JP2737111B2 - 光起電力素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、太陽電池や光センサとして利用される光起
電力素子に係り、特に薄膜半導体を積層してなる光起電
力素子に関するものである。
電力素子に係り、特に薄膜半導体を積層してなる光起電
力素子に関するものである。
[従来の技術] 太陽電池に代表される太陽光発電は、無尽蔵の太陽光
をエネルギー源とし、地球環境に与える影響が少なく、
小規模でも効率の低下がなく、且つメインテナンスが容
易である等、次世代の、特に分散設置型電源の基幹技術
として期待されている。
をエネルギー源とし、地球環境に与える影響が少なく、
小規模でも効率の低下がなく、且つメインテナンスが容
易である等、次世代の、特に分散設置型電源の基幹技術
として期待されている。
太陽光発電に用いられる光起電力素子の中で、SiやGa
Asの単結晶を用いた素子では、20%を超える変換効率が
得られている。ただし、かかる素子は製造コストが高
く、供給電力の価格も他の発電手段の場合に比較て著し
く高いので、本格的な普及には至っていない。
Asの単結晶を用いた素子では、20%を超える変換効率が
得られている。ただし、かかる素子は製造コストが高
く、供給電力の価格も他の発電手段の場合に比較て著し
く高いので、本格的な普及には至っていない。
これに対し、低コストに製造できる光起電力素子とし
て、非晶質シリコンpin型素子、ショットキー型素子、C
dS−CdTeヘテロ接合素子等のような薄膜光起電力素子が
挙げられる。第2図は、その一例として、非晶質シリコ
ンpin型素子の構成を示すものである。
て、非晶質シリコンpin型素子、ショットキー型素子、C
dS−CdTeヘテロ接合素子等のような薄膜光起電力素子が
挙げられる。第2図は、その一例として、非晶質シリコ
ンpin型素子の構成を示すものである。
第2図において、22はPと混合したn型の薄膜半導体
層、23は不純物を混合していない薄膜半導体層、24はB
を混合したp型の薄膜半導体層であり、これら各層がそ
の順序で金属基板21上に設けられている。そして、透明
導伝層25を通過した光子により発生した光電流は、透明
導伝層25を経て集電電極26に集電される構成となってい
る。
層、23は不純物を混合していない薄膜半導体層、24はB
を混合したp型の薄膜半導体層であり、これら各層がそ
の順序で金属基板21上に設けられている。そして、透明
導伝層25を通過した光子により発生した光電流は、透明
導伝層25を経て集電電極26に集電される構成となってい
る。
かかる光起電力素子(以下第1従来例という)の場
合、素子の構造そのものについては低コスト化が見込ま
れているものの、その変換効率ηは実用規模のものでは
10%を超えるに至っておらず、また、その設置に要する
費用が割高であり、結局、電力の価格を十分に低減させ
ることはできない。
合、素子の構造そのものについては低コスト化が見込ま
れているものの、その変換効率ηは実用規模のものでは
10%を超えるに至っておらず、また、その設置に要する
費用が割高であり、結局、電力の価格を十分に低減させ
ることはできない。
かかる実状を改善するべく、薄膜光起電力素子の変換
効率ηを向上させるためのいくつかの提案がなされてき
た。
効率ηを向上させるためのいくつかの提案がなされてき
た。
その1つは、薄膜光起電力素子の1面又は両面に設け
られるn型又はp型の薄膜半導体を、不純物元素を混合
した薄膜半導体層(仮にA層とする)と、前記不純物元
素を混合した薄膜半導体層とは濃度が異なるもの、不純
物元素が異なるもの、又は不純物元素を混合していない
薄膜半導体層(仮にB層とする)とを、繰り返し(A
層,B層,A層,B層,…、となるように)堆積するような構
成とするものである。この場合、薄膜半導体層の膜厚
は、多くの場合100Å以下である。
られるn型又はp型の薄膜半導体を、不純物元素を混合
した薄膜半導体層(仮にA層とする)と、前記不純物元
素を混合した薄膜半導体層とは濃度が異なるもの、不純
物元素が異なるもの、又は不純物元素を混合していない
薄膜半導体層(仮にB層とする)とを、繰り返し(A
層,B層,A層,B層,…、となるように)堆積するような構
成とするものである。この場合、薄膜半導体層の膜厚
は、多くの場合100Å以下である。
この考えを適用した具体的な構成例(以下第2従来例
という)として、金属基板(例えば表面を研磨したステ
ンレス板)上に、成膜時にPH3を混合してn型としたa
−Si:Hの厚さ50Åの薄膜半導体層と、成膜時にPH3を混
合していないa−Si:Hの厚さ50Åの薄膜半導体層とを交
互に積層し、該積層されたもの上に、不純物を混合して
いないa−Si:Hの厚さ5000Åの半導体層を設け、さら
に、該半導体層上に、B2H6を混合してp型としたa−S
i:Hの厚さ50Å薄膜半導体層と、B2H6を混合していない
a−Si:Hの厚さ50Åの薄膜半導体層とを交互に積層し、
該積層されたものの上に、透明導電層(例えばITO
膜)、集電電極(例えば銀)などを設けたものがある。
という)として、金属基板(例えば表面を研磨したステ
ンレス板)上に、成膜時にPH3を混合してn型としたa
−Si:Hの厚さ50Åの薄膜半導体層と、成膜時にPH3を混
合していないa−Si:Hの厚さ50Åの薄膜半導体層とを交
互に積層し、該積層されたもの上に、不純物を混合して
いないa−Si:Hの厚さ5000Åの半導体層を設け、さら
に、該半導体層上に、B2H6を混合してp型としたa−S
i:Hの厚さ50Å薄膜半導体層と、B2H6を混合していない
a−Si:Hの厚さ50Åの薄膜半導体層とを交互に積層し、
該積層されたものの上に、透明導電層(例えばITO
膜)、集電電極(例えば銀)などを設けたものがある。
かかる第2従来例の構成にすると、上記第1従来例に
示すような光起電力素子に比べて短絡電流(ISC)を大
きくすることができる。これは、第1従来例の場合、n
型薄膜半導体層22やp型薄膜半導体層24の中で吸収され
た光子が電子やホールを殆ど発生できないのに対し、第
2従来例では積層構造とされたn型薄膜半導体層及びp
型薄膜半導体層中では電子やホールが比較的有効に発生
しているためであると考えられる。
示すような光起電力素子に比べて短絡電流(ISC)を大
きくすることができる。これは、第1従来例の場合、n
型薄膜半導体層22やp型薄膜半導体層24の中で吸収され
た光子が電子やホールを殆ど発生できないのに対し、第
2従来例では積層構造とされたn型薄膜半導体層及びp
型薄膜半導体層中では電子やホールが比較的有効に発生
しているためであると考えられる。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記第2従来例の構成の場合でも、開
放電圧(VOC)及び曲線因子(F.F.)の改良は十分では
なく、結果として得られる変化効率ηを顕著に向上させ
ることはできない。また、本第2従来例の構成の素子に
逆バイアス電圧を加えて光センサとして使用する場合、
暗電流σd(ダイオードの飽和電流に相当する)が大き
く、実用上の要請を十分に満たしていない。換言すれ
ば、光電流と暗電流σdの比(S/N比)を大きくするこ
とができず、光センサとして使用できる光強度の領域が
きわめて制約されたものとなる。
放電圧(VOC)及び曲線因子(F.F.)の改良は十分では
なく、結果として得られる変化効率ηを顕著に向上させ
ることはできない。また、本第2従来例の構成の素子に
逆バイアス電圧を加えて光センサとして使用する場合、
暗電流σd(ダイオードの飽和電流に相当する)が大き
く、実用上の要請を十分に満たしていない。換言すれ
ば、光電流と暗電流σdの比(S/N比)を大きくするこ
とができず、光センサとして使用できる光強度の領域が
きわめて制約されたものとなる。
このように、従来の薄膜光起電力素子においては、短
絡電流(ISC)が小さいため変換効率ηが低く、提案さ
れた各例においてもなお、開放電圧(VOC)及び曲線因
子(F.F.)が十分に改善できず、また、光センサとして
のS/N比が小さくて実用に供し難いという問題点を有し
ている。
絡電流(ISC)が小さいため変換効率ηが低く、提案さ
れた各例においてもなお、開放電圧(VOC)及び曲線因
子(F.F.)が十分に改善できず、また、光センサとして
のS/N比が小さくて実用に供し難いという問題点を有し
ている。
本発明は、上記の従来技術の課題を解決し、短絡電流
(ISC)のみならず開放電圧(VOC)や曲線因子(F.F.)
を向上させることができ、結果として得られる変換効率
ηを太陽電池として実用的な値にまで向上させ得るよう
にすることを目的とする。さらに、本発明は、薄膜光起
電力素子の逆バイアス電圧印加時の暗電流を減少させ、
光センサとして用いる場合のS/N比を向上させることを
目的とする。
(ISC)のみならず開放電圧(VOC)や曲線因子(F.F.)
