JP2013214672A - 光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】変換効率を向上可能な光電変換素子を提供する。
【解決手段】光電変換素子10は、結晶シリコン基板1と、薄膜半導体層2と、透明導電膜3と、電極4とを備える。薄膜半導体層2は、結晶シリコン基板1の一方の表面に接して配置され、結晶シリコン基板1の導電型と反対の導電型を有する非晶質膜を含む。透明導電膜3は、薄膜半導体層2の非晶質膜に接して配置される。電極4は、透明導電膜3に形成された穴部3aを埋めるように配置される。
【選択図】図1
【解決手段】光電変換素子10は、結晶シリコン基板1と、薄膜半導体層2と、透明導電膜3と、電極4とを備える。薄膜半導体層2は、結晶シリコン基板1の一方の表面に接して配置され、結晶シリコン基板1の導電型と反対の導電型を有する非晶質膜を含む。透明導電膜3は、薄膜半導体層2の非晶質膜に接して配置される。電極4は、透明導電膜3に形成された穴部3aを埋めるように配置される。
【選択図】図1
Description
この発明は、光電変換素子に関するものである。
従来、光を電気に変換する太陽電池として特許文献1に記載の太陽電池が知られている。
この太陽電池は、n型多結晶シリコン基板と、i型非晶質シリコン層と、p型非晶質シリコン層と、透明導電膜と、集電極とを備える。
i型非晶質シリコン層は、n型多結晶シリコン基板の一主面に形成される。p型非晶質シリコン層は、i型非晶質シリコン層上にi型非晶質シリコン層に接して形成される。透明導電膜は、p型非晶質シリコン層上にp型非晶質シリコン層に接して形成される。集電極は、透明導電膜に接して形成される。
しかし、従来の太陽電池においては、光励起された正孔をp型非晶質シリコン層から透明導電膜を介して取り出しており、また、透明導電膜は、電極材料よりも抵抗が高いため、透明導電膜の抵抗によって太陽電池特性における曲線因子(FF:Fill Factor)が低下するという問題がある。
そこで、この発明は、変換効率を向上可能な光電変換素子を提供するものである。
この発明の実施の形態によれば、光電変換素子は、結晶シリコン基板と、薄膜半導体層と、透明導電膜と、電極とを備える。結晶シリコン基板は、第1の導電型を有する。薄膜半導体層は、結晶シリコン基板の一方の表面に接して配置され、第1の導電型と反対の第2の導電型を有する非晶質膜を含む。透明導電膜は、薄膜半導体層に接して配置される。電極は、透明導電膜の結晶シリコン基板と反対側の表面から透明導電膜の厚み方向に形成された穴部を埋めるように配置される。
この発明の実施の形態による光電変換素子においては、電極は、透明導電膜に形成された穴部を埋めるように配置されるので、電極と透明導電膜との接触面積は、電極が平坦な透明導電膜の表面上に配置される場合よりも大きくなるとともに、電極の直下において、キャリア(電子および正孔の少なくとも一方)が透明導電膜を通過する距離が透明導電膜の厚みよりも短くなる。その結果、キャリア(電子および正孔の少なくとも一方)が電極へ到達するときの直列抵抗が低くなる。
従って、曲線因子が向上し、光電変換素子の変換効率を向上できる。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
この明細書において、「非晶質相」とは、シリコン(Si)原子等がランダムに配列された状態を言う。また、アモルファスシリコンを「a−Si」と表記するが、実際には、水素(H)原子が含まれていてもよい。アモルファスシリコンカーバイド(a−SiC)、アモルファスシリコンゲルマニウム(a−SiGe)およびアモルファスゲルマニウム(a−Ge)についても、同様に、H原子が含まれていてもよい。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による光電変換素子の構成を示す断面図である。図1を参照して、この発明の実施の形態1による光電変換素子10は、結晶シリコン基板1と、薄膜半導体層2と、透明導電膜3と、電極4とを備える。
図1は、この発明の実施の形態1による光電変換素子の構成を示す断面図である。図1を参照して、この発明の実施の形態1による光電変換素子10は、結晶シリコン基板1と、薄膜半導体層2と、透明導電膜3と、電極4とを備える。
結晶シリコン基板1は、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板からなる。
薄膜半導体層2は、結晶シリコン基板1の一方の表面に接して配置される。そして、薄膜半導体層2は、結晶シリコン基板1の導電型と反対の導電型を有する非晶質膜を結晶シリコン基板1と反対側に少なくとも含む。
透明導電膜3は、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)、SnO2およびZnO等からなる。そして、透明導電膜3は、薄膜半導体層2に接して薄膜半導体層2上に配置される。また、透明導電膜3は、薄膜半導体層2と反対側の表面から厚み方向へ形成された穴部3aを有する。
電極4は、透明導電膜3の穴部3aを埋めるように配置される。その結果、薄膜半導体層2と電極4との距離は、透明導電膜3の厚みよりも短くなる。また、透明導電膜3と電極4との接触面積は、電極4が平坦な透明導電膜の表面上に配置される場合よりも大きくなる。
光電変換素子10は、薄膜半導体層2、透明導電膜3および電極4を結晶シリコン基板1上に順次積層して製造される。
光電変換素子10においては、太陽光は、透明導電膜3側から光電変換素子10に入射される。
そして、結晶シリコン基板1において光励起された電子および正孔の一方(=少数キャリア)は、キャリア拡散および拡散電位によって薄膜半導体層2へ移動し、透明導電膜3を介して電極4へ到達する。また、結晶シリコン基板1において光励起された電子および正孔の他方(=多数キャリア)は、結晶シリコン基板1から電極(図示せず)および外部のリード線(図示せず)を介して電極4に到達する。そして、電子と正孔は、電極4で再結合する。これによって、光電流Iphが光電変換素子10に流れる。
そして、透明導電膜3と電極4との接触面積は、電極4が平坦な透明導電膜の表面上に形成されている場合よりも大きいので、透明導電膜3と電極4とのコンタクト抵抗が低くなるとともに、電極4の直下においては、電子および正孔の一方(=少数キャリア)が通過する透明導電膜3の距離が短くなる。その結果、電子および正孔の一方(=少数キャリア)が電極4へ到達するときの直列抵抗が低くなる。
従って、曲線因子(FF)の低下が抑制され、光電変換素子10の変換効率を向上できる。
以下、光電変換素子10の実施例について説明する。
(実施例1)
図2は、実施例1における光電変換素子の構成を示す断面図である。図2を参照して、実施例1における光電変換素子10Aは、n型単結晶シリコン基板11と、薄膜半導体層21と、透明導電膜31と、電極41,61と、パッシベーション膜51とを備える。
(実施例1)
図2は、実施例1における光電変換素子の構成を示す断面図である。図2を参照して、実施例1における光電変換素子10Aは、n型単結晶シリコン基板11と、薄膜半導体層21と、透明導電膜31と、電極41,61と、パッシベーション膜51とを備える。
n型単結晶シリコン基板11は、例えば、(100)の面方位を有し、0.1〜10Ω・cmの比抵抗を有する。また、n型単結晶シリコン基板11は、例えば、100〜300μmの厚みを有し、好ましくは、100〜200μmの厚みを有する。
薄膜半導体層21は、非晶質相からなるi型非晶質膜211と、非晶質相からなるp型非晶質膜212とを含む。i型非晶質膜211は、n型単結晶シリコン基板11の一方の表面に接して配置される。そして、i型非晶質膜211は、例えば、i型アモルファスシリコン(i型a−Si)からなり、10nmの膜厚を有する。p型非晶質膜212は、i型非晶質膜2111に接して配置される。そして、p型非晶質膜212は、例えば、p型a−Siからなり、10nmの膜厚を有する。また、p型非晶質膜212のボロン(B)濃度は、例えば、1×1019cm−3〜1×1020cm−3である。
透明導電膜31は、p型非晶質膜212に接して配置される。そして、透明導電膜31は、例えば、ITOからなり、50〜100nmの膜厚を有する。また、透明導電膜31は、n型単結晶シリコン基板11と反対側の表面から厚み方向へ形成された凹部31aを有する。凹部31aは、上述した穴部3aの具体例である。そして、凹部31aの深さは、任意である。
電極41は、透明導電膜31の凹部31aを埋めるように配置される。その結果、電極41は、n型単結晶シリコン基板11の面内方向において所望の間隔で配置される。そして、電極41は、例えば、銀(Ag)からなり、100μmの幅および10μmの厚みを有する。
パッシベーション膜51は、n型単結晶シリコン基板11の裏面(=薄膜半導体層21が形成された表面と反対側の表面)に接して配置される。そして、パッシベーション膜51は、例えば、二酸化シリコン(SiO2)からなり、100nmの膜厚を有する。
