JP2688219B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents

Photoelectric conversion element

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JP2688219B2
JP2688219B2 JP63227497A JP22749788A JP2688219B2 JP 2688219 B2 JP2688219 B2 JP 2688219B2 JP 63227497 A JP63227497 A JP 63227497A JP 22749788 A JP22749788 A JP 22749788A JP 2688219 B2 JP2688219 B2 JP 2688219B2
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conversion element
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賢司 宮地
信弘 福田
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三井東圧化学株式会社
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は光電変換素子の高性能化に関し、とくに、開
放端電圧を高めることにより、光電変換素子の高効率化
を図る技術に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to improving the performance of a photoelectric conversion element, and more particularly to a technology for increasing the efficiency of a photoelectric conversion element by increasing the open circuit voltage.

〔背景技術〕(Background technology)

光電変換素子は電卓や時計を駆動するための、出力の
小さいエネルギー供給源としてすでに実用化されてい
る。しかしながら、出力の大きいデバイスのためのエネ
ルギー供給源としては、性能不足であり、性能向上をめ
ざして、各種の検討が実施されている。しかして、太陽
電池の光電変換効率は開放端電圧、短絡電流ならびに曲
線因子の積で表される。各種の検討の結果、短絡電流な
らびに曲線因子については、現在の到達値は、理論的に
予想される値に近づいてきたが、こと開放端電圧に関し
ては、未だ充分改善されていない。開放端電圧を改善す
るためには、p型半導体薄膜の光電特性を改善せねばな
らず、特に、その光学バンドギャップの拡大と電気伝導
率の向上を同時に行わねばならないところに技術の困難
性があった。なんとなれば、光学バンドギャップを拡大
すると、一般的に電気伝導率が低下して仕舞うからであ
る。
Photoelectric conversion elements have already been put into practical use as low-output energy supply sources for driving calculators and watches. However, performance is insufficient as an energy supply source for a device with a large output, and various studies have been carried out to improve the performance. Therefore, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is represented by the product of the open circuit voltage, the short circuit current and the fill factor. As a result of various studies, the current reached values of the short-circuit current and the fill factor have come close to the theoretically expected values, but the open-circuit voltage has not been sufficiently improved. In order to improve the open-circuit voltage, the photoelectric characteristics of the p-type semiconductor thin film must be improved, and in particular, the technology has difficulty in that the optical bandgap and the electrical conductivity must be increased at the same time. there were. This is because, if the optical band gap is widened, the electrical conductivity generally decreases and the operation ends.

これらを満足する材料として、微結晶薄膜が提案され
ており、我々は、プラズマCVD法や光CVD法のような従来
技術を用いて、透明電極上にp型微結晶薄膜を形成すべ
き成膜条件で薄膜の形成を試みたが、結果的には、光電
変換素子の開放端電圧は実質的に向上せず、光電変換効
率の改善にはつながらないことを見出した。このよう
に、p型の微結晶薄膜を光電変換素子に必要十分な50Å
〜500Åの膜厚において、透明電極上に形成することは
極めて困難なのか、あるいはまた、p型微結晶薄膜形成
条件により、透明電極が損傷を受けたために性能改善に
つながらなかったのか、現在の技術水準においては明ら
かではないが、とにかく、p型微結晶薄膜を用いての性
能改善は充分達成されていないのである。
A microcrystalline thin film has been proposed as a material that satisfies these requirements, and we are using a conventional technique such as a plasma CVD method or an optical CVD method to form a p-type microcrystalline thin film on a transparent electrode. An attempt was made to form a thin film under the conditions, but as a result, it was found that the open circuit voltage of the photoelectric conversion element did not substantially improve, which did not lead to improvement in photoelectric conversion efficiency. In this way, a p-type microcrystalline thin film is needed for the photoelectric conversion element at 50 Å
Is it extremely difficult to form on a transparent electrode with a film thickness of ~ 500Å, or is it not possible to improve performance because the transparent electrode was damaged due to the p-type microcrystalline thin film forming conditions? Although it is not clear in the state of the art, anyway, the performance improvement using the p-type microcrystalline thin film has not been sufficiently achieved.

〔発明の基本的着想〕[Basic idea of invention]

本発明者らは、かかる問題を解決するために、鋭意検
討をかさねた結果、高導電性のn型の半導体薄膜は形成
され易く、透明電極上にも用意に形成されるうえ、p型
の微結晶薄膜との間にpn接合は整流性を示さないので、
異種材料上よりも、シリコン材料上においてp型の微結
晶薄膜が形成されやすいであろう、と云う新規な着想を
得、かかる着想に基づき高導電性のn型の半導体薄膜を
透明電極上に形成した後、p型の微結晶薄膜を形成して
光電変換素子を形成することにより、高い開放端電圧を
有する光電変換素子の形成が可能になることを見出し、
本発明を完成した。
The inventors of the present invention have made extensive studies in order to solve such a problem, and as a result, a highly conductive n-type semiconductor thin film is easily formed, is easily formed on a transparent electrode, and is p-type. Since the pn junction with the microcrystalline thin film does not show rectification,
A new idea is obtained that a p-type microcrystalline thin film may be formed on a silicon material more easily than on a different material, and based on this idea, a highly conductive n-type semiconductor thin film is formed on a transparent electrode. It was found that it is possible to form a photoelectric conversion element having a high open-circuit voltage by forming a p-type microcrystalline thin film to form a photoelectric conversion element after the formation.
The present invention has been completed.