を向上させることができ、結果として得られる変換効率
ηを太陽電池として実用的な値にまで向上させ得るよう
にすることを目的とする。さらに、本発明は、薄膜光起
電力素子の逆バイアス電圧印加時の暗電流を減少させ、
光センサとして用いる場合のS/N比を向上させることを
目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明の第1の要旨は、薄膜半導体から成るi型半導
体領域の一方の面側に、膜厚が100Å以下のp型の薄膜
半導体層と膜厚が100Å以下のi型の薄膜半導体層とを
少なくとも2回以上繰り返して堆積した第1の積層領域
が設けられ、前記i型半導体領域の他方の面側に、膜厚
が100Å以下のn型の薄膜半導体層と膜厚が100Å以下の
i型の薄膜半導体層とを少なくとも2回以上繰り返して
堆積した第2の積層領域が設けられており、前記第1及
び第2の積層領域の各薄膜半導体層はシリコンを主要な
構成元素とし、1原子%以上10原子%以下の含有量で水
素を含んでいることを特徴とする光起電力素子にある。
体領域の一方の面側に、膜厚が100Å以下のp型の薄膜
半導体層と膜厚が100Å以下のi型の薄膜半導体層とを
少なくとも2回以上繰り返して堆積した第1の積層領域
が設けられ、前記i型半導体領域の他方の面側に、膜厚
が100Å以下のn型の薄膜半導体層と膜厚が100Å以下の
i型の薄膜半導体層とを少なくとも2回以上繰り返して
堆積した第2の積層領域が設けられており、前記第1及
び第2の積層領域の各薄膜半導体層はシリコンを主要な
構成元素とし、1原子%以上10原子%以下の含有量で水
素を含んでいることを特徴とする光起電力素子にある。
本発明の第2の要旨は、薄膜半導体からなるi型半導
体領域の一方の面側に、膜厚が100Å以下のP型の薄膜
半導体層と薄膜が100Å以下のi型の薄膜半導体層とを
少なくとも2回以上繰り返して堆積することにより第1
の積層領域を設ける工程と、前記i型半導体領域の他方
の面側に、薄膜が100Å以下のn型の薄膜半導体層と膜
厚が100Å以下のi型の薄膜半導体層とを少なくとも2
回以上繰り返して堆積することにより第2の積層領域を
設ける工程と、を含む光起電力素子の製造方法であっ
て、 シリコン原子とハロゲン元素とを含むガスと水素ラジ
カルとを夫々別に反応領域に導入して反応させることに
より、シリコンを主要な構成元素とし、1原子%以上10
%以下の含有量で水素を含んでいる前記第1及び第2の
積層領域の各薄膜半導体層を形成することを特徴とする
光起電力素子の製造方法にある。
体領域の一方の面側に、膜厚が100Å以下のP型の薄膜
半導体層と薄膜が100Å以下のi型の薄膜半導体層とを
少なくとも2回以上繰り返して堆積することにより第1
の積層領域を設ける工程と、前記i型半導体領域の他方
の面側に、薄膜が100Å以下のn型の薄膜半導体層と膜
厚が100Å以下のi型の薄膜半導体層とを少なくとも2
回以上繰り返して堆積することにより第2の積層領域を
設ける工程と、を含む光起電力素子の製造方法であっ
て、 シリコン原子とハロゲン元素とを含むガスと水素ラジ
カルとを夫々別に反応領域に導入して反応させることに
より、シリコンを主要な構成元素とし、1原子%以上10
%以下の含有量で水素を含んでいる前記第1及び第2の
積層領域の各薄膜半導体層を形成することを特徴とする
光起電力素子の製造方法にある。
[作用] 本発明者等は、シリコンを主要な構成元素とする、作
製法及び作製条件について鋭意検討を行った結果、n型
又はp型の積層薄膜半導体中の水素含有量が光起電力素
子の特性に大きく影響を与えることを見出した。
製法及び作製条件について鋭意検討を行った結果、n型
又はp型の積層薄膜半導体中の水素含有量が光起電力素
子の特性に大きく影響を与えることを見出した。
すなわち、本発明に係る光起電力素子は、第1図に示
すような構成を有し、薄膜半導体から成るi型半導体領
域4の一方の面側に、膜厚が100Å以下のp型の薄膜半
導体層5と、膜厚が100Å以下のi型の薄膜半導体層6
とを少なくとも2回以上繰り返して堆積した第1の積層
領域が設けられ、前記i型半導体領域4の他方の面側
に、膜厚が100Å以下のn型の薄膜半導体層2と膜厚が1
00Å以下のi型の薄膜半導体層3とを少なくとも2回以
上繰り返して堆積した第2の積層領域が設けられてお
り、前記第1及び第2の積層領域における各薄膜半導体
層5、6、2、3は、シリコンを主要な構成元素とし、
1原子%以上10原子%以下の含有量で水素を含んでい
る。
すような構成を有し、薄膜半導体から成るi型半導体領
域4の一方の面側に、膜厚が100Å以下のp型の薄膜半
導体層5と、膜厚が100Å以下のi型の薄膜半導体層6
とを少なくとも2回以上繰り返して堆積した第1の積層
領域が設けられ、前記i型半導体領域4の他方の面側
に、膜厚が100Å以下のn型の薄膜半導体層2と膜厚が1
00Å以下のi型の薄膜半導体層3とを少なくとも2回以
上繰り返して堆積した第2の積層領域が設けられてお
り、前記第1及び第2の積層領域における各薄膜半導体
層5、6、2、3は、シリコンを主要な構成元素とし、
1原子%以上10原子%以下の含有量で水素を含んでい
る。
かかる積層構造とすることにより、短絡電流(ISC)
が改善され、さらに、薄膜半導体層中の水素含有量を1
〜10原子%とすることによって開放電圧(VOC)や曲線
因子(F.F.)が大きくなる。これは、積層構造とされた
n型及びp型半導体層の中の電子やホールの密度が高ま
って、i型半導体層の中に有効に電界が加えられるため
である。
が改善され、さらに、薄膜半導体層中の水素含有量を1
〜10原子%とすることによって開放電圧(VOC)や曲線
因子(F.F.)が大きくなる。これは、積層構造とされた
n型及びp型半導体層の中の電子やホールの密度が高ま
って、i型半導体層の中に有効に電界が加えられるため
である。
以下、上記本発明の作用をより具体的に説明する。
試料の作製法及びその装置 第3図は本実験用に供される装置の構成例を示すもの
である。この装置は、少くとも機能性堆積膜の構成元素
及びハロゲン元素を含む原料ガスと水素ラジカルとを反
応させて機能性堆積膜を作製する手法、すなわち水素ラ
ジカルCVD(HR−CVD)法の使用に供される装置である。
該HR−CVD法は、膜中の水素含有量を広範囲に渡って制
御できることから、本発明の効果の検証に好適なもので
ある。
である。この装置は、少くとも機能性堆積膜の構成元素
及びハロゲン元素を含む原料ガスと水素ラジカルとを反
応させて機能性堆積膜を作製する手法、すなわち水素ラ
ジカルCVD(HR−CVD)法の使用に供される装置である。
該HR−CVD法は、膜中の水素含有量を広範囲に渡って制
御できることから、本発明の効果の検証に好適なもので
ある。
第3図中、31は真空ポンプにより排気可能な真空槽で
あり、該真空槽31内には基体ホルダ32が設けられ、該基
体ホルダ32上に基体33が固定されている。基体33は基体
ホルダ32内に設けられたヒータによって所望の温度まで
加熱できる。また、真空槽31には太い石英ガラス管(外
管)34と細い石英ガラス管(内管)35が同心状に接続さ
れ、各々その後端から水素を含むガス及び成膜の原料ガ
スが導入される。導入された水素を含むガス及び成膜の
原料ガスは、金属製のアプリケータ36を通して加えられ
た2.45GHzのマイクロ波電力によって分解反応を起し、
薄膜半導体となって基体33上に堆積する。第1表は、こ
の装置を用いて作製する試料たる薄膜半導体の3種の作
製条件(A、B、C)を示すものである。同表において
xとあるのは、この実験では放電電力は適宜の値に変化
することを示している。
あり、該真空槽31内には基体ホルダ32が設けられ、該基
体ホルダ32上に基体33が固定されている。基体33は基体
ホルダ32内に設けられたヒータによって所望の温度まで
加熱できる。また、真空槽31には太い石英ガラス管(外
管)34と細い石英ガラス管(内管)35が同心状に接続さ
れ、各々その後端から水素を含むガス及び成膜の原料ガ
スが導入される。導入された水素を含むガス及び成膜の
原料ガスは、金属製のアプリケータ36を通して加えられ
た2.45GHzのマイクロ波電力によって分解反応を起し、
薄膜半導体となって基体33上に堆積する。第1表は、こ
の装置を用いて作製する試料たる薄膜半導体の3種の作
製条件(A、B、C)を示すものである。同表において
xとあるのは、この実験では放電電力は適宜の値に変化
することを示している。
膜の積層についての評価 本評価を行うのに、上記で述べた装置で以下の要領
で試料を作製した。
で試料を作製した。
まず、表面にITO膜をコートしたコーニング社製7059
番ガラス基板上に、SiH4とNH3を原料ガスとしてグロー
放電分解法により窒化シリコン層(以下、SiN層と略
記)を500Å堆積した。このSiN層上に、第1表の条件A
にてx=160Wとしてn型シリコン層を300Å堆積し、次
いで条件Bにてx=160Wとしてi型シリコン層を3μm
堆積した。さらに再びSiN層を500Å堆積した後、表面に
Al膜を蒸着して表面電極とし試料(N−1)とした。
番ガラス基板上に、SiH4とNH3を原料ガスとしてグロー
放電分解法により窒化シリコン層(以下、SiN層と略
