JP2015142079A - 光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体基板と電極の間の直列抵抗を減少させて、変換効率の良い光電変換装置を得る.【解決手段】半導体基板と半導体基板に形成した第1導電型領域と、第1導電型領域と電気的に接続する電極とを有し、第1導電型領域は電極と相対する電極領域を有し、電極領域に結晶欠陥を有することにより、第1導電型領域と電極の間の直列抵抗成分を小さくすることができるので、光電変換装置の変換効率を向上させることができる。【選択図】図1
Description
本発明は光電変換装置に関するものである。
太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する光電変換装置に対しては、近年、特に地球環境問題の観点から、次世代のエネルギー源としての期待が急激に高まっている。光電変換装置用の材料としては化合物半導体や有機材料などが利用されてきたが、現在はシリコン結晶が主流となっている。現在最も多く生産、販売されている光電変換装置では、太陽光を受ける受光面にはn電極が、受光面の反対面である裏面にはp電極が設けられている。受光面側に設けられたn電極は、光電変換により得られた電流の取り出しのために必要不可欠であるが、n電極が形成された部位の基板には該n電極による遮蔽によって太陽光が入射しないため、電極面積が大きいと変換効率が低下する。受光面側の電極によるこのような変換効率の損失をシャドウロスという。
受光面に電極がない裏面電極型光電変換装置においては、電極によるシャドウロスがなく、入射する太陽光をほぼ100%光電変換装置に取り込むことができるため、原理的に高変換効率が実現可能である。このような裏面電極型光電変換装置の例として、特開2007―19259号公報が挙げられる。
図11は、従来の裏面電極型の光電変換装置の構造を示す概略断面図である。半導体基板50の裏面に高濃度p型ドーピング領域52と高濃度n型ドーピング領域53が交互に設けられている。半導体基板50の表面には、たとえばシリコン酸化膜や、シリコン窒化膜などからなるパッシベーション膜51が形成されており、これによって表面再結合が抑制されている。裏面に設けられたp領域のコンタクトホール56およびn領域のコンタクトホール57をそれぞれ介し、高濃度p型ドーピング領域52にはp電極54が、高濃度n型ドーピング領域53にはn電極55がそれぞれ接続され、光電変換により得られた電流が取り出される。受光面のパッシベーション膜51は反射防止膜としての働きも兼ねている。図11からわかるように、p型ドーピング領域、n型ドーピング領域、p電極、n電極は全て裏面に形成されており、受光面には光をさえぎるものがなく、太陽光をほぼ100%取り込むことができる。
上述の従来例においては、半導体基板とp電極とn電極が直接接触していたが、光電変換装置のさらなる高効率化の方法として、金属電極部と半導体基板の間にさらにパッシベーション膜を挿入したいわゆるコンタクトパッシベーション構造とし(金属電極/パッシベーション膜/半導体層)、半導体基板上でのキャリアの再結合を極力低減させる事で開放電圧Vocの改善および効率の改善が得られている。この場合、パッシベーション膜の膜厚は、十分なトンネル電流を流すために薄くする必要がある。参考文献1(Dimitri Zielke Physica statuts solidi Rapid Research letters Volume 5 Issue 8 page 298-300)によればドーピング領域の上のパッシベーション膜の膜厚が2nmより大きくなると直列抵抗が大きくなる。
Dimitri Zielke Physica statuts solidi Rapid Research letters Volume 5 Issue 8 page 298-300
しかしながら、上述の光電変換装置のコンタクトパッシベーション構造においては、パッシベーション層膜厚を厚くすると直列抵抗が増加し、パッシベーション層膜厚を薄くするとキャリア再結合が増加するという、相反する課題を解決することが困難であった。また、半導体基板とp電極とn電極が直接接触している光電変換装置においても、コンタクトホール部で直列抵抗が存在し、FFの低下が存在していた。このように、従来の光電変換装置では、半導体基板と電極の間の直列抵抗が変換効率低下の原因となっていた。