〔発明の開示〕[Disclosure of the Invention]

すなわち、本発明に従えば、透光性基板、透明電極、
p型半導体薄膜、i型半導体薄膜、n型半導体薄膜、裏
面電極の順に積層して形成された光電変換素子におい
て、該透明電極とp型半導体薄膜の間に、高導電性のn
型の半導体薄膜を介在せしめてなる光電変換素子であ
り、 好ましくは導電率が0.0001S/cm以上さらに好ましくは
導電率が0.01S/cm以上、より一層好ましくは0.1S/cm以
上のn型の半導体薄膜を介在せしめてなる光電変換素子
が提供されるものであり、 これにより、開放端電圧が充分高められた、高い光電変
換効率を有する素子が提供される。
That is, according to the present invention, a transparent substrate, a transparent electrode,
In a photoelectric conversion element formed by laminating a p-type semiconductor thin film, an i-type semiconductor thin film, an n-type semiconductor thin film, and a back electrode in this order, a highly conductive n-type film is provided between the transparent electrode and the p-type semiconductor thin film.
Type photoelectric conversion element having a semiconductor thin film interposed therein, preferably an electric conductivity of 0.0001 S / cm or more, more preferably an electric conductivity of 0.01 S / cm or more, and even more preferably 0.1 S / cm or more. A photoelectric conversion element having a semiconductor thin film interposed therein is provided, which provides an element having a sufficiently high open circuit voltage and high photoelectric conversion efficiency.

以下、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の光電変換素子の構成を模式的に示したもの
が、第1図である。
FIG. 1 schematically shows the configuration of the photoelectric conversion element of the present invention.

すなわち、透光性基板1、透明電極2、p型半導体薄
膜4、i型半導体薄膜5、n型半導体薄膜6、裏面電極
7の順に積層して形成された光電変換素子において、該
透明電極2とp型半導体薄膜4の間に、高導電性のn型
の半導体薄膜3を介在せしめてなる素子である。
That is, in the photoelectric conversion element formed by laminating the transparent substrate 1, the transparent electrode 2, the p-type semiconductor thin film 4, the i-type semiconductor thin film 5, the n-type semiconductor thin film 6, and the back electrode 7 in this order, the transparent electrode 2 And a p-type semiconductor thin film 4 between which a highly conductive n-type semiconductor thin film 3 is interposed.

なお、第2図は、従来の光電変換素子の構成を示し、
高導電性のn型の半導体薄膜3の介在のない、単なる透
光性基板1、透明電極2、p型半導体薄膜4、i型半導
体薄膜5、n型半導体薄膜6、裏面電極7の順に積層し
て形成された光電変換素子を示す。
Incidentally, FIG. 2 shows the structure of a conventional photoelectric conversion element,
A transparent substrate 1, a transparent electrode 2, a p-type semiconductor thin film 4, an i-type semiconductor thin film 5, an n-type semiconductor thin film 6, and a back electrode 7 are laminated in this order without the interposition of a highly conductive n-type semiconductor thin film 3. The photoelectric conversion element thus formed is shown.

本発明のもっとも特徴とするところは、透明電極2と
p型半導体薄膜4の間に、高導電性のn型の半導体薄膜
3を介在せしめる点にあるが、かかる高導電性のn型の
半導体薄膜としてはn型の微結晶薄膜やアモルファス薄
膜を用いることができる。n型の微結晶薄膜はn型の微
結晶シリコン薄膜、炭素含有微結晶シリコン薄膜、微結
晶シリコンカーバイド薄膜等を有効に用いることが可能
である。n型のアモルファス薄膜としては、アモルファ
スシリコン薄膜、アモルファスシリコンカーボン薄膜等
を有効に用いることができる。これらn型半導体薄膜
は、分子内にシリコンを有する化合物や炭化水素ガス等
に、ホスフィンやアルシン等の周期律表の第V族の化合
物、ならびに水素を混合して、プラズマCVD(化学気相
堆積)法や光CVD(化学気相堆積)法を適用することに
より容易に形成される。さらに、当該原料ガスをヘリウ
ムやアルゴン等の不活性ガスで希釈することは、なん
ら、本発明の効果を妨げるものではない。形成条件とし
ては、形成温度は100〜400℃、好ましくは175〜300℃、
とくに好ましくは200〜250℃であり、形成圧力は0.01〜
5Torr、好ましくは0.03〜1.5Torr、特に好ましくは0.03
5〜1.0Torrで行われる。これらの形成条件をこの範囲内
で適当に選択することにより、導電率Sの価を制御する
ことが出来る。例えば、形成圧力一定として形成温度を
高くしていくと、S値は増加し、さらに高くすると、逆
に減少する等を条件選択の際の指針として考慮すべきで
ある。なお、上記した範囲以外の条件では所定の導電率
を得ることは出来ないのである。
The most characteristic feature of the present invention is that the highly conductive n-type semiconductor thin film 3 is interposed between the transparent electrode 2 and the p-type semiconductor thin film 4. An n-type microcrystalline thin film or an amorphous thin film can be used as the thin film. As the n-type microcrystalline thin film, an n-type microcrystalline silicon thin film, a carbon-containing microcrystalline silicon thin film, a microcrystalline silicon carbide thin film, or the like can be effectively used. An amorphous silicon thin film, an amorphous silicon carbon thin film, or the like can be effectively used as the n-type amorphous thin film. These n-type semiconductor thin films are formed by mixing a compound having silicon in the molecule, a hydrocarbon gas, etc., with a group V compound of the periodic table such as phosphine, arsine, etc., and hydrogen, and plasma CVD (chemical vapor deposition). ) Method or optical CVD (Chemical Vapor Deposition) method is applied. Further, diluting the source gas with an inert gas such as helium or argon does not hinder the effect of the present invention. As the forming conditions, the forming temperature is 100 to 400 ° C, preferably 175 to 300 ° C,
Particularly preferably, it is 200 to 250 ° C., and the forming pressure is 0.01 to
5 Torr, preferably 0.03 to 1.5 Torr, particularly preferably 0.03
It is done at 5 to 1.0 Torr. By appropriately selecting these forming conditions within this range, the value of the conductivity S can be controlled. For example, when the forming pressure is kept constant and the forming temperature is increased, the S value is increased, and when it is further increased, the S value is decreased. In addition, under the conditions other than the above range, it is not possible to obtain the predetermined conductivity.