記)を500Å堆積した。このSiN層上に、第1表の条件A
にてx=160Wとしてn型シリコン層を300Å堆積し、次
いで条件Bにてx=160Wとしてi型シリコン層を3μm
堆積した。さらに再びSiN層を500Å堆積した後、表面に
Al膜を蒸着して表面電極とし試料(N−1)とした。
また、n型シリコン層の代りに第1表の条件Cにてx
=160Wとしてp型シリコン層を300Å堆積した以外は試
料(N−1)と同様にして、試料(P−1)を作製し
た。
=160Wとしてp型シリコン層を300Å堆積した以外は試
料(N−1)と同様にして、試料(P−1)を作製し
た。
次に、ITO膜をコートしたコーニング社7059番ガラス
上にSiN層を500Å堆積した後、条件Aにてx=160Wとし
てn型シリコン層を25Å堆積し、次いで条件Bにてx=
160Wとしてi型シリコン層を25Å堆積し、再びn型シリ
コン層を25Å堆積し、次いでi型シリコン層を25Å堆積
するプロセスを12回繰り返し合計600Åの積層薄膜半導
体とした。引き続き、i型シリコン膜を3μm堆積し、
再びSiN膜を500Å堆積した後、表面にAl膜を蒸着して表
面電極とし試料(N−2)とした。
上にSiN層を500Å堆積した後、条件Aにてx=160Wとし
てn型シリコン層を25Å堆積し、次いで条件Bにてx=
160Wとしてi型シリコン層を25Å堆積し、再びn型シリ
コン層を25Å堆積し、次いでi型シリコン層を25Å堆積
するプロセスを12回繰り返し合計600Åの積層薄膜半導
体とした。引き続き、i型シリコン膜を3μm堆積し、
再びSiN膜を500Å堆積した後、表面にAl膜を蒸着して表
面電極とし試料(N−2)とした。
また、n型シリコンの代りに第1表の条件Cにx=16
0Wとしてp型シリコン層を25Åずつ堆積した以外は試料
(N−2)と同様にして試料(P−2)を作製した。
0Wとしてp型シリコン層を25Åずつ堆積した以外は試料
(N−2)と同様にして試料(P−2)を作製した。
以下同様にして、一層あたりの膜厚Lを25Åの代りに
50Å,100Å,150Åとし、n層とi層又はp層とi層の繰
返しを各々6回、3回、2回として試料(N−3)及び
(P−3),(N−4)及び(P−4),(N−5)及
び(P−5)を作製した。
50Å,100Å,150Åとし、n層とi層又はp層とi層の繰
返しを各々6回、3回、2回として試料(N−3)及び
(P−3),(N−4)及び(P−4),(N−5)及
び(P−5)を作製した。
このようにして作製した各試料を用いて、Time of Fl
ight(TOF)法の測定を行った。第4図はこの測定のセ
ットアップを示す図で、試料(N−4)又は(P−4)
を用いた場合が示してある。その他の試料に対する測定
のセットアップも同様である。
ight(TOF)法の測定を行った。第4図はこの測定のセ
ットアップを示す図で、試料(N−4)又は(P−4)
を用いた場合が示してある。その他の試料に対する測定
のセットアップも同様である。
ここで41はガラス基板、42はコートされたITO膜の透
明導電層、43及び47はSiN層である。SiN層は電極からの
電子やホールの注入を阻止するために挿入されている。
44はn型又はp型薄膜半導体層、45及び46はi型半導体
層であり、48はAl膜である。なお、積層薄膜半導体層中
の最後のi型層は引き続き堆積されたi型層と同一条件
で形成されるものなので図中では区別をしていない。
明導電層、43及び47はSiN層である。SiN層は電極からの
電子やホールの注入を阻止するために挿入されている。
44はn型又はp型薄膜半導体層、45及び46はi型半導体
層であり、48はAl膜である。なお、積層薄膜半導体層中
の最後のi型層は引き続き堆積されたi型層と同一条件
で形成されるものなので図中では区別をしていない。
積層薄膜半導体がn型層とi型層から構成される試料
(N−1)〜(N−5)の場合について測定手順を説明
する。まず、暗中にてITO膜42とAl膜48の間にITO膜42が
正となる電圧パルスを加えた直後に、窒素レーザーで励
起されたパルス状の色素レーザー光を基板ガラス41側か
ら入射する。該入射するレーザー光の波長は460nmと短
いため、光は殆ど積層薄膜半導体(試料(N−1)〜
(N−5)のn型層)の部分で吸収される。この部分で
発生したホールは電界によってAl膜48側にドリフトし、
外部回路に電流が流れる。この電流を積算すると膜の中
を流れたホール数を算出することができる。もし積層薄
膜半導体の部分で発生したホールがすぐ再結合してしま
うと電流の積算値Qが減少することになり、積層薄膜半
導体におけるホールの再結合の程度が評価できることに
なる。
(N−1)〜(N−5)の場合について測定手順を説明
する。まず、暗中にてITO膜42とAl膜48の間にITO膜42が
正となる電圧パルスを加えた直後に、窒素レーザーで励
起されたパルス状の色素レーザー光を基板ガラス41側か
ら入射する。該入射するレーザー光の波長は460nmと短
いため、光は殆ど積層薄膜半導体(試料(N−1)〜
(N−5)のn型層)の部分で吸収される。この部分で
発生したホールは電界によってAl膜48側にドリフトし、
外部回路に電流が流れる。この電流を積算すると膜の中
を流れたホール数を算出することができる。もし積層薄
膜半導体の部分で発生したホールがすぐ再結合してしま
うと電流の積算値Qが減少することになり、積層薄膜半
導体におけるホールの再結合の程度が評価できることに
なる。
一方、積層薄膜半導体がp型層とi型層から構成され
る試料(P−1)〜(P−5)の場合には、Al膜48が正
となる電圧パルスを加えることによって積層薄膜半導体
における電子の再結合の程度が同様に評価できる。
る試料(P−1)〜(P−5)の場合には、Al膜48が正
となる電圧パルスを加えることによって積層薄膜半導体
における電子の再結合の程度が同様に評価できる。
第2表は、各試料について電流積算値Qの相対値を示
したものである。同表に示すように、試料(N−1)〜
(N−5)及び(P−1)〜(P−5)では、明らか
に、積層薄膜半導体のn型層又はp型層の膜厚の合計
(1つの層の膜厚L×くり返し回数)が300Åとなるよ
うに設定している。なお、電流積算値Qは単層の試料
(N−1)及び(P−1)でのそれを基準値(1.0)と
した。
したものである。同表に示すように、試料(N−1)〜
(N−5)及び(P−1)〜(P−5)では、明らか
に、積層薄膜半導体のn型層又はp型層の膜厚の合計
(1つの層の膜厚L×くり返し回数)が300Åとなるよ
うに設定している。なお、電流積算値Qは単層の試料
(N−1)及び(P−1)でのそれを基準値(1.0)と
した。
第2表から理解できるように、くり返し回数が増すに
従って、電流積算値Qは増大している。特に、1つの層
の膜厚Lが100Å以下の試料(N−2)〜(N−4)及
び(P−2)〜(P−4)では電流積算値Q(相対値)
が5以上となっており、積層薄膜半導体としてn型半導
体及びp型半導体を用いた時のいずれの場合でも、ホー
ルや電子の再結合が著しく減少することがわかった。ま
た、1つの層の膜厚Lが100Åを越えている試料(N−
5)及び(P−5)では、試料(N−2)〜(N−4)
及び(P−2)〜(P−4)に比べ、わずかな改善にと
どまっている。
従って、電流積算値Qは増大している。特に、1つの層
の膜厚Lが100Å以下の試料(N−2)〜(N−4)及
び(P−2)〜(P−4)では電流積算値Q(相対値)
が5以上となっており、積層薄膜半導体としてn型半導
体及びp型半導体を用いた時のいずれの場合でも、ホー
ルや電子の再結合が著しく減少することがわかった。ま
た、1つの層の膜厚Lが100Åを越えている試料(N−
5)及び(P−5)では、試料(N−2)〜(N−4)
及び(P−2)〜(P−4)に比べ、わずかな改善にと
どまっている。
以上の結果は、例えばpin型光起電力素子のn型層と
して積層薄膜半導体を用いた場合、積層薄膜半導体中、
又は積層薄膜半導体近傍のi型層中で発生したホールが
再結合する割合が減少し、光起電力素子の短絡光電流Is
cの増加に寄与することを示すものである。また、p型
層として積層薄膜半導体を用いた場合にも、同様に説明
することができ、積層薄膜半導体中、又は積層薄膜半導
体近傍のi型層中で発生した電子が再結合する割合が減
少し、Iscの増加に寄与することを示している。
して積層薄膜半導体を用いた場合、積層薄膜半導体中、
又は積層薄膜半導体近傍のi型層中で発生したホールが
再結合する割合が減少し、光起電力素子の短絡光電流Is
cの増加に寄与することを示すものである。また、p型
層として積層薄膜半導体を用いた場合にも、同様に説明
することができ、積層薄膜半導体中、又は積層薄膜半導
体近傍のi型層中で発生した電子が再結合する割合が減
少し、Iscの増加に寄与することを示している。
この効果の生じる機構については、積層薄膜半導体中
のn型層中又はp型層中の特にi型層に隣接する部分で
の再結準位における電子又はホールの分布が変化したた
めと考えられる。したがって、上記のメカニズムから考
えると、膜厚Lが100Å以下であるとすると、くり返し
回数が少なくとも2回であれば同様な効果が期待され
る。