電極61は、パッシベーション膜51を介してn型単結晶シリコン基板11に接して配置される。そして、電極61は、例えば、アルミニウム(Al)からなる。
図3から図5は、それぞれ、図2に示す光電変換素子10Aの製造方法を示す第1から第3の工程図である。
光電変換素子10Aの製造方法について説明する。光電変換素子10Aは、主に、プラズマ装置を用いてプラズマCVD(Chemical Vapour Deposition)法によって製造される。
プラズマ装置は、仕込室と、反応室CB1〜CB3と、取出室と、整合器と、RF電源とを備える。仕込室、反応室CB1〜CB3および取出室は、直列的に配置されている。そして、仕込室と反応室CB1との間、反応室CB1と反応室CB2との間、反応室CB2と反応室CB3との間、および反応室CB3と取出室との間は、仕切バルブで仕切られている。また、仕込室から反応室CB1、反応室CB2、反応室CB3および取出室へシリコンウェハを順次搬送する搬送機構がプラズマ装置に備えられている。
仕込室は、加熱機構と排気機構とを備える。加熱機構は、シリコンウェハを所定の温度に昇温する。排気機構は、仕込室内のガスを排気し、仕込室の到達圧力を、例えば、1×10−5Pa以下に設定する。
反応室CB1〜CB3の各々は、平行平板電極と、加熱機構と、排気機構とを備える。加熱機構は、シリコンウェハを所定の温度に昇温する。排気機構は、反応室CB1〜CB3内のガスを排気し、反応室CB1〜CB3の到達圧力を、例えば、1×10−5Pa以下に設定する。平行平板電極は、整合器を介してRF電源に接続される。
取出室は、排気機構を備える。排気機構は、取出室内のガスを排気し、取出室の到達圧力を、例えば、1×10−5Pa以下に設定する。
仕込室、反応室CB1〜CB3、および取出室の各排気機構は、ターボ分子ポンプ、メカニカルブースタポンプおよびロータリーポンプからなる。ターボ分子ポンプ、メカニカルブースタポンプおよびロータリーポンプは、ターボ分子ポンプが仕込室、反応室CB1〜CB3および取出室に最も近くなるように仕込室、反応室CB1〜CB3、および取出室に直列的に連結されている。そして、各排気機構は、ターボ分子ポンプ、メカニカルブースタポンプおよびロータリーポンプによって仕込室、反応室CB1〜CB3および取出室内のガスを排気し、またはメカニカルブースタポンプおよびロータリーポンプによって仕込室、反応室CB1〜CB3および取出室内のガスを排気する。
RF電源は、例えば、13.56MHzのRF電力を整合器を介して反応室CB1〜CB3の平行平板電極に印加する。
図3を参照して、光電変換素子10Aの製造が開始されると、n型単結晶シリコン基板11をエタノール等で超音波洗浄して脱脂し、その後、n型単結晶シリコン基板11をフッ酸中に浸漬してn型単結晶シリコン基板11の表面に形成された自然酸化膜を除去するとともに、n型単結晶シリコン基板11の表面を水素で終端する(図3の工程(a)参照)。
なお、n型単結晶シリコン基板11の表面をテクスチャ化する場合、n型単結晶シリコン基板11をエタノール等で超音波洗浄した後、n型単結晶シリコン基板11の表面をアルカリを用いて化学的に異方性エッチングし、n型単結晶シリコン基板11の表面をテクスチャ化する。その後、上述したようにフッ酸を用いて自然酸化膜を除去するとともに、n型単結晶シリコン基板11の表面を水素で終端する。
n型単結晶シリコン基板11の洗浄が終了すると、n型単結晶シリコン基板11をプラズマ装置の仕込室の基板ホルダー上に配置する。
そして、仕込室の排気機構は、1×10−5Pa以下に仕込室内のガスを排気し、仕込室の加熱機構は、n型単結晶シリコン基板11の温度を200℃に設定するように基板ホルダーを加熱する。また、反応室CB1〜CB3の加熱機構も、n型単結晶シリコン基板11の温度を200℃に設定するように基板ホルダーを加熱する。
n型単結晶シリコン基板11の温度が200℃に達すると、仕込室と反応室CB1との間の仕切バルブが開けられ、n型単結晶シリコン基板11は、仕込室から反応室CB1へ搬送される。
i型非晶質膜211およびp型非晶質膜212を形成するときの材料ガスの流量を表1に示す。
n型単結晶シリコン基板11が反応室CB1へ搬送されると、10sccmのシラン(SiH4)ガスと、100sccmの水素(H2)ガスとを反応室CB1に流し、反応室CB1の圧力を13.3Pa〜665Paの範囲に設定する。そして、RF電源は、16〜80mW/cm2の範囲のRFパワーを整合器を介して平行平板電極に印加する。これによって、反応室CB1内でプラズマが発生し、i型非晶質膜211としてのi型a−Siがn型単結晶シリコン基板11の一主面上に堆積される(図3の工程(b)参照)。
i型非晶質膜211の膜厚が10nmになると、反応室CB1の平行平板電極へのRFパワーの印加を停止するとともに、SiH4ガスおよびH2ガスの反応室CB1への供給を停止し、排気機構によって1×10−5Pa以下に反応室CB1を真空引きする。そして、仕切バルブを開け、i型非晶質膜211/n型単結晶シリコン基板11を反応室CB1から反応室CB2へ搬送する。
i型非晶質膜211/n型単結晶シリコン基板11が反応室CB2へ搬送されると、2sccmのSiH4ガスと、42sccmのH2ガスと、水素希釈された12sccmのジボラン(B2H6)ガスとを反応室CB2に流し、反応室CB2の圧力を13.3Pa〜665Paの範囲に設定する。そして、RF電源は、16〜80mW/cm2の範囲のRFパワーを整合器を介して平行平板電極に印加する。なお、水素希釈されたB2H6ガスの濃度は、例えば、0.1%である。
これによって、反応室CB2内でプラズマが発生し、p型非晶質膜212としてのp型a−Siがi型非晶質膜211上に堆積される(図3の工程(c)参照)。
p型非晶質膜212の膜厚が10nmになると、反応室CB2の平行平板電極へのRFパワーの印加を停止するとともに、SiH4ガス、H2ガスおよびB2H6ガスの反応室CB2への供給を停止し、排気機構によって1×10−5Pa以下に反応室CB2を真空引きする。そして、仕切バルブを開け、p型非晶質膜212/i型非晶質膜211/n型単結晶シリコン基板11を反応室CB2から取出室へ搬送する。
そして、取出室でp型非晶質膜212/i型非晶質膜211/n型単結晶シリコン基板11を室温まで冷却した後、p型非晶質膜212/i型非晶質膜211/n型単結晶シリコン基板11を取出室から取出し、p型非晶質膜212/i型非晶質膜211/n型単結晶シリコン基板11をスパッタリング装置にセットする。
そして、スパッタリング法によってITOからなる透明導電膜30をp型非晶質膜212上に形成する(図3の工程(d)参照)。
その後、透明導電膜30を部分的にエッチングし、凹部31aを透明導電膜30に形成する。これによって、透明導電膜31が形成される(図3の工程(e)参照)。
この場合、凹部31aは、次の3つの方法のいずれかの方法によって形成される。酸性のペーストを部分的に透明導電膜30上に塗布して凹部31aを形成する。また、透明導電膜30上にレジストを塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによってパターニングし、凹部31aを形成する領域以外の領域を覆うようにレジストを残し、その残したレジストをマスクとして酸によって透明導電膜30をエッチングして凹部31aを形成する。更に、レーザによって透明導電膜30に部分的に穴を開け、凹部31aを形成する。
なお、凹部31aは、例えば、ストライプ状に形成される。
工程(e)の後、レジストを透明導電膜31の全面に塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによってパターニングし、レジストパターン40を形成する(図3の工程(f)参照)。
そして、レジストパターン40をマスクとして凹部31aを埋めるようにAgペーストを印刷して乾燥し、その後、レジストパターン40を除去する。これによって、電極41が形成される(図4の工程(g)参照)。
引き続いて、スパッタリング法によってSiO2からなるパッシベーション膜50をn型単結晶シリコン基板11の裏面(=透明導電膜31が形成された表面と反対側の表面)に形成する(図4の工程(h)参照)。
その後、レジストをパッシベーション膜50の全面に塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによってパターニングし、レジストパターン60を形成する(図4の工程(i)参照)。
そして、レジストパターン60をマスクとしてパッシベーション膜50をエッチングし、貫通孔70を形成する。これによって、パッシベーション膜51が形成される(図4の(工程(j)参照)。
その後、パッシベーション膜51を覆うようにAlを蒸着し、電極61を形成する。これによって、光電変換素子10Aが完成する(図5の工程(k)参照)。
このように、光電変換素子10Aは、i型非晶質膜211およびp型非晶質膜212をプラズマCVD法によってn型単結晶シリコン基板11の一主面上に順次積層し、その後、それぞれ、スパッタリング法および印刷法によって透明導電膜31(ITO)および電極41(Ag)をp型非晶質膜212上に順次積層し、パッシベーション膜51および電極61(Al)をn型単結晶シリコン基板11の他方の表面上に順次積層することによって製造される。