本発明において、n型半導体薄膜の必要厚みは5Å以
上高々100Åで十分である。好ましくは、10Å〜50Åで
ある。5Å未満では、薄膜形成の効果を奏することは出
来ないし、また、逆に100Åを越えて形成した場合に
は、開放端電圧の改善効果を電流の低下が打ち消して発
明の効果を達成出来ない。なお、現在の技術において
は、100Å以下で透明電極上に形成されたn型半導体薄
膜自体の導電率を直接測定評価し、これが充分高いこ
と、好ましくは0.0001S/cmの薄膜が形成されていること
を十分確認することは基本的に困難ではある。しかしな
がら、本発明において、n型半導体薄膜として有効な薄
膜は、直接測定可能な程度の十分な厚み、例えば、1000
Å程度以上の膜厚に形成したときに十分な高導電率、例
えば、0.0001S/cm以上の導電率を有するn型微結晶薄膜
であればよいのである。すなわち、絶縁性の基板、たと
えば、ガラス基板上に、測定可能な程度の十分厚い例え
ば1000Å以上の膜厚に堆積することにより、導電率を直
接測定することができるので、この測定により、本発明
に必要な導電率を有するn型半導体薄膜が形成される条
件(n型半導体薄膜の形成条件)において、100Å以下
で、必要膜厚に相当する成膜時間を成膜速度から算出し
て、形成することによって所定の厚みを有する本発明の
目的とするn型半導体薄膜を得ることが可能なのであ
る。
In the present invention, the required thickness of the n-type semiconductor thin film is 5 Å or more and 100 Å at most. It is preferably 10Å to 50Å. If it is less than 5Å, the effect of forming a thin film cannot be achieved, and conversely, if it is more than 100Å, the effect of the invention cannot be achieved because the reduction effect of the current cancels the improvement effect of the open end voltage. In the current technology, the conductivity of the n-type semiconductor thin film itself formed on the transparent electrode at 100 Å or less is directly measured and evaluated, and it is sufficiently high, preferably a thin film of 0.0001 S / cm is formed. Basically, it is difficult to make sure of this. However, in the present invention, a thin film that is effective as an n-type semiconductor thin film has a sufficient thickness that allows direct measurement, for example, 1000
Any n-type microcrystalline thin film having a sufficiently high conductivity when formed to have a film thickness of about Å or more, for example, 0.0001 S / cm or more is sufficient. That is, since the conductivity can be directly measured by depositing on an insulating substrate, for example, a glass substrate in a film thickness of 1000 Å or more, which is sufficiently thick enough to be measured, the present invention can be used. Under the condition that the n-type semiconductor thin film having the necessary conductivity is formed (n-type semiconductor thin film forming condition), the film forming time corresponding to the required film thickness is calculated from the film forming speed at 100Å or less By doing so, an n-type semiconductor thin film having a predetermined thickness, which is the object of the present invention, can be obtained.

本発明のおいては、p型の半導体薄膜としては、p型
の微結晶薄膜を用いることが好ましい。p型の微結晶薄
膜はp型の微結晶シリコン薄膜、炭素含有微結晶シリコ
ン薄膜、微結晶シリコンカーバイド薄膜等を有効に用い
ることができる。p型微結晶薄膜の必要厚みは50Å以上
高々400Åで十分であり、好ましくは100Å〜250Åであ
る。50Å未満の場合はp型の半導体薄膜としての作用を
十分奏することが出来ないし、また400Åを越えて形成
した場合には、開放端電圧の改善効果を電流の低下が打
ち消して発明の効果を達成できない。なお、現在の技術
においては、例えば400Å以下のp型半導体薄膜自体の
形成を直接十分に証拠だてることは困難である。しかし
ながら、本発明において、p型微結晶薄膜として有効な
薄膜は、直接測定可能な十分な厚み例えば1000Å以上の
膜厚に形成したときに、p型微結晶薄膜の性質を示すも
のであればよい。すなわち、1000Å以上の膜厚に堆積す
ることにより、X線回折を用いて、シリコン結晶に起因
する回折ピークを観測することができる。この回折ピー
クが現れる形成条件(p型微結晶薄膜の形成条件)にお
いて、400Å以下で、必要膜厚に相当する成膜時間を成
膜速度から算出して、形成することによって所定の厚み
の本発明のp型微結晶薄膜を得ることが可能である。な
お、このようなp型微結晶薄膜は、光学的バンドギャッ
プが1.9eV以上と広い状態においても、通常0.01S/cm以
上の高い導電率を有する。なお、上限については特に規
定するものではないが、通常上限値として10,000S/cm程
度が実際的な価である。
In the present invention, it is preferable to use a p-type microcrystalline thin film as the p-type semiconductor thin film. As the p-type microcrystalline thin film, a p-type microcrystalline silicon thin film, a carbon-containing microcrystalline silicon thin film, a microcrystalline silicon carbide thin film, or the like can be effectively used. The required thickness of the p-type microcrystalline thin film is 50 Å or more and at most 400 Å, and it is sufficient, preferably 100 Å to 250 Å. If it is less than 50 Å, it cannot fully function as a p-type semiconductor thin film, and if it is formed over 400 Å, the effect of the invention is achieved by canceling the improvement effect of the open end voltage by the decrease of the current. Can not. In the current technology, it is difficult to directly and sufficiently prove the formation of the p-type semiconductor thin film itself of 400 Å or less. However, in the present invention, a thin film that is effective as a p-type microcrystalline thin film may be one that exhibits the properties of a p-type microcrystalline thin film when formed to a thickness that can be directly measured, for example, 1000 Å or more. . That is, by depositing to a film thickness of 1000 Å or more, the diffraction peak due to the silicon crystal can be observed by using X-ray diffraction. Under the formation conditions (formation conditions for p-type microcrystalline thin film) in which this diffraction peak appears, the film formation time corresponding to the required film thickness is calculated from the film formation speed at 400 Å or less, and the film having a predetermined thickness is formed. It is possible to obtain the p-type microcrystalline thin film of the invention. It should be noted that such a p-type microcrystalline thin film usually has a high conductivity of 0.01 S / cm or more even when the optical bandgap is as wide as 1.9 eV or more. The upper limit is not particularly specified, but a practical upper limit is usually about 10,000 S / cm.