のn型層中又はp型層中の特にi型層に隣接する部分で
の再結準位における電子又はホールの分布が変化したた
めと考えられる。したがって、上記のメカニズムから考
えると、膜厚Lが100Å以下であるとすると、くり返し
回数が少なくとも2回であれば同様な効果が期待され
る。
以上の考察から光起電力素子のp型層又はn型層とし
て積層薄膜半導体を使用する場合、1つの層の厚さLを
100Å以下、くり返し回数を2回以上とすることで、光
起電力素子のIscを増大できることがわかる。
て積層薄膜半導体を使用する場合、1つの層の厚さLを
100Å以下、くり返し回数を2回以上とすることで、光
起電力素子のIscを増大できることがわかる。
水素含有量についての評価 まず、において説明したHR−CVD法によって膜中の
水素含有量が制御できることを示すために、以下の内容
の実験を行った。不純物をドープしていないSiウェハ
(厚さ500μm)を基板として、その上にマイクロ波放
電の電力xを60Wとして第1表の条件A,B,Cにて膜厚Lが
1μmのn型層、i型層、p型層を作製し、各々試料
(N−6),(I−6),(P−6)とした。
水素含有量が制御できることを示すために、以下の内容
の実験を行った。不純物をドープしていないSiウェハ
(厚さ500μm)を基板として、その上にマイクロ波放
電の電力xを60Wとして第1表の条件A,B,Cにて膜厚Lが
1μmのn型層、i型層、p型層を作製し、各々試料
(N−6),(I−6),(P−6)とした。
同様にマイクロ波電力xを80W,100W,120W,160W,200W
として、試料(N−7)〜(N−11),(1−7)〜
(I−11),及び(P−7)〜(P−11)を作製した。
として、試料(N−7)〜(N−11),(1−7)〜
(I−11),及び(P−7)〜(P−11)を作製した。
以上のようにして作製された試料(N−6)〜(N−
11),(I−6)〜(I−11),及び(P−6)〜(P
−11)は、フーリエ変換赤外吸収(FTIR)装置を用い
て、吸収スペクトルのうち2000cm-1〜2100cm-1の領域に
存在するSi−Hのストレッチングモードの吸収強度の測
定を行い、水素含有量を算出した。第3表はその結果を
示すものである。
11),(I−6)〜(I−11),及び(P−6)〜(P
−11)は、フーリエ変換赤外吸収(FTIR)装置を用い
て、吸収スペクトルのうち2000cm-1〜2100cm-1の領域に
存在するSi−Hのストレッチングモードの吸収強度の測
定を行い、水素含有量を算出した。第3表はその結果を
示すものである。
第3表から明らかなように、マイクロ波電力が増大す
るに従って、水素含有量は増加している。これにより、
水素含有量をマイクロ波電力によって制御できることが
理解できる。
るに従って、水素含有量は増加している。これにより、
水素含有量をマイクロ波電力によって制御できることが
理解できる。
次いで、水素含有量が変化した時の多層膜の導電率を
評価するための試料を以下の要領で作製した。コーニン
グ社7059番ガラス基板上にHR−CVD法でマイクロ波電力
x=60Wとして、第1表Aの条件でn型層を50Å堆積し
た。その後Bの条件にてi型層を50Å、再びn型層を50
Å、i型層を50Åの順で100回繰り返し、膜厚が約1μ
mとなるように堆積を行った。この後パーマロイマスク
をかけてAl蒸着を行い、コプラナー型の電極をつけて、
試料(N−12)とした。
評価するための試料を以下の要領で作製した。コーニン
グ社7059番ガラス基板上にHR−CVD法でマイクロ波電力
x=60Wとして、第1表Aの条件でn型層を50Å堆積し
た。その後Bの条件にてi型層を50Å、再びn型層を50
Å、i型層を50Åの順で100回繰り返し、膜厚が約1μ
mとなるように堆積を行った。この後パーマロイマスク
をかけてAl蒸着を行い、コプラナー型の電極をつけて、
試料(N−12)とした。
同様に、n層の代りに第1表Cの条件でx=60Wとし
てp層を堆積した以外は試料(N−12)と同様にして試
料(P−12)を作製した。さらにマイクロ波電力xを80
Wとした以外には試料(N−12)や(P−12)と同様に
して試料(N−13)及び(P−13)を作製した。以下同
様に、xを100Wとして試料(N−14)及び(P−14)
を、xを120Wとして試料(N−15)及び(P−15)を、
xを160Wとして試料(N−16)及び(P−16)を、xを
200Wとして試料(N−17)及び(P−17)を作製した。
てp層を堆積した以外は試料(N−12)と同様にして試
料(P−12)を作製した。さらにマイクロ波電力xを80
Wとした以外には試料(N−12)や(P−12)と同様に
して試料(N−13)及び(P−13)を作製した。以下同
様に、xを100Wとして試料(N−14)及び(P−14)
を、xを120Wとして試料(N−15)及び(P−15)を、
xを160Wとして試料(N−16)及び(P−16)を、xを
200Wとして試料(N−17)及び(P−17)を作製した。
第4表は、作製した試料(N−12)〜(N−17)及び
(P−12)〜(P−17)を用いて試料の導電率σdを評
価した結果を示すものである。第4表から理解できるよ
うに、n型層を用いた積層薄膜半導体の場合もp型層を
用いた積層薄膜半導体の場合も、マイクロ波電力の増
大、すなわち、水素含有量の増加に応じて、導電率σd
が低下する。特に、上記第3表との比較をすると、水素
含有量が10原子%を越えているマイクロ波電力120W以上
の試料(N−15)〜(N−17)及び(P−12)〜(P−
15)では、σdが著しく低下することが理解できる。
(P−12)〜(P−17)を用いて試料の導電率σdを評
価した結果を示すものである。第4表から理解できるよ
うに、n型層を用いた積層薄膜半導体の場合もp型層を
用いた積層薄膜半導体の場合も、マイクロ波電力の増
大、すなわち、水素含有量の増加に応じて、導電率σd
が低下する。特に、上記第3表との比較をすると、水素
含有量が10原子%を越えているマイクロ波電力120W以上
の試料(N−15)〜(N−17)及び(P−12)〜(P−
15)では、σdが著しく低下することが理解できる。
かかる導電率σdの低下は、n型層を用いた積層薄膜
半導体の場合には電子の、p型層を用いた積層薄膜半導
体の場合にはホールの、密度の違いに起因すると考えら
れる。pin型光起電力素子においてn型層の電子密度及
びp型層の電子密度が高いほど、n型層又はp型層は空
乏層化しにくくなり電位の低下が少なくなるので、高い
開放電圧VOCが得られる。また、p型層とn型層の間の
i型層中の電界強度も強まるので、曲線因子(F.F.)も
大きくなる。
半導体の場合には電子の、p型層を用いた積層薄膜半導
体の場合にはホールの、密度の違いに起因すると考えら
れる。pin型光起電力素子においてn型層の電子密度及
びp型層の電子密度が高いほど、n型層又はp型層は空
乏層化しにくくなり電位の低下が少なくなるので、高い
開放電圧VOCが得られる。また、p型層とn型層の間の
i型層中の電界強度も強まるので、曲線因子(F.F.)も
大きくなる。
以上、及びの結果から、シリコン薄膜半導体を用
いたpin型光起電力素子において、p型層を、一層の膜
厚が100Å以下である薄いp型層とi型層を2回以上積
層した構造(以下、p型積層薄膜半導体という)とし、
n型層を、一層の膜厚が100Å以下である薄いn型層と
i型層を2回以上積層した構造(以下、n型積層薄膜半
導体という)とし、かつ、膜中の水素原子含有量を1原
子%以上で10原子%以下とすることにより変換効率の大
巾な向上が見られた。
いたpin型光起電力素子において、p型層を、一層の膜
厚が100Å以下である薄いp型層とi型層を2回以上積
層した構造(以下、p型積層薄膜半導体という)とし、
n型層を、一層の膜厚が100Å以下である薄いn型層と
i型層を2回以上積層した構造(以下、n型積層薄膜半
導体という)とし、かつ、膜中の水素原子含有量を1原
子%以上で10原子%以下とすることにより変換効率の大
巾な向上が見られた。
また、光起電力素子を光センサとして用いる場合には
前述したようにダイオードとしての飽和電流が小さいこ
とが要求される。よく知られているように、高い開放電
圧VOCを示す光起電力素子は一般に飽和電流が小さい
が、本発明の光起電力素子は開放電圧VOCが高く、すな
わち、飽和電流が小さく、光センサとしても優れた特性
を示すことが得られた。
前述したようにダイオードとしての飽和電流が小さいこ
とが要求される。よく知られているように、高い開放電
圧VOCを示す光起電力素子は一般に飽和電流が小さい
が、本発明の光起電力素子は開放電圧VOCが高く、すな
わち、飽和電流が小さく、光センサとしても優れた特性
を示すことが得られた。
薄膜半導体層中に含まれる元素としては、主要なSi以
外に、Ge、C等の第4属元素が含まれていてもよい。こ
の点についての詳細は、以下の実施例において説明す
る。
外に、Ge、C等の第4属元素が含まれていてもよい。こ
の点についての詳細は、以下の実施例において説明す
る。
[実施例] 以下、本発明に係る光起電力素子につき、光センサと
して有用な特性を示すこと等を例示しつつさらに具体的
に示す。
