrode layer 2 was formed on the transparent substrate 1 by a thermal CVD method with a SnO 2 film having minute pyramidal surface irregularities and an average thickness of 700 nm. Further, an Al-doped ZnO film having a thickness of 20 nm was formed by sputtering to produce a transparent electrode layer 2 in which SnO 2 and ZnO were laminated. The sheet resistance of the obtained transparent electrode layer 2 was about 9Ω / □. The haze ratio measured with a C light source was 14%, and the average height difference d of the surface irregularities was about 100 nm. The haze ratio was measured based on JISK7136.

この透明電極層2の上に、13.56MHzの周波数の平行平板電極を備えた容量結合型の高周波プラズマCVD装置を用いて、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3を作製した。結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に導入した。まず、反応ガスとしてSiH4、H2及びB26を導入しp型微結晶シリコン層311を10nm形成した。その後、反応ガスとしてSiH4、H2を導入し第一界面層32として、実質的に真正な結晶質シリコン層321を20nm積層しさらに実質的に真正な非晶質シリコン層322を10nm形成した。つづいて第一界面層32を水素ガスプラズマに暴露した。このとき、CVD装置に水素ガスを導入し、基板温度230℃、圧力1330Pa、高周波パワー密度280mW/cm2で水素プラズマを10分間発生させた。その後、GeH4、H2を導入し結晶質ゲルマニウム光電変換層33を500nm形成した。このとき、H2/GeH4の流量比は2700倍とし、基板温度230℃、圧力930Pa、高周波パワー密度850mW/cm2とした。反応ガスとしてSiH4、H2を導入し第二界面層35として、結晶質シリコン層351を20nm積層しさらに非晶質シリコン層352を10nm形成した。引き続いて反応ガスとしてSiH4、H2及びPH3を導入しn型非晶質シリコン層341を10nm形成することで結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3を形成した。 A crystalline germanium photoelectric conversion unit 3 was produced on the transparent electrode layer 2 using a capacitively coupled high-frequency plasma CVD apparatus provided with parallel plate electrodes having a frequency of 13.56 MHz. A step of exposing part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma was introduced immediately before the step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion layer. First, SiH 4 , H 2 and B 2 H 6 were introduced as reaction gases to form a p-type microcrystalline silicon layer 311 with a thickness of 10 nm. Thereafter, SiH 4 and H 2 were introduced as reaction gases, and a substantially intrinsic crystalline silicon layer 321 was laminated to 20 nm as the first interface layer 32, and further a substantially intrinsic amorphous silicon layer 322 was formed to 10 nm. . Subsequently, the first interface layer 32 was exposed to hydrogen gas plasma. At this time, hydrogen gas was introduced into the CVD apparatus, and hydrogen plasma was generated for 10 minutes at a substrate temperature of 230 ° C., a pressure of 1330 Pa, and a high frequency power density of 280 mW / cm 2 . Thereafter, GeH 4 and H 2 were introduced to form a crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 having a thickness of 500 nm. At this time, the flow rate ratio of H 2 / GeH 4 was 2700 times, the substrate temperature was 230 ° C., the pressure was 930 Pa, and the high frequency power density was 850 mW / cm 2 . SiH 4 and H 2 were introduced as reaction gases, and as the second interface layer 35, a crystalline silicon layer 351 was laminated to 20 nm, and an amorphous silicon layer 352 was further formed to 10 nm. Subsequently, SiH 4 , H 2 and PH 3 were introduced as reaction gases to form an n-type amorphous silicon layer 341 with a thickness of 10 nm, thereby forming a crystalline germanium photoelectric conversion unit 3.

その後、第二電極層として裏面電極層4を形成した。裏面電極層4は、厚さ30nmのAlドープされたZnO膜と厚さ300nmのAg膜がスパッタ法にて順次形成された。   Thereafter, the back electrode layer 4 was formed as the second electrode layer. The back electrode layer 4 was formed by sputtering a 30 nm thick Al-doped ZnO film and a 300 nm thick Ag film by sputtering.

裏面電極層4形成後、レーザースクライブ法により透明電極層1の上に形成された膜を部分的に除去して、1cm2のサイズに分離を行い、単接合の薄膜光電変換装置7(受光面積1cm2)を作製した。 After the back electrode layer 4 is formed, the film formed on the transparent electrode layer 1 is partially removed by laser scribing and separated into a size of 1 cm 2 , and a single junction thin film photoelectric conversion device 7 (light receiving area) 1 cm 2 ) was produced.