p型の微結晶薄膜は分子内にシリコンを有する化合
物、ジボランに代表される周期律表の第III族の化合
物、ならびに水素からなる混合ガスを原料ガスとして、
プラズマCVD(化学気相堆積)法や光CVD(化学気相堆
積)法を行うことにより容易に形成される。これらの混
合ガスに、必要に応じて炭化水素ガスやヘリウムやアル
ゴン等の不活性ガスが添加されることを、本発明は、な
んら、妨げるものではない。その形成条件は、形成温度
は150〜400℃、好ましくは175〜300℃、とくに好ましく
は200〜250℃であり、形成圧力は0.01〜5Torr、好まし
くは0.03〜1.5Torr、特に好ましくは0.035〜1.0Torrで
行われる。
The p-type microcrystalline thin film is a compound gas having silicon in the molecule, a compound of Group III of the periodic table typified by diborane, and a mixed gas consisting of hydrogen as a source gas,
It is easily formed by performing a plasma CVD (chemical vapor deposition) method or an optical CVD (chemical vapor deposition) method. The present invention does not prevent addition of a hydrocarbon gas or an inert gas such as helium or argon to the mixed gas as necessary. The forming conditions are such that the forming temperature is 150 to 400 ° C., preferably 175 to 300 ° C., particularly preferably 200 to 250 ° C., and the forming pressure is 0.01 to 5 Torr, preferably 0.03 to 1.5 Torr, and particularly preferably 0.035 to 1.0. Done in Torr.

本発明において、i型半導体薄膜は水素化シリコン薄
膜、水素化シリコンゲルマン薄膜、水素化シリコンカー
ボン薄膜等であり、光電変換素子の光活性領域を形成す
るものである。これらi型半導体薄膜は、分子内にシリ
コンを有する化合物;ゲルマン、シリルゲルマン等の分
子内にゲルマニウムを有する化合物;もしくは炭化水素
ガス等から、目的の半導体薄膜に応じて適宜選択される
原料ガスに、プラズマCVD(化学気相堆積)法や光CVD
(化学気相堆積)法を適用することにより容易に形成さ
れる。原料ガスを水素やヘリウム等で希釈して用いるこ
とや原料ガスにごく微量のジボランを添加すること等、
i型半導体薄膜形成における従来技術を併用することに
ついては、なんら、本発明の効果を妨げるものではな
い。その形成条件は、形成温度は150〜400℃、好ましく
は175〜350℃であり、形成圧力は0.01〜5Torr、好まし
くは0.03〜1.5Torrで行われる。i型半導体薄膜の膜厚
は光電変換素子の用途に応じて適宜決定されるものであ
り、本発明の限定条件ではないことは勿論である。本発
明の効果を達成するためには、1000〜10000Å程度で十
分である。
In the present invention, the i-type semiconductor thin film is a hydrogenated silicon thin film, a hydrogenated silicon germane thin film, a hydrogenated silicon carbon thin film, or the like, and forms the photoactive region of the photoelectric conversion element. These i-type semiconductor thin films are compounds having silicon in the molecule; compounds having germanium in the molecule such as germane and silylgermane; or hydrocarbon gases and the like as source gases appropriately selected according to the intended semiconductor thin film. , Plasma CVD (chemical vapor deposition) method and optical CVD
It is easily formed by applying the (chemical vapor deposition) method. Diluting the source gas with hydrogen, helium, etc., adding a very small amount of diborane to the source gas, etc.
The combined use of the conventional techniques for forming the i-type semiconductor thin film does not hinder the effect of the present invention. The forming condition is that the forming temperature is 150 to 400 ° C., preferably 175 to 350 ° C., and the forming pressure is 0.01 to 5 Torr, preferably 0.03 to 1.5 Torr. The film thickness of the i-type semiconductor thin film is appropriately determined according to the application of the photoelectric conversion element, and is not a limitation condition of the present invention. In order to achieve the effect of the present invention, about 1000 to 10000Å is sufficient.