光電変換素子10Aにおいては、太陽光は、透明導電膜31側から光電変換素子10Aに入射する。
そして、n型単結晶シリコン基板11において光励起された正孔(=少数キャリア)は、i型非晶質膜211を介してp型非晶質膜212へ到達し、p型非晶質膜212から透明導電膜31を介して電極41に到達する。
一方、n型単結晶シリコン基板11において光励起された電子(=多数キャリア)は、電極61側へ拡散し、n型単結晶シリコン基板11とパッシベーション膜51との界面で再結合が抑制され、電極61へ到達する。
電極61へ到達した電子は、電極41と電極61との間に接続された負荷を介して電極41へ到達し、正孔と再結合する。これによって、光電流が光電変換素子10Aに流れる。
そして、光電変換素子10Aにおいては、透明導電膜31と電極41との接触面積は、電極41が平坦な透明導電膜上に配置される場合よりも大きくなるので、透明導電膜31と電極41とのコンタクト抵抗が低下するとともに、電極41の直下においては、光励起された正孔が透明導電膜31を通過する距離が透明導電膜31の膜厚よりも短くなる。その結果、正孔が電極41へ到達するときの直列抵抗が低くなる。
従って、曲線因子(FF)が向上し、光電変換素子10Aの変換効率を向上できる。
なお、光電変換素子10Aにおいては、i型非晶質膜211は、i型a−Si以外にi型a−SiC,i型a−SiGeのいずれかからなっていてもよい。この場合、i型a−SiCは、SiH4ガス、メタン(CH4)ガスおよびH2ガスを材料ガスとして、上述したプラズマCVD法によって形成される。i型a−SiGeは、SiH4ガス、ゲルマン(GeH4)ガスおよびH2ガスを材料ガスとして、上述したプラズマCVD法によって形成される。
そして、i型非晶質膜211としては、i型a−Geも想定されるが、i型a−Geは、n型単結晶シリコン基板11よりも光学バンドギャップが小さいので、i型a−Geをi型非晶質膜211として用いた場合、開放電圧Vocの向上が困難である。光電変換素子10Aにおいては、i型非晶質膜211の光学バンドギャップが開放電圧Vocを支配的に決定するからである。
そこで、実施の形態1においては、n型単結晶シリコン基板11の光学バンドギャップよりも大きいi型a−SiC,i型a−Si,i型a−SiGeをi型非晶質膜211として用いることにした。
また、p型非晶質膜212は、p型a−Si以外にp型a−SiC,p型a−SiGe,p型a−Geのいずれかからなっていてもよい。この場合、p型a−SiCは、SiH4ガス、CH4ガス、B2H6ガスおよびH2ガスを材料ガスとして、上述したプラズマCVD法によって形成される。p型a−SiGeは、SiH4ガス、GeH4ガス、B2H6ガスおよびH2ガスを材料ガスとして、上述したプラズマCVD法によって形成される。p型a−Geは、GeH4ガス、B2H6ガスおよびH2ガスを材料ガスとして、上述したプラズマCVD法によって形成される。
このように、i型非晶質膜211およびp型非晶質膜212にa−Si等を適用することによって、i型非晶質膜211およびp型非晶質膜212は、プラズマCVD法によって200℃程度の低温で連続してn型単結晶シリコン基板11上に積層される。また、透明導電膜31およびパッシベーション膜51も、200℃以下の温度でスパッタリング法によってn型単結晶シリコン基板11上に積層される。その結果、n型単結晶シリコン基板11の品質が熱ダメージによって劣化するのを防止できる。
なお、実施例1においては、光電変換素子10Aは、n型単結晶シリコン基板11に代えてn型多結晶シリコン基板を備えていてもよい。この場合、n型多結晶シリコン基板は、例えば、0.1〜10Ω・cmの比抵抗および200〜300μmの厚みを有する。
そして、n型多結晶シリコン基板を用いた場合、好ましくは、200℃以下の温度でn型多結晶シリコン基板を水素プラズマ処理し、その後、i型非晶質膜211およびp型非晶質膜212をプラズマCVD法によってn型多結晶シリコン基板上に順次積層して光電変換素子10Aを作製する。これによって、n型多結晶シリコン基板の粒界がH原子によってパッシベートされ、粒界におけるキャリア(電子および正孔)の再結合を低減できる。
また、n型多結晶シリコンの表面は、凹凸構造(テクスチャ構造)になっていてもよい。この場合、酸エッチングまたはドライエッチング等によってn型多結晶シリコンの表面を凹凸化する。
更に、光電変換素子10Aは、n型単結晶シリコン基板11に代えてp型単結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板を備えていてもよい。
この場合、p型単結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板は、例えば、0.1〜10Ω・cmの比抵抗および200〜300μmの厚みを有する。そして、p型単結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板は、光入射側の表面が凹凸構造(テクスチャ構造)になっていてもよい。
また、光電変換素子10Aは、p型単結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板を備える場合、p型非晶質膜212に代えて、非晶質相からなるn型非晶質膜を備える。そして、n型非晶質膜は、n型a−SiC,n型a−Si,n型a−SiGe,n型a−Geのいずれかからなり、例えば、10nmの膜厚を有する。
更に、n型単結晶シリコン基板11に代えてp型多結晶シリコン基板を用いる場合、p型多結晶シリコン基板を水素プラズマ処理した後に、p型多結晶シリコン基板の一主面上にi型非晶質膜およびn型非晶質膜を順次積層するのが好ましい。その理由は、n型単結晶シリコン基板11に代えてn型多結晶シリコン基板を用いる場合の理由と同じである。
更に、光電変換素子10Aは、パッシベーション膜51および電極61に代えてi型非晶質膜、n型非晶質膜および電極を備えていてもよい。この場合、i型非晶質膜は、n型単結晶シリコン基板11(またはn型多結晶シリコン基板)の裏面(=透明導電膜31と反対側の表面)に接して配置され、n型非晶質膜は、i型非晶質膜に接して配置され、電極は、n型非晶質膜に接して配置される。そして、i型非晶質膜は、i型非晶質膜211と同じ材料からなり、n型非晶質膜は、n型a−SiC,n型a−Si,n型a−SiGe,n型a−Geのいずれかからなる。また、i型非晶質膜は、例えば、10nmの膜厚を有し、n型非晶質膜は、例えば、10nmの膜厚を有する。
このように、i型非晶質膜およびn型非晶質膜がn型単結晶シリコン基板11(またはn型多結晶シリコン基板)の裏面側に配置される場合、光電変換素子10Aは、n型単結晶シリコン基板11(またはn型多結晶シリコン基板)を中心とした対称な断面構造を有するので、n型単結晶シリコン基板11(またはn型多結晶シリコン基板)の反りを抑制できる。
更に、光電変換素子10Aは、n型単結晶シリコン基板11に代えてp型単結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板を備える場合、パッシベーション膜51および電極61に代えてi型非晶質膜、p型非晶質膜および電極を備えていてもよい。この場合、i型非晶質膜は、p型単結晶シリコン基板(またはp型多結晶シリコン基板)の裏面(=透明導電膜31と反対側の表面)に接して配置され、p型非晶質膜は、i型非晶質膜に接して配置され、電極は、p型非晶質膜に接して配置される。そして、i型非晶質膜は、i型非晶質膜211と同じ材料からなり、p型非晶質膜は、p型a−SiC,p型a−Si,p型a−SiGe,p型a−Geのいずれかからなる。また、i型非晶質膜は、例えば、10nmの膜厚を有し、p型非晶質膜は、例えば、10nmの膜厚を有する。
このように、i型非晶質膜およびp型非晶質膜がp型単結晶シリコン基板(またはp型多結晶シリコン基板)の裏面側に配置される場合、光電変換素子10Aは、p型単結晶シリコン基板(またはp型多結晶シリコン基板)を中心とした対称な断面構造を有するので、p型単結晶シリコン基板(またはp型多結晶シリコン基板)の反りを抑制できる。
更に、光電変換素子10Aの薄膜半導体層21は、p型非晶質膜212のみからなっていてもよい。この場合、p型非晶質膜212は、n型単結晶シリコン基板11(またはn型多結晶シリコン基板)に接して配置される。その結果、光励起された正孔が電極41に到達するときの抵抗を低減できる。p型非晶質膜212をn型単結晶シリコン基板11(またはn型多結晶シリコン基板)に接して配置する場合、B2H6ガスの流量をn型単結晶シリコン基板11(またはn型多結晶シリコン基板)側から透明導電膜31側へ向かうに従って徐々に増加させてp型非晶質膜212を堆積してもよい。これによって、p型非晶質膜212とn型単結晶シリコン基板11(またはn型多結晶シリコン基板)との界面におけるキャリアの再結合を抑制できる。
更に、光電変換素子10Aがp型単結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板を備える場合、薄膜半導体層21は、n型非晶質膜のみからなっていてもよい。この場合、n型非晶質膜は、p型単結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板に接して配置される。その結果、光励起された電子が電極41に到達するときの抵抗を低減できる。n型非晶質膜をp型単結晶シリコン基板(またはp型多結晶シリコン基板)に接して配置する場合、PH3ガスの流量をp型単結晶シリコン基板(またはp型多結晶シリコン基板)側から透明導電膜31側へ向かうに従って徐々に増加させてn型非晶質膜を堆積してもよい。これによって、n型非晶質膜とp型単結晶シリコン基板(またはp型多結晶シリコン基板)との界面におけるキャリアの再結合を抑制できる。
更に、光電変換素子10Aにおいては、電極41は、ドット状に配置されていてもよい。この場合、図3の工程(e)において、凹部31aがドット状に形成される。
(実施例2)
図6は、実施例2における光電変換素子の構成を示す断面図である。図6を参照して、実施例2における光電変換素子10Bは、光電変換素子10Aの透明導電膜31を透明導電膜32に代え、電極41を電極42に代えたものであり、その他は、光電変換素子10Aと同じである。
図6は、実施例2における光電変換素子の構成を示す断面図である。図6を参照して、実施例2における光電変換素子10Bは、光電変換素子10Aの透明導電膜31を透明導電膜32に代え、電極41を電極42に代えたものであり、その他は、光電変換素子10Aと同じである。
透明導電膜32は、p型非晶質膜212に接して配置され、貫通孔32aを有する。そして、透明導電膜32は、例えば、ITOからなる。貫通孔32aは、上述した穴部3aの具体例である。
電極42は、貫通孔32aを埋めるように配置される。即ち、電極42は、p型非晶質膜212および透明導電膜32に接して配置される。そして、電極42は、例えば、100μmの幅および10μmの厚みを有する。
光電変換素子10Bは、図3から図5に示す工程(a)〜工程(k)に従って製造される。この場合、図3に示す工程(e)において、貫通孔32aが形成される。
光電変換素子10Bにおいては、電極42がp型非晶質膜212に接して配置されているため、n型単結晶シリコン基板11において光励起された正孔(=少数キャリア)は、電極42の直下においては、透明導電膜32を経由せずに、直接、電極42に到達する。その結果、光電変換素子10Aの場合よりも、正孔が電極42へ到達するときの抵抗が更に低減される。従って、曲線因子(FF)が更に向上し、光電変換素子10Bの変換効率を向上できる。
光電変換素子10Bについてのその他の説明は、光電変換素子10Aについての説明と同じである。
[実施の形態2]
図7は、実施の形態2による光電変換素子の構成を示す断面図である。図7を参照して、実施の形態2による光電変換素子100は、単結晶シリコン基板101と、パッシベーション膜102と、薄膜半導体層103,105と、透明導電膜104,106と、電極107,108とを備える。
図7は、実施の形態2による光電変換素子の構成を示す断面図である。図7を参照して、実施の形態2による光電変換素子100は、単結晶シリコン基板101と、パッシベーション膜102と、薄膜半導体層103,105と、透明導電膜104,106と、電極107,108とを備える。
単結晶シリコン基板101は、例えば、(100)の面方位を有し、0.1〜10Ω・cmの比抵抗を有する。また、単結晶シリコン基板101は、例えば、100〜300μmの厚みを有し、好ましくは、100〜200μmの厚みを有する。
パッシベーション膜102は、単結晶シリコン基板101の一方の表面に接して配置される。そして、パッシベーション膜102は、例えば、SiO2からなる。
薄膜半導体層103は、単結晶シリコン基板101の他方の表面(=光入射側の表面と反対側の表面)に接して配置される。そして、薄膜半導体層103は、単結晶シリコン基板101の導電型と同じ導電型を有する非晶質膜を単結晶シリコン基板101と反対側に少なくとも含む。
透明導電膜104は、薄膜半導体層103に接して薄膜半導体層103上に配置される。また、透明導電膜104は、単結晶シリコン基板101の面内方向において薄膜半導体層103と同じ長さを有する。更に、透明導電膜104は、図7の紙面に垂直な方向において薄膜半導体層103と同じ長さを有する。更に、透明導電膜104は、薄膜半導体層103と反対側の表面から厚み方向へ形成された穴部104aを有する。そして、透明導電膜104は、例えば、ITO、SnO2およびZnO等からなる。
薄膜半導体層105は、単結晶シリコン基板101の面内方向において薄膜半導体層103に隣接するとともに単結晶シリコン基板101の他方の表面(=光入射側の表面と反対側の表面)に接して配置される。そして、薄膜半導体層105は、単結晶シリコン基板101の導電型と反対の導電型を有する非晶質膜を単結晶シリコン基板101と反対側に少なくとも含む。
透明導電膜106は、薄膜半導体層105に接して薄膜半導体層105上に配置される。また、透明導電膜106は、単結晶シリコン基板101の面内方向において薄膜半導体層105と同じ長さを有する。更に、透明導電膜106は、図7の紙面に垂直な方向において薄膜半導体層105と同じ長さを有する。更に、透明導電膜106は、薄膜半導体層105と反対側の表面から厚み方向へ形成された穴部106aを有する。そして、透明導電膜106は、例えば、ITO、SnO2およびZnO等からなる。
電極107は、透明導電膜104の穴部104aを埋めるように配置される。その結果、薄膜半導体層103と電極107との距離は、透明導電膜104の厚みよりも短くなる。また、透明導電膜104と電極107との接触面積は、電極107が平坦な透明導電膜上に配置される場合よりも大きくなる。
電極108は、透明導電膜106の穴部106aを埋めるように配置される。その結果、薄膜半導体層105と電極108との距離は、透明導電膜106の厚みよりも短くなる。また、透明導電膜106と電極108との接触面積は、電極108が平坦な透明導電膜上に配置される場合よりも大きくなる。
光電変換素子100においては、薄膜半導体層105の全体の面積が単結晶シリコン基板101の面積に占める割合である面積占有率は、60〜93%であり、薄膜半導体層103の全体の面積が単結晶シリコン基板101の面積に占める割合である面積占有率は、5〜20%である。
このように、薄膜半導体層105の面積占有率を薄膜半導体層103の面積占有率よりも大きくするのは、単結晶シリコン基板101中で光励起された電子および正孔をpn接合(薄膜半導体層105/単結晶シリコン基板101)によって分離され易くし、光励起された電子および正孔の発電への寄与率を高くするためである。
光電変換素子100は、薄膜半導体層103,105、透明導電膜104,106および電極107,108を単結晶シリコン基板101の他方の表面上に順次積層して製造される。
光電変換素子100においては、太陽光は、パッシベーション膜102側から光電変換素子100に入射される。
そして、単結晶シリコン基板101において光励起された電子および正孔の一方(=少数キャリア)は、キャリア拡散および拡散電位によって薄膜半導体層105へ移動し、透明導電膜106を介して電極108へ到達する。また、単結晶シリコン基板101において光励起された電子および正孔の他方(=多数キャリア)は、キャリア拡散および拡散電位によって薄膜半導体層103へ移動し、透明導電膜104を介して電極107へ到達する。そして、電子は、電極107と電極108との間に接続された負荷を介して電極107(または電極108)へ到達し、正孔と再結合する。これによって、光電流Iphが光電変換素子100に流れる。
このように、光電変換素子100は、単結晶シリコン基板101において光励起された電子および正孔を単結晶シリコン基板101の裏面(=パッシベーション膜102が形成された表面と反対側の表面)から取り出すバックコンタクト型の光電変換素子である。
光電変換素子100においては、透明導電膜104と電極107との接触面積は、電極107が平坦な透明導電膜の表面上に形成されている場合よりも大きく、透明導電膜106と電極108との接触面積は、電極108が平坦な透明導電膜の表面上に形成されている場合よりも大きいので、透明導電膜104と電極107とのコンタクト抵抗および透明導電膜106と電極108とのコンタクト抵抗が低くなるとともに、電極107,108の直下においては、電子または正孔が通過する透明導電膜104,106の距離が短くなる。その結果、電子および正孔がそれぞれ電極107,108へ到達するときの直列抵抗が低くなる。
従って、曲線因子(FF)が向上し、光電変換素子100の変換効率を向上できる。
なお、図7においては、1個の薄膜半導体層103と1個の薄膜半導体層105とが図示されているが、実際には、複数の薄膜半導体層103および複数の薄膜半導体層105が単結晶シリコン基板101の面内方向に交互に配置されている。
以下、光電変換素子100の実施例について説明する。
(実施例3)
図8は、実施例3における光電変換素子の構成を示す断面図である。図8を参照して、実施例3における光電変換素子100Aは、n型単結晶シリコン基板111と、パッシベーション膜112と、薄膜半導体層113,115と、透明導電膜114,116と、電極117,118とを備える。
図8は、実施例3における光電変換素子の構成を示す断面図である。図8を参照して、実施例3における光電変換素子100Aは、n型単結晶シリコン基板111と、パッシベーション膜112と、薄膜半導体層113,115と、透明導電膜114,116と、電極117,118とを備える。
n型単結晶シリコン基板111は、例えば、(100)の面方位を有し、0.1〜10Ω・cmの比抵抗を有する。また、n型単結晶シリコン基板111は、100〜300μmの厚みを有し、好ましくは、100〜200μmの厚みを有する。
薄膜半導体層113は、非晶質相からなるi型非晶質膜1131と、非晶質相からなるn型非晶質膜1132とを含む。i型非晶質膜1131は、n型単結晶シリコン基板111の裏面(=パッシベーション膜112が配置された表面と反対側の表面)に接して配置される。そして、i型非晶質膜1131は、例えば、i型a−Siからなり、10nmの膜厚を有する。
n型非晶質膜1132は、i型非晶質膜1131に接して配置される。また、n型非晶質膜1132は、n型単結晶シリコン基板111の面内方向においてi型非晶質膜1131と同じ幅を有し、図8の紙面に垂直な方向においてi型非晶質膜1131と同じ長さを有する。そして、n型非晶質膜1132は、例えば、n型a−Siからなり、10nmの膜厚を有する。また、n型非晶質膜1132のリン(P)濃度は、例えば、1×1019cm−3〜1×1020cm−3である。
透明導電膜114は、n型非晶質膜1132に接して配置される。そして、透明導電膜114は、例えば、ITOからなり、1000nmの膜厚を有する。また、透明導電膜114は、n型単結晶シリコン基板111と反対側の表面から厚み方向へ形成された凹部114aを有する。凹部114aは、上述した穴部104aの具体例である。
薄膜半導体層115は、非晶質相からなるi型非晶質膜1151と、非晶質相からなるp型非晶質膜1152とを含む。i型非晶質膜1151は、n型単結晶シリコン基板111の面内方向においてi型非晶質膜1131に隣接するとともにn型単結晶シリコン基板111の裏面(=パッシベーション膜112が配置された表面と反対側の表面)に接して配置される。そして、i型非晶質膜1151は、例えば、i型a−Siからなり、10nmの膜厚を有する。
p型非晶質膜1152は、i型非晶質膜1151に接して配置される。また、p型非晶質膜1152は、n型単結晶シリコン基板111の面内方向においてi型非晶質膜1151と同じ幅を有し、図8の紙面に垂直な方向においてi型非晶質膜1151と同じ長さを有する。そして、p型非晶質膜1152は、例えば、p型a−Siからなり、10nmの膜厚を有する。また、p型非晶質膜1152のB濃度は、例えば、1×1019cm−3〜1×1020cm−3である。
透明導電膜116は、p型非晶質膜1152に接して配置される。そして、透明導電膜116は、例えば、ITOからなり、1000nmの膜厚を有する。また、透明導電膜116は、n型単結晶シリコン基板101と反対側の表面から厚み方向へ形成された凹部116aを有する。凹部116aは、上述した穴部106aの具体例である。
電極117は、透明導電膜114の凹部114aを埋めるように配置される。そして、電極117は、例えば、Agからなり、100μmの幅および10μmの厚みを有する。
電極118は、透明導電膜116の凹部116aを埋めるように配置される。そして、電極118は、例えば、Agからなり、100μmの幅および10μmの厚みを有する。
光電変換素子100Aにおいては、p型非晶質膜1152の全体の面積がn型単結晶シリコン基板111の面積に占める割合である面積占有率は、60〜93%であり、n型非晶質膜1132の全体の面積がn型単結晶シリコン基板111の面積に占める割合である面積占有率は、5〜20%である。
このように、p型非晶質膜1152の面積占有率をn型非晶質膜1132の面積占有率よりも大きくするのは、n型単結晶シリコン基板111中で光励起された電子および正孔をpn接合(p型非晶質膜1152/n型単結晶シリコン基板111)によって分離され易くし、光励起された電子および正孔の発電への寄与率を高くするためである。
図9から図11は、それぞれ、図8に示す光電変換素子100Aの製造方法を示す第1から第3の工程図である。
光電変換素子100Aの製造が開始されると、n型単結晶シリコン基板111をエタノール等で超音波洗浄して脱脂し、その後、n型単結晶シリコン基板111をフッ酸中に浸漬してn型単結晶シリコン基板111の表面に形成された自然酸化膜を除去するとともに、n型単結晶シリコン基板111の表面を水素で終端する(図9の工程(a)参照)。
なお、n型単結晶シリコン基板111の表面をテクスチャ化する場合、n型単結晶シリコン基板111をエタノール等で超音波洗浄した後、n型単結晶シリコン基板111の表面をアルカリを用いて化学的に異方性エッチングし、n型単結晶シリコン基板111の表面をテクスチャ化する。その後、上述したようにフッ酸を用いて自然酸化膜を除去するとともに、n型単結晶シリコン基板111の表面を水素で終端する。
n型単結晶シリコン基板111の洗浄が終了すると、n型単結晶シリコン基板111をスパッタリング装置にセットし、スパッタリング法によってSiO2からなるパッシベーション膜112をn型単結晶シリコン基板111の一方の表面上に形成する(図9の工程(b)参照)。
そして、パッシベーション膜112/n型単結晶シリコン基板111をフッ酸で洗浄した後、パッシベーション膜112/n型単結晶シリコン基板111をプラズマ装置の仕込室の基板ホルダー上に配置する。
そして、仕込室の排気機構は、1×10−5Pa以下に仕込室内のガスを排気し、仕込室の加熱機構は、パッシベーション膜112/n型単結晶シリコン基板111の温度を200℃に設定するように基板ホルダーを加熱する。また、反応室CB1〜CB3の加熱機構も、パッシベーション膜112/n型単結晶シリコン基板111の温度を200℃に設定するように基板ホルダーを加熱する。
パッシベーション膜112/n型単結晶シリコン基板111の温度が200℃に達すると、仕込室と反応室CB1との間の仕切バルブが開けられ、パッシベーション膜112/n型単結晶シリコン基板111は、仕込室から反応室CB1へ搬送される。
i型非晶質膜1131,1151、n型非晶質膜1132およびp型非晶質膜1152を形成するときの材料ガスの流量を表2に示す。
パッシベーション膜112/n型単結晶シリコン基板111が反応室CB1へ搬送されると、10sccmのSiH4ガスと、100sccmのH2ガスとを反応室CB1に流し、反応室CB1の圧力を13.3Pa〜665Paの範囲に設定する。そして、RF電源は、16〜80mW/cm2の範囲のRFパワーを整合器を介して平行平板電極に印加する。これによって、反応室CB1内でプラズマが発生し、i型a−Siからなるi型非晶質膜120がn型単結晶シリコン基板111の他方の表面上に堆積される(図9の工程(c)参照)。
i型非晶質膜120の膜厚が10nmになると、反応室CB1の平行平板電極へのRFパワーの印加を停止するとともに、SiH4ガスおよびH2ガスの反応室CB1への供給を停止し、排気機構によって1×10−5Pa以下に反応室CB1を真空引きする。そして、仕切バルブを開け、i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112を反応室CB1から反応室CB3へ搬送する。
i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112が反応室CB3へ搬送されると、20sccmのSiH4ガスと、150sccmのH2ガスと、水素希釈された50sccmのフォスフィン(PH3)ガスとを反応室CB3に流し、反応室CB3の圧力を13.3Pa〜665Paの範囲に設定する。そして、RF電源は、16〜80mW/cm2の範囲のRFパワーを整合器を介して平行平板電極に印加する。なお、水素希釈されたPH3ガスの濃度は、例えば、0.2%である。
これによって、反応室CB3内でプラズマが発生し、n型a−Siからなるn型非晶質膜121がi型非晶質膜120上に堆積される(図9の工程(d)参照)。
n型非晶質膜121の膜厚が10nmになると、反応室CB3の平行平板電極へのRFパワーの印加を停止するとともに、SiH4ガス、H2ガスおよびPH3ガスの反応室CB3への供給を停止し、排気機構によって1×10−5Pa以下に反応室CB3を真空引きする。そして、仕切バルブを開け、n型非晶質膜121/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112を反応室CB1から取出室へ搬送する。