して有用な特性を示すこと等を例示しつつさらに具体的
に示す。
(実施例1) 本実施例は、第3図に示す装置を用いたHR−CVD法に
より、第1図の構成の光起電力素子を作製したものであ
り、また、本発明の有用性の比較を行うために各種の比
較例を併せて作製した。
より、第1図の構成の光起電力素子を作製したものであ
り、また、本発明の有用性の比較を行うために各種の比
較例を併せて作製した。
なお、以下の説明において、試料(PV−2)〜(PV−
4)は本発明に係る実施例であり、試料(PV−1)及び
(PV−5)〜(PV−7)は比較例である。また、単層型
の試料(PV−1)を除いて、試料(PV−2)〜(PV−
4)では、いずれも積層構造となっている。
4)は本発明に係る実施例であり、試料(PV−1)及び
(PV−5)〜(PV−7)は比較例である。また、単層型
の試料(PV−1)を除いて、試料(PV−2)〜(PV−
4)では、いずれも積層構造となっている。
最初に、単相型試料の作製の手順を第3図に基づいて
説明する。
説明する。
まず、50mm×50mmの大きさのステンレス製基板を不図
示のスパッタリング装置内に入れ、装置内を10-5Torr以
下に真空排気した後、基板上に下部電極として約1000Å
のAg電極を堆積した。
示のスパッタリング装置内に入れ、装置内を10-5Torr以
下に真空排気した後、基板上に下部電極として約1000Å
のAg電極を堆積した。
次に、第3図において、この基板33を基板ホルダ32上
にセットし基板温度が300℃となるようにヒータを調整
し、真空槽31を10-5Torr以下まで真空排気する。
にセットし基板温度が300℃となるようにヒータを調整
し、真空槽31を10-5Torr以下まで真空排気する。
外管34からAr及びH2を夫々250sccm、20sccmの流量で
流し、次いで内管35からSiF4及びSiF4で1%に希釈され
たPF5を夫々27sccm、3sccm(すなわち総流量でSiF4が約
30sccm、PF5が0.03sccm)の流量で流し、圧力が0.5Torr
となるように排気速度を調整した。次いでマイクロ波電
源より2.45GHz、160Wのマイクロ波を投入しプラズマを
立て成膜を開始した。こうしてn型層を厚さ150Å堆積
した。なお、この作製条件は第1表の条件Aでx=160W
とした場合に対応するものである。
流し、次いで内管35からSiF4及びSiF4で1%に希釈され
たPF5を夫々27sccm、3sccm(すなわち総流量でSiF4が約
30sccm、PF5が0.03sccm)の流量で流し、圧力が0.5Torr
となるように排気速度を調整した。次いでマイクロ波電
源より2.45GHz、160Wのマイクロ波を投入しプラズマを
立て成膜を開始した。こうしてn型層を厚さ150Å堆積
した。なお、この作製条件は第1表の条件Aでx=160W
とした場合に対応するものである。
続いて、マイクロ波の投入を一旦停止し、PF5の流れ
を止め、SiF4を30sccmに調整した後、マイクロ波電力x
を160Wにして再び放電を再開することにより、i型層を
膜厚が5000Åとなるように堆積した。この作製条件は第
1表の条件Bでx=160Wとした場合に対応する。
を止め、SiF4を30sccmに調整した後、マイクロ波電力x
を160Wにして再び放電を再開することにより、i型層を
膜厚が5000Åとなるように堆積した。この作製条件は第
1表の条件Bでx=160Wとした場合に対応する。
再び、マイクロ波の投入を停止し、SiF4流量を27sccm
として、さらに、SiF4で8%に希釈されたBF3を3sccm
(総流量でSiF4が約30sccm、BF3が0.03sccm)の流量で
流し、マイクロ波電力xを160Wにして放電を再開し、p
型層を厚さ150Å堆積した。この作製条件は第1表の条
件Cでx=160Wとした場合に対応する。
として、さらに、SiF4で8%に希釈されたBF3を3sccm
(総流量でSiF4が約30sccm、BF3が0.03sccm)の流量で
流し、マイクロ波電力xを160Wにして放電を再開し、p
型層を厚さ150Å堆積した。この作製条件は第1表の条
件Cでx=160Wとした場合に対応する。
以上のように、n型層、i型層、p型層の3つの成膜
が終了した後、試料を装置から取出し、不図示の真空蒸
着装置にセットして10-5Torr以下に真空排気した。
が終了した後、試料を装置から取出し、不図示の真空蒸
着装置にセットして10-5Torr以下に真空排気した。
次いで、InとSnの金属片を重量比1:1でるつぼの中に
入れ、抵抗加熱法により1×10-3Torr程度の酸素雰囲気
中でITO薄膜を約700Å蒸着することにより、透明導電層
とした。この時の基板温度は175℃であった。冷却後基
板を取出し、透明導電層の上にパーマロイマスクを置
き、真空蒸着装置に入れ、1×10-5Torr以下に真空排気
した後抵抗加熱によりAgを約1.0μm蒸着し、くしの歯
状の集電電極を形成して試料(PV−1)とした。
入れ、抵抗加熱法により1×10-3Torr程度の酸素雰囲気
中でITO薄膜を約700Å蒸着することにより、透明導電層
とした。この時の基板温度は175℃であった。冷却後基
板を取出し、透明導電層の上にパーマロイマスクを置
き、真空蒸着装置に入れ、1×10-5Torr以下に真空排気
した後抵抗加熱によりAgを約1.0μm蒸着し、くしの歯
状の集電電極を形成して試料(PV−1)とした。
このようにして作製された試料(PV−1)は、n型薄
膜半導体層及びp型薄膜半導体層がいずれも単層であ
る。
膜半導体層及びp型薄膜半導体層がいずれも単層であ
る。
次に、積層型試料の作製の手順を第3図に基づいて説
明する。
明する。
なお、以下に述べる各試料(PV−2)〜(PV−7)
は、第1図に示すような、n型薄膜半導体層及びp型薄
膜半導体層が積層構成となっている。
は、第1図に示すような、n型薄膜半導体層及びp型薄
膜半導体層が積層構成となっている。
第1図において、1は金属基板、2はPを混合してn
型とした薄膜半導体層、3はPを混合していない薄膜半
導体層、4は不純物を混合していない薄膜半導体層、5
はBを混合してp型とした薄膜半導体層、6はBを混合
していない薄膜半導体層、7は透明導電層、8は集電電
極である。
型とした薄膜半導体層、3はPを混合していない薄膜半
導体層、4は不純物を混合していない薄膜半導体層、5
はBを混合してp型とした薄膜半導体層、6はBを混合
していない薄膜半導体層、7は透明導電層、8は集電電
極である。
まず、上記単層型試料(PV−1)の作製の場合と同様
に、Agを蒸着した基板1上に、第1表の条件A(x=60
W)と条件B(x=60W)の下で、n型層2とi型層3と
を50Åずつ3回くり返して積層してn型積層薄膜半導体
を形成し、その上に第1表の条件B(x=160W)で5000
Åのi型層4を堆積し、さらに第1表の条件C(x=60
W)と条件B(x=60W)とで、p型層5とi型層6とを
50Åずつ3回くり返して堆積してp型積層薄膜半導体を
形成する。最後に、試料(PV−1)と同様にして、ITO
薄膜の透明導電層と、集電電極とを形成することによ
り、試料(PV−2)とした。
に、Agを蒸着した基板1上に、第1表の条件A(x=60
W)と条件B(x=60W)の下で、n型層2とi型層3と
を50Åずつ3回くり返して積層してn型積層薄膜半導体
を形成し、その上に第1表の条件B(x=160W)で5000
Åのi型層4を堆積し、さらに第1表の条件C(x=60
W)と条件B(x=60W)とで、p型層5とi型層6とを
50Åずつ3回くり返して堆積してp型積層薄膜半導体を
形成する。最後に、試料(PV−1)と同様にして、ITO
薄膜の透明導電層と、集電電極とを形成することによ
り、試料(PV−2)とした。
n型積層薄膜半導体とp型積層薄膜半導体とを形成す
る際のマイクロ波電力xを80Wとした以外は試料(PV−
2)と同様にして、試料(PV−3)を作製した。
る際のマイクロ波電力xを80Wとした以外は試料(PV−
2)と同様にして、試料(PV−3)を作製した。
以下同様の要領で、x=100W,120W,160W,200Wとし
て、それぞれ試料(PV−4),(PV−5),(PV−
6),(PV−7)を作製した。
て、それぞれ試料(PV−4),(PV−5),(PV−
6),(PV−7)を作製した。
この様にして作製した試料には、夫々ITO膜側から、A
M−1光(100mW/cm2)を照射し、短絡光電流ISC,開放電
圧VOC,曲線因子F.F.,及び変換効率ηを測定した。第5
表は、その測定の結果を示すものである。
M−1光(100mW/cm2)を照射し、短絡光電流ISC,開放電
圧VOC,曲線因子F.F.,及び変換効率ηを測定した。第5
表は、その測定の結果を示すものである。
第5表に示すように、試料(PV−1)の場合、ISC,V
OC,F.F.,ηはいずれも最も低い値であった。一方、試料
(PV−2)〜(PV−7)ではいずれも積層構造となって
いるが、第3表と比較すると、試料(PV−5)〜(PV−
7)は積層薄膜半導体中の水素原子含有量が10原子%を
越えている。すなわち、これらの試料(PV−5)〜(PV
−7)では、ISCは大きくなっているものの、VOC及びF.