本発明において、裏面電極に接して設けられるn型半
導体薄膜は、n型の微結晶薄膜やn型のアモルファス薄
膜が有効に用いられる。これらは、n型の微結晶シリコ
ン薄膜、炭素含有微結晶シリコン薄膜、微結晶シリコン
カーバイド薄膜、アモルファスシリコン薄膜、アモルフ
ァスシリコンカーボン薄膜、アモルファスシリコンゲル
マン薄膜等を有効に用いることができる。これらn型半
導体薄膜は、分子内にシリコンを有する化合物;ゲルマ
ン、シリルゲルマン等の分子内にゲルマニウムを有する
化合物;炭化水素ガス等から、目的とする半導体薄膜に
応じて適宜選択される原料に、ホスフィンやアルシン等
の周期律表の第V族の化合物、ならびに水素を混合し
て、プラズマCVD(化学気相堆積)法や光CVD(化学気相
堆積)法を適用することにより容易に形成される。さら
に、当該原料ガスをヘリウムやアルゴン等の不活性ガス
で希釈することは、なんら、本発明の効果を妨げるもの
ではない。その形成条件としては、形成温度は150〜400
℃、好ましくは175〜350℃であり、形成圧力は0.01〜5T
orr、好ましくは0.03〜1.5Torrで行われる。n型半導体
薄膜の膜厚は、200〜500Åで十分である。
In the present invention, as the n-type semiconductor thin film provided in contact with the back surface electrode, an n-type microcrystalline thin film or an n-type amorphous thin film is effectively used. For these, an n-type microcrystalline silicon thin film, a carbon-containing microcrystalline silicon thin film, a microcrystalline silicon carbide thin film, an amorphous silicon thin film, an amorphous silicon carbon thin film, an amorphous silicon germane thin film, etc. can be effectively used. These n-type semiconductor thin films include compounds having silicon in the molecule; compounds having germanium in the molecule such as germane and silylgermane; hydrocarbon gases and the like, which are appropriately selected as raw materials according to the intended semiconductor thin film. It is easily formed by mixing a compound of Group V of the periodic table such as phosphine and arsine, and hydrogen, and applying a plasma CVD (chemical vapor deposition) method or an optical CVD (chemical vapor deposition) method. It Further, diluting the source gas with an inert gas such as helium or argon does not hinder the effect of the present invention. As the forming conditions, the forming temperature is 150 to 400.
℃, preferably 175 ~ 350 ℃, forming pressure 0.01 ~ 5T
It is performed at orr, preferably 0.03 to 1.5 Torr. It is sufficient that the thickness of the n-type semiconductor thin film is 200 to 500Å.

本発明において、用いるに好ましい原料ガスについて
さらに具体的に示例をあげて説明する。分子内にシリコ
ンを有する化合物につしては、モノシラン、ジシラン、
トリシラン等の水素化シリコン;モノメチルシラン、ジ
メチルシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラ
ン、エチルシラン、ジエチルシラン等のアルキル基置換
の水素化シリコン;ビニルシラン、ジビニルシラン、ト
リビニルシラン、ビニルジシラン、ジビニルジシラン、
プロペニルシラン、エテニルシラン等のラジカル重合可
能の不飽和炭化水素基を分子内に有する水素化シリコ
ン;これら水素化シリコンの水素が一部またはすべてフ
ッ素で置換されたフッ化シリコン等のいずれをも有効に
用いることができる。
In the present invention, the raw material gas preferable for use will be described more specifically with reference to examples. For compounds having silicon in the molecule, monosilane, disilane,
Hydrogenated silicon such as trisilane; alkyl group-substituted hydrogenated silicon such as monomethylsilane, dimethylsilane, trimethylsilane, tetramethylsilane, ethylsilane, diethylsilane; vinylsilane, divinylsilane, trivinylsilane, vinyldisilane, divinyldisilane,
Silicon hydrides having radically polymerizable unsaturated hydrocarbon groups such as propenylsilane and ethenylsilane in the molecule; Silicon fluorides in which some or all of the hydrogen atoms of these hydrogenated silicons are replaced with fluorine are effective. Can be used.

また、炭化水素ガスの具体的示例として、メタン、エ
タン、プロパン、エチレン、プロピレン、アセチレン等
の炭化水素ガスが有用である。これら炭化水素ガスは、
炭素含有微結晶シリコン薄膜、微結晶シリコンカーバイ
ド薄膜等の形成において、光学的バンドギャップを変更
するときに用いると便利である。また、この目的におい
ては、アルキル基置換の水素化シリコン、ラジカル重合
可能の不飽和炭化水素基を分子内に有する水素化シリコ
ン、これら水素化シリコンの水素が一部またはすべてフ
ッ素で置換されたフッ化シリコン等の材料も有用であ
る。
Further, as specific examples of hydrocarbon gas, hydrocarbon gas such as methane, ethane, propane, ethylene, propylene, acetylene, etc. is useful. These hydrocarbon gases are
It is convenient to use when changing the optical band gap in the formation of a carbon-containing microcrystalline silicon thin film, a microcrystalline silicon carbide thin film, or the like. Further, for this purpose, a silicon hydride substituted with an alkyl group, a silicon hydride having an unsaturated hydrocarbon group capable of radical polymerization in the molecule, and a fluorine in which a part or all of the hydrogen of the silicon hydride is substituted with fluorine. Materials such as silicon oxide are also useful.