そして、取出室でn型非晶質膜121/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112を室温まで冷却し、n型非晶質膜121/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112を取出室から取り出す。
その後、n型非晶質膜121の全面にレジストを塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによってパターニングし、レジストパターン122を形成する(図9の工程(e)参照)。
引き続いて、レジストパターン122をマスクとしてn型非晶質膜121をエッチングし、n型非晶質膜1132を形成する(図9の工程(f)参照)。
そして、n型非晶質膜1132/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112をフッ酸で洗浄した後、n型非晶質膜1132/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112をプラズマ装置の仕込室の基板ホルダー上に配置する。
そして、仕込室の排気機構は、1×10−5Pa以下に仕込室内のガスを排気し、仕込室の加熱機構は、n型非晶質膜1132/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112の温度を200℃に設定するように基板ホルダーを加熱する。
n型非晶質膜1132/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112の温度が200℃に達すると、n型非晶質膜1132/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112は、仕込室から反応室CB2へ搬送される。
n型非晶質膜1132/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112が反応室CB2へ搬送されると、2sccmのSiH4ガスと、42sccmのH2ガスと、水素希釈された12sccmのB2H6ガスとを反応室CB2へ流し、反応室CB2の圧力を13.3Pa〜665Paの範囲に設定する。そして、RF電源は、16〜80mW/cm2の範囲のRFパワーを整合器を介して平行平板電極に印加する。
これによって、反応室CB2内でプラズマが発生し、p型a−Siからなるp型非晶質膜123がi型非晶質膜120およびn型非晶質膜1132上に堆積される(図10の工程(g)参照)。
p型非晶質膜123の膜厚が10nmになると、反応室CB2の平行平板電極へのRFパワーの印加を停止するとともに、SiH4ガス、H2ガスおよびB2H6ガスの反応室CB2への供給を停止し、排気機構によって1×10−5Pa以下に反応室CB2を真空引きする。そして、仕切バルブを開け、p型非晶質膜123/n型非晶質膜1132/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112を反応室CB2から取出室へ搬送する。
そして、取出室でp型非晶質膜123/n型非晶質膜1132/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112を室温まで冷却し、p型非晶質膜123/n型非晶質膜1132/i型非晶質膜120/n型単結晶シリコン基板111/パッシベーション膜112を取出室から取り出す。
その後、p型非晶質膜123の全面にレジストを塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによってパターニングし、レジストパターン124を形成する(図10の工程(h)参照)。
引き続いて、レジストパターン124をマスクとしてp型非晶質膜123の一部をエッチングし、p型非晶質膜125を形成する(図10の工程(i)参照)。
そして、スパッタリング法によってITOからなる透明導電膜126をn型非晶質膜1132およびp型非晶質膜125上に形成する(図10の工程(j)参照)。
その後、レジストを透明導電膜126の全面に塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによってパターニングし、レジストパターン127を形成する(図10の工程(k)参照)。
そうすると、レジストパターン127をマスクとしてi型非晶質膜120、p型非晶質膜125および透明導電膜126をエッチングする。これによって、i型非晶質膜1131,1151、p型非晶質膜1152および透明導電膜114,116が形成される(図11の工程(l)参照)。
工程(l)の後、図3の工程(e)と同じ工程によって透明導電膜114,116にそれぞれ凹部114a,116aを形成する(図11の工程(m)参照)。
そして、透明導電膜114,116上にレジストを塗布し、その塗布したレジストをフォトリソグラフィによってパターニングし、レジストパターン128を形成する(図11の工程(n)参照)。
その後、レジストパターン128をマスクとして凹部114a,117aを埋めるようにAgペーストを印刷して乾燥し、電極117,118を形成する。そして、レジストパターン128を除去する。これによって、光電変換素子100Aが完成する(図11の工程(o)参照)。
光電変換素子100Aにおいては、太陽光は、パッシベーション膜112側から光電変換素子100Aに入射する。
n型単結晶シリコン基板111において光励起された電子および正孔は、n型単結晶シリコン基板111とパッシベーション膜112との界面で再結合が抑制され、n型非晶質膜1132およびp型非晶質膜1152側へ拡散する。
そして、電子および正孔は、p型非晶質膜1152/n型単結晶シリコン基板111からなるpn接合によって分離され、電子は、i型非晶質膜1131を介してn型非晶質膜1132へ到達し、正孔は、i型非晶質膜1151を介してp型非晶質膜1152へ到達する。
n型非晶質膜1132へ到達した電子は、透明導電膜114を介して電極117へ到達し、p型非晶質膜1152へ到達した正孔は、透明導電膜116を介して電極118へ到達する。
電極117へ到達した電子は、電極117と電極118との間に接続された負荷を介して電極118へ到達し、正孔と再結合する。これによって、光電変換素子100Aに光電流が流れる。
このように、光電変換素子100Aは、n型単結晶シリコン基板111において光励起された電子および正孔をn型単結晶シリコン基板111の裏面(=パッシベーション膜112が形成された表面と反対側の表面)から取り出すバックコンタクト型の光電変換素子である。
光電変換素子100Aにおいては、電極117と透明導電膜114との接触面積は、電極117が平坦な透明導電膜の表面上に形成される場合よりも大きいので、電極117と透明導電膜114とのコンタクト抵抗が低減される。同様にして、電極118と透明導電膜116とのコンタクト抵抗も低減される。また、電極117の直下においては、電子が透明導電膜114を通過する距離は、透明導電膜114の膜厚よりも短くなる。同様にして、正孔が透明導電膜116を通過する距離は、透明導電膜116の膜厚よりも短くなる。その結果、電子が電極117へ到達するときの直列抵抗および正孔が電極118へ到達するときの直列抵抗が低くなる。
従って、曲線因子(FF)が向上し、光電変換素子100Aの変換効率を向上できる。
なお、光電変換素子100Aにおいては、i型非晶質膜1131,1151の各々は、i型a−Si以外にi型a−SiC,i型a−SiGeのいずれかからなっていてもよい。この場合、i型a−SiC,i型a−SiGeは、上述した材料ガスを用いてプラズマCVD法によって形成される。
そして、i型非晶質膜1131,1151としては、i型a−Geも想定されるが、i型a−Geは、n型単結晶シリコン基板111よりも光学バンドギャップが小さいので、i型a−Geをi型非晶質膜1131,1151として用いた場合、開放電圧Vocの向上が困難である。光電変換素子100Aにおいては、i型非晶質膜1131,1151の光学バンドギャップが開放電圧Vocを支配的に決定するからである。
そこで、実施の形態2においては、n型単結晶シリコン基板111の光学バンドギャップよりも大きいi型a−SiC,i型a−Si,i型a−SiGeをi型非晶質膜1131,1151として用いることにした。
また、n型非晶質膜1132は、n型a−Si以外にn型a−SiC,n型a−SiGe,n型a−Geのいずれかからなっていてもよい。この場合、n型a−SiCは、SiH4ガス、CH4ガス、PH3ガスおよびH2ガスを材料ガスとして、上述したプラズマCVD法によって形成される。n型a−SiGeは、SiH4ガス、GeH4ガス、PH3ガスおよびH2ガスを材料ガスとして、上述したプラズマCVD法によって形成される。n型a−Geは、GeH4ガス、PH3ガスおよびH2ガスを材料ガスとして、上述したプラズマCVD法によって形成される。
更に、p型非晶質膜1152は、p型a−Si以外にp型a−SiC,p型a−SiGe,p型a−Geのいずれかからなっていてもよい。この場合、p型a−SiC,p型a−SiGe,p型a−Geは、上述した材料ガスを用いてプラズマCVD法によって形成される。