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、半導体基板と電極の間の直列抵抗を減少させて、変換効率の高い光電変換装置を得ることを目的とする。
本発明の光電変換装置は、半導体基板と半導体基板に形成した第1導電型領域と、第1導電型領域と電気的に接続する電極とを有し、第1導電型領域は電極と相対する電極領域を有し、電極領域に結晶欠陥を有するものである
また、本発明の光電変換装置は、半導体基板上に形成した誘電体層を有し、第1導電型領域は、誘電体層上に設けられてなるものである。
また、本発明の光電変換装置は、半導体基板上に形成した誘電体層を有し、第1導電型領域は、誘電体層上に設けられてなるものである。
また、本発明の光電変換装置は、第1導電型領域は、電極領域以外の非電極領域を有し、前記電極領域の第1導電型不純物濃度は、非電極領域の第1導電型不純物濃度よりも高いという特徴を有するものである。
また、本発明の光電変換装置は、第1導電型領域は、電極領域以外の非電極領域を有し、電極領域における結晶欠陥の面密度は、非電極領域における結晶欠陥の面密度よりも高いという特徴を有するものである。
また、本発明の光電変換装置は、誘電体層は、第1の誘電体層と、前記第1の誘電体層の上に形成された第2の誘電体層からなり、第1導電型領域と前記電極の間に、第1の誘電体層または第2の誘電体層のいずれかが介挿されたものである。
また、本発明の光電変換装置は、結晶欠陥の面密度は550個/cm2以上100,000個/cm2以下である特徴を有するものである。
また、本発明の光電変換装置は、誘電体層の厚さは、0.1nm以上4.5nm以下であるという特徴を有するものである。。
本発明によれば、半導体基板と電極の間の直列抵抗成分を小さくすることができるので、光電変換装置の変換効率を向上させることができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る説明する。以下の説明では同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについて詳細な説明は繰り返さない。
(実施の形態1)
図1は本発明の光電変換装置の断面模式図である。図1において、n型シリコン基板10の受光面と反対側の面に、リン(P)などの第1の導電型であるn型ドーパントをドープしたn型領域11と、ホウ素(B)などの第2の導電型であるp型ドーパントをドープしたp型領域12が形成されている。n型領域11およびp型領域12は、n型シリコン基板10の受光面と反対側の面に、ドーパントを熱拡散したり、ドーパントイオンをイオン注入することにより形成することができる。
図1は本発明の光電変換装置の断面模式図である。図1において、n型シリコン基板10の受光面と反対側の面に、リン(P)などの第1の導電型であるn型ドーパントをドープしたn型領域11と、ホウ素(B)などの第2の導電型であるp型ドーパントをドープしたp型領域12が形成されている。n型領域11およびp型領域12は、n型シリコン基板10の受光面と反対側の面に、ドーパントを熱拡散したり、ドーパントイオンをイオン注入することにより形成することができる。
n型領域11およびp型領域12上には誘電体層13が形成されている。誘電体層としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウムなどが用いられ、プラズマCVD法やALD法(Atomic Layer Deposition)などを用いて形成することができる。ここでは、誘電体層として酸化シリコンを使用した。
誘電体層13を介してn型領域11上にn電極14が設けられている。n電極14がn型領域に相対している部分において、n型領域11は、n電極14と接していないが、誘電体層13が薄いために、トンネル効果によって、n型領域11とn電極14とは電気的に接続している。
また、誘電体層13を介してp型領域12上にp電極15が設けられている。p型領域12がp電極15に相対している部分において、p型領域12はp電極15と接していないが、誘電体層13が薄いために、トンネル効果によって、p型領域12とp電極15とは電気的に接続している。
さらに、p型領域12がp電極15に相対している部分において、誘電体層13との界面付近に結晶欠陥領域16が形成されている。