本発明において、透光性基板、透明電極、裏面電極等
については、とくに、限定される条件はない。透光性基
板としては青板ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス
等従来用いられているガラス基板材料が有用であるが、
さらに、金属やプラスチックも基板材料として用いるこ
とができる。プラスチック材料においては、100℃以上
の温度に耐える材料をさらに有効に用いることができ
る。透明電極としては、酸化スズ、酸化インジウム、酸
化亜鉛等の金属酸化物や透光性の金属等を有効に用いる
ことができる。裏面電極としては、必ずしも透光性であ
る必要がないので、アルミニウム、クロム、ニッケル−
クロム、銀、金、白金等の金属や酸化スズ、酸化インジ
ウム、酸化亜鉛等の金属酸化物の中から適宜、選択して
用いることができる。
In the present invention, the translucent substrate, the transparent electrode, the back electrode, etc. are not particularly limited. Conventionally used glass substrate materials such as soda lime glass, borosilicate glass, and quartz glass are useful as the translucent substrate.
Furthermore, metals and plastics can also be used as the substrate material. As a plastic material, a material that can withstand a temperature of 100 ° C. or higher can be used more effectively. As the transparent electrode, a metal oxide such as tin oxide, indium oxide, or zinc oxide, a translucent metal, or the like can be effectively used. Since the back electrode does not necessarily need to be translucent, aluminum, chromium, nickel-
It can be appropriately selected and used from metals such as chromium, silver, gold and platinum and metal oxides such as tin oxide, indium oxide and zinc oxide.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明す
る。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

〔実施例1〕 光電変換素子の形成装置としては、プラズマCVD法な
らびに光CVD法を適用できる成膜装置を用いた。ガラス
基板が光CVD法を適用できる形成装置内に設置される。
真空排気ならびに原料ガスを導入して基板加熱を行い、
基板温度200℃、反応圧0.4Torrにおいて、低圧水銀灯に
より、紫外線を照射して光CVDを実施し、まず高導電性
のn型の半導体薄膜の成膜条件を決定した。すなわち原
料ガスとしてジシラン/ホスフィン/水素を5/0.05/100
の割合で導入した。2時間水銀灯を照射して成膜した。
膜厚を測定して約5000Åの薄膜が形成されたことを確認
した。この薄膜のX線回折はシリコン結晶に起因する回
折線が明瞭に現れておりn型の半導体薄膜であることを
確認した。導電率は5S/cmと高いものであった。また膜
厚を成膜時間で除して得られた平均の成膜速度は、0.7
Å/sであった。
[Example 1] As a photoelectric conversion element forming apparatus, a film forming apparatus to which a plasma CVD method and a photo CVD method can be applied was used. A glass substrate is installed in a forming apparatus to which the photo CVD method can be applied.
The substrate is heated by introducing vacuum exhaust and raw material gas,
At a substrate temperature of 200 ° C. and a reaction pressure of 0.4 Torr, ultraviolet rays were radiated by a low-pressure mercury lamp to perform photo-CVD, and first, the film forming conditions of the highly conductive n-type semiconductor thin film were determined. That is, 5 / 0.05 / 100 of disilane / phosphine / hydrogen as source gas
Introduced at the rate of. A mercury lamp was irradiated for 2 hours to form a film.
The film thickness was measured and it was confirmed that a thin film of about 5000 Å was formed. In X-ray diffraction of this thin film, diffraction lines due to silicon crystals clearly appeared, and it was confirmed that the thin film was an n-type semiconductor thin film. The conductivity was as high as 5 S / cm. The average film formation rate obtained by dividing the film thickness by the film formation time is 0.7
It was Å / s.

この成膜条件を用いて光電変換素子に適用する高導電
性のn型半導体薄膜を形成した。酸化スズからなる透明
電極付きガラス基板を同じく当該形成装置内に設置し
て、成膜時間を20秒にして、高導電率のn型半導体薄膜
を15Å形成した。ついで、原料ガスの組成をホスフィン
からジボランに変更した。原料ガスは、ジシラン/ジボ
ラン/水素を5/0.01/200の割合で導入した。p型微結晶
薄膜の形成速度は0.2Å/sであり、成膜時間を850秒とし
て、膜厚170Åに形成した。次にi型半導体薄膜形成室
に当該基板を移送し、モノシランを導入して圧力0.05To
rr、形成温度240℃の条件でプラズマCVD法によりi型ア
モルファスシリコン薄膜を約7000Åの膜厚に形成した。
プラズマCVD法は13.56MHzのRF放電を利用した。このと
きRF電力は10Wであった。i型半導体薄膜形成後、n型
半導体薄膜形成室に当該基板を移送した。モノシラン/
ホスフィン/水素からなる原料ガスをそれぞれの流量が
10/0.01/100の割合になるように導入し、圧力0.2Torr、
形成温度240℃の条件でプラズマCVD法によりn型半導体
薄膜を500Åの膜厚に形成した。プラズマCVD法は13.56M
HzのRF放電を利用した。このときの、RF電力は50Wであ
った。ついで、薄膜形成装置から取り出し、金属電極を
形成した。AM1、100mW/cm2の光をソーラーシュミレータ
により、照射して当該光電変換素子、具体的には非晶質
シリコン太陽電池の光電特性を測定した。この結果、開
放端電圧が0.928Vと非常に高い値を得て、本発明の効果
を確認したうえに、短絡光電流も17.12mA/cm2と大きい
値であり、結果として、光電変換効率は11.12%ときわ
めて優れたものであった。また曲線因子は0.700であっ
た。
Using these film forming conditions, a highly conductive n-type semiconductor thin film applied to the photoelectric conversion element was formed. A glass substrate with a transparent electrode made of tin oxide was also placed in the forming apparatus, and the film formation time was set to 20 seconds to form an n-type semiconductor thin film having a high conductivity of 15Å. Then, the composition of the raw material gas was changed from phosphine to diborane. As a raw material gas, disilane / diborane / hydrogen was introduced at a ratio of 5 / 0.01 / 200. The p-type microcrystalline thin film was formed at a rate of 0.2 Å / s and a film formation time of 850 seconds to a film thickness of 170 Å. Next, the substrate is transferred to the i-type semiconductor thin film forming chamber, monosilane is introduced, and the pressure is adjusted to 0.05 To.
An i-type amorphous silicon thin film was formed to a thickness of about 7,000 Å by the plasma CVD method under the conditions of rr and the formation temperature of 240 ° C.
The plasma CVD method used 13.56 MHz RF discharge. At this time, the RF power was 10W. After forming the i-type semiconductor thin film, the substrate was transferred to the n-type semiconductor thin film forming chamber. Monosilane /
The flow rate of each source gas consisting of phosphine / hydrogen is
Introduced at a ratio of 10 / 0.01 / 100, pressure 0.2Torr,
An n-type semiconductor thin film was formed to a thickness of 500Å by the plasma CVD method under the condition of the formation temperature of 240 ° C. Plasma CVD method is 13.56M
RF discharge of Hz was used. At this time, the RF power was 50W. Then, it was taken out from the thin film forming apparatus to form a metal electrode. AM 1 and 100 mW / cm 2 of light were irradiated by a solar simulator to measure the photoelectric characteristics of the photoelectric conversion element, specifically, an amorphous silicon solar cell. As a result, the open circuit voltage is obtained a very high value of 0.928V, the after confirming the effects of the present invention, short-circuit photoelectric current is also large value of 17.12mA / cm 2, as a result, the photoelectric conversion efficiency It was extremely excellent at 11.12%. The fill factor was 0.700.