このように、i型非晶質膜1131,1151、n型非晶質膜1132およびp型非晶質膜1152にa−Si等を適用することによって、i型非晶質膜1131,1151、n型非晶質膜1132およびp型非晶質膜1152は、プラズマCVD法によって200℃程度の低温で連続してn型単結晶シリコン基板111上に積層される。また、パッシベーション膜112および透明導電膜114,116も、200℃以下の温度でスパッタリング法によってn型単結晶シリコン基板111上に積層される。その結果、n型単結晶シリコン基板111の品質が熱ダメージによって劣化するのを防止できる。
なお、実施例3においては、光電変換素子100Aは、n型単結晶シリコン基板111に代えてp型単結晶シリコン基板を備えていてもよい。
この場合、p型単結晶シリコン基板は、例えば、(100)の面方位、0.1〜10Ω・cmの比抵抗および200〜300μmの厚みを有する。そして、p型単結晶シリコン基板は、光入射側の表面が凹凸構造(テクスチャ構造)になっていてもよい。
また、光電変換素子100Aは、p型単結晶シリコン基板を備える場合、n型非晶質膜1132に代えて、非晶質相からなるp型非晶質膜を備え、p型非晶質膜1152に代えて、非晶質相からなるn型非晶質膜を備える。そして、p型非晶質膜は、p型a−SiC,p型a−Si,p型a−SiGe,p型a−Geのいずれかからなり、例えば、10nmの膜厚を有する。また、n型非晶質膜は、n型a−SiC,n型a−Si,n型a−SiGe,n型a−Geのいずれかからなり、例えば、10nmの膜厚を有する。
更に、光電変換素子100Aの薄膜半導体層113は、n型非晶質膜1132のみからなっていてもよい。この場合、n型非晶質膜1132は、n型単結晶シリコン基板111に接して配置される。その結果、光励起された電子が電極117に到達するときの抵抗を低減できる。n型非晶質膜1132をn型単結晶シリコン基板111に接して配置する場合、PH3ガスの流量をn型単結晶シリコン基板111側から透明導電膜114側へ向かうに従って徐々に増加させてn型非晶質膜1132を堆積してもよい。これによって、n型非晶質膜1132とn型単結晶シリコン基板111との界面におけるキャリアの再結合を抑制できる。
更に、光電変換素子100Aの薄膜半導体層115は、p型非晶質膜1152のみからなっていてもよい。この場合、p型非晶質膜1152は、n型単結晶シリコン基板111に接して配置される。その結果、光励起された正孔が電極118に到達するときの抵抗を低減できる。p型非晶質膜1152をn型単結晶シリコン基板111に接して配置する場合、B2H6ガスの流量をn型単結晶シリコン基板111側から透明導電膜116側へ向かうに従って徐々に増加させてp型非晶質膜1152を堆積してもよい。これによって、p型非晶質膜1152とn型単結晶シリコン基板111との界面におけるキャリアの再結合を抑制できる。
そして、光電変換素子100Aにおいては、薄膜半導体層113がn型非晶質膜1132のみからなり、かつ、薄膜半導体層115がp型非晶質膜1152のみからなる場合に限らず、薄膜半導体層113がn型非晶質膜1132のみからなり、かつ、薄膜半導体層115がi型非晶質膜1151およびp型非晶質膜1152からなっていてもよく、薄膜半導体層113がi型非晶質膜1131およびn型非晶質膜1132からなり、かつ、薄膜半導体層115がp型非晶質膜1152のみからなっていてもよい。この場合、薄膜半導体層113がi型非晶質膜1131およびn型非晶質膜1132からなり、かつ、薄膜半導体層115がp型非晶質膜1152のみからなるのが好ましい。少数キャリアである正孔が電極118へ到達するときの直列抵抗が低減され、曲線因子(FF)を向上できるからである。
更に、光電変換素子100Aがp型単結晶シリコン基板を備える場合、薄膜半導体層113がp型非晶質膜のみからなり、かつ、薄膜半導体層115がi型非晶質膜およびn型非晶質膜からなっていてもよく、薄膜半導体層113がi型非晶質膜およびp型非晶質膜からなり、かつ、薄膜半導体層115がn型非晶質膜のみからなっていてもよく、薄膜半導体層113がp型非晶質膜のみからなり、かつ、薄膜半導体層115がn型非晶質膜のみからなっていてもよい。そして、好ましくは、薄膜半導体層113がi型非晶質膜およびp型非晶質膜からなり、かつ、薄膜半導体層115がn型非晶質膜のみからなる。少数キャリアである電子が電極118へ到達するときの直列抵抗が低減され、曲線因子(FF)を向上できるからである。
薄膜半導体層113がp型非晶質膜のみからなる場合、p型非晶質膜は、p型単結晶シリコン基板に接して配置される。その結果、光励起された正孔が電極117に到達するときの抵抗を低減できる。p型非晶質膜をp型単結晶シリコン基板に接して配置する場合、B2H6ガスの流量をp型単結晶シリコン基板側から透明導電膜114側へ向かうに従って徐々に増加させてp型非晶質膜を堆積してもよい。これによって、p型非晶質膜とp型単結晶シリコン基板との界面におけるキャリアの再結合を抑制できる。
また、薄膜半導体層115がn型非晶質膜のみからなる場合、n型非晶質膜は、p型単結晶シリコン基板に接して配置される。その結果、光励起された電子が電極118に到達するときの抵抗を低減できる。n型非晶質膜をp型単結晶シリコン基板に接して配置する場合、PH3ガスの流量をp型単結晶シリコン基板側から透明導電膜116側へ向かうに従って徐々に増加させてn型非晶質膜を堆積してもよい。これによって、n型非晶質膜とp型単結晶シリコン基板との界面におけるキャリアの再結合を抑制できる。
更に、光電変換素子100Aにおいては、電極117,118は、ドット状に配置されていてもよい。この場合、図11の工程(m)において、凹部114a,116aがドット状に形成される。
(実施例4)
図12は、実施例4における光電変換素子の構成を示す断面図である。図12を参照して、実施例4における光電変換素子100Bは、光電変換素子100Aの透明導電膜114,116をそれぞれ透明導電膜134,136に代え、電極117,118をそれぞれ電極137,138に代えたものであり、その他は、光電変換素子100Aと同じである。
図12は、実施例4における光電変換素子の構成を示す断面図である。図12を参照して、実施例4における光電変換素子100Bは、光電変換素子100Aの透明導電膜114,116をそれぞれ透明導電膜134,136に代え、電極117,118をそれぞれ電極137,138に代えたものであり、その他は、光電変換素子100Aと同じである。
透明導電膜134は、n型非晶質膜1132に接して配置され、貫通孔134aを有する。そして、透明導電膜134は、例えば、ITOからなる。貫通孔134aは、上述した穴部104aの具体例である。
透明導電膜136は、p型非晶質膜1152に接して配置され、貫通孔136aを有する。そして、透明導電膜136は、例えば、ITOからなる。貫通孔136aは、上述した穴部106aの具体例である。
電極137は、貫通孔134aを埋めるように配置される。即ち、電極137は、n型非晶質膜1132および透明導電膜134に接して配置される。そして、電極137は、例えば、100μmの幅および10μmの厚みを有する。
電極138は、貫通孔136aを埋めるように配置される。即ち、電極138は、p型非晶質膜1152および透明導電膜136に接して配置される。そして、電極138は、例えば、100μmの幅および10μmの厚みを有する。
光電変換素子100Bは、図9から図11に示す工程(a)〜工程(o)に従って製造される。この場合、図11に示す工程(m)において、貫通孔134a,136aが形成される。
光電変換素子100Bにおいては、電極137がn型非晶質膜1132に接して配置されているため、n型単結晶シリコン基板111において光励起された電子は、電極137の直下においては、透明導電膜134を経由せずに、直接、電極137に到達する。また、電極138がp型非晶質膜1152に接して配置されているため、n型単結晶シリコン基板111において光励起された正孔は、電極138の直下においては、透明導電膜136を経由せずに、直接、電極138に到達する。その結果、光電変換素子100Aの場合よりも、電子および正孔がそれぞれ電極137,138へ到達するときの抵抗が更に低減される。従って、曲線因子(FF)が更に向上し、光電変換素子100Bの変換効率を向上できる。
光電変換素子100Bについてのその他の説明は、光電変換素子100Aについての説明と同じである。
光電変換素子100Aにおいては、少数キャリアである正孔を外部に取り出すための薄膜半導体層115、透明導電膜116および電極118において、電極118が透明導電膜116の凹部116aを埋めるように配置されていればよく、多数キャリアである電子を外部に取り出すための薄膜半導体層113、透明導電膜114および電極117は、n型単結晶シリコン基板111中に配置されたn型拡散領域、およびn型拡散領域に接して配置された電極に置き換えられてもよい。少数キャリアを取り出すための直列抵抗が低くなれば、曲線因子(FF)の改善によって光電変換素子100Aの変換効率を向上できるからである。