p型領域12がp電極15に相対する部分に、結晶欠陥を含む結晶欠陥領域16を形成することにより、p型領域と誘電体層の界面に空間電荷が導入されることで、薄い誘電体層を介したトンネル電流が流れやすくなるため、誘電体層13の直列抵抗を低減することができる。なお、結晶欠陥領域16は、p型領域12がp電極15に相対する部分と完全に一致している必要はない。
n型シリコン基板10の受光面側は、テクスチャ加工がされてなり、窒化シリコン、酸化チタンなどからなる反射防止膜17が形成されている。反射防止膜17はn型シリコン基板10の受光面のパッシベーション機能も有する。
図2は、本発明の光電変換装置を電極側から見た部分拡大図であり、光電変換装置1の電極形成面の一部の拡大図である。n型領域11は、誘電体層13の下方であって、n型シリコン基板10上の円形の領域で、その円形の内部はn型シリコン基板10よりもn型ドーパントの濃度が高い領域である。n電極14は、誘電体層13の上方にあって、円形のn型領域11のほぼ中央に位置している。
p型領域12は、n型シリコン基板10上に設けられ、n型領域11を取り囲むように形成されている。円形のp電極15は、誘電体層13上にあって、p型領域12上に設けられている。p電極15直下のp型領域12に、結晶欠陥領域16が設けられている。p電極15と結晶欠陥領域16は、シリコン基板の法線方向からみたときに丁度重なり合うように形成してもよいが、図2に記載のように、結晶欠陥領域16をp電極15より小さく形成することで、p電極15下のn型シリコン基板のパッシベーション性をより向上することができるので好ましい。
n型領域11およびp型領域12はn型シリコン基板10の受光面とは反対側の面に、それぞれ、リンなどのn型のドーパントとホウ素などのp型のドーパントを拡散させることで形成される。さらに、結晶欠陥領域16においては、ホウ素などのp型のドーパントをイオン注入することにより、第1導電型不純物濃度(ホウ素濃度)をより高めるとともに、イオン注入領域のシリコン基板上のp型領域表面には結晶欠陥が導入される。結晶欠陥領域16の不純物濃度(ホウ素濃度)5×1018〜2×1020atoms/cm3程度である。結晶欠陥領域16以外のp型領域12の不純物濃度(ホウ素濃度)は1×1017〜1×1019atoms/cm3程度である。すなわち、結晶欠陥領域16のホウ素濃度は、結晶欠陥領域以外のホウ素濃度に対して高くなる。
その結果、結晶欠陥が含まれる第1導電型の領域の第1導電型不純物濃度は、結晶欠陥が含まれる第1導電型の領域以外の領域である第2領域の第1導電型不純物濃度よりも高くなる。
また、第1導電型の領域における結晶欠陥の面密度は、第2領域の結晶欠陥の面密度よりも高くなる。
n型領域およびp型領域のうち、電極直下でない領域では表面不純物濃度を比較的低く抑えてパッシベーション効果を高める一方で、電極直下の領域は不純物を高濃度にドープして抵抗ロスを低減する構造にすることで、高出力を得ることができる。
高出力化のためにn型のシリコン基板を用いる場合には、p型領域を形成するためにイオン注入する元素はホウ素等のp型ドーパントを選択する。通常、ホウ素のイオン注入ではイオン注入に起因する欠陥を取り除くための熱処理として1050℃以上の高温のアニールが必要になるが、その温度でアニールを行うと、ドーパント以外の不純物起因の欠陥の生成などにより、シリコン基板のバルクライフタイムが大きく低下してしまう。
そこで、裏面のp型領域は拡散法で形成し、続いて、電極に相対する部分の、結晶欠陥領域を作りたいp型領域だけにホウ素をイオン注入法でイオン注入して、高濃度にドーピングすることにより、セレクティブ・エミッタ構造を形成する。その結果、イオン注入されたp型領域には、イオン注入工程に起因する結晶欠陥が形成される。しかし、イオン注入されていないp型領域ではイオン注入工程に起因する結晶欠陥が形成されない。この状態でアニール温度を900〜950℃程度に低く抑えてアニールを行うと、シリコン基板全体のバルクライフタイムを損なうことはない。また、p電極直下のp型領域にのみイオン注入により高濃度ドープするため、その部分だけ結晶欠陥が残る。このようにして、結晶欠陥領域が形成される。
また、前記結晶欠陥領域16内の結晶欠陥の面密度は、シリコン基板の同一面の結晶欠陥領域16以外の領域と比較して、相対的に結晶欠陥の面密度が大きくなるように結晶欠陥を導入すればよい。より詳しくは、例えば、シリコン基板の同一面の結晶欠陥領域16以外の領域の結晶欠陥面密度が550個/cm2未満である場合には、シリコン基板の同一面の結晶欠陥領域16以外の領域における結晶欠陥の面密度は550個/cm2以上となるように、結晶欠陥を導入すればよい。すなわち、結晶欠陥領域16の周辺領域よりも結晶欠陥の面密度を高くすることで、結晶欠陥領域と誘電体層の界面に空間電荷が導入されることで光電変換装置の直列抵抗Rsを低減し、FFおよび変換効率の向上を実現することができる。
また、結晶欠陥の面密度Dは、下記のようにして算出する。断面TEMで結晶欠陥領域16の断面を観察した際に、結晶欠陥は結晶格子の転位線として観測される。ある断面において観測された結晶欠陥数がN[個]であり、結晶欠陥領域16の観察した幅をL[cm]である場合、
D=(N/L)2[個/cm2]
として算出することができる。なぜならば、結晶欠陥の形成に関して異方性が存在しないため、直交する2つの断面でTEM観察をした場合に、どの方向においても結晶欠陥線密度はN/Lになると考えられる。したがって、面密度は、結晶欠陥の線密度N/Lの2乗として導くことができる。このようにして、断面TEM画像から結晶欠陥の面密度を算出する。また、ウェハ表面を上方からTEMで観察して結晶欠陥が確認できる場合は、ウェハ表面の観察画像から結晶欠陥の面密度を直接算出してもよい。
D=(N/L)2[個/cm2]
として算出することができる。なぜならば、結晶欠陥の形成に関して異方性が存在しないため、直交する2つの断面でTEM観察をした場合に、どの方向においても結晶欠陥線密度はN/Lになると考えられる。したがって、面密度は、結晶欠陥の線密度N/Lの2乗として導くことができる。このようにして、断面TEM画像から結晶欠陥の面密度を算出する。また、ウェハ表面を上方からTEMで観察して結晶欠陥が確認できる場合は、ウェハ表面の観察画像から結晶欠陥の面密度を直接算出してもよい。
ホウ素のイオン注入によって、電極直下のp型領域に酸素積層欠陥が生じるが、それらは、アニール工程によりシリコン基板表面に移動し、シリコン基板表面で消失していく。このとき、アニール工程の時間を調整して半導体基板表面に欠陥が残るようにする。結晶欠陥の密度はアニール工程の時間をコントロールすることで実現できる。結晶欠陥を所定の密度で残すことで、パッシベーション効果を得つつ直列抵抗を低減したセル構造が実現できる。
尚、n電極直下もリンなどのn型ドーパントを拡散ではなくイオン注入により導入してもよい。その場合、シリコン基板の表面がアモルファス化し、アニール工程で再結晶するといった経過をたどり、ホウ素のイオン注入の場合と比較して結晶欠陥は残りにくいので、n電極直下には結晶欠陥領域は形成されない。
図3は、結晶欠陥領域の欠陥の密度と、セルの特性との関係を示す図であり、図1の光電変換装置の結晶欠陥領域16の欠陥密度を変化させて、セルの特性を測定したものである。各実施例および比較例において、セル特性の最高到達点を相対値で示している。曲線因子FF、開放電圧Voc、短絡電流Isc、変換効率ηは、比較例1の特性を基準とした相対値である。比較例1のp電極直下には結晶欠陥はほとんどない。一方、実施例1乃至4、および、比較例2は、イオン注入後のアニール工程をコントロールして、電極直下のp型領域に結晶欠陥を設けたものであり、アニール条件によって結晶欠陥領域における結晶欠陥の個数を変化させている。
実施例1乃至4は、結晶欠陥のない比較例1に比べて変換効率ηが1%以上向上している。一方、比較例2は結晶欠陥が多すぎてキャリアの再結合が増大して変換効率は向上しなかった。
図4は、欠陥密度と変換効率の関係を示す図であり、表1における欠陥密度と変換効率ηとの関係をグラフに示したものである。変換効率ηは、結晶欠陥がないものを1としたときの相対値である。欠陥を形成しない比較例1に対して1%以上変換効率ηが向上する(1.01倍以上となる)ラインを点線で示した。表1によれば、前記結晶欠陥は550個/cm2以上100,000個/cm2以下において、結晶欠陥領域がない比較例に比べて変換効率が相対値で1%以上向上していることがわかる。
図5は、結晶欠陥を示す断面図であり、p電極直下の断面の透過型電子顕微鏡(TEM)による断面写真である。矢印で結晶欠陥の箇所を示す。図5(a)は、比較例1の断面写真であり、シリコン基板表面に結晶欠陥がない。図5(b)は、実施例1の断面写真のうちの一つである。実施例1の結晶欠陥の欠陥密度は、複数のTEM観察画像より約550個/cm2であることがわかった。図5(c)は、実施例2の断面写真であり、結晶欠陥をさらに多く残した例である。結晶欠陥の欠陥密度は、複数のTEM観察画像より約1000個/cm2であることがわかった。
図6は、誘電体層厚と光電変換装置の特性の関係を示す図である。図6(a)は、比較例1、および実施例1〜3において、誘電体層の厚さと変換効率ηとの関係を示したものである。図6(b)は、比較例1、および実施例1〜3のそれぞれにおいて、誘電体層がないときに比べて、変換効率ηが高くなる誘電体層厚の範囲を示したものである。数値は、比較例1、および実施例1〜3の誘電体層がない場合の変換効率をそれぞれ基準とした相対値である。したがって、数値が1以上であれば、各例の誘電体層がない場合に比べて変換効率ηが高いことを示している。
結晶欠陥がない比較例1は、誘電体層による効率向上の効果がある膜厚の範囲が0.1nmから1.5nmの範囲であるが、結晶欠陥領域を設けた実施例は全て、誘電体層の効果のある膜厚の範囲が大きくなっている。特に、実施例3の場合、誘電体層の厚みが0.1nm以上4.5nm以下の広い範囲において、電極直下に誘電体層がないものに対して変換効率が向上することがわかる。
結晶欠陥領域を形成することで、電極と導電型層の間の直列抵抗Rsが低減され、誘電体層がない場合に対して効率の向上する誘電体層の厚さの範囲が大きくなっている。すなわち、誘電体層として許容される膜厚の範囲が広がる。また、膜厚を適切にコントロールしたときの、変換効率の最大値も大きくなっている。
また、電極層下の導電型層に導入した欠陥密度が大きくなるほど、変換効率が向上する誘電体層の膜厚の範囲が大きい側に広がる。これは、欠陥導入量の増加により電極と導電型層の間の直列抵抗Rsが低減されるため、誘電体層を厚くしても直列抵抗Rsが増加しにくいので、パッシベーション効果としての開放電圧Voc向上と直列抵抗Rs低減を両立できるからである。
比較例1のように、変換効率が向上する誘電体層の膜厚の範囲が狭い場合は、電極直下の誘電体層の厚さがばらつくと、変換効率の低下およびばらつき増加の原因になるが、変換効率が向上する誘電体層の膜厚の範囲が広い場合には、誘電体層の厚さのばらつきが変換効率に及ぼす影響を小さくすることができる。結果として、生産条件のばらつきに対して安定して高い変換効率が得られるので、生産における平均変換効率の向上および生産歩留の向上を実現することができる。
上記の実施例においては、n型半導体基板を使用したがp型半導体基板を用いても良い。
(実施の形態2)
図7は、本発明の第2の実施の形態である光電変換装置の断面模式図である。誘電体層と電極以外の構成は図1に示す光電変換装置と同じである。図7(a)において、n型シリコン基板20の受光面と反対側に、リン(P)などのn型ドーパントをドープしたn型領域21と、ホウ素(B)などのp型ドーパントをドープしたp型領域22が形成されている。n型領域21およびp型領域22上には酸化シリコンや窒化シリコンの誘電体層23が形成されている。
図7は、本発明の第2の実施の形態である光電変換装置の断面模式図である。誘電体層と電極以外の構成は図1に示す光電変換装置と同じである。図7(a)において、n型シリコン基板20の受光面と反対側に、リン(P)などのn型ドーパントをドープしたn型領域21と、ホウ素(B)などのp型ドーパントをドープしたp型領域22が形成されている。n型領域21およびp型領域22上には酸化シリコンや窒化シリコンの誘電体層23が形成されている。
また、誘電体層23を介してn型領域11上にn電極24が設けられている。また、誘電体層23を介してp型領域22上にp電極25が設けられている。n電極24およびp電極25の直下の誘電体層23は、厚さが他の部分よりも薄くなっている。誘電体層23は第1の誘電体層23aと第2の誘電体層23bの2層からなるが、p型領域22がp電極25に相対している電極直下の誘電体層は第2の誘電体層23bだけが存在し、厚さが薄くなっている。
上記のような構造は、例えば以下に示す工程で作成される。まず、n型シリコン基板20の受光面と反対側に、n型領域21とp型領域22を形成後、p型領域上に結晶欠陥領域26を形成する。続いて、第1の誘電体層23aを70〜80nm程度形成する。次に、n電極24とp電極25を形成する位置に、n型領域とp型領域に達する開口部を形成する。次に、第2の誘電体層23bを0.5〜1.5nm形成し、次に、n電極24とp電極25を第2の誘電体層23b上に形成することにより作成することができる。
このように、第1の誘電体層23aと第2の誘電体層23bとを形成することにより、n電極24、p電極25がそれぞれ、厚く形成された第1の誘電体層の開口部において、薄く形成された第2の誘電体層を介してn型領域およびp型領域と近距離で相対することができる。これにより、各電極と導電型領域間の直列抵抗を軽減することができる。さらに、n電極24、p電極25に相対していない、n型領域21およびp型領域22上の誘電体層を厚くすることができるので、結果としてパッシベーション効果を高めて高いVocおよび光電変換効率を得ることができる。
p電極25直下のp型領域22において、誘電体層23との界面付近に結晶欠陥領域26が形成されている。これにより、p型領域と誘電体層の界面に空間電荷が導入されることで、薄い誘電体層を介したトンネル電流が流れやすくなるため、誘電体層23の直列抵抗を低減することができる。
また、n型シリコン基板20の受光面と反対側の面は、結晶欠陥が導入されることにより、微小な凹凸が形成されている。凹凸の高さは、0.5〜5nmである。このように、微小な凹凸を形成することにより、第1の誘電体層23aの開口部において、第2の誘電体層23bを介したn電極24とn型領域11の電気的な導通がとりやすくなるので、直列抵抗を低減し、FFおよび変換効率を向上することができる。
n型シリコン基板20の受光面側は、テクスチャ加工がされてなり、窒化シリコン、酸化チタンなどで形成された、反射防止膜27が形成されている。反射防止膜27はシリコン基板受光面のパッシベーション機能も有する。
また、図7(b)に示すように、n電極24’またはp電極25’が誘電体層23aの開口部以外の部分、すなわち、電極がn型領域またはp型領域に相対している部分以外の誘電体層上にも形成されていてもよい。この場合、p電極24’とn電極25’の間は、短絡しない程度の間隙が設けられている。
(実施の形態3)
図8は、本発明の第3の実施の形態である光電変換装置の断面模式図である。誘電体層と電極以外の構成は、図1に示す光電変換装置と同じである。
図8は、本発明の第3の実施の形態である光電変換装置の断面模式図である。誘電体層と電極以外の構成は、図1に示す光電変換装置と同じである。
図8においてn型シリコン基板30の受光面と反対側に、リン(P)などのn型ドーパントをドープしたn型領域31と、ホウ素(B)などのp型ドーパントをドープしたp型領域32が形成されている。n型領域31およびp型領域32上には酸化シリコンや窒化シリコンの誘電体層33が形成されている。誘電体層33には開口部が設けられており、n型領域31上の開口部にn電極34が設けられている。p型領域32上の開口部にp電極35が設けられている。実施の形態1および2との差異は、各導電型領域と電極が誘電体層を介さず直接接触する領域があることである。
p型領域32がp電極35に相対している部分において、p電極35との界面付近に結晶欠陥領域36が形成されている。結晶欠陥領域36を形成することにより、欠陥を介した電流が流れやすくなるためp型領域32とp電極35の界面の直列抵抗を小さくすることができる。
尚、結晶欠陥領域が形成されて直列抵抗が低減されたとしても、受光面と反対側の面に誘電体層のない構造では、結晶欠陥がキャリア再結合を助長する効果が大きくなるために、却って、変換効率が低下する。よって、受光面と反対側の面において、電極と各導電型領域が直接接触する領域以外の部分は、適切な厚さの誘電体層で略覆われている必要がある。
n型シリコン基板30の受光面側は、テクスチャ加工がされてなり、窒化シリコン、酸化チタンなどで形成された、反射防止膜37が形成されている。反射防止膜37はシリコン基板受光面のパッシベーション機能も有する。
(実施の形態4)
図9は、本発明の第4の実施の形態である光電変換装置の断面模式図である。誘電体層と電極および結晶欠陥領域以外の構成は、図1に示す光電変換装置と同じである。
図9は、本発明の第4の実施の形態である光電変換装置の断面模式図である。誘電体層と電極および結晶欠陥領域以外の構成は、図1に示す光電変換装置と同じである。
図9において、n型シリコン基板40の受光面と反対側に、リン(P)などのn型ドーパントをドープしたn型領域41と、ホウ素(B)などのp型ドーパントをドープしたp型領域42が形成されている。n型領域41およびp型領域42上には酸化シリコンや窒化シリコンの誘電体層43が形成されている。誘電体層43には開口部48が設けられており、n型領域41上の開口部48aに対応する位置にn電極44が設けられている。また、p型領域42上の開口部48bに対応する位置であるp電極45が設けられている。
開口部48aは、誘電体層43上にあるn電極44よりも小さくなっており、n電極44の下部であるn電極44aは、開口部48aの形状に従って細くなっている。また、開口部48bは、誘電体層43上にあるp電極45よりも小さくなっており、p電極45の下部であるp電極45aは、開口部48bの形状に従って細くなっている。結晶欠陥領域46は、p型領域が開口部に相対している部分である、p型領域42がp電極45に相対している部分にある。
n型シリコン基板40の受光面側は、テクスチャ加工がされてなり、窒化シリコン、酸化チタンなどで形成された、反射防止膜47が形成されている。反射防止膜47はシリコン基板受光面のパッシベーション機能も有する。
図10は、開口部の面積の異なる光電変換装置の変換効率を比較した図である。結晶欠陥領域46を設けた光電変換装置は、結晶欠陥領域のない従来の光電変換装置に比べて変換効率ηが大きくなっている。さらに、開口部を小さくして誘電体層上の電極面積の5〜10%程度の面積の開口部をもった光電変換装置は、さらに変換効率ηが高くなることがわかる。同図において、曲線因子FF、開放電圧Voc、変換効率ηは、従来の構造を1としたときの相対値である。
結晶欠陥領域46によって、直列抵抗が減少するので、開口部48を小さくすることができる。開口部48を小さくすることにより、誘電体層43の占める割合が増えるので、パッシベーション効果が向上するためVoc、FFおよび変換効率を向上することができる。
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。
10、20、30、40…n型シリコン基板
11、21、31、41…n型領域
12、22、32、42…p型領域
13、23、33、43…誘電体層
14、24、24’、34、44、44a…n電極
15、25、25’、35、45,45a…p電極
16、26、36、46…結晶欠陥領域
17、27、37、47…反射防止膜
23a…第1の誘電体層
23b…第2の誘電体層
48、48a、48b…開口部
11、21、31、41…n型領域
12、22、32、42…p型領域
13、23、33、43…誘電体層
14、24、24’、34、44、44a…n電極
15、25、25’、35、45,45a…p電極
16、26、36、46…結晶欠陥領域
17、27、37、47…反射防止膜
23a…第1の誘電体層
23b…第2の誘電体層
48、48a、48b…開口部
Claims (7)
- 半導体基板と
前記半導体基板に形成した第1導電型領域と、
前記第1導電型領域と電気的に接続する電極とを有し、
前記第1導電型領域は電極と相対する電極領域を有し、
前記電極領域に結晶欠陥を有する光電変換装置。 - 前記半導体基板上に形成した誘電体層を有し、
前記第1導電型領域は、前記誘電体層上に設けられている、
請求項1記載の光電変換装置。 - 前記第1導電型領域は、
前記電極領域以外の非電極領域を有し、
前記電極領域の第1導電型不純物濃度は、前記非電極領域の第1導電型不純物濃度よりも高い請求項1乃至2記載記載の光電変換装置。 - 前記第1導電型領域は、
前記電極領域以外の非電極領域を有し、
前記電極領域における結晶欠陥の面密度は、前記非電極領域における結晶欠陥の面密度よりも高い請求項1乃至3記載の光電変換装置。 - 前記誘電体層は、第1の誘電体層と、前記第1の誘電体層の上に形成された第2の誘電体層からなり、
前記第1導電型領域と前記電極の間に、前記第1の誘電体層または前記第2の誘電体層のいずれかが介挿された請求項1から4のいずれかに記載の光電変換装置。 - 前記結晶欠陥の面密度は550個/cm2以上100,000個/cm2以下である請求項1から5のいずれかに記載の光電変換装置。
- 前記誘電体層の厚さは、0.1nm以上4.5nm以下である請求項1から6のいずれかに記載の光電変換装置。
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