〔実施例2〕 実施例1において、n型半導体薄膜形成条件を変更し
た。すなわち、真空排気ならびに原料ガスを導入して基
板加熱を行い、基板温度250℃、反応圧力0.05Torrにお
いて、プラズマCVD法を実施し、高導電性のn型の半導
体薄膜の形成条件を決定した。原料ガスはジシラン/ホ
スフィン/水素を10/0.01/10の割合で導入した。周波数
13.56MHz、電力5Wでグロー放電を発生して、n型半導体
薄膜を形成した。1時間の形成時間で、約3600Åの薄膜
が形成されたことを確認した。この薄膜のX線回折から
はシリコン結晶に起因する回折線が観測されず。n型の
アモルファス薄膜であることを確認した。導電率は0.01
S/cmと高いものであった。また膜厚を成膜時間で除して
得られた平均の成膜速度は1.0Å/sであった。
[Example 2] In Example 1, the conditions for forming the n-type semiconductor thin film were changed. That is, the substrate was heated by evacuation and introduction of a source gas, and the plasma CVD method was carried out at a substrate temperature of 250 ° C. and a reaction pressure of 0.05 Torr to determine the conditions for forming a highly conductive n-type semiconductor thin film. As a raw material gas, disilane / phosphine / hydrogen was introduced at a ratio of 10 / 0.01 / 10. frequency
Glow discharge was generated at 13.56 MHz and power of 5 W to form an n-type semiconductor thin film. It was confirmed that a thin film of about 3600Å was formed in 1 hour of forming time. From the X-ray diffraction of this thin film, no diffraction line due to silicon crystals was observed. It was confirmed to be an n-type amorphous thin film. Conductivity is 0.01
It was as high as S / cm. The average film formation rate obtained by dividing the film thickness by the film formation time was 1.0Å / s.

この成膜条件を用いて光電変換素子に適用するn型半
導体薄膜を形成した。酸化スズからなる透明電極付きガ
ラス基板を同じく当該形成装置内に設置して、成膜時間
を20秒にして、n型半導体薄膜を20Å形成した。以下、
実施例1と全く同様にして、非晶質シリコン太陽電池を
形成した。当該非晶質シリコン太陽電池の光電特性を測
定した結果、開放端電圧が0.926Vと非常に高い値を得
て、本発明の効果を確認したうえで、短絡光電流も16.5
5mA/cm2と大きい値であり、結果として、光電変換効率
は10.56%と優れたものであった。また曲線因子は0.689
であった。
An n-type semiconductor thin film applied to the photoelectric conversion element was formed under these film forming conditions. A glass substrate with a transparent electrode made of tin oxide was also placed in the forming apparatus, and the film formation time was set to 20 seconds to form an n-type semiconductor thin film of 20Å. Less than,
An amorphous silicon solar cell was formed in exactly the same manner as in Example 1. As a result of measuring the photoelectric characteristics of the amorphous silicon solar cell, an open-ended voltage of 0.926V was obtained, which was a very high value, and after confirming the effect of the present invention, the short-circuit photocurrent was also 16.5.
The value was as large as 5 mA / cm 2, and as a result, the photoelectric conversion efficiency was excellent at 10.56%. The fill factor is 0.689
Met.

〔比較例1〕 実施例1において、高導電性のn型の半導体薄膜を用
いることなしに、透明電極付きガラス基板上に直接p型
微結晶薄膜を形成することから、はじめた以外は実施例
1と全く同じ工程で非晶質シリコン太陽電池を形成し
た。得られた太陽電池の性能を測定したところ、開放端
電圧が0.762V、短絡光電流も15.20mA/cm2に低下して、
光電変換効率が7.66%にまで、大きく低下して仕舞っ
た。また曲線因子は0.661であった。
[Comparative Example 1] In Example 1, except that the p-type microcrystalline thin film was directly formed on the glass substrate with the transparent electrode without using the n-type semiconductor thin film having high conductivity. An amorphous silicon solar cell was formed in exactly the same process as 1. When the performance of the obtained solar cell was measured, the open-ended voltage was 0.762 V, and the short-circuit photocurrent was also reduced to 15.20 mA / cm 2 ,
The photoelectric conversion efficiency dropped to 7.66%, and it ended. The fill factor was 0.661.

〔比較例2〕 実施例1において、高導電性のn型の半導体薄膜の形
成条件を変更した。すなわち、基板温度80℃、反応圧力
5Torr、原料ガスをジシラン/ホスフィン/水素を10/0.
00001/1の割合に変更して、1時間水銀灯を照射して、
n型の半導体薄膜を約3600Å形成したところ、導電率は
0.00005S/cmであった。
Comparative Example 2 In Example 1, the conditions for forming the highly conductive n-type semiconductor thin film were changed. That is, substrate temperature 80 ° C, reaction pressure
5 Torr, source gas disilane / phosphine / hydrogen 10/0.
Change to the ratio of 00001/1, irradiate the mercury lamp for 1 hour,
When an n-type semiconductor thin film was formed with a thickness of about 3600Å, the conductivity was
It was 0.00005 S / cm.

この成膜条件を用いて光電変換素子に適用する高導電
性のn型半導体薄膜を形成した。成膜時間を15秒にし
て、高導電率のn型半導体薄膜を15Å形成した。以下
は、実施例1と全く同様にして非晶質シリコン太陽電池
を形成した。当該非晶質シリコン太陽電池の光電特性を
測定したところ、開放端電圧0.758V、短絡光電流16.67m
A/cm2、曲線因子0.596、光電変換効率7.53%であり、特
に、開放端電圧および曲線因子の低下が著しかった。
Using these film forming conditions, a highly conductive n-type semiconductor thin film applied to the photoelectric conversion element was formed. The film formation time was set to 15 seconds, and 15 Å of high conductivity n-type semiconductor thin film was formed. Thereafter, an amorphous silicon solar cell was formed in exactly the same manner as in Example 1. When the photoelectric characteristics of the amorphous silicon solar cell were measured, the open end voltage was 0.758V and the short-circuit photocurrent was 16.67m.
A / cm 2 , fill factor of 0.596, and photoelectric conversion efficiency of 7.53% were observed, and the reductions in open-circuit voltage and fill factor were particularly remarkable.

〔発明の効果および産業上の利用可能性〕 以上の実施例ならびに比較例から明らかなように、高
導電性のn型半導体薄膜を透明電極とp型半導体薄膜間
に設けることにより、従来技術で実用化されている光CV
D法ならびにプラズマCVD法を用いて、高い開放端電圧を
有する本発明の光電変換素子が形成される。すなわち、
本発明は実用レベルにおいて、光電変換素子の光電変換
効率の改善に大きく貢献するものである。このように、
本発明は電力用光電変換素子に要求される高変換効率を
可能にする技術を提供できるものであり、エネルギー産
業にとって、きわめて有用な発明であると言わざるを得
ない。
[Effects of the Invention and Industrial Applicability] As is clear from the above examples and comparative examples, by providing a highly conductive n-type semiconductor thin film between a transparent electrode and a p-type semiconductor thin film, the conventional technique Practical optical CV
By using the D method and the plasma CVD method, the photoelectric conversion element of the present invention having a high open circuit voltage is formed. That is,
The present invention greatly contributes to the improvement of the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element at a practical level. in this way,
The present invention can provide a technique that enables high conversion efficiency required for a power photoelectric conversion element, and it must be said that the present invention is an extremely useful invention for the energy industry.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の光電変換素子の構成例を示す模式図で
あり、第2図は従来技術による光電変換素子の構成例を
示す模式図である。 図中1……透光性の基板、2……透明電極、3……高導
電性のn型半導体薄膜、4……p型半導体薄膜、5……
i型半導体薄膜、6……n型半導体薄膜、7……裏面電
極を示す。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a photoelectric conversion element of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a photoelectric conversion element according to a conventional technique. In the figure, 1 ... Translucent substrate, 2 ... Transparent electrode, 3 ... Highly conductive n-type semiconductor thin film, 4 ... P-type semiconductor thin film, 5 ...
i-type semiconductor thin film, 6 ... N-type semiconductor thin film, 7 ... back electrode.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】透光性基板、透明電極、p型半導体薄膜、
i型半導体薄膜、n型半導体薄膜、裏面電極の順に積層
して形成された光電変換素子において、該透明電極とp
型半導体薄膜の間に、高導電性のn型の半導体薄膜を介
在せしめてなることを特徴とする光電変換素子。
1. A transparent substrate, a transparent electrode, a p-type semiconductor thin film,
In a photoelectric conversion element formed by laminating an i-type semiconductor thin film, an n-type semiconductor thin film, and a back electrode in this order, the transparent electrode and p
A photoelectric conversion element, characterized in that a highly conductive n-type semiconductor thin film is interposed between the type semiconductor thin films.
【請求項2】n型の半導体薄膜の導電率が0.0001S/cm以
上である請求項1記載の素子。
2. The device according to claim 1, wherein the conductivity of the n-type semiconductor thin film is 0.0001 S / cm or more.
【請求項3】開放端電圧が高められた請求項1記載の素
子。
3. The device according to claim 1, wherein the open circuit voltage is increased.
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