F.は依然として低く、ηも十分に高いとはいえない。
OC,F.F.,ηはいずれも最も低い値であった。一方、試料
(PV−2)〜(PV−7)ではいずれも積層構造となって
いるが、第3表と比較すると、試料(PV−5)〜(PV−
7)は積層薄膜半導体中の水素原子含有量が10原子%を
越えている。すなわち、これらの試料(PV−5)〜(PV
−7)では、ISCは大きくなっているものの、VOC及びF.
F.は依然として低く、ηも十分に高いとはいえない。
これに対して、本発明に係る試料(PV−2)〜(PV−
4)では、積層薄膜半導体中の水素含有量は1原子%以
上、10原子%以下であり、これに対応するVOC、F.F.は
いずれもも高く、十分良好な特性が得られている。
4)では、積層薄膜半導体中の水素含有量は1原子%以
上、10原子%以下であり、これに対応するVOC、F.F.は
いずれもも高く、十分良好な特性が得られている。
次に、第6表は、上記試料(PV−1)〜(PV−7)に
−5Vの逆バイアスを印加した状態での暗電流、試料面に
100luxの光を当てた時の光電流、及びS/N比(光電流/
暗電流)を夫々示したものである。第6表に示すよう
に、試料(PV−1)及び試料(PV−5)〜(PV−7)の
比較例では、S/N比が小さく実用的とはいえない。これ
に対し、本発明の実施例である水素含有量が1%以上、
10原子%以下の試料(PV−2)〜(PV−4)では、S/N
比が4桁以上の値で得られており、光センサとして十分
実用的なダイナミックレンジを有しているものとなって
いる。すなわち、本発明の実施例は光センサとしても十
分効果を有することを示している。
−5Vの逆バイアスを印加した状態での暗電流、試料面に
100luxの光を当てた時の光電流、及びS/N比(光電流/
暗電流)を夫々示したものである。第6表に示すよう
に、試料(PV−1)及び試料(PV−5)〜(PV−7)の
比較例では、S/N比が小さく実用的とはいえない。これ
に対し、本発明の実施例である水素含有量が1%以上、
10原子%以下の試料(PV−2)〜(PV−4)では、S/N
比が4桁以上の値で得られており、光センサとして十分
実用的なダイナミックレンジを有しているものとなって
いる。すなわち、本発明の実施例は光センサとしても十
分効果を有することを示している。
(実施例2) 本実施例は、薄膜半導体層中に含まれる元素として、
主要なSi以外にGeやC等の第4属元素が含まれている光
起電力素子の例を示すものである。
主要なSi以外にGeやC等の第4属元素が含まれている光
起電力素子の例を示すものである。
第3図の装置を用いて、実施例1と同様の金属基板上
に、第7表の条件Dの下でp型のSiC薄膜半導体層を堆
積し、該薄膜半導体層の上には、第7表の条件Eの下で
不純物を含まないSiC薄膜半導体を堆積して、以上2種
層の堆積をくり返すことによりp型積層薄膜半導体を作
製した。その他は上記実施例1と同様にして第1図に示
す積層構成の薄膜光起電力素子の試料(PV−8)及び
(PV−9)を作製した。
に、第7表の条件Dの下でp型のSiC薄膜半導体層を堆
積し、該薄膜半導体層の上には、第7表の条件Eの下で
不純物を含まないSiC薄膜半導体を堆積して、以上2種
層の堆積をくり返すことによりp型積層薄膜半導体を作
製した。その他は上記実施例1と同様にして第1図に示
す積層構成の薄膜光起電力素子の試料(PV−8)及び
(PV−9)を作製した。
なお、試料(PV−8)は比較例であり、試料(PV−
9)は本発明に係る実施例である。すなわち、試料(PV
−8)ではp型積層薄膜半導体中の水素含有量が10原子
%以上であり、試料(PV−9)ではp型積層薄膜半導体
中の水素含有量が10原子%以下である。水素含有量は、
前述したように、マイクロ波電力によって制御した。
9)は本発明に係る実施例である。すなわち、試料(PV
−8)ではp型積層薄膜半導体中の水素含有量が10原子
%以上であり、試料(PV−9)ではp型積層薄膜半導体
中の水素含有量が10原子%以下である。水素含有量は、
前述したように、マイクロ波電力によって制御した。
第8表は、前記両試料について、太陽電池としての特
性、及び光センサとしての特性を測定した結果を示すも
のである。第8表中のS/N比は、−5Vの逆バイアス電圧
印加時に100luxの光を照射したときにおける、光電流と
暗電流の比(光電流/暗電流)である。
性、及び光センサとしての特性を測定した結果を示すも
のである。第8表中のS/N比は、−5Vの逆バイアス電圧
印加時に100luxの光を照射したときにおける、光電流と
暗電流の比(光電流/暗電流)である。
第8表に示すように、本発明の実施例の試料(PV−
9)は、比較例の試料(PV−8)に比べ、ISC,VOC,F.
F.,η,及びS/N比はいずれも改善されており、特にS/N
比においては、試料(PV−9)は試料(PV−8)の10倍
以上の値となっている。すなわち、本発明の実施例の試
料(PV−9)は、太陽電池特性,光センサ特性ともに極
めて良好であり、本発明の効果が明らかである。また、
例えば上述したp型SiC積層薄膜半導体を用いた素子の
ように、薄膜半導体層中に主要なSi以外のGeやC等の第
4属元素が含まれている光起電力素子に対して本発明を
適用した場合でも、同様な効果を奏することが理解でき
る。
9)は、比較例の試料(PV−8)に比べ、ISC,VOC,F.