以上のようにして得られた単接合の薄膜光電変換装置7(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、表1の実施例1に示すように、開放電圧(Voc)が0.28V、短絡電流密度(Jsc)が23.0mA/cm2、曲線因子(FF)0.59、そして変換効率(Eff)が3.73%であった。また、波長1000nmにおける量子効率は26%であった。 When the output characteristics were measured by irradiating the single-junction thin-film photoelectric conversion device 7 (light-receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above with light of AM 1.5 at a light amount of 100 mW / cm 2 , the implementation shown in Table 1 was performed. As shown in Example 1, the open circuit voltage (Voc) is 0.28 V, the short circuit current density (Jsc) is 23.0 mA / cm 2 , the fill factor (FF) is 0.59, and the conversion efficiency (Eff) is 3.73. %Met. The quantum efficiency at a wavelength of 1000 nm was 26%.

(実施例2)
実施例2として、図3に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置8を作製した。実施例2は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の間に導入した。結晶質ゲルマニウム光電変換層を膜厚5nm積層後、実施例1と同様の水素ガスプラズマに暴露する工程を施し、その後結晶質ゲルマニウム光電変換層を膜厚490nm積層したことを除いて、実施例1と同様に作製した。実施例1にて行った結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に水素ガスプラズマに暴露する工程は行わなかった。
(Example 2)
As Example 2, a single-junction thin film photoelectric conversion device 8 similar to Example 1 shown in FIG. In Example 2, a step of exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma was introduced during the stacking step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer. Example 1 except that the crystalline germanium photoelectric conversion layer was deposited to a thickness of 5 nm and then subjected to the same step of exposure to hydrogen gas plasma as in Example 1, and then the crystalline germanium photoelectric conversion layer was deposited to a thickness of 490 nm. It produced similarly. The step of exposing to hydrogen gas plasma was not performed immediately before the laminating step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer performed in Example 1.

以上のようにして得られた単接合の薄膜光電変換装置8(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、表1の実施例2に示すように、開放電圧(Voc)が0.31V、短絡電流密度(Jsc)が29.4mA/cm2、曲線因子(FF)が0.60、そして変換効率(Eff)が5.47%であった。また、波長1000nmにおける量子効率は32%であった。 When the single junction thin film photoelectric conversion device 8 (light receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above was irradiated with AM1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 , the output characteristics were measured. As shown in Example 2, the open circuit voltage (Voc) is 0.31 V, the short circuit current density (Jsc) is 29.4 mA / cm 2 , the fill factor (FF) is 0.60, and the conversion efficiency (Eff) is 5. It was 47%. The quantum efficiency at a wavelength of 1000 nm was 32%.

(実施例3)
実施例3として、図3に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置9を作製した。実施例3は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の間に導入した。結晶質ゲルマニウム光電変換層を膜厚40nm積層後、実施例1と同様の水素ガスプラズマに暴露する工程を施し、その後結晶質ゲルマニウム光電変換層を膜厚460nm積層したことを除いて、実施例1と同様に作製した。実施例1にて行った結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に水素ガスプラズマに暴露する工程は行わなかった。
(Example 3)
As Example 3, a single-junction thin film photoelectric conversion device 9 similar to Example 1 shown in FIG. In Example 3, a step of exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma was introduced during the stacking step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer. Example 1 Except that the crystalline germanium photoelectric conversion layer was laminated to a thickness of 40 nm and then subjected to the same step of exposure to hydrogen gas plasma as in Example 1, and then the crystalline germanium photoelectric conversion layer was laminated to a thickness of 460 nm. It produced similarly. The step of exposing to hydrogen gas plasma was not performed immediately before the laminating step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer performed in Example 1.

以上のようにして得られた単接合の薄膜光電変換装置9(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、表1の実施例3に示すように、開放電圧(Voc)が0.32V、短絡電流密度(Jsc)が33.8mA/cm2、曲線因子(FF)が0.61、そして変換効率(Eff)が6.66%であった。また、波長1000nmにおける量子効率は37%であった。 When the output characteristics were measured by irradiating the single junction thin film photoelectric conversion device 9 (light-receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above with AM 1.5 light at a light quantity of 100 mW / cm 2 , the implementation shown in Table 1 was performed. As shown in Example 3, the open circuit voltage (Voc) is 0.32 V, the short circuit current density (Jsc) is 33.8 mA / cm 2 , the fill factor (FF) is 0.61, and the conversion efficiency (Eff) is 6. 66%. The quantum efficiency at a wavelength of 1000 nm was 37%.

(実施例4)
実施例4として、図3に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置10を作製した。実施例4は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の間に導入した。結晶質ゲルマニウム光電変換層を膜厚100nm積層後、実施例1と同様の水素ガスプラズマに暴露する工程を施し、その後結晶質ゲルマニウム光電変換層を膜厚400nm積層したことを除いて、実施例1と同様に作製した。実施例1にて行った結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に水素ガスプラズマに暴露する工程は行わなかった。
Example 4
As Example 4, a single-junction thin film photoelectric conversion device 10 similar to Example 1 shown in FIG. In Example 4, a step of exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma was introduced during the stacking step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer. Example 1 except that the crystalline germanium photoelectric conversion layer was deposited to a thickness of 100 nm and then subjected to the same step of exposure to hydrogen gas plasma as in Example 1, and then the crystalline germanium photoelectric conversion layer was laminated to a thickness of 400 nm. It produced similarly. The step of exposing to hydrogen gas plasma was not performed immediately before the laminating step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer performed in Example 1.

以上のようにして得られた単接合の薄膜光電変換装置10(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、表1の実施例4に示すように、開放電圧(Voc)が0.30V、短絡電流密度(Jsc)が27.1mA/cm2、曲線因子(FF)が0.59、そして変換効率(Eff)が4.80%であった。また、波長1000nmにおける量子効率は26%であった。 When the output characteristics were measured by irradiating the single-junction thin-film photoelectric conversion device 10 (light-receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 , the implementation shown in Table 1 was performed. As shown in Example 4, the open circuit voltage (Voc) is 0.30 V, the short circuit current density (Jsc) is 27.1 mA / cm 2 , the fill factor (FF) is 0.59, and the conversion efficiency (Eff) is 4. 80%. The quantum efficiency at a wavelength of 1000 nm was 26%.

(実施例5)
実施例5として、図3に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置11を作製した。実施例5は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直後に導入した。結晶質ゲルマニウム光電変換層を膜厚500nm積層後、実施例1と同様の水素ガスプラズマに暴露する工程を施したことを除いて、実施例1と同様に作製した。実施例1にて行った結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に水素ガスプラズマに暴露する工程は行わなかった。
(Example 5)
As Example 5, a single-junction thin film photoelectric conversion device 11 similar to Example 1 shown in FIG. In Example 5, a step of exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma was introduced immediately after the laminating step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer. A crystalline germanium photoelectric conversion layer was produced in the same manner as in Example 1 except that a step of exposing to a hydrogen gas plasma similar to that in Example 1 was performed after laminating 500 nm. The step of exposing to hydrogen gas plasma was not performed immediately before the laminating step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer performed in Example 1.

以上のようにして得られた単接合の薄膜光電変換装置11(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、表1の実施例5に示すように、開放電圧(Voc)が0.34V、短絡電流密度(Jsc)が26.6mA/cm2、曲線因子(FF)が0.64、そして変換効率(Eff)が5.84%であった。また、波長1000nmにおける量子効率は27%であった。 When the output characteristics were measured by irradiating the single junction thin film photoelectric conversion device 11 (light receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above with AM 1.5 light at a light quantity of 100 mW / cm 2 , the implementation shown in Table 1 was performed. As shown in Example 5, the open circuit voltage (Voc) is 0.34 V, the short circuit current density (Jsc) is 26.6 mA / cm 2 , the fill factor (FF) is 0.64, and the conversion efficiency (Eff) is 5. It was 84%. The quantum efficiency at a wavelength of 1000 nm was 27%.

(実施例6)
実施例6として、図3に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置12を作製した。実施例6は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の間に4回導入した。結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜厚が40nm、100nm、200nm、400nmのときに実施例1と同様の水素ガスプラズマに暴露する工程を施したことを除いて、実施例1と同様に作製した。実施例1にて行った結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に水素ガスプラズマに暴露する工程は行わなかった。
(Example 6)
As Example 6, a single-junction thin-film photoelectric conversion device 12 similar to Example 1 shown in FIG. In Example 6, the step of exposing part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma was introduced four times during the step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion layer. A crystalline germanium photoelectric conversion layer was produced in the same manner as in Example 1 except that the step of exposing to hydrogen gas plasma was performed in the same manner as in Example 1 when the film thickness was 40 nm, 100 nm, 200 nm, and 400 nm. The step of exposing to hydrogen gas plasma was not performed immediately before the laminating step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer performed in Example 1.

以上のようにして得られた単接合の薄膜光電変換装置12(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、表1の実施例6に示すように、開放電圧(Voc)が0.26V、短絡電流密度(Jsc)が24.9mA/cm2、曲線因子(FF)が0.55、そして変換効率(Eff)が3.55%であった。また、波長1000nmにおける量子効率は28%であった。 When the output characteristics were measured by irradiating AM1.5 light with a light amount of 100 mW / cm 2 to the single-junction thin-film photoelectric conversion device 12 (light-receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above, the results shown in Table 1 were obtained. As shown in Example 6, the open circuit voltage (Voc) is 0.26 V, the short circuit current density (Jsc) is 24.9 mA / cm 2 , the fill factor (FF) is 0.55, and the conversion efficiency (Eff) is 3. 55%. The quantum efficiency at a wavelength of 1000 nm was 28%.

(比較例1)
比較例1として、図3に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置13を作製した。比較例1は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を施さなかったことを除いて、実施例1と同様に作製した。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a single-junction thin-film photoelectric conversion device 13 similar to Example 1 shown in FIG. Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the step of exposing part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma was not performed.

以上のようにして得られた単接合の薄膜光電変換装置13(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、表1の比較例1に示すように、開放電圧(Voc)が0.30V、短絡電流密度(Jsc)が19.6mA/cm2、曲線因子(FF)が0.60、そして変換効率(Eff)が3.53%であった。また、波長1000nmにおける量子効率は15%であった。 When a single junction thin film photoelectric conversion device 13 (light-receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above was irradiated with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 , the output characteristics were measured. As shown in Example 1, the open circuit voltage (Voc) is 0.30 V, the short circuit current density (Jsc) is 19.6 mA / cm 2 , the fill factor (FF) is 0.60, and the conversion efficiency (Eff) is 3. 53%. The quantum efficiency at a wavelength of 1000 nm was 15%.

(実施例7)
実施例7として、図3に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置14を作製した。実施例7は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を第二界面層の積層工程直後に導入したことを除いて、実施例1と同様に作製した。実施例1にて行った結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に水素ガスプラズマに暴露する工程は行わなかった。
(Example 7)
As Example 7, a single-junction thin-film photoelectric conversion device 14 similar to Example 1 shown in FIG. Example 7 was produced in the same manner as Example 1 except that a step of exposing part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma was introduced immediately after the step of laminating the second interface layer. The step of exposing to hydrogen gas plasma was not performed immediately before the laminating step of the crystalline germanium photoelectric conversion layer performed in Example 1.

以上のようにして得られた単接合の薄膜光電変換装置14(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、表1の実施例7に示すように、開放電圧(Voc)が0.30V、短絡電流密度(Jsc)が25.8mA/cm2、曲線因子(FF)が0.66、そして変換効率(Eff)が5.19%であった。また、波長1000nmにおける量子効率は25%であった。 The single junction thin film photoelectric conversion device 14 (light-receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above was irradiated with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 , and the output characteristics were measured. As shown in Example 7, the open circuit voltage (Voc) is 0.30 V, the short circuit current density (Jsc) is 25.8 mA / cm 2 , the fill factor (FF) is 0.66, and the conversion efficiency (Eff) is 5. 19%. The quantum efficiency at a wavelength of 1000 nm was 25%.

(実施例8)
実施例8として、図4に示す3接合の薄膜光電変換装置15を作製した。実施例8は、(1)実施例3の透明電極層2と結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3の間に非晶質シリコン光電変換ユニット5と結晶質シリコン光電変換ユニット6を順次配置したこと、(2)結晶質ゲルマニウム光電変換層33の膜厚を1μmとしたこと、(3)透明電極層2をSnO2だけから構成したこと、(4)水素ガスプラズマに暴露する工程は、結晶質ゲルマニウム光電変換層を膜厚40nm積層後、実施例1と同様の水素ガスプラズマに暴露する工程を施し、その後結晶質ゲルマニウム光電変換層を膜厚960nm積層したことの4点を除いて、実施例3と同様に作製した。
(Example 8)
As Example 8, a three-junction thin film photoelectric conversion device 15 shown in FIG. In Example 8, (1) an amorphous silicon photoelectric conversion unit 5 and a crystalline silicon photoelectric conversion unit 6 were sequentially disposed between the transparent electrode layer 2 and the crystalline germanium photoelectric conversion unit 3 of Example 3, ( 2) The film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer 33 is 1 μm, (3) the transparent electrode layer 2 is made of only SnO 2 , and (4) the step of exposing to hydrogen gas plasma is performed by crystalline germanium photoelectric After the conversion layer is deposited to a thickness of 40 nm, the same step as that of Example 1 is performed to expose to hydrogen gas plasma, and then the crystalline germanium photoelectric conversion layer is deposited to a thickness of 960 nm, except for the four points. It produced similarly.

透明基板1の上に透明電極層2としてSnO2だけを形成した。 Only SnO 2 was formed as the transparent electrode layer 2 on the transparent substrate 1.

透明電極層2の上に、プラズマCVD装置を用いて、非晶質シリコン光電変換ユニット5を作製した。反応ガスとしてSiH4、H2、CH4及びB26を導入しp型非晶質シリコンカーバイド層51を15nm形成後、反応ガスとしてSiH4を導入し実質的に真性な非晶質シリコン光電変換層52を80nm形成し、その後反応ガスとしてSiH4、H2及びPH3を導入しn型非晶質シリコン層53を10nm形成することで非晶質シリコン光電変換ユニット5を形成した。 An amorphous silicon photoelectric conversion unit 5 was produced on the transparent electrode layer 2 using a plasma CVD apparatus. SiH 4 , H 2 , CH 4 and B 2 H 6 are introduced as a reaction gas to form a p-type amorphous silicon carbide layer 51 having a thickness of 15 nm, and SiH 4 is introduced as a reaction gas to form substantially intrinsic amorphous silicon. The amorphous silicon photoelectric conversion unit 5 was formed by forming the photoelectric conversion layer 52 with a thickness of 80 nm, and then introducing SiH 4 , H 2, and PH 3 as reaction gases to form the n-type amorphous silicon layer 53 with a thickness of 10 nm.

非晶質シリコン光電変換ユニット5形成後、反応ガスとしてSiH4、H2及びB26を導入しp型微結晶シリコン層61を10nm形成後、反応ガスとしてSiH4とH2を導入し実質的に真性な結晶質シリコン光電変換層62を1.5μm形成し、その後反応ガスとしてSiH4、H2及びPH3を導入しn型微結晶シリコン層63を15nm形成することで結晶質シリコン光電変換ユニット6を形成した。 After the amorphous silicon photoelectric conversion unit 5 is formed, SiH 4 , H 2 and B 2 H 6 are introduced as reaction gases to form a p-type microcrystalline silicon layer 61 having a thickness of 10 nm, and then SiH 4 and H 2 are introduced as reaction gases. A substantially intrinsic crystalline silicon photoelectric conversion layer 62 is formed to a thickness of 1.5 μm, and then SiH 4 , H 2 and PH 3 are introduced as reaction gases to form an n-type microcrystalline silicon layer 63 having a thickness of 15 nm. A photoelectric conversion unit 6 was formed.

結晶質シリコン光電変換ユニット6形成後、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3、裏面電極層4を順次形成した。   After the crystalline silicon photoelectric conversion unit 6 was formed, the crystalline germanium photoelectric conversion unit 3 and the back electrode layer 4 were sequentially formed.

以上のようにして得られた3接合の薄膜光電変換装置15(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が1.68V、短絡電流密度(Jsc)が11.2mA/cm2、曲線因子(FF)が0.75、そして変換効率(Eff)が14.1%であった。 When the output characteristics were measured by irradiating the 3-junction thin-film photoelectric conversion device 15 (light-receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above with AM1.5 light at a light quantity of 100 mW / cm 2 , the open circuit voltage (Voc) was measured. ) Was 1.68 V, the short circuit current density (Jsc) was 11.2 mA / cm 2 , the fill factor (FF) was 0.75, and the conversion efficiency (Eff) was 14.1%.

(比較例2)
比較例2として、図4に示す3接合の薄膜光電変換装置16を作製した。比較例2は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3を比較例1と同様に作製したことを除いては、実施例8と同様に作製した。
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, a three-junction thin film photoelectric conversion device 16 shown in FIG. Comparative Example 2 was produced in the same manner as Example 8 except that crystalline germanium photoelectric conversion unit 3 was produced in the same manner as Comparative Example 1.

以上のようにして得られた3接合の薄膜光電変換装置16(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が1.65V、短絡電流密度(Jsc)が7.2mA/cm2、曲線因子(FF)が0.73、そして変換効率(Eff)が8.67%であった。 When the output characteristics were measured by irradiating the three-junction thin-film photoelectric conversion device 16 (light-receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 , the open circuit voltage (Voc) was measured. ) Was 1.65 V, the short circuit current density (Jsc) was 7.2 mA / cm 2 , the fill factor (FF) was 0.73, and the conversion efficiency (Eff) was 8.67%.