また、同様の理由によって、光電変換素子100Bにおいては、少数キャリアである正孔を外部に取り出すための薄膜半導体層115、透明導電膜136および電極138において、電極138が透明導電膜136の貫通孔136aを埋めるように配置されていればよく、多数キャリアである電子を外部に取り出すための薄膜半導体層113、透明導電膜134および電極137は、n型単結晶シリコン基板111中に配置されたn型拡散領域、およびn型拡散領域に接して配置された電極に置き換えられてもよい。
従って、実施の形態2による光電変換素子100は、単結晶シリコン基板において光励起された少数キャリアを外部に取り出すための薄膜半導体層105、透明導電膜106および電極108において、電極108が透明導電膜106の穴部106aを埋めるように配置されていればよく、薄膜半導体層103、透明導電膜104および電極107は、単結晶シリコン基板101中に配置された拡散領域、および拡散領域に接して配置された電極に置き換えられてもよい。
上述した実施の形態1においては、pn接合が太陽光の入射側に存在する光電変換素子において、透明導電膜3に形成された穴部3aを埋めるように配置された電極4を備える光電変換素子10について説明した。
また、上述した実施の形態2においては、pn接合が太陽光の入射側と反対側に存在する光電変換素子において、透明導電膜106に形成された穴部106aを埋めるように配置された電極108を備える光電変換素子100について説明した。上述したように、光電変換素子100は、薄膜半導体層105、透明導電膜106および電極108の構成を備えていればよく、薄膜半導体層103、透明導電膜104および電極107の構成は、必須ではない。
従って、この発明の実施の形態による光電変換素子は、第1の導電型を有する結晶シリコン基板と、結晶シリコン基板の一方の表面に接して配置され、第1の導電型と反対の第2の導電型を有する非晶質膜を含む薄膜半導体層と、薄膜半導体層に接して配置された透明導電膜と、透明導電膜の結晶シリコン基板と反対側の表面から透明導電膜の厚み方向に形成された穴部を埋めるように配置された電極とを備えていればよい。
このような構成であれば、結晶シリコン基板において光励起された少数キャリアが半導体薄膜および透明導電膜を介して電極に到達するときの直列抵抗が低くなる。その結果、曲線因子(FF)が向上し、光電変換素子の変換効率を向上できるからである。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、光電変換素子およびそれを備えた積層型光電変換素子に適用される。
1 結晶シリコン基板、2,21,103,105,113,115 薄膜半導体層、3,31,32,104,106,114,116,134,136 透明導電膜、3a,104a,106a 穴部、31a,114a,116a 凹部、4,41,42,61,107,108,117,118,137,138 電極、10,10A,10B,100,100A,100B 光電変換素子、11,111 n型単結晶シリコン基板、32a,134a,136a 貫通孔、51,102,112 パッシベーション膜、101 単結晶シリコン基板、211,1131,1151 i型非晶質膜、212,1152 p型非晶質膜、1132 n型非晶質膜。
Claims (15)
- 第1の導電型を有する結晶シリコン基板と、
前記結晶シリコン基板の一方の表面に接して配置され、前記第1の導電型と反対の第2の導電型を有する非晶質膜を含む薄膜半導体層と、
前記薄膜半導体層に接して配置された透明導電膜と、
前記透明導電膜の前記結晶シリコン基板と反対側の表面から前記透明導電膜の厚み方向に形成された穴部を埋めるように配置された電極とを備える光電変換素子。 - 前記穴部は、前記電極と前記薄膜半導体層との距離が前記透明導電膜の厚みよりも短くなるように前記透明導電膜に形成された凹部からなる、請求項1に記載の光電変換素子。
- 前記穴部は、前記透明導電膜を厚み方向に貫通する貫通孔からなり、
前記電極は、前記薄膜半導体層および前記透明導電膜に接して配置されている、請求項1に記載の光電変換素子。 - 前記薄膜半導体層は、前記結晶シリコン基板の光入射側の表面に接して配置されており、
前記電極は、前記結晶シリコン基板の面内方向において所望の間隔で配置されている、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 前記薄膜半導体層は、
前記結晶シリコン基板の一方の表面に接して配置され、i型の導電型を有する第1の非晶質膜と、
前記第1の非晶質膜に接して配置され、前記第2の導電型を有する第2の非晶質膜とを含む、請求項4に記載の光電変換素子。 - 前記第1の導電型は、n型であり、
前記第2の導電型は、p型である、請求項5に記載の光電変換素子。 - 前記結晶シリコン基板は、n型単結晶シリコン基板またはn型多結晶シリコン基板からなり、
前記第1の非晶質膜は、i型アモルファスシリコンカーバイド、i型アモルファスシリコンおよびi型アモルファスシリコンゲルマニウムのいずれかからなり、
前記第2の非晶質膜は、p型アモルファスシリコンカーバイド、p型アモルファスシリコン、p型アモルファスシリコンゲルマニウムおよびp型アモルファスゲルマニウムのいずれかからなる、請求項6に記載の光電変換素子。 - 前記第1の導電型は、p型であり、
前記第2の導電型は、n型である、請求項5に記載の光電変換素子。 - 前記結晶シリコン基板は、p型単結晶シリコン基板またはp型多結晶シリコン基板からなり、
前記第1の非晶質膜は、i型アモルファスシリコンカーバイド、i型アモルファスシリコンおよびi型アモルファスシリコンゲルマニウムのいずれかからなり、
前記第2の非晶質膜は、n型アモルファスシリコンカーバイド、n型アモルファスシリコン、n型アモルファスシリコンゲルマニウムおよびn型アモルファスゲルマニウムのいずれかからなる、請求項8に記載の光電変換素子。 - 前記結晶シリコン基板は、単結晶シリコン基板からなり、
前記薄膜半導体層は、
前記単結晶シリコン基板の光入射側の表面と反対側の表面に接して配置され、前記第1の導電型を有する非晶質膜を含む第1の薄膜半導体層と、
前記単結晶シリコン基板の面内方向において前記第1の薄膜半導体層に隣接して配置されるとともに前記単結晶シリコン基板の光入射側の表面と反対側の表面に接して配置され、前記第2の導電型を有する非晶質膜を含む第2の薄膜半導体層とを含む、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 前記第1の薄膜半導体層は、
前記単結晶シリコン基板の光入射側の表面と反対側の表面に接して配置され、i型の導電型を有する第1の非晶質膜と、
前記第1の非晶質膜に接して配置され、前記第1の導電型を有する第2の非晶質膜とを含み、
前記第2の薄膜半導体層は、
前記単結晶シリコン基板の面内方向において前記第1の非晶質膜に隣接して配置されるとともに前記単結晶シリコン基板の光入射側の表面と反対側の表面に接して配置され、i型の導電型を有する第3の非晶質膜と、
前記単結晶シリコン基板の面内方向において前記第2の非晶質膜に隣接して配置されるとともに前記第3の非晶質膜に接して配置され、前記第2の導電型を有する第4の非晶質膜とを含む、請求項10に記載の光電変換素子。 - 前記第1の導電型は、n型であり、
前記第2の導電型は、p型である、請求項11に記載の光電変換素子。 - 前記単結晶シリコン基板は、n型単結晶シリコン基板からなり、
前記第1および第3の非晶質膜の各々は、i型アモルファスシリコンカーバイド、i型アモルファスシリコンおよびi型アモルファスシリコンゲルマニウムのいずれかからなり、
前記第2の非晶質膜は、n型アモルファスシリコンカーバイド、n型アモルファスシリコン、n型アモルファスシリコンゲルマニウムおよびn型アモルファスゲルマニウムのいずれかからなり、
前記第4の非晶質膜は、p型アモルファスシリコンカーバイド、p型アモルファスシリコン、p型アモルファスシリコンゲルマニウムおよびp型アモルファスゲルマニウムのいずれかからなる、請求項12に記載の光電変換素子。 - 前記第1の導電型は、p型であり、
前記第2の導電型は、n型である、請求項11に記載の光電変換素子。 - 前記単結晶シリコン基板は、p型単結晶シリコン基板からなり、
前記第1および第3の非晶質膜の各々は、i型アモルファスシリコンカーバイド、i型アモルファスシリコンおよびi型アモルファスシリコンゲルマニウムのいずれかからなり、
前記第2の非晶質膜は、p型アモルファスシリコンカーバイド、p型アモルファスシリコン、p型アモルファスシリコンゲルマニウムおよびp型アモルファスゲルマニウムのいずれかからなり、
前記第4の非晶質膜は、n型アモルファスシリコンカーバイド、n型アモルファスシリコン、n型アモルファスシリコンゲルマニウムおよびn型アモルファスゲルマニウムのいずれかからなる、請求項14に記載の光電変換素子。
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