F.,η,及びS/N比はいずれも改善されており、特にS/N
比においては、試料(PV−9)は試料(PV−8)の10倍
以上の値となっている。すなわち、本発明の実施例の試
料(PV−9)は、太陽電池特性,光センサ特性ともに極
めて良好であり、本発明の効果が明らかである。また、
例えば上述したp型SiC積層薄膜半導体を用いた素子の
ように、薄膜半導体層中に主要なSi以外のGeやC等の第
4属元素が含まれている光起電力素子に対して本発明を
適用した場合でも、同様な効果を奏することが理解でき
る。
(実施例3) 本実施例は、第3図のような装置によるHR−CVD法以
外の方法で作成された光起電力素子の例として、第6図
に示す装置によるSiH4ガスを用いたRFグロー放電法で作
製されたものである。
外の方法で作成された光起電力素子の例として、第6図
に示す装置によるSiH4ガスを用いたRFグロー放電法で作
製されたものである。
第6図に示す装置により、第1図に示す構成の試料
(PV−12)及び(PV−13)を作製した。このうち、試料
(PV−12)は比較例であり、試料(PV−13)は本発明の
実施例である。
(PV−12)及び(PV−13)を作製した。このうち、試料
(PV−12)は比較例であり、試料(PV−13)は本発明の
実施例である。
第6図において、61は真空槽であり、不図示の真空ポ
ンプによって同図右側の矢印方向へ排気されている。ま
た、真空槽61の中には接地された基体ホルダ62が設けら
れており、基体ホルダ62上に基体63が固定されている。
基体63は基体ホルダ62内に設けられたヒータによって所
望の温度まで加熱できる。さらに、基体ホルダ62に対向
してカソード電極64が設けられている。真空槽61内に不
図示のガス導入系により同図左側の矢印方向から導入さ
れた原料ガスは、カソード電極64に加えられた13.56MHz
高周波電力によって分解され、基体63上に薄膜半導体と
して堆積される。
ンプによって同図右側の矢印方向へ排気されている。ま
た、真空槽61の中には接地された基体ホルダ62が設けら
れており、基体ホルダ62上に基体63が固定されている。
基体63は基体ホルダ62内に設けられたヒータによって所
望の温度まで加熱できる。さらに、基体ホルダ62に対向
してカソード電極64が設けられている。真空槽61内に不
図示のガス導入系により同図左側の矢印方向から導入さ
れた原料ガスは、カソード電極64に加えられた13.56MHz
高周波電力によって分解され、基体63上に薄膜半導体と
して堆積される。
第10表は、第6図に示す装置を用いて作製した5種の
作製条件(F〜J)を示すものである。
作製条件(F〜J)を示すものである。
すなわち、条件Fでは、Pを混合したn型薄膜半導体
層2を条件Fで堆積し、条件Gでは、Pを混合していな
い薄膜半導体層3を堆積し、条件Hでは、不純物を混合
していない薄膜半導体層4を堆積し、条件IではBを混
合したp型薄膜半導体層5を堆積し、そして条件Jでは
Bを混合していない薄膜半導体層6を堆積した。各層の
厚さは上記実施例1と同様であり、また、金属基板1、
透明導電層7、及び集電電極8も実施例1と同様であ
る。
層2を条件Fで堆積し、条件Gでは、Pを混合していな
い薄膜半導体層3を堆積し、条件Hでは、不純物を混合
していない薄膜半導体層4を堆積し、条件IではBを混
合したp型薄膜半導体層5を堆積し、そして条件Jでは
Bを混合していない薄膜半導体層6を堆積した。各層の
厚さは上記実施例1と同様であり、また、金属基板1、
透明導電層7、及び集電電極8も実施例1と同様であ
る。
このようにして作製された試料(PV−12)及び(PV−
13)において、薄膜半導体層中の水素含有量はマイクロ
波電力によって制御されている。すなわち、比較例の試
料(PV−12)では薄膜半導体層中の水素含有量が10原子
%を超えており、本発明の実施例の試料(PV−13)では
薄膜半導体層中の水素含有量が10原子%以下である。
13)において、薄膜半導体層中の水素含有量はマイクロ
波電力によって制御されている。すなわち、比較例の試
料(PV−12)では薄膜半導体層中の水素含有量が10原子
%を超えており、本発明の実施例の試料(PV−13)では
薄膜半導体層中の水素含有量が10原子%以下である。
第11表は、試料(PV−12)及び(PV−13)の太陽電池
としての特性及び光センサとしての特性を測定した結果
を示すものである。
としての特性及び光センサとしての特性を測定した結果
を示すものである。
第11表に示すように、本発明に係る試料(PV−13)
は、比較例の試料(PV−12)に比べ、ISC,VOC,F.F.,
η,及びS/N比ともに改善されており、特にS/N比におい
ては、試料(PV−13)は試料(PV−12)の値よりも2ケ
タも高い値となっている。すなわち、本発明に係る試料
(PV−13)は、太陽電池特性,光センサ特性ともに極め
て良好であり、水素含有量を制御することによって太陽
電池や光センサとしての良好な特性が得られる。
は、比較例の試料(PV−12)に比べ、ISC,VOC,F.F.,
η,及びS/N比ともに改善されており、特にS/N比におい
ては、試料(PV−13)は試料(PV−12)の値よりも2ケ
タも高い値となっている。すなわち、本発明に係る試料
(PV−13)は、太陽電池特性,光センサ特性ともに極め
て良好であり、水素含有量を制御することによって太陽
電池や光センサとしての良好な特性が得られる。
また、例えば上述したSiH4ガスを用いたRFグロー放電
法の場合のように、本発明をHR−CVD法以外の方法で作
成された光起電力素子に対して適用した場合でも、同様
な効果を奏することが理解できる。
法の場合のように、本発明をHR−CVD法以外の方法で作
成された光起電力素子に対して適用した場合でも、同様
な効果を奏することが理解できる。
なお、本実施例における積層回数は3回であるが、積
層回数は少なくとも2回以上であればよい。また、上部
電極55は、例えばAu,Pt,Pd等を膜厚200Å以下に形成し
た膜のように、光透過性の導電膜であればいかなるもの
であってもよい。
層回数は少なくとも2回以上であればよい。また、上部
電極55は、例えばAu,Pt,Pd等を膜厚200Å以下に形成し
た膜のように、光透過性の導電膜であればいかなるもの
であってもよい。
以上のように実施例1〜3を示したが、本発明による
光起電力素子の薄膜半導体の積層回数は、少なくとも2
回以上であれば何回でもよい。金属基板としては、表面
を研磨したステンレス板等、通常用いられるいずれのも
のでもよい。
光起電力素子の薄膜半導体の積層回数は、少なくとも2
回以上であれば何回でもよい。金属基板としては、表面
を研磨したステンレス板等、通常用いられるいずれのも
のでもよい。
また、透明導電膜としては、例えばIn2O3,SnO2,ITO,Z
nO2等の膜や、Au,Pt,Pd等を膜厚200Å以下に形成した膜
等のように、光透過性の導電膜であればいずれも適用で
きる。さらに、集電電極としては、例えばAg等、通常用
いられるいずれのものも適用できる。なお、上記実施例
2にも示した通り、薄膜半導体層中に含まれる元素とし
て、主要なSi以外にGeやC等の第4属元素が含まれてい
てもよい。
nO2等の膜や、Au,Pt,Pd等を膜厚200Å以下に形成した膜
等のように、光透過性の導電膜であればいずれも適用で
きる。さらに、集電電極としては、例えばAg等、通常用
いられるいずれのものも適用できる。なお、上記実施例
2にも示した通り、薄膜半導体層中に含まれる元素とし
て、主要なSi以外にGeやC等の第4属元素が含まれてい
てもよい。
(参考例) 本参考例は、pin型以外の光起電力素子の例として、
ショットキー型光起電力素子の例について示すものであ
る。
ショットキー型光起電力素子の例について示すものであ
る。
第3図に示す装置によって、第5図に示す構成のショ
ットキー型薄膜光起電力素子の試料(PV−10)及び(PV
−11)を作製した。また、試料(PV−10)は比較例であ
り、試料(PV−11)は本発明の実施例である。
ットキー型薄膜光起電力素子の試料(PV−10)及び(PV
−11)を作製した。また、試料(PV−10)は比較例であ
り、試料(PV−11)は本発明の実施例である。
ここで、第5図の51〜54は第1図の1〜4に対応す
る。すなわち、第5図において、51は金属基板、52はP
を混合してn型とした薄膜半導体層、53はPを混合して
いない薄膜半導体層、54は不純物を混合していない薄膜
半導体層である。また、55は上部電極であり、56は集電
電極である。
る。すなわち、第5図において、51は金属基板、52はP
を混合してn型とした薄膜半導体層、53はPを混合して
いない薄膜半導体層、54は不純物を混合していない薄膜
半導体層である。また、55は上部電極であり、56は集電
電極である。
基板51としてはステンレス等の導電性基板が用いら
れ、この基板51上に、pin型素子の上記実施例1等と同
様の製法を用い、p型又はn型の膜厚100Å以下の薄膜
半導体層52とi型の膜厚100Å以下の薄膜半導体層53と
を3回積層した。その後i型の半導体層54を積層し、上
部電極55として抵抗加熱法によって真空蒸着された厚さ
50Åの金の半透明膜を形成し、最後に集電電極56を形成
する。
れ、この基板51上に、pin型素子の上記実施例1等と同
様の製法を用い、p型又はn型の膜厚100Å以下の薄膜
半導体層52とi型の膜厚100Å以下の薄膜半導体層53と
を3回積層した。その後i型の半導体層54を積層し、上
部電極55として抵抗加熱法によって真空蒸着された厚さ
50Åの金の半透明膜を形成し、最後に集電電極56を形成
する。
なお、本参考例における積層回数は3回であるが、積
層回数は少なくとも2回以上であればよい。また、上部
電極55は、例えばAu,Pt,Pd等を膜厚200Å以下に形成し
た膜のように、光透過性の導電膜であればいかなるもの
であってもよい。
層回数は少なくとも2回以上であればよい。また、上部
電極55は、例えばAu,Pt,Pd等を膜厚200Å以下に形成し
た膜のように、光透過性の導電膜であればいかなるもの
であってもよい。
以上の構造のショットキー型薄膜光起電力素子の試料
(PV−10)及び(PV−11)において、薄膜半導体層中の