(比較例3)
比較例3として、図5に示す2接合の薄膜光電変換装置17を作製した。比較例3は、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3を取り除いた以外は、実施例4と同様に作製した。
(Comparative Example 3)
As Comparative Example 3, a two-junction thin film photoelectric conversion device 17 shown in FIG. Comparative Example 3 was produced in the same manner as Example 4 except that the crystalline germanium photoelectric conversion unit 3 was removed.

以上のようにして得られた2接合の薄膜光電変換装置17(受光面積1cm2)にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、開放電圧(Voc)が1.38V、短絡電流密度(Jsc)が11.5mA/cm2、曲線因子(FF)が0.72、そして変換効率(Eff)が11.4%であった。 When the output characteristics were measured by irradiating AM1.5 light with a light amount of 100 mW / cm 2 to the two-junction thin film photoelectric conversion device 17 (light receiving area 1 cm 2 ) obtained as described above, the open circuit voltage (Voc) was measured. ) Was 1.38 V, the short circuit current density (Jsc) was 11.5 mA / cm 2 , the fill factor (FF) was 0.72, and the conversion efficiency (Eff) was 11.4%.

(実施例9)
実施例9として、図6に示す半導体積層膜18を作製した。実施例9は、実施例3に示す積層工程のうち結晶質ゲルマニウム光電変換層を50nmまで積層したところまで行い、その後CVD装置から取り出しラマン分光測定を行った。波長633nmのHe−Neレーザーを搭載したラマン分光装置(日本分光社製)により、膜面から光を入射させラマン光の測定を行った。得られたラマンスペクトル(図7)には、300cm-1付近の結晶質ゲルマニウム由来のピークと280cm-1付近の非晶質ゲルマニウム由来のピークが観測され、それぞれのピークを分離し、結晶質ゲルマニウムのピーク面積から結晶体積分率を求めた。結果、結晶体積分率は5.4%と見積もられた。
Example 9
As Example 9, the semiconductor laminated film 18 shown in FIG. In Example 9, the crystalline germanium photoelectric conversion layer was stacked up to 50 nm in the stacking step shown in Example 3, and then taken out from the CVD apparatus and subjected to Raman spectroscopic measurement. A Raman spectrometer (manufactured by JASCO Corporation) equipped with a He—Ne laser having a wavelength of 633 nm was used to measure the Raman light by making light incident from the film surface. In the obtained Raman spectrum (FIG. 7), a peak derived from crystalline germanium near 300 cm −1 and a peak derived from amorphous germanium near 280 cm −1 were observed. The crystal volume fraction was determined from the peak area. As a result, the crystal volume fraction was estimated to be 5.4%.

(比較例4)
比較例4として、図6に示す半導体積層膜19を作製した。比較例4は、比較例1に示す積層工程のうち結晶質ゲルマニウム光電変換層を50nmまで積層したところまで行い、水素ガスプラズマに暴露する工程を行うことなくCVD装置から取り出し、ラマン分光測定を行った。波長633nmのHe−Neレーザーを搭載したラマン分光装置(日本分光社製)により、膜面から光を入射させラマン光の測定を行った。得られたラマンスペクトル(図7)には、300cm-1付近の結晶質ゲルマニウム由来のピークと280cm-1付近の非晶質ゲルマニウム由来のピークが観測され、それぞれのピークを分離し、結晶質ゲルマニウムのピーク面積から結晶体積分率を求めた。結果、結晶体積分率は1.8%と見積もられた。
(Comparative Example 4)
As Comparative Example 4, a semiconductor laminated film 19 shown in FIG. Comparative Example 4 is performed up to the point where the crystalline germanium photoelectric conversion layer is laminated to 50 nm among the lamination steps shown in Comparative Example 1, and is taken out of the CVD apparatus without performing the step of exposing to hydrogen gas plasma, and the Raman spectroscopic measurement is performed. It was. A Raman spectrometer (manufactured by JASCO Corporation) equipped with a He—Ne laser having a wavelength of 633 nm was used to measure the Raman light by making light incident from the film surface. In the obtained Raman spectrum (FIG. 7), a peak derived from crystalline germanium near 300 cm −1 and a peak derived from amorphous germanium near 280 cm −1 were observed. The crystal volume fraction was determined from the peak area. As a result, the crystal volume fraction was estimated to be 1.8%.

図7に水素ガスプラズマに暴露する工程を行ったもの(実施例9)と水素ガスプラズマに暴露する工程を行わなかったもの(比較例4)についてのラマンスペクトルを示す。図7から明らかであるように結晶質ゲルマニウム光電変換層を水素ガスに暴露することにより、結晶質ゲルマニウムに由来する300cm−1付近のピークが大きくなっている。これは、水素ガスプラズマに暴露する工程が結晶質ゲルマニウム光電変換層の結晶性向上に効果があることを示している。   FIG. 7 shows the Raman spectrum of the sample subjected to the exposure to hydrogen gas plasma (Example 9) and the sample not subjected to the exposure to hydrogen gas plasma (Comparative Example 4). As is clear from FIG. 7, when the crystalline germanium photoelectric conversion layer is exposed to hydrogen gas, the peak near 300 cm −1 derived from crystalline germanium is increased. This indicates that the step of exposing to hydrogen gas plasma is effective in improving the crystallinity of the crystalline germanium photoelectric conversion layer.

1. 透明基板
2. 透明電極層
3. 結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット
31. P型半導体層
311.P型微結晶シリコン層
32. 第一界面層
321.実質的に真正な結晶質シリコン層
322.実質的に真正な非晶質シリコン層
33. 結晶質ゲルマニウム光電変換層
34. n型半導体層
341.n型非晶質シリコン層
35. 第二界面層
351.実質的に真性な結晶質シリコン層
352.実質的に真性な非晶質シリコン層
4. 裏面電極層
5. 非晶質シリコン光電変換ユニット
51. p型非晶質シリコンカーバイド層
52. 実質的にi型の非晶質シリコンの光電変換層
53. n型非晶質シリコン層
6. 結晶質シリコン光電変換ユニット
61. p型微結晶シリコン層
62. 実質的にi型の結晶質シリコン光電変換層
63. n型微結晶シリコン層
7. 実施例1に記載の単接合薄膜光電変換装置
8. 実施例2に記載の単接合薄膜光電変換装置
9. 実施例3に記載の単接合薄膜光電変換装置
10. 実施例4に記載の単接合薄膜光電変換装置
11. 実施例5に記載の単接合薄膜光電変換装置
12. 実施例6に記載の単接合薄膜光電変換装置
13. 比較例1に記載の単接合薄膜光電変換装置
14. 実施例7に記載の単接合薄膜光電変換装置
15. 実施例8に記載の3接合薄膜光電変換装置
16. 比較例2に記載の3接合薄膜光電変換装置
17. 比較例3に記載の2接合薄膜光電変換装置
18. 実施例9に記載の半導体積層膜
19. 比較例4に記載の半導体積層膜
1. Transparent substrate 2. Transparent electrode layer Crystalline germanium photoelectric conversion unit 31. P-type semiconductor layer 311. P-type microcrystalline silicon layer 32. First interface layer 321. A substantially authentic crystalline silicon layer 322. Substantially intrinsic amorphous silicon layer 33. Crystalline germanium photoelectric conversion layer 34. n-type semiconductor layer 341. n-type amorphous silicon layer 35. Second interface layer 351. A substantially intrinsic crystalline silicon layer 352. 3. A substantially intrinsic amorphous silicon layer 4. Back electrode layer Amorphous silicon photoelectric conversion unit 51. p-type amorphous silicon carbide layer 52. Substantially i-type amorphous silicon photoelectric conversion layer 53. n-type amorphous silicon layer 6. Crystalline silicon photoelectric conversion unit 61. p-type microcrystalline silicon layer 62. Substantially i-type crystalline silicon photoelectric conversion layer 63. 6. n-type microcrystalline silicon layer 7. Single-junction thin-film photoelectric conversion device described in Example 1. 8. Single-junction thin film photoelectric conversion device described in Example 2 9. Single-junction thin-film photoelectric conversion device described in Example 3 10. Single-junction thin film photoelectric conversion device described in Example 4 11. Single-junction thin-film photoelectric conversion device described in Example 5 12. Single-junction thin-film photoelectric conversion device described in Example 6. 15. Single-junction thin film photoelectric conversion device described in Comparative Example 1. 15. Single-junction thin-film photoelectric conversion device described in Example 7. 15. Three-junction thin film photoelectric conversion device described in Example 8 16. Three-junction thin film photoelectric conversion device described in Comparative Example 2 18. Two-junction thin film photoelectric conversion device described in Comparative Example 3. 18. Semiconductor laminated film described in Example 9. Semiconductor laminated film according to Comparative Example 4

Claims (6)

基板上に、第一電極層、p型半導体層とn型半導体層の間に光電変換層を備えた一つ以上の光電変換ユニット、第二電極層を順次配置した薄膜光電変換装置の製造方法であって、少なくとも一つの光電変換ユニットは光電変換層がシリコン原子を含まない実質的に真性または弱n型の結晶質ゲルマニウム半導体からなる結晶質ゲルマニウム光電変換層である結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットであって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの積層工程中に結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を含むことを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。   A method of manufacturing a thin film photoelectric conversion device in which a first electrode layer, one or more photoelectric conversion units each including a photoelectric conversion layer between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and a second electrode layer are sequentially disposed on a substrate. The at least one photoelectric conversion unit is a crystalline germanium photoelectric conversion unit in which the photoelectric conversion layer is a crystalline germanium photoelectric conversion layer made of a substantially intrinsic or weak n-type crystalline germanium semiconductor that does not contain silicon atoms. A method for producing a thin film photoelectric conversion device, comprising: exposing a part of the crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma in the step of laminating the crystalline germanium photoelectric conversion unit. 請求項1に記載の薄膜光電変換装置の製造方法であって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の間あるいは結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直後に結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程を行うことを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a thin film photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the crystalline germanium photoelectric conversion unit is formed during the crystalline germanium photoelectric conversion layer stacking step or immediately after the crystalline germanium photoelectric conversion layer stacking step. A method of manufacturing a thin film photoelectric conversion device, comprising exposing a part to hydrogen gas plasma. 請求項1乃至2に記載の薄膜光電変換装置の製造方法であって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程が結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の間に導入され、かつ水素ガスプラズマに暴露する工程を行うときの結晶質ゲルマニウム光電変換層の膜厚が1nm以上50nm以下であることを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。   It is a manufacturing method of the thin film photoelectric conversion device of Claim 1 thru | or 2, Comprising: The process of exposing a part of said crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma is between the lamination processes of a crystalline germanium photoelectric conversion layer. A method for producing a thin film photoelectric conversion device, wherein the film thickness of the crystalline germanium photoelectric conversion layer when introduced and exposed to hydrogen gas plasma is 1 nm or more and 50 nm or less. 請求項1乃至3に記載の薄膜光電変換装置の製造方法であって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットの一部を水素ガスプラズマに暴露する工程が結晶質ゲルマニウム光電変換層の積層工程の直前に行われることを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。   It is a manufacturing method of the thin film photoelectric conversion device of Claim 1 thru | or 3, Comprising: The process of exposing a part of said crystalline germanium photoelectric conversion unit to hydrogen gas plasma immediately before the lamination | stacking process of a crystalline germanium photoelectric conversion layer A method for producing a thin film photoelectric conversion device, which is performed. 請求項1乃至4に記載の薄膜光電変換装置の製造方法であって、基板温度が120℃以上250℃以下の範囲内で前記結晶質ゲルマニウム光電変換層をプラズマCVD法により形成する工程を備えることを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。 5. The method for manufacturing a thin film photoelectric conversion device according to claim 1, comprising a step of forming the crystalline germanium photoelectric conversion layer by a plasma CVD method within a range of a substrate temperature of 120 ° C. or more and 250 ° C. or less. A method of manufacturing a thin film photoelectric conversion device characterized by the above. 基板上に、第一電極層、p型半導体層とn型半導体層の間に光電変換層を備えた一つ以上の光電変換ユニット、第二電極層を順次配置した薄膜光電変換装置であって、少なくとも一つの光電変換ユニットは光電変換層がシリコン原子を含まない実質的に真性または弱n型の結晶質ゲルマニウム半導体からなる結晶質ゲルマニウム光電変換層である結晶質ゲルマニウム光電変換ユニットであり、かつ結晶質ゲルマニウム光電変換層の基板に近い側50nmの厚さの結晶体積分率が2%以上50%以下であることを特徴とする薄膜光電変換装置。   A thin film photoelectric conversion device in which a first electrode layer, one or more photoelectric conversion units including a photoelectric conversion layer between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and a second electrode layer are sequentially disposed on a substrate. The at least one photoelectric conversion unit is a crystalline germanium photoelectric conversion unit, wherein the photoelectric conversion layer is a crystalline germanium photoelectric conversion layer made of a substantially intrinsic or weak n-type crystalline germanium semiconductor containing no silicon atom, and A thin film photoelectric conversion device characterized in that a crystal volume fraction having a thickness of 50 nm on the side close to the substrate of the crystalline germanium photoelectric conversion layer is 2% or more and 50% or less.
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