水素含有量はマイクロ波電力によって制御されている。
すなわち、比較例の試料(PV−10)では薄膜半導体層中
の水素含有量が10原子%以上であり、本参考例に係る試
料(PV−11)では薄膜半導体層中の水素含有量が10原子
%以下である。
(PV−10)及び(PV−11)において、薄膜半導体層中の
水素含有量はマイクロ波電力によって制御されている。
すなわち、比較例の試料(PV−10)では薄膜半導体層中
の水素含有量が10原子%以上であり、本参考例に係る試
料(PV−11)では薄膜半導体層中の水素含有量が10原子
%以下である。
第9表は、これらのショットキー型薄膜光起電力素子
の試料(PV−10)及び(PV−11)についての、太陽電池
としての特性及び光センサとしての特性を示すものであ
る。
の試料(PV−10)及び(PV−11)についての、太陽電池
としての特性及び光センサとしての特性を示すものであ
る。
第9表に示すように、本発明の実施例の試料(PV−1
1)は、比較例の試料(PV−10)に比べ、ISC,VOC,F.F.,
η,及びS/N比ともに改善されており、特にS/N比におい
ては、試料(PV−11)は試料(PV−10)の値よりも2ケ
タも高い値となっている。すなわち、本参考例に係る試
料(PV−11)は、太陽電池特性,光センサ特性ともに極
めて良好であり、変換効率の向上が見られた。
1)は、比較例の試料(PV−10)に比べ、ISC,VOC,F.F.,
η,及びS/N比ともに改善されており、特にS/N比におい
ては、試料(PV−11)は試料(PV−10)の値よりも2ケ
タも高い値となっている。すなわち、本参考例に係る試
料(PV−11)は、太陽電池特性,光センサ特性ともに極
めて良好であり、変換効率の向上が見られた。
[発明の効果] 以上のように、本発明によれば、薄膜半導体から成る
i型半導体領域の一方の面側に、膜厚が100Å以下のp
型の薄膜半導体層と、膜厚が100Å以下のi型の薄膜半
導体層とを少なくとも2回以上繰り返して堆積した第1
の積層領域が設けられ、前記i型半導体領域の他方の面
側に、膜厚が100Å以下のn型の薄膜半導体層と膜厚が1
00Å以下のi型の薄膜半導体層とを少なくとも2回以上
繰り返して堆積した第2の堆積領域が設けられており、
前記第1及び第2の積層領域の各薄膜半導体層はシリコ
ンを主要な構成元素とし、1原子%以上10原子%以下の
含有量で水素を含んでいることを特徴とするので、素子
の短絡電流(ISC),開放電圧(VOC),及び曲線因子
(F.F.)を向上させ、さらに、素子の逆バイアス電圧印
加時の暗電流を減少させることが可能となった。すなわ
ち、光起電力素子の、太陽電池としての変換効率や、光
センサとしてのS/N比、ダイナミックレンジ等の諸特性
の改善に多大な効果を奏するものである。
i型半導体領域の一方の面側に、膜厚が100Å以下のp
型の薄膜半導体層と、膜厚が100Å以下のi型の薄膜半
導体層とを少なくとも2回以上繰り返して堆積した第1
の積層領域が設けられ、前記i型半導体領域の他方の面
側に、膜厚が100Å以下のn型の薄膜半導体層と膜厚が1
00Å以下のi型の薄膜半導体層とを少なくとも2回以上
繰り返して堆積した第2の堆積領域が設けられており、
前記第1及び第2の積層領域の各薄膜半導体層はシリコ
ンを主要な構成元素とし、1原子%以上10原子%以下の
含有量で水素を含んでいることを特徴とするので、素子
の短絡電流(ISC),開放電圧(VOC),及び曲線因子
(F.F.)を向上させ、さらに、素子の逆バイアス電圧印
加時の暗電流を減少させることが可能となった。すなわ
ち、光起電力素子の、太陽電池としての変換効率や、光
センサとしてのS/N比、ダイナミックレンジ等の諸特性
の改善に多大な効果を奏するものである。
第1図は、本発明によるpin型薄膜光起電力素子の断面
図、第2図は従来のpin型薄膜光電子素子の断面図、第
3図は本発明の実施例1〜3の素子の作製に用いられる
HR−CVD法の成膜装置の概略構成図、第4図はTOF法によ
る実験を説明する図、第5図は参考例に係るショットキ
ー型薄膜光起電力素子の断面図、第6図は実施例3の素
子の作製に用いられる高周波電力による成膜装置の概略
構成図である。 1,51……金属基板、2,52……n型薄膜半導体層、3,53…
…Pを混合していない薄膜半導体層、4,54……不純物を
混合していない薄膜半導体層、5,……p型薄膜半導体
層、6……Bを混合していない薄膜半導体層、7,42……
透明導電層、8,56……集電電極、31,61……真空槽、32,
62……基体ホルダ、33,63……基体、34……外管、35…
…内管、36……アプリケータ、41……ガラス基板、43,4
7……SiN層、44……n型又はp型薄膜半導体層、45,46
……i型薄膜半導体層、48……Al膜、49……パルス電
源、55……上部電極、65……カソード電極。
図、第2図は従来のpin型薄膜光電子素子の断面図、第
3図は本発明の実施例1〜3の素子の作製に用いられる
HR−CVD法の成膜装置の概略構成図、第4図はTOF法によ
る実験を説明する図、第5図は参考例に係るショットキ
ー型薄膜光起電力素子の断面図、第6図は実施例3の素
子の作製に用いられる高周波電力による成膜装置の概略
構成図である。 1,51……金属基板、2,52……n型薄膜半導体層、3,53…
…Pを混合していない薄膜半導体層、4,54……不純物を
混合していない薄膜半導体層、5,……p型薄膜半導体
層、6……Bを混合していない薄膜半導体層、7,42……
透明導電層、8,56……集電電極、31,61……真空槽、32,
62……基体ホルダ、33,63……基体、34……外管、35…
…内管、36……アプリケータ、41……ガラス基板、43,4
7……SiN層、44……n型又はp型薄膜半導体層、45,46
……i型薄膜半導体層、48……Al膜、49……パルス電
源、55……上部電極、65……カソード電極。
Claims (2)
- 【請求項1】薄膜半導体から成るi型半導体領域の一方
の面側に、膜厚が100Å以下のp型の薄膜半導体層と膜
厚が100Å以下のi型の薄膜半導体層とを少なくとも2
回以上繰り返して堆積した第1の積層領域が設けられ、
前記i型半導体領域の他方の面側に、膜厚が100Å以下
のn型の薄膜半導体層と膜厚が100Å以下のi型の薄膜
半導体層とを少なくとも2回以上繰り返して堆積した第
2の積層領域が設けられており、前記第1及び第2の積
層領域の各薄膜半導体層はシリコンを主要な構成元素と
し、1原子%以上10原子%以下の含有量で水素を含んで
いることを特徴とする光起電力素子。 - 【請求項2】薄膜半導体からなるi型半導体領域の一方
の面側に、膜厚が100Å以下のP型の薄膜半導体層と薄
膜が100Å以下のi型の薄膜半導体層とを少なくとも2
回以上繰り返して堆積することにより第1の積層領域を
設ける工程と、前記i型半導体領域の他方の面側に、薄
膜が100Å以下のn型の薄膜半導体層と膜厚が100Å以下
のi型の薄膜半導体層とを少なくとも2回以上繰り返し
て堆積することにより第2の積層領域を設ける工程と、
を含む光起電力素子の製造方法であって、 シリコン原子とハロゲン元素とを含むガスと水素ラジカ
ルとを夫々別に反応領域に導入して反応させることよ
り、シリコンを主要な構成元素とし、1原子%以上10%
以下の含有量で水素を含んでいる前記第1及び第2の積
層領域の各薄膜半導体層を形成することを特徴とする光
起電力素子の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63073894A JP2737111B2 (ja) | 1987-03-27 | 1988-03-28 | 光起電力素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62-73626 | 1987-03-27 | ||
JP7362687 | 1987-03-27 | ||
JP63073894A JP2737111B2 (ja) | 1987-03-27 | 1988-03-28 | 光起電力素子及びその製造方法 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS64773A JPS64773A (en) | 1989-01-05 |
JPH01773A JPH01773A (ja) | 1989-01-05 |
JP2737111B2 true JP2737111B2 (ja) | 1998-04-08 |
Family
ID=26414768
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63073894A Expired - Fee Related JP2737111B2 (ja) | 1987-03-27 | 1988-03-28 | 光起電力素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2737111B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8076250B1 (en) * | 2010-10-06 | 2011-12-13 | Applied Materials, Inc. | PECVD oxide-nitride and oxide-silicon stacks for 3D memory application |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2545275B1 (fr) * | 1983-04-27 | 1987-03-06 | Rca Corp | Photodetecteur tandem |
JPH065774B2 (ja) * | 1985-08-07 | 1994-01-19 | 工業技術院長 | 太陽電池 |
-
1988
- 1988-03-28 JP JP63073894A patent/JP2737111B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS64773A (en) | 1989-01-05 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |