JP2807182B2 - 光電池 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は前部（放射が入射する）
及び場合により光電池の後面（ｂａｃｋ ｆａｃｅｓ）
における、光で発生された（ｐｈｏｔｏｇｅｎｅｒａｔ
ｅｄ）キヤリヤの、バツク拡散（ｂａｃｋ ｄｉｆｆｕ
ｓｉｏｎ）の結果としてのむだな再結合（ｗａｓｔｅｆ
ｕｌ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）の排除又は少なく
とも実質的最小化に関する。 【０００２】本発明は無定形型半導体、特にたとえば約
５０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃより小さい低いキヤリヤ移動度
を示す無定形シリコンアロイセル（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ
ｓｉｌｉｃｏｎ ａｌｌｏｙ ｃｅｌｌｓ）に関す
る。好ましい種にはＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、Ｓｉ
Ｏ、ＳｉＳｎ及び場合により水素又はフツ素を含有して
いてもよい元素状Ｓｉが包含される。 【０００３】 【従来技術及びその課題】独特の太陽電池及びその製造
方法を例として以下に説明する。 【０００４】活性層が低移動度半導体から成る太陽電池
は、簡単な理論の予測［ダブリユ、ダブリユ、ガルトナ
ー、フイジカルレビユー、第１１６巻、８４号（１９５
９）（Ｗ．Ｗ．Ｇａｒｔｎｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１
１６、８４（１９５９）］に反して、強く吸収された放
射下に内部コレクシヨン効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏ
ｌｌｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の減少（ｆ
ａｌｌ−ｏｆｆ）を特徴的に示す。この効果はシヨツト
キーバリヤデバイス（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅ
ｒ ｄｅｖｉｃｅｓ）［デイ、グツコヴイツクツークル
ミン、シー、アール、ロンスキー、及びテイ、テイエツ
ジエ、アプライド フイジツクス レターズ３８
（２）、８７（１９８１）（Ｄ． Ｇｕｔｋｏｗｉｃｚ
−Ｋｒｕｓｉｎ． Ｃ． Ｒ． Ｗｒｏｎｓｋｉ， ａ
ｎｄ Ｔ． Ｔｉｅｄｊｅ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．
Ｌｅｔｔｅｒｓ ３８（２）、８７（１９８
１））］、ＭＩＳデバイス（ＭＩＳ ｄｅｖｉｃｅｓ）
及びホモ接合（ｐ−ｉ−ｎ）デバイス（ｈｏｍｏｊｕｎ
ｃｔｉｏｎ（ｐ−ｉ−ｎ）ｄｅｖｉｃｅｓ）（エー、イ
ー、デラホイ及びアール、ダブリユ、グリフイス、ジヤ
ーナル オブ アプライド フイジツクス、５２（１
０）、６３３７（１９８１）｛ｈｏｍｏｊｕｎｃｔｉｏ
ｎ（ｐ−ｉ−ｎ）ｄｅｖｉｃｅｓ（Ａ． Ｅ． Ｄｅｌ
ａｈｏｙ ａｎｄ Ｒ． Ｗ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈ，
Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ５２（１０）、６３３
７（１９８１）｝］を包含する種々の形状の無定形（ａ
−と略記する）Ｓｉセルにおいて実験的に観察された。
この効果はすべての場合にセルの照明された前部接触層
（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ ｆｒｏｎｔ ｃｏｎｔａｃ
ｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）に向かう光で発生されたキヤリ
ヤのバツク拡散（ｂａｃｋ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）に帰
せられ、照明された前部接触層において該キヤリヤは反
対型の熱的に発生したキヤリヤとむだに（即ち非生産的
に）再結合する。バツク拡散は短い波長で最も顕著であ
る。何故ならばそれを推進するキヤリヤ濃度勾配は、短
波長放射が吸収されるところの前部接触層にすぐ隣接し
たところで最大であるからである。この解釈は２つの理
論的研究により支持された。１つは輸送方程式（ｔｒａ
ｎｓｐｏｒｔ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）の直接の解析的解
法［ジエイ、ライヒマン、アプライド フイジツクス
レターズ３８（４）、２５１（１９８１）（Ｊ．Ｒｅｉ
ｃｈｍａｎ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ ３８（４）、２５１（１９８１））］を含み、そし
て他はｎ−ｉ−ｐ構造中の輸送のコンピユータ シミユ
レーシヨンを含む［ジー、エー、スワルツ、ジヤーナル
オブ アプライド フイジツクス、５３（１）、７１
２（１９８２）（Ｇ． Ａ． Ｓｗａｒｔｚ， Ｊ．
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ５３（１）、７１２（１９８
２）］。しかしながら、これらの理論的研究は、拡散す
るキヤリヤの完全なサーマリーゼーシヨン（ｃｏｍｐｌ
ｅｔｅ ｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）の仮定が是認
され得ないということに基づいて批判された［エー、ロ
スワーフ、アプライド、フイジツクス レターズ４０
（８）、６９４（１９８２）（Ａ． Ｒｏｔｈｗａｒ
ｆ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ ４０
（８）、６９４（１９８２））］。それにもかかわら
ず、バツク拡散は主要な再結合経路（ｍａｊｏｒ ｒｅ
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｐａｔｈｗａｙ）を構成する
こと及びその排除又は減少がより高い変換効率（ｃｏｎ
ｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）をもたらすこ
とは十分に成立するように思われる。 【０００５】バツク拡散を最小にするために、ライヒマ
ン（前記ジエイ、ライヒマン）はＭＩＳ又は半導体−電
解質構造（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｅｒ−ｅｌｅｃｔｒ
ｏ−ｌｙｔｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ）の使用
を提唱した。この構成においては、間にあるバリヤ領域
をトンネル効果で突き抜ける（ｔｕｎｎｅｌ ｔｈｒｏ
ｕｇｈ）必要は前部表面に向かつて移動するキヤリヤの
有効速度を減じる。この改善は高密度の境界状態（ｉｎ
ｔｅｒｆａｃｅ ｓｔａｔｅｓ）の存在において失敗す
るのであり［エイチ、シー、カード及びイー、エス、ヤ
ング、アプライド フイジツクス レターズ ２９
（１）、５１（１９７６）（Ｈ． Ｃ． Ｃａｒｄ ａ
ｎｄ Ｅ． Ｓ． Ｙａｎｇ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ ２９（１）、５１（１９７６）］
そしていずれにせよ、現在流行のｎ−ｉ−ｐ及びｐ−ｉ
−ｎ構造には適用できない。シヨツトキーバリヤデバイ
スの場合には、ライヒマンは均一なドーピングにより空
乏層（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）の幅を減じ、
それによりバツク拡散に反対するドリフト電界（ｄｒｉ
ｆｔ ｆｉｅｌｄ）を増加させることを提唱した。計算
は長波長応答を犠牲にしてのみ短波長応答に対して有利
な効果を示す。この故に、この改善も又、限定的に有用
でしかない。 【０００６】それにもかかわらず、ライヒマンの提唱は
ｎ−ｉ−ｐ及びｐ−ｉ−ｎデバイスにおける意図的にド
ープしたいくつかのｉ層の実験的研究を刺激した。その
第１はハルキ等（Ｈａｒｕｋｉ ｅｔ ａｌ）［エイ
チ、ハルキ、エイチ、サカイ、エム、カミヤマ及びワ
イ、ウチダ、太陽エネルギー材料８、４４１（１９８
３）（Ｈ． Ｈａｒｕｋｉ、Ｈ． Ｓａｋａｉ、Ｍ．
Ｋａｍｉｙａｍａ、 ａｎｄＹ． Ｕｃｈｉｄａ、 Ｓ
ｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ８、４
４１（１９８３）］のそれであると思われる。最大変換
効率は（１−３）×１０１７原子／ｃｍ３のオーダーの
ホウ素濃度に対して達成されそしてｐ−ｉ−ｎ装置より
もｎ−ｉ−ｐに対してより高い。ホウ素濃度プロフイル
は、ｐ層に隣接した狭い（≒５００Å）遷移領域を除い
ては、ｉ層全体にわたつて本質的に均一である。ホウ素
ドーピングの有利な効果は、これらの著者によれば、ホ
ール移動度−寿命積（ｈｏｌｅ−ｍｏｂｉｌｉｔｙ−ｌ
ｉｆｅｔｉｍｅ ｐｒｏｄｕｃｔ）における増加に帰さ
れているが、内部電界プロフイル（ｉｎｔｅｒｎａｌｆ
ｉｅｌｄ ｐｒｏｆｉｌｅ）の変動に帰されてはいな
い。その少し後、ムスタカス等（Ｍｏｕｓｔａｋａｓ
ｅｔ ａｌ）［テイー、デイー、ムスタカス、エイチ、
ピー、マルスカ、アール、フリードマン及びエム、ヒツ
クス、アプライドフイジツクス、レターズ４３（４）、
３６８（１９８３）（Ｔ． Ｄ． Ｍｏｕｓｔａｋａ
ｓ， Ｈ． Ｐ． Ｍａｒｕｓｋａ， Ｒ． Ｆｒｉｅ
ｄｍａｎ，ａｎｄ Ｍ． Ｈｉｃｋｓ， Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ ４３（４）、３６８（１
９８３））はシヨツトキーバリヤ及びｎ−ｉ−ｐデバイ
スにおける均一なホウ素ドーピングの効果の研究を報告
した。改良された短波長応答は、ｉ層中の残留リン不純
物が僅かに過補償される（ｏｖｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔ
ｉｏｎ）とき見出される。しかしながら、この場合に、
有利な効果は、内部電界の再分布に帰せられており、バ
ツク拡散問題に関して言及されていない。これらの結果
に基づいて、前記ムスタカス等は、最適電界分布（ｏｐ
ｔｉｍｕｍｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を
達成するためには、多分不均一な方法でホウ素濃度を調
製する可能性を示唆している。ごく最近ハツク等（Ｈａ
ｃｋ等）［エム．ハツク、エム．シユール、ダブリユ．
クズバチユ、及びジエイ．マクギル、アイイーイーイー
トランザクシヨンズ、エレクトロン デバイス、５
月、１９８４（発行される）（Ｍ． Ｈａｃｋ， Ｍ．
Ｓｈｕｒ， Ｗ． Ｃｚｕｂａｔｙｊ， ａｎｄ
Ｊ． ＭｃＧｉｌｌ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｍａｙ， １９８４
（ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ））］はコンピユー
タシミユレーシヨンによつてｎ−ｉ−ｐ構造において
“ホウ素プロフイリング”（ｂｏｒｏｎ ｐｒｏｆｉｌ
ｉｎｇ）の効果を研究した。研究はｉ層全体にわたつて
均一であるか又はｐ層からの距離と共に指数関数的に減
少する（ｄｅｃａｙ）ホウ素濃度プロフイルに制限され
ている。開回路電圧（ｏｐｅｎ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏ
ｌｔａｇｅ）における中位の増加が得られる。 【０００７】より好ましい電界分布を生成することにお
けるこれらのドーパントプロフイリング法の潜在的有用
性にもかかわらず、誰もまだ、前部接触層近傍のバツク
拡散を抑制する問題を提起しなかつた。更にすべてのド
ーパントプロフイリング法は共通の制限を受ける。それ
らはせいぜい、装置の２つの端部間の仕事関数の差によ
つて制限されるビルトイン静電電位差（ｂｕｉｌｔ−ｉ
ｎ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｓｔａｔｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａ
ｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を再分配する（ｒｅｄｉｓ
ｔｒｉｂｕｔｅ）ことができるにすぎない。故に、短絡
回路電流（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎ
ｔ）の増加はせいぜい開回路電圧における二次的増加
（ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅ）によ
り伴なわれるにすぎない。 【０００８】本発明は、光で発生されたキヤリヤのバツ
ク拡散を抑制する方法であつて、光で発生されたキヤリ
ヤを迅速な再結合の領域から遠ざかるように導く（ｓｔ
ｅｅｒ ａｗａｙ）ことが所望される場合に、真性
（ｉ）層（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ（ｉ） ｌａｙｅｒ）中
に局在化した電子又はホール親和力勾配（ｌｏｃａｌｉ
ｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｏｒ ｈｏｌｅ ａｆｆｉ
ｎｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔｓ）を導入することを含む
方法を提供する。親和力勾配は、それらが直接開回路電
圧に寄与し、その結果として開回路電圧と短絡回路電流
の両方における一次増加（ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ ｉ
ｎｃｒｅａｓｅｓ）が達成されるという点でセル操作を
有利にする。 【０００９】親和力勾配は真性層組成物の１つの成分の
相対濃度を太陽電池の接触層に隣接した領域において実
質的に０となるように勾配をつける（ｔａｐｅｒｉｎ
ｇ）ことにより、後で述べる実施例において達成され
る。しかしながら、セル構造（ｃｅｌｌ ｃｏｎｓｔｉ
ｔｕｔｉｏｎ）は、所望により、ポストデポジシヨンア
ニーリング（ｐｏｓｔ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｎ
ｅａｌｉｎｇ）、熱処理、水素化、フツ素化、イオン注
入（ｉｏｎ−ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）、照射、拡散
又はエフユージヨン（ｅｆｆｕｓｉｏｎ）プロセス又は
その組合わせを包含する他の方法において製造すること
はできる。 【００１０】本発明の改良は一般に広範な種類のセル構
造に適用可能であり、そして多数の低移動度無定形型半
導体材料システムに対して適用可能であると思われる。 【００１１】 【実施例】本発明の開示の一部を構成する添付図面を参
照して本発明を更に説明する。 【００１２】添付図面において、種々の構成部品が下記
参照番号によつて示されており、付けられている場合に
は添字は示された添付図面の第何図であるかを識別す
る。 【００１３】１０−ｎ＋層、 １１−勾配をつけられた親和力領域（ｇｒａｄｅｄ ａ
ｆｆｉｎｉｔｙ ｒｅｇｉｏｎ） １２−真性層、 １４−ｐ＋層、 １５−後部又は背後の勾配をつけられた領域、１６−勾
配をつけられていない親和力真性層に対する前部境界、 １７−勾配をつけられていない真性層に対する後部境
界、 ２０−フエルミ準位 ２１−インジウム−錫酸化物又は錫酸化物の透過性伝導
層（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ
ｌａｙｅｒ） ２２−後部又は背後金属接点、モリブデン、 ２３−支持基体 理論：親和力勾配はフオナツシユ及びアシヨツク（Ｆｏ
ｎａｓｈ ａｎｄ Ａｓｈｏｃｋ）［エス、ジエイ、フ
オナツシユ及びエス、アシヨツク、アプライド、フイジ
ツクス レターズ３５（７）、５３５（１９７９）
（Ｓ． Ｊ． Ｆｏｎａｓｈ ａｎｄ Ｓ． Ａｓｈｏ
ｃｋ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ ３
５（７）、５３５（１９７９））］から書きかえた図１
により理解することができる。この図は、等温の、照明
された半導体材料の最も一般的なバンド線図を示し、図
においてすべての特性エネルギーＥは１つの空間座標Ｘ
と共に変わることを許容されており、Ｅｏは局部真空レ
ベル（ｌｏｃａｌ ｖａｃｕｕｍ ｌｅｖｅｌ）であ
り、Ｅｃ及びＥｖはそれぞれ伝導帯縁（ｃｏｎｄｕｃｔ
ｉｏｎ ｂａｎｄ ｅｄｇｅｓ）及び価電子帯縁（ｖａ
ｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ ｅｄｇｅｓ）であり［無定形半
導体における移動度縁（ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｅｄｇｅ
ｓ）として解釈される］そしてＥｆｎ及びＥｆｐはそれ
ぞれ電子及びホール擬フエルミ準位（ｑａｕｓｉ−Ｆｅ
ｒｍｉ ｌｅｖｅｌｓ）である。電子親和力ＸｎはＥｏ
−Ｅｃとして定義され、そしてホール親和力Ｘｐ（イオ
ン化エネルギーとも呼ばれる）はＥｏ−Ｅｖとして定義
される；即ちＸｐ＝Ｘｎ＋Ｅｇ、（式中Ｅｇ＝Ｅｃ−Ｅ
ｖである）である。縦方向デンバー効果（ｌｏｎｇｉｔ
ｕｄｉｎａｌ Ｄｅｍｂｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）及び状態
Ｎｃ及びＮｖの有効密度の空間依存性を無視すると、開
回路電圧Ｖｏｃは 【００１４】 【数１】 【００１５】［式中△σｎ（ｘ）及び△σｐ（ｘ）はそ
れぞれ過剰電子伝導度（ｅｘｃｅｓｓｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）及び過剰ホール伝導度
（ｅｘｃｅｓｓ ｈｏｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔ
ｙ）であり、そしてσ（ｘ）は、照明（ｉｌｌｕｍｉｎ
ａｔｉｏｎ）下の全伝導度（ｔｏｔａｌ ｃｏｎｄｕｃ
ｔｉｖｉｔｙ）である］により与えられることを示すこ
とができる［前記エス、ジエイ、フオナツシユ及びエ
ス、アシヨツク；エス、ジエイ、フオナツシユ、太陽電
池装置物理学（アカデミツクプレス、ニユーヨーク、１
９８１）５６−６３頁｛Ｓ． Ｊ． Ｆｏｎａｓｈ ａ
ｎｄ Ｓ． Ａｓｈｏｋ， ｓｕｐｒａ；Ｓ． Ｊ．
Ｆｏｎａｓｈ， Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ Ｄｅｖｉｃｅ
Ｐｈｙｓｉｃｓ（Ａｃａｄｅｍｉｃｐｒｅｓｓ， Ｎ
ｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８１）ｐｐ．５６−６３｝］。
図１に示されたエネルギー関係の使用により式（１）は
別の形 【００１６】 【数２】 【００１７】（式中△σ＝△σｎ＋△σｐは全過剰伝導
度であり、Ｆｅｑ＝（ｄＥｏ／ｄｘ） ｅｑは暗（ｄａｒ
ｋ）における真空レベルの勾配であり、第２項及び第３
項の前の負の符号は図１に含蓄された符号の約束から生
じる）で表わすことができる。式（２）の意味は、材料
特性変動による親和力勾配（ａｆｆｉｎｉｔｙ ｇｒａ
ｄｉｅｎｔｓ）ｄｘｎ／ｄｘ及びｄｘｐ／ｄｘはビルト
イン静電界（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａ
ｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）と厳密に同じ様式でキヤリヤに対
して作用する有効な力（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒｃ
ｅｓ）を与えるということである。 【００１８】一般的に言えば、バツク拡散の問題は反対
型の接触層に隣接したキヤリヤに対して最も厳しい。図
２Ａ乃至２Ｄはバツク拡散に反対するための局在化親和
力勾配（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ａｆｆｉｎｉｔｙ ｇｒ
ａｄｉｅｎｔ）の４つの可能な適用に対する熱平衡にお
けるバンド線図を示す。図２Ａにおいては、ｎ−ｉ−ｐ
デバイスのｎ＋層１０ａに隣接したホール親和力勾配が
光で発生されたホールのバツク拡散を抑制するのに使用
される。図２Ｂにおいては電子親和力勾配が光で発生さ
れた電子のバツク拡散を抑制するのに使用される。図２
Ｃ及び図２Ｄはｐ−ｉ−ｎデバイスにおける対応する適
用を示す。示された構成の他に、電子及びホール親和力
勾配の両方を、単一デバイス又はタンデムもしくは多重
接合デバイス（ｍｕｌｔｉ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｖ
ｉｃｅ）の何れかの又はすべての構成部分に対して適用
することができる。更には、勾配は一次光吸収層（ｐｒ
ｉｍａｒｙ ｌｉｇｈｔ−ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｌａｙ
ｅｒ）１２ａ、１２ｂ、１２ｃ等に制限されるので、こ
の原理はシヨツトキーバリヤ、ＭＩＳ及び半導体−電解
質構造にも適用することができる。勾配をつけられた領
域（ｇｒａｄｅｄｒｅｇｉｏｎ）のプロフイル及び範囲
はセル設計者に光超電力性能（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉ
ｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の最適化に対する重要な
新らしい自由度を与える両プロセス変数である。 【００１９】勾配をつけられた親和力セルは、最初ハマ
カワ等（Ｈａｍａｋａｗａ ｅｔａｌ［ワイ・ハマカ
ワ、等、アプライドフイジツクスレターズ４３（７）、
６４４（１９８３）（Ｙ． Ｈａｍａｋａｗａ， ｅｔ
ａｌ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ
４３（７），６４４（１９８３））により製造されそし
てカタラノ等（Ｃａｔａｌａｎｏ ｅｔ ａｌ）により
１０％を越える効率に到らしめられた［エー、カタラノ
等、第１６回ＩＥＥＥ光電池専門家協議会会議録、ＩＥ
ＥＥ、ニユーヨーク、１９８２、１４２１頁（Ａ． Ｃ
ａｔａｌａｎｏｅｔ ａｌ， Ｐｒｏｃ． １６ｔｈ
ＩＥＥＥ ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｐｅｃｉａｌｉ
ｓｔｓ Ｃｏｎｆ．， ＩＥＥＥ， Ｎｅｗ Ｙｏｒ
ｋ，１９８２ｐ．１４２１）］“広窓”（ｗｉｄｅ−ｗ
ｉｎｄｏｗ）又はヘテロフエースａ−Ｓｉ（ｈｅｔｅｒ
ｏｆａｃｅ ａ−Ｓｉ）セルと比較することができる。
この場合には、ｐ−ｉ−ｎ構造におけるｐ＋層は残りを
構成するアロイ化されていない（ｕｎａｌｌｏｙｅｄ）
ａ−Ｓｉより実質的に大きい光学ギヤツプ（ｏｐｔｉｃ
ａｌ ｇａｐ）のａ−ＳｉＣアロイから成る。この変性
はＢをド−プされたａ−Ｓｉ（Ｂ−ｄｏｐｅｄ ａ−Ｓ
ｉ）におけるギヤツプ狭小化（ｇａｐ−ｎａｒｒｏｗｉ
ｎｇ）による光子損失（ｐｈｏｔｏｎｌｏｓｓｅｓ）を
最小にするために導入されそして文献においてそのよう
に調節される［前記ハマカ等、カタラノ等（Ｈａｍａｋ
ａ ｅｔ ａｌ．， Ｃａｔａｌａｎｏ ｅｔ ａｌ
ｓｕｐｒａ）。しかしながら、振り返つて見ると、ａ−
ＳｉＣ／ａ−Ｓｉヘテロフエースは光で発生された電子
のバツク拡散に対するブロツキング接点（ｂｌｏｃｋｉ
ｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ）としても作用し［エフ・エバン
ゲリステイ等、アプライドフイジツクスレターズ４４
（８），７６４（１９８４）（Ｆ． Ｅｖａｎｇｅｌｉ
ｓｔｉ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．
Ｌｅｔｔｅｒｓ４４（８），７６４（１９８４））］、
そしてこれは“広窓”セルの卓越性の多くを説明すると
思われる。この故に、窓−ベース境界（ｗｉｎｄｏｗ−
ｂａｓｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）における急激な親和力
不連続性（ａｂｒｕｐｔ ａｆｆｉｎｉｔｙ ｄｉｓｃ
ｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）よりも再結合を最小化するのにｉ
−層における親和力勾配がより効果的であるかどうかと
いう問題が生じる。２つの理由でそれは言えると考えら
れる：（ａ）量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）又
は“超格子”（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造に関す
る最近の実験［テイー、テイエジエ等、無定形半導体に
おける輸送及び欠陥、国際協議会会議録−１９８４年３
月、ジヤーナルオブノンクリスタリンソリツズ（公表さ
れるべき）（Ｔ． Ｔｉｅｄｊｅ， ｅｔ ａｌ．，
Ｐｒｏｃ． Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ．Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ
ａｎｄ Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ−Ｍａｒｃｈ， １９８
４，Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄｓ（ｔｏ
ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ）は、ａ−Ｓｉにおける電
子波動関数は３０Åのオーダーの距離にわたつてそれら
のコヒーレンスを保持することを示唆している。この故
に、バツク拡散するキヤリヤは前部接触層の厚さの有意
な部分（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｆｒａｃｔｉｏｎ）
に対して境界におけるポテンシヤル障壁を透過すること
ができる；（ｂ）いずれにせよ、すべてのではない再結
合が前部接触層内で起こる。多数キヤリヤ濃度はｉ層内
の相当な距離に対して高いままである。最大パワー条件
下の典型的な設計における多数キヤリヤ擬フエルミ準位
（ｍａｊｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ ｑｕａｓｉ−Ｆ
ｅｒｍｉ ｌｅｖｅｌ）の実質的移動は（１−２）×１
０４ ｅＶ／ｃｍのオーダーであり、そのために多数キ
ヤリヤ濃度は１デケード（ｏｎｅ ｄｅｃａｄｅ）減少
するのに数１００Åを必要とする。換言すれば、厳密に
境界においてバツク拡散キヤリヤを捕獲しようと（ａｒ
ｒｅｓｔ）試みることは両方の計算に対して不十分であ
り、むしろそれらは境界に近づくことを防止されなけれ
ばならない。 【００２０】勾配つき親和力セル（Ｇｒａｄｅｄ ａｆ
ｆｉｎｉｔｙ ｃｅｌｌ）親和力に勾配をつけることの
効力を証明するために無定形シリコン−ゲルマニウムア
ロイ系において図２Ａの構造のものを出願人は製造し
た。所望のホール親和力勾配は図３に略図で示された通
り、ｉ層の前部［放射方向に（ｒａｄｉａｔｉｏｎｗａ
ｒｄ）］３９０Åにわたりａ−Ｓｉ８０Ｇｅ２０から純
粋なａ−Ｓｉまで線形にアロイ組成に勾配をつけること
により形成した。境界ステツプ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ｓｔｅｐ）の形成を回避するためにｎ＋層１０はもちろ
ん純粋なＳｉであつた。対照群及び比較の標準として、
出願人は純粋なＳｉからＳｉ５０Ｇｅ５０までの範囲を
約１０％増分においてスパニングして（ｓｐａｎｎｉｎ
ｇ）、均一な組成の従来の［勾配をつけていない（ｕｎ
ｇｒａｄｅｄ）］アロイセルの組を同一条件下に製造し
た。かくして、勾配つき親和力のセル（ＧＡＣ）は対照
群のＳｉ８０Ｇｅ２０のメンバーに実質的に匹敵する。
すべてのセルは過剰の水素の存在下にシラン−ゲルマン
（ｓｉｌａｎｅ−ｇｅｒｍａｎｅ）混合物のＲＦプラズ
マ分解により製造した。基体は、付着期間中２５０℃に
保持して、電子ビーム蒸着させた１５００ÅのＭｏで金
属化されたコーニング７０５９ガラス（Ｃｏｒｎｉｎｇ
７０５０ ｇｌａｓｓ）であつた。ｐ＋層は約３００
Å厚さでありそして気相において約４％ジボランでドー
プした。ｉ層は全体で約５０００Å厚さであり、そして
意図的にはドープしなかつた。ｎ＋層は約７０Å厚さで
ありそして気相において約４％ホスフインでドープし
た。上部接点２１（ｕｐｐｅｒ ｃｏｎｔａｃｔ）（図
４）は電子ビーム蒸着したＩＴＯ（インジウム錫酸化
物）約６００Åでつくつた。 【００２１】ＧＡＣの勾配をつけた領域のパラメータは
下記基準で演繹的に（ａ ｐｒｉｏｒｉ）選ばれた：前
記した如く、デンバー効果及びｄＮｖ／ｄｘを無視する
と、ホール電流密度Ｊｐは次式で書き表わすことができ
る［前記エス・ジエイ・フオナツシユ等：前記エス・ジ
エイ・フオナツシユ（Ｓ． Ｊ． Ｆｏｎａｓｈ ｅｔ
ａｌ．， ｓｕｐｒａ：Ｓ． Ｊ． Ｆｏｎａｓｈ，
ｓｕｐｒａ）］： 【００２２】 【数３】 【００２３】（式中、Ｆ＝ｄＥｏ／ｄｘは照明下の真空
レベルの勾配であり、残りの記号は通常の意味を有す
る）。＋ｘ方向にホールが移動するためには、不等式 【００２４】 【数４】 【００２５】を満足しなければならない。［前記ジー・
エー・スワルツ（Ｇ． Ａ． Ｓｗａｒｔｚ， ｓｕｐ
ｒａ）のコンピユータシミユレーシヨンから図３、ｎ＋
層１０にすぐ隣接したｉ層１２の非常に重要な部分（ｃ
ｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｒｔｉｏｎ）１１においてＦ≒３
×１０４ｅＶ／ｃｍ及びＫＴｄ（ｌｎ（ｐ））／ｄｘ≒
６×１０４ｅＶ／ｃｍであることが推定される。これは
ｄｘｐ／ｄｘにより与えられるべき少なくとも３×１０
４ｅＶ／ｃｍの不足を残す。都合の悪いことに、ａ−Ｓ
ｉＧｅアロイの電子及びホール親和力は知られていな
い。しかしながら、ヒロセ（Ｈｉｒｏｓｅ）［エム・ヒ
ロセ、１９８４年３月の国際協議会、無定形半導体にお
ける輸送及び欠陥の会議録、ジヤーナル オブ ノンク
リスタリンリツズ（公表されるべき）（Ｍ． Ｈｉｒｏ
ｓｅ， Ｐｒｏｃ． Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｔｒａｎ
ｓｐｏｒｔ ａｎｄ Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ Ａｍｏｒ
ｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉ−ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ， Ｍａ
ｒｃｈ， １９８４。Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓ
ｏｌｉｄｓ（ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ）］は最
近ａ−Ｓｉの電子親和力に対して３．９３ｅＶという値
を報告した。結晶性Ｓｉに対して受け入れられた値４．
０１ｅＶとの比較は、電子親和力は構造変化に対して比
較的非感受性であることを示唆する。故に、親和力差△
Ｘｎ＝Ｘｎ（Ｓｉ）−Ｘｎ（Ｇｅ）は結晶状態における
と同じ値、即ち−０．１５ｅＶを有すると推測される。
移動度ギヤツプ（ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｇａｐ）の差△Ｅ
ｇ＝Ｅｇ（Ｓｉ）−Ｅｇ（Ｇｅ）≒０．７０ｅＶを加え
ると、△Ｘｐ≒０．５５ｅＶが得られ；即ち、ギヤツプ
広化（ｇａｐ ｗｉｄｅｎｉｎｇ）の約７９％が価電子
帯縁において起り、そして２１％が伝導帯縁において起
こる。Ｘｐが組成において線形であると仮定すると、３
９０Åの距離における０％から２０％Ｇｅまでの勾配づ
け（ｇｒａｄｉｎｇ）（図３参照）は、ｎ＋ｉ境界にお
けるホール束（ｈｏｌｅ ｆｌｕｘ）を逆にするのにか
ろうじて十分である（ｍａｓｇｉｎａｌｌｙｓｕｆｆｉ
ｃｉｅｎｔ）、価電子帯における３×１０４Ｖ／ｃｍの
オーダーの有効電界（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｉｅｌ
ｄ）を生じる。伴なう電子親和力勾配、１６、図３は、
もちろん、逆効果であり（ｃｏｕｎｔｅｒ ｐｒｏｄｕ
ｃｔｉｖｅ）、電子のドリフトを遅らせる。（図１にお
いてｄｘｎ／ｄｘとｄｘｐ／ｄｘは反対符号を有するこ
とに留意されたい）好都合なことに、電子濃度勾配はこ
の点においてははるかに小さくて電子拡散電流は残りの
ドリフト電界によつて容易に圧倒される（ｏｖｅｒ−ｗ
ｈｅｌｍｅｄ）と思われる。 【００２６】本発明はｎ−ｉ−ｐ太陽電池の製造により
実施するように変形された。それに対する略バンド線図
は図３に示されている。セルそれ自体は図４に略図で示
されている。個々のセル構成部分は下記の如くしてつく
られる。 【００２７】基体：後部接点（ｂａｃｋ ｃｏｎｔａｃ
ｔ）２２、図４−１″×１″，約０．０４″厚さの構成
部品２３、図４、コーニング７０５９ガラス上に電子ビ
ーム蒸着させた、１５００Å厚さのモリブデン付着プロセス −ＲＦプラズマ（グロー）放電ＲＦ電圧 ：アルゴン中Ｍｏ表面のイオン洗浄のための４
００ボルトピークピーク（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａ
ｋ）、付着のための３６０ボルトピークピーク基体バイアス ：−５０ボルトＤＣ自己誘導プラズマ電圧 ：−１４８ボルトＤＣＲＦパワー密度 ：０．６８４ワツト／平方ｃｍガス ：フローレート（制御的に下記のように変えられ
た）シラン ３．８→４．０ｓｃｃｍ ５％ゲルマン：水素３．９８→０．０ｓｃｃｍ 水素 ８．２２→１２．０ｓｃｃｍ（ｉ
層）ガス 下記の値に制御可能に変えられたフローレート ４．６６％ジボラン： 水素 ８．２２ｓｃｃｍ（Ｐ層）付着 ４．２９％ホスフイン： 水素 １２．０ｓｃｃｍ（Ｎ層）付着 水素／水素化物 比 ３．０ 絶対圧 ２００ミリトル層 厚さ Ｎ層（前部） ７０Å 全ｉ層 ５０１５Å ｉ層の勾配をつけられた部分 層 ３８６Å Ｐ層（後部） ２９２Å 前部接点、２１、ＦＩＧ．３Ａ インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）≒６００Å 付着速度、ｉ層 １．２８６Å／ｓｅｃ 基体温度 ２５０℃ 太陽電池は、本実施例においては、百分率組成対厚さ
（真性層１２）プロツト、図４に示された如きａ−Ｓｉ
８０Ｇｅ２０アロイの組成に勾配をつけることによつて
製造した。 【００２８】製作は底部層から基体２３、金属化２２、
ｐ＋層１４、真性（ｉ）層１２、ｎ＋層１０、最後に透
明な伝導性インジウム−錫酸化物（ＩＴＯ）層２１、ま
で連続操作として進行させた。中心ｐ−ｉ−ｎ層の厚さ
（及び勾配をつけられた親和力領域１１）は図３に示さ
れている。 【００２９】製作の一般的シーケンスは下記の通りであ
り、報告されたすべての時間は各工程に対して経過した
時間である：ＲＦ洗浄 ：１７ｓｃｃｍで流れる１２２ミリトル絶対圧
のアルゴン中、１３．６ＭＨｚで４００ボルトピークピ
ーク、２６０℃の接地された基体、プラズマ電圧≒−１
５４ボルトＤＣで１５分排気 ：３１ミリトル絶対圧、２４７℃の基体、ＤＣパワ
ー−５０ボルトで１０分 ガス平衡化 ：１０分、２００ミリトル絶対圧、２４７
℃、シラン３．８ｓｃｃｍ、ジボラン：水素８．２２ｓ
ｃｃｍ、ゲルマン：水素３．９８ｓｃｃｍ、２４７℃基
体速度、ＯＲＦ電圧、−５０ボルトＤＣ基体バイアスｐ＋付着 ：１分、４５秒、２００ミリトル絶対圧、２４
７℃、シラン３．８ｓｃｃｍ、ジボラン：水素、８．２
２ｓｃｃｍ、ゲルマン：水素３．９８ｓｃｃｍ、１３．
６ＭＨｚで３６０ボルトピークピークＲＦ、−５０ボル
トＤＣ基体バイアス排気 ：２９ミリトル絶対圧、２４７℃の基体で１５分ガスパージ ：５分、１９６ミリトル絶対圧、２４７℃、
シラン３．８ｓｃｃｍ、水素８．２２ｓｃｃｍ、ゲルマ
ン：水素３．９８ｓｃｃｍ。 【００３０】排気：２９ミリトル絶対圧、２４７℃の基
体で５分ガス平衡化 ：５分、１９７ミリトル絶対圧、シラン３．
８ｓｃｃｍ、水素８．２２ｓｃｃｍ、ゲルマン：水素
３．９８ｓｃｃｍ、２４７℃基体温度ＯＲＦ電圧、−５
０ボルトＤＣ基体バイアスｉ層付着開始 ：１９６ミリトル絶対圧、シラン３．８ｓ
ｃｃｍ、水素８．２２ｓｃｃｍ、ゲルマン：水素３．９
８ｓｃｃｍ、２４７℃基体温度、１３．６ＭＨｚで３６
０ボルトピークピークＲＦ、−５０ボルトＤＣ基体バイ
アスｉ層の勾配づけ ：表Ｉに記載された如き６５分ｉ層付着
の最後の５分間行なう、２４７℃基体温度、１３．６Ｍ
Ｈｚにおける３６０ボルトピークピークＲＦ、−５０ボ
ルトＤＣ基体バイアスｉ層付着仕上げ ：２００ミリトル絶対圧、シラン４．０
ｓｃｃｍ、水素１２．０ｓｃｃｍ、ゲルマン：水素０．
０ｓｃｃｍ、２４７℃基体温度、１３．６ＭＨｚで３６
０ボルトピークピークＲＦ、−５０ボルトＤＣ基体バイ
アスガス平衡化 ：５分、２００ミリトル絶対圧、シラン４．
０ｓｃｃｍ、ホスフイン：水素１２．０ｓｃｃｍ、ゲル
マン：水素０．０ｓｃｃｍ、２４６℃基体温度、ＯＲＦ
電圧、−５０ボルトＤＣ基体バイアス、ｎ＋付着 ：５７秒、２００ミリトル絶対圧、シラン４．
０ｓｃｃｍ、ホスフイン：水素１２．０ｓｃｃｍ、ゲル
マン：水素０．０ｓｃｃｍ、２４７℃基体温度、１３．
６ＭＨｚでの３６０ボルトピークピーク、ＲＦ、−５０
ボルトＤＣ基体バイアス、 勾配をつけられた親和力領域１１、図３の開発は本発明
の観点からセル構造の最も重要な部分である。 【００３１】この実施例においては、親和力勾配づけ
は、３つのガス状成分ＳｉＨ４、ＧｅＨ４：Ｈ２及びＨ
２を同時に供給して質量流速制御装置の５分の操作期間
中真性ａ−Ｓｉ８０Ｇｅ２０層の組成を２０％ゲルマニ
ウム含有率から実質的にゼロまで勾配をつけることによ
り（図５）達成された。シーケンスは計算されたガス流
速（ｓｃｃｍ）によつて表Ｉに１５秒間隔で示されてい
る。 【００３２】ＳｉＨ４供給速度は３．８０ｓｃｃｍから
４．０ｓｃｃｍまで定常的に増加し、これに対しＧｅＨ
４：Ｈ２は、元素状Ｈ２の流速を８．３３ｓｃｃｍから
１２．１１ｓｃｃｍまで漸次に増加させる一方０に定常
的に減させたことを示す第１欄に留意されたい。Ｈ２供
給を増加する理由は、水素／水素化物比［即ち水素／Ｃ
シラン＋ゲルマン）］を一定に（この例においては３．
０に近くして）保持することが必須であること、そうし
ないと無定形半導体の原子構造が影響をうけ得るという
ことである。 【００３３】ｎ＋ドープされたａ−Ｓｉ層１０（図３）
に対する測定された抵抗率は１３２０オーム−センチメ
−トルであり、これに対してｐ＋ドープしたａ−Ｓｉ層
１４のそれは２１，１００オーム−センチメ−トルであ
つた。測定された抵抗率のいくらかは測定期間中の接触
抵抗によるものであり得る。（理想的には、抵抗率は前
のものより低くあるべきである。何故ならばｎ及びｐ型
フイルムに対して、それぞれ５３オーム−センチメ−ト
ル及び２５００オーム−センチメ−トルという低い報告
された抵抗率が文献において見出され得るからであ
る）。 【００３４】ｐ又はｎドープされたＳｉ−Ｇｅアロイの
抵抗率は同様であることが予想される。 【００３５】 表 Ｉ ＧＡＣ−ｉ層付着の最後の５分間の時間工程記録（Ｔｉｍｅ ｌｏｇ） 計算されたガス流速 時 間 ＳｉＨ４ ＧｅＨ４：Ｈ２ Ｈ２ ５：０５：００ ３．８０ ３．９８ ８．３３ ５：０５：１５ ３．８１ ３．７８ ８．５２ ５：０５：３０ ３．８２ ３．５８ ８．７１ ５：０５：４５ ３．８３ ３．３９ ８．９０ ５：０６：００ ３．８４ ３．１９ ９．０６ ５：０６：１５ ３．８５ ２．９９ ９．２４ ５：０６：３０ ３．８６ ２．７８ ９．５１ ５：０６：４５ ３．８７ ２．５８ ９．６９ ５：０７：００ ３．８８ ２．３９ ９．８８ ５：０７：１５ ３．８９ ２．１９ １０．０５ ５：０７：３０ ３．９０ １．９９ １０．２３ ５：０７：４５ ３．９１ １．７９ １０．４１ 時 間 ＳｉＨ４ ＧｅＨ４：Ｇ２ Ｈ２ ５：０８：００ ３．９２ １．５９ １０．５８ ５：０８：１５ ３．９３ １．４０ １０．７６ ５：０８：３０ ３．９４ １．２０ １０．９４ ５：０８：４５ ３．９５ １．００ １１．１２ ５：０９：００ ３．９６ ０．７９ １１．３９ ５：０９：１５ ３．９７ ０．５９ １１．５７ ５：０９：３０ ３．９８ ０．４０ １１．７５ ５：０９：４５ ３．９９ ０．２０ １１．９３ ５：１０：００ ４．００ ０．００ １２．１１ 勾配をつけられた親和力セル及び勾配をつけられていな
いセルの対照群の測定された光起電力パラメータ（ｐｈ
ｏｔｏ ｖｏｌｔａｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）は図
６、７及び８においてｉ層の百分率Ｇｅ含有率に対して
プロツトされて示されている。測定は９３．６ｍＷ／ｃ
ｍ２の束でＥＬＨバルブ（ＥＬＨ ｂｕｌｂ）からの濾
過されていない（ｕｎｆｉｅｔｅｒｅｄ）放射の下で行
なわれた。比較用のアロイセルに対して、Ｖｏｃにおけ
る１２．７％の改良（図７）、Ｊｓｃにおける５．１％
改良（図６）及びフイルフアクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔ
ｏｒ）（グラフでは示されていない）の９．８％の改良
を示し、全体として２９．１％の効率の改良になる（図
８）ことを示す。勾配をつけられたセルの効率は実際、
同様な条件下でつくられたａ−Ｓｉセルの効率より高
く、そして知られている限りでは、単−接合無定形アロ
イセルに対して報告された最も高いものである。Ｇｅが
４０％を越えると光電池性能パラメータは急に低下す
る。 【００３６】式（２）により予想される増加とＶｏｃに
おける測定された増加を比較することは興味深い。測定
された増加は８５ｍｖであり、これに対して図３に示さ
れた電位差の代数和（即ち、差）は約８０ｍｖである。
この一致は多分偶然である。何故ならば式（２）の第２
項及び第３項における前因子（ｐｒｅｆａｃｔｏｒ）は
同時に１に近づくことはできないからである。出願人は
その代わりに、親和力勾配の主な効果は多分、ｎ＋層１
０における再結合シンクを排除することによつて真性層
１１及び１２における過剰キヤリヤ濃度を増加すること
であると考えている。この増加したキヤリヤ濃度はビル
トン電界（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｆｉｅｌｄ）及びホール
親和力勾配の組合わさつた効果により輸送される。故
に、被積分関数の第１項及び第３項の両方ともＶｏｃの
増加に寄与し、主な寄与は第１項からくる。 【００３７】本明細書にのべた勾配つき親和力セルはた
だ一般的原理の妥当性を証明するために最も簡単な考察
に従つて設計された。最大効率を達成する努力はなされ
ておらずそして又設計のシステマテイツクな最適化も試
みられなかつた。より長い領域にわたつて延びている△
Ｘｐが大きければ大きい程有利であろうと思われる。こ
れはａ−ＳｉＧｅ系内で、特にｉ層のＧｅ含有率を４０
％という多さに増加し、それによつてＡＭＩ日射（ＡＭ
Ｉ ｉｎｓｏｌａｔｉｏｎ）に対する最適に近い、約
１．４ｅＶに光学ギヤツプを低下させることによつて達
成することができる［ジエイ・ジエイ・ロフエルスキ
ー，ジヤーナル オブ アプライド フイジツクス・２
７，７７７（１９５６）（Ｊ．Ｊ．Ｌｏｆｅｒｓｋｉ，
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２７，７７７（１９５
６）］。 【００３８】ａ−ＳｉＮ系における最近の光放出の研究
（前記、エム・ヒロセ）はギヤツプ変化の大半は価電子
帯で起こることを示し、これに対してａ−ＳｉＣ系にお
ける同様な研究（前記エフ・エバンゲリスチ等）はゼロ
付近の価電子帯不連続性を示している。かくして電子及
びホール親和力は独立に操作することができ、そして図
２Ａ乃至図２Ｄに示されたすべての４つの構造を得るこ
とができる。これらの系において達成し得る非常に広い
ギヤツプは０．５ｅＶに近づく親和力差の可能性を高め
る。これらの系の組み合わせは前部及び後部接触層の両
方に近傍の再結合シンクの同時的排除を可能とし、まだ
光起電力効率における更に一層の増加の見込みがある。 【００３９】親和力勾配を生成する前記方法のすべて
は、実施例における如く勾配つき層の全体の化学的組成
の変動にあてはまる。無定形材料において利用し得る構
造自由度は付着の方法又は条件の変更により化学的に均
一な半導体における親和力勾配の生成も可能とする。か
くして、シランのグロー放電分解により調整される水素
化ａ−Ｓｉの光学ギヤツプは導入された水素含有率を変
えることによつて１．６〜１．９ｅＶの範囲にわたり変
えることができる［エイチ・フリツツシエ、太陽エネル
ギー材料３，４４７（１９８０）（Ｈ． Ｆｒｉｔｚｓ
ｃｈｅ， Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａ
ｌｓ ３，４４７（１９８０）］。水素含有率は基体温
度、基体バイアス、ＲＦパワーレベル、シラン濃度及び
フローレート及び残留系圧力を包含する多数の付着パラ
メータ（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ
ｓ）の関数である［ジエイ・シー・ナイツ、日本物理学
会誌、１８、別冊、１８−１，１０１（１９７９）、エ
イチ・オカモト、テイー・ハマグチ、ワイ・ニツタ及び
ワイ・ハマカワ、ジヤーナル オブ ノンクリスタリン
ソリツズ３５−３６，２０１（１９８０）（Ｊ． Ｃ．
Ｋｎｉｇｈｔｓ， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐ
ｈｙｓ． １８，Ｓｕｐｐｌ． １８−１，１０１（１
９７９），Ｈ． Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｔ． Ｈａｍａｇｕ
ｃｈｉ， Ｙ．Ｎｉｔｔａ， ａｎｄ Ｙ． Ｈａｍａ
ｋａｗａ， Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄ
ｓ ３５−３６，２０１（１９８０））］。なお更に変
更したものは付着期間中フツ素の如きハロゲンを導入す
ることにより［エー・マダン、エス・アール・オブシン
スキー及びイー・ベン・フイロツソフイカル・マガジン
Ｂ４０、２５９）（Ａ． Ｍａｄａｎ，Ｓ． Ｒ． Ｏ
ｖｓｈｉｎｓｋｙ， ａｎｄ Ｅ． Ｂｅｎｎ， Ｐｈ
ｉｌ． Ｍａｇ． Ｂ４０，２５９）（１９７９））］
又は反応スパツタリングの如き他の付着プロセスの使用
により（エフ・アール・フエフレイ、エイチ・アール・
シヤンクス及びジー・シー・ダニエルソン、ジヤーナル
オブ ノンクリスタリン ソリツズ３５−３６，２６
１（１９８０）（Ｆ． Ｒ． Ｆｅｆｆｒｅｙ， Ｈ．
Ｒ． Ｓｈａｎｋｓ， ａｎｄ Ｇ． Ｃ． Ｄａｎ
ｉｅｌｓｏｎ， Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌ
ｉｄｓ３５−３６，２６１（１９８０））］及び化学蒸
着により（ビー・エー・スコツト、半導体及び半金属に
おいて、２１巻、著者ジエイ・パンコーブ（アカデミツ
クプレス、ニユーヨーク、１９８４）（Ｂ． Ａ． Ｓ
ｃｏｔｔ， ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａ
ｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ， Ｖｏｌ． ２１，ｅ
ｄ． Ｊ． Ｐａｎｋｏｖｅ（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒ
ｅｓｓ， ＮｅｗＹｏｒｋ， １９８４））製造するこ
とができる。光学ギヤツプにおける相当する変動を生じ
るかどうかそしてもしそうであるならばこれらの変動は
価電子帯及び伝導帯移動度縁間にいかに割当てられるか
は完全に明らかではない。 【００４０】本発明の適用性は、たとえば約５０ｃｍ２
／ボルト秒より小さい低いキヤリヤ移動度を示す無定形
型半導体に限定される。 【００４１】光で発生されたキヤリヤの移動は拡散電界
（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）及び静電電界（ｅ
ｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）の両方の結果
であり、前者は性質においてランダムであり、そして後
者は半導体内の電位分布に支配されそしてそれによる。 【００４２】半導体は製造条件による少量のＨ２及びＮ
２を含有することは避け難く、これらの物質の効果は大
部分知られていない：しかしながら、かかるデバイスの
操作はこのことにより多分影響される。 【００４３】本発明はアロイ自体に適用可能であり、ド
ーピングとは区別されなければならない。 【００４４】それぞれバブル及びバンドシヨツトとして
ホール及び電子の個々の通過を可視化することは便利で
ある。ホールは次いで、即ち勾配をつけられた領域１１
の境界を定める急な勾配を登り（即ち右に）、これに対
してシヨツトは降下しそれにより前記した如きキヤリヤ
の選択的分離に影響する。キヤリヤは２つの主な原因に
より生じることは理解される：（１）熱エネルギー及び
（２）光学エネルギー。いずれにせよ、図２Ａ乃至図２
Ｇ及び図３の平衡バンド線図の勾配が小さければ小さい
程、固有電界（ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｆｉｅｌｄ）はより小さく、そして本発明の利用に対し
てはより有利である。 【００４５】“バツク拡散”とは、同領域中に存在する
電界によるコレクシヨンの方向に対する又は反対のキヤ
リヤ拡散を意味する。
及び場合により光電池の後面（ｂａｃｋ ｆａｃｅｓ）
における、光で発生された（ｐｈｏｔｏｇｅｎｅｒａｔ
ｅｄ）キヤリヤの、バツク拡散（ｂａｃｋ ｄｉｆｆｕ
ｓｉｏｎ）の結果としてのむだな再結合（ｗａｓｔｅｆ
ｕｌ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）の排除又は少なく
とも実質的最小化に関する。 【０００２】本発明は無定形型半導体、特にたとえば約
５０ｃｍ２／Ｖ ｓｅｃより小さい低いキヤリヤ移動度
を示す無定形シリコンアロイセル（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ
ｓｉｌｉｃｏｎ ａｌｌｏｙ ｃｅｌｌｓ）に関す
る。好ましい種にはＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、Ｓｉ
Ｏ、ＳｉＳｎ及び場合により水素又はフツ素を含有して
いてもよい元素状Ｓｉが包含される。 【０００３】 【従来技術及びその課題】独特の太陽電池及びその製造
方法を例として以下に説明する。 【０００４】活性層が低移動度半導体から成る太陽電池
は、簡単な理論の予測［ダブリユ、ダブリユ、ガルトナ
ー、フイジカルレビユー、第１１６巻、８４号（１９５
９）（Ｗ．Ｗ．Ｇａｒｔｎｅｒ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１
１６、８４（１９５９）］に反して、強く吸収された放
射下に内部コレクシヨン効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏ
ｌｌｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の減少（ｆ
ａｌｌ−ｏｆｆ）を特徴的に示す。この効果はシヨツト
キーバリヤデバイス（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅ
ｒ ｄｅｖｉｃｅｓ）［デイ、グツコヴイツクツークル
ミン、シー、アール、ロンスキー、及びテイ、テイエツ
ジエ、アプライド フイジツクス レターズ３８
（２）、８７（１９８１）（Ｄ． Ｇｕｔｋｏｗｉｃｚ
−Ｋｒｕｓｉｎ． Ｃ． Ｒ． Ｗｒｏｎｓｋｉ， ａ
ｎｄ Ｔ． Ｔｉｅｄｊｅ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．
Ｌｅｔｔｅｒｓ ３８（２）、８７（１９８
１））］、ＭＩＳデバイス（ＭＩＳ ｄｅｖｉｃｅｓ）
及びホモ接合（ｐ−ｉ−ｎ）デバイス（ｈｏｍｏｊｕｎ
ｃｔｉｏｎ（ｐ−ｉ−ｎ）ｄｅｖｉｃｅｓ）（エー、イ
ー、デラホイ及びアール、ダブリユ、グリフイス、ジヤ
ーナル オブ アプライド フイジツクス、５２（１
０）、６３３７（１９８１）｛ｈｏｍｏｊｕｎｃｔｉｏ
ｎ（ｐ−ｉ−ｎ）ｄｅｖｉｃｅｓ（Ａ． Ｅ． Ｄｅｌ
ａｈｏｙ ａｎｄ Ｒ． Ｗ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈ，
Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ５２（１０）、６３３
７（１９８１）｝］を包含する種々の形状の無定形（ａ
−と略記する）Ｓｉセルにおいて実験的に観察された。
この効果はすべての場合にセルの照明された前部接触層
（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ ｆｒｏｎｔ ｃｏｎｔａｃ
ｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）に向かう光で発生されたキヤリ
ヤのバツク拡散（ｂａｃｋ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）に帰
せられ、照明された前部接触層において該キヤリヤは反
対型の熱的に発生したキヤリヤとむだに（即ち非生産的
に）再結合する。バツク拡散は短い波長で最も顕著であ
る。何故ならばそれを推進するキヤリヤ濃度勾配は、短
波長放射が吸収されるところの前部接触層にすぐ隣接し
たところで最大であるからである。この解釈は２つの理
論的研究により支持された。１つは輸送方程式（ｔｒａ
ｎｓｐｏｒｔ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ）の直接の解析的解
法［ジエイ、ライヒマン、アプライド フイジツクス
レターズ３８（４）、２５１（１９８１）（Ｊ．Ｒｅｉ
ｃｈｍａｎ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ ３８（４）、２５１（１９８１））］を含み、そし
て他はｎ−ｉ−ｐ構造中の輸送のコンピユータ シミユ
レーシヨンを含む［ジー、エー、スワルツ、ジヤーナル
オブ アプライド フイジツクス、５３（１）、７１
２（１９８２）（Ｇ． Ａ． Ｓｗａｒｔｚ， Ｊ．
Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ５３（１）、７１２（１９８
２）］。しかしながら、これらの理論的研究は、拡散す
るキヤリヤの完全なサーマリーゼーシヨン（ｃｏｍｐｌ
ｅｔｅ ｔｈｅｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）の仮定が是認
され得ないということに基づいて批判された［エー、ロ
スワーフ、アプライド、フイジツクス レターズ４０
（８）、６９４（１９８２）（Ａ． Ｒｏｔｈｗａｒ
ｆ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ ４０
（８）、６９４（１９８２））］。それにもかかわら
ず、バツク拡散は主要な再結合経路（ｍａｊｏｒ ｒｅ
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｐａｔｈｗａｙ）を構成する
こと及びその排除又は減少がより高い変換効率（ｃｏｎ
ｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）をもたらすこ
とは十分に成立するように思われる。 【０００５】バツク拡散を最小にするために、ライヒマ
ン（前記ジエイ、ライヒマン）はＭＩＳ又は半導体−電
解質構造（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｅｒ−ｅｌｅｃｔｒ
ｏ−ｌｙｔｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ）の使用
を提唱した。この構成においては、間にあるバリヤ領域
をトンネル効果で突き抜ける（ｔｕｎｎｅｌ ｔｈｒｏ
ｕｇｈ）必要は前部表面に向かつて移動するキヤリヤの
有効速度を減じる。この改善は高密度の境界状態（ｉｎ
ｔｅｒｆａｃｅ ｓｔａｔｅｓ）の存在において失敗す
るのであり［エイチ、シー、カード及びイー、エス、ヤ
ング、アプライド フイジツクス レターズ ２９
（１）、５１（１９７６）（Ｈ． Ｃ． Ｃａｒｄ ａ
ｎｄ Ｅ． Ｓ． Ｙａｎｇ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ ２９（１）、５１（１９７６）］
そしていずれにせよ、現在流行のｎ−ｉ−ｐ及びｐ−ｉ
−ｎ構造には適用できない。シヨツトキーバリヤデバイ
スの場合には、ライヒマンは均一なドーピングにより空
乏層（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）の幅を減じ、
それによりバツク拡散に反対するドリフト電界（ｄｒｉ
ｆｔ ｆｉｅｌｄ）を増加させることを提唱した。計算
は長波長応答を犠牲にしてのみ短波長応答に対して有利
な効果を示す。この故に、この改善も又、限定的に有用
でしかない。 【０００６】それにもかかわらず、ライヒマンの提唱は
ｎ−ｉ−ｐ及びｐ−ｉ−ｎデバイスにおける意図的にド
ープしたいくつかのｉ層の実験的研究を刺激した。その
第１はハルキ等（Ｈａｒｕｋｉ ｅｔ ａｌ）［エイ
チ、ハルキ、エイチ、サカイ、エム、カミヤマ及びワ
イ、ウチダ、太陽エネルギー材料８、４４１（１９８
３）（Ｈ． Ｈａｒｕｋｉ、Ｈ． Ｓａｋａｉ、Ｍ．
Ｋａｍｉｙａｍａ、 ａｎｄＹ． Ｕｃｈｉｄａ、 Ｓ
ｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ８、４
４１（１９８３）］のそれであると思われる。最大変換
効率は（１−３）×１０１７原子／ｃｍ３のオーダーの
ホウ素濃度に対して達成されそしてｐ−ｉ−ｎ装置より
もｎ−ｉ−ｐに対してより高い。ホウ素濃度プロフイル
は、ｐ層に隣接した狭い（≒５００Å）遷移領域を除い
ては、ｉ層全体にわたつて本質的に均一である。ホウ素
ドーピングの有利な効果は、これらの著者によれば、ホ
ール移動度−寿命積（ｈｏｌｅ−ｍｏｂｉｌｉｔｙ−ｌ
ｉｆｅｔｉｍｅ ｐｒｏｄｕｃｔ）における増加に帰さ
れているが、内部電界プロフイル（ｉｎｔｅｒｎａｌｆ
ｉｅｌｄ ｐｒｏｆｉｌｅ）の変動に帰されてはいな
い。その少し後、ムスタカス等（Ｍｏｕｓｔａｋａｓ
ｅｔ ａｌ）［テイー、デイー、ムスタカス、エイチ、
ピー、マルスカ、アール、フリードマン及びエム、ヒツ
クス、アプライドフイジツクス、レターズ４３（４）、
３６８（１９８３）（Ｔ． Ｄ． Ｍｏｕｓｔａｋａ
ｓ， Ｈ． Ｐ． Ｍａｒｕｓｋａ， Ｒ． Ｆｒｉｅ
ｄｍａｎ，ａｎｄ Ｍ． Ｈｉｃｋｓ， Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ ４３（４）、３６８（１
９８３））はシヨツトキーバリヤ及びｎ−ｉ−ｐデバイ
スにおける均一なホウ素ドーピングの効果の研究を報告
した。改良された短波長応答は、ｉ層中の残留リン不純
物が僅かに過補償される（ｏｖｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔ
ｉｏｎ）とき見出される。しかしながら、この場合に、
有利な効果は、内部電界の再分布に帰せられており、バ
ツク拡散問題に関して言及されていない。これらの結果
に基づいて、前記ムスタカス等は、最適電界分布（ｏｐ
ｔｉｍｕｍｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を
達成するためには、多分不均一な方法でホウ素濃度を調
製する可能性を示唆している。ごく最近ハツク等（Ｈａ
ｃｋ等）［エム．ハツク、エム．シユール、ダブリユ．
クズバチユ、及びジエイ．マクギル、アイイーイーイー
トランザクシヨンズ、エレクトロン デバイス、５
月、１９８４（発行される）（Ｍ． Ｈａｃｋ， Ｍ．
Ｓｈｕｒ， Ｗ． Ｃｚｕｂａｔｙｊ， ａｎｄ
Ｊ． ＭｃＧｉｌｌ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｍａｙ， １９８４
（ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ））］はコンピユー
タシミユレーシヨンによつてｎ−ｉ−ｐ構造において
“ホウ素プロフイリング”（ｂｏｒｏｎ ｐｒｏｆｉｌ
ｉｎｇ）の効果を研究した。研究はｉ層全体にわたつて
均一であるか又はｐ層からの距離と共に指数関数的に減
少する（ｄｅｃａｙ）ホウ素濃度プロフイルに制限され
ている。開回路電圧（ｏｐｅｎ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏ
ｌｔａｇｅ）における中位の増加が得られる。 【０００７】より好ましい電界分布を生成することにお
けるこれらのドーパントプロフイリング法の潜在的有用
性にもかかわらず、誰もまだ、前部接触層近傍のバツク
拡散を抑制する問題を提起しなかつた。更にすべてのド
ーパントプロフイリング法は共通の制限を受ける。それ
らはせいぜい、装置の２つの端部間の仕事関数の差によ
つて制限されるビルトイン静電電位差（ｂｕｉｌｔ−ｉ
ｎ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｓｔａｔｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａ
ｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を再分配する（ｒｅｄｉｓ
ｔｒｉｂｕｔｅ）ことができるにすぎない。故に、短絡
回路電流（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎ
ｔ）の増加はせいぜい開回路電圧における二次的増加
（ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅ）によ
り伴なわれるにすぎない。 【０００８】本発明は、光で発生されたキヤリヤのバツ
ク拡散を抑制する方法であつて、光で発生されたキヤリ
ヤを迅速な再結合の領域から遠ざかるように導く（ｓｔ
ｅｅｒ ａｗａｙ）ことが所望される場合に、真性
（ｉ）層（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ（ｉ） ｌａｙｅｒ）中
に局在化した電子又はホール親和力勾配（ｌｏｃａｌｉ
ｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｏｒ ｈｏｌｅ ａｆｆｉ
ｎｉｔｙ ｇｒａｄｉｅｎｔｓ）を導入することを含む
方法を提供する。親和力勾配は、それらが直接開回路電
圧に寄与し、その結果として開回路電圧と短絡回路電流
の両方における一次増加（ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ ｉ
ｎｃｒｅａｓｅｓ）が達成されるという点でセル操作を
有利にする。 【０００９】親和力勾配は真性層組成物の１つの成分の
相対濃度を太陽電池の接触層に隣接した領域において実
質的に０となるように勾配をつける（ｔａｐｅｒｉｎ
ｇ）ことにより、後で述べる実施例において達成され
る。しかしながら、セル構造（ｃｅｌｌ ｃｏｎｓｔｉ
ｔｕｔｉｏｎ）は、所望により、ポストデポジシヨンア
ニーリング（ｐｏｓｔ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｎ
ｅａｌｉｎｇ）、熱処理、水素化、フツ素化、イオン注
入（ｉｏｎ−ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）、照射、拡散
又はエフユージヨン（ｅｆｆｕｓｉｏｎ）プロセス又は
その組合わせを包含する他の方法において製造すること
はできる。 【００１０】本発明の改良は一般に広範な種類のセル構
造に適用可能であり、そして多数の低移動度無定形型半
導体材料システムに対して適用可能であると思われる。 【００１１】 【実施例】本発明の開示の一部を構成する添付図面を参
照して本発明を更に説明する。 【００１２】添付図面において、種々の構成部品が下記
参照番号によつて示されており、付けられている場合に
は添字は示された添付図面の第何図であるかを識別す
る。 【００１３】１０−ｎ＋層、 １１−勾配をつけられた親和力領域（ｇｒａｄｅｄ ａ
ｆｆｉｎｉｔｙ ｒｅｇｉｏｎ） １２−真性層、 １４−ｐ＋層、 １５−後部又は背後の勾配をつけられた領域、１６−勾
配をつけられていない親和力真性層に対する前部境界、 １７−勾配をつけられていない真性層に対する後部境
界、 ２０−フエルミ準位 ２１−インジウム−錫酸化物又は錫酸化物の透過性伝導
層（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ
ｌａｙｅｒ） ２２−後部又は背後金属接点、モリブデン、 ２３−支持基体 理論：親和力勾配はフオナツシユ及びアシヨツク（Ｆｏ
ｎａｓｈ ａｎｄ Ａｓｈｏｃｋ）［エス、ジエイ、フ
オナツシユ及びエス、アシヨツク、アプライド、フイジ
ツクス レターズ３５（７）、５３５（１９７９）
（Ｓ． Ｊ． Ｆｏｎａｓｈ ａｎｄ Ｓ． Ａｓｈｏ
ｃｋ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ ３
５（７）、５３５（１９７９））］から書きかえた図１
により理解することができる。この図は、等温の、照明
された半導体材料の最も一般的なバンド線図を示し、図
においてすべての特性エネルギーＥは１つの空間座標Ｘ
と共に変わることを許容されており、Ｅｏは局部真空レ
ベル（ｌｏｃａｌ ｖａｃｕｕｍ ｌｅｖｅｌ）であ
り、Ｅｃ及びＥｖはそれぞれ伝導帯縁（ｃｏｎｄｕｃｔ
ｉｏｎ ｂａｎｄ ｅｄｇｅｓ）及び価電子帯縁（ｖａ
ｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ ｅｄｇｅｓ）であり［無定形半
導体における移動度縁（ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｅｄｇｅ
ｓ）として解釈される］そしてＥｆｎ及びＥｆｐはそれ
ぞれ電子及びホール擬フエルミ準位（ｑａｕｓｉ−Ｆｅ
ｒｍｉ ｌｅｖｅｌｓ）である。電子親和力ＸｎはＥｏ
−Ｅｃとして定義され、そしてホール親和力Ｘｐ（イオ
ン化エネルギーとも呼ばれる）はＥｏ−Ｅｖとして定義
される；即ちＸｐ＝Ｘｎ＋Ｅｇ、（式中Ｅｇ＝Ｅｃ−Ｅ
ｖである）である。縦方向デンバー効果（ｌｏｎｇｉｔ
ｕｄｉｎａｌ Ｄｅｍｂｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）及び状態
Ｎｃ及びＮｖの有効密度の空間依存性を無視すると、開
回路電圧Ｖｏｃは 【００１４】 【数１】 【００１５】［式中△σｎ（ｘ）及び△σｐ（ｘ）はそ
れぞれ過剰電子伝導度（ｅｘｃｅｓｓｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）及び過剰ホール伝導度
（ｅｘｃｅｓｓ ｈｏｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔ
ｙ）であり、そしてσ（ｘ）は、照明（ｉｌｌｕｍｉｎ
ａｔｉｏｎ）下の全伝導度（ｔｏｔａｌ ｃｏｎｄｕｃ
ｔｉｖｉｔｙ）である］により与えられることを示すこ
とができる［前記エス、ジエイ、フオナツシユ及びエ
ス、アシヨツク；エス、ジエイ、フオナツシユ、太陽電
池装置物理学（アカデミツクプレス、ニユーヨーク、１
９８１）５６−６３頁｛Ｓ． Ｊ． Ｆｏｎａｓｈ ａ
ｎｄ Ｓ． Ａｓｈｏｋ， ｓｕｐｒａ；Ｓ． Ｊ．
Ｆｏｎａｓｈ， Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ Ｄｅｖｉｃｅ
Ｐｈｙｓｉｃｓ（Ａｃａｄｅｍｉｃｐｒｅｓｓ， Ｎ
ｅｗ Ｙｏｒｋ， １９８１）ｐｐ．５６−６３｝］。
図１に示されたエネルギー関係の使用により式（１）は
別の形 【００１６】 【数２】 【００１７】（式中△σ＝△σｎ＋△σｐは全過剰伝導
度であり、Ｆｅｑ＝（ｄＥｏ／ｄｘ） ｅｑは暗（ｄａｒ
ｋ）における真空レベルの勾配であり、第２項及び第３
項の前の負の符号は図１に含蓄された符号の約束から生
じる）で表わすことができる。式（２）の意味は、材料
特性変動による親和力勾配（ａｆｆｉｎｉｔｙ ｇｒａ
ｄｉｅｎｔｓ）ｄｘｎ／ｄｘ及びｄｘｐ／ｄｘはビルト
イン静電界（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａ
ｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）と厳密に同じ様式でキヤリヤに対
して作用する有効な力（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒｃ
ｅｓ）を与えるということである。 【００１８】一般的に言えば、バツク拡散の問題は反対
型の接触層に隣接したキヤリヤに対して最も厳しい。図
２Ａ乃至２Ｄはバツク拡散に反対するための局在化親和
力勾配（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ａｆｆｉｎｉｔｙ ｇｒ
ａｄｉｅｎｔ）の４つの可能な適用に対する熱平衡にお
けるバンド線図を示す。図２Ａにおいては、ｎ−ｉ−ｐ
デバイスのｎ＋層１０ａに隣接したホール親和力勾配が
光で発生されたホールのバツク拡散を抑制するのに使用
される。図２Ｂにおいては電子親和力勾配が光で発生さ
れた電子のバツク拡散を抑制するのに使用される。図２
Ｃ及び図２Ｄはｐ−ｉ−ｎデバイスにおける対応する適
用を示す。示された構成の他に、電子及びホール親和力
勾配の両方を、単一デバイス又はタンデムもしくは多重
接合デバイス（ｍｕｌｔｉ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｖ
ｉｃｅ）の何れかの又はすべての構成部分に対して適用
することができる。更には、勾配は一次光吸収層（ｐｒ
ｉｍａｒｙ ｌｉｇｈｔ−ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｌａｙ
ｅｒ）１２ａ、１２ｂ、１２ｃ等に制限されるので、こ
の原理はシヨツトキーバリヤ、ＭＩＳ及び半導体−電解
質構造にも適用することができる。勾配をつけられた領
域（ｇｒａｄｅｄｒｅｇｉｏｎ）のプロフイル及び範囲
はセル設計者に光超電力性能（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉ
ｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の最適化に対する重要な
新らしい自由度を与える両プロセス変数である。 【００１９】勾配をつけられた親和力セルは、最初ハマ
カワ等（Ｈａｍａｋａｗａ ｅｔａｌ［ワイ・ハマカ
ワ、等、アプライドフイジツクスレターズ４３（７）、
６４４（１９８３）（Ｙ． Ｈａｍａｋａｗａ， ｅｔ
ａｌ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ
４３（７），６４４（１９８３））により製造されそし
てカタラノ等（Ｃａｔａｌａｎｏ ｅｔ ａｌ）により
１０％を越える効率に到らしめられた［エー、カタラノ
等、第１６回ＩＥＥＥ光電池専門家協議会会議録、ＩＥ
ＥＥ、ニユーヨーク、１９８２、１４２１頁（Ａ． Ｃ
ａｔａｌａｎｏｅｔ ａｌ， Ｐｒｏｃ． １６ｔｈ
ＩＥＥＥ ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｐｅｃｉａｌｉ
ｓｔｓ Ｃｏｎｆ．， ＩＥＥＥ， Ｎｅｗ Ｙｏｒ
ｋ，１９８２ｐ．１４２１）］“広窓”（ｗｉｄｅ−ｗ
ｉｎｄｏｗ）又はヘテロフエースａ−Ｓｉ（ｈｅｔｅｒ
ｏｆａｃｅ ａ−Ｓｉ）セルと比較することができる。
この場合には、ｐ−ｉ−ｎ構造におけるｐ＋層は残りを
構成するアロイ化されていない（ｕｎａｌｌｏｙｅｄ）
ａ−Ｓｉより実質的に大きい光学ギヤツプ（ｏｐｔｉｃ
ａｌ ｇａｐ）のａ−ＳｉＣアロイから成る。この変性
はＢをド−プされたａ−Ｓｉ（Ｂ−ｄｏｐｅｄ ａ−Ｓ
ｉ）におけるギヤツプ狭小化（ｇａｐ−ｎａｒｒｏｗｉ
ｎｇ）による光子損失（ｐｈｏｔｏｎｌｏｓｓｅｓ）を
最小にするために導入されそして文献においてそのよう
に調節される［前記ハマカ等、カタラノ等（Ｈａｍａｋ
ａ ｅｔ ａｌ．， Ｃａｔａｌａｎｏ ｅｔ ａｌ
ｓｕｐｒａ）。しかしながら、振り返つて見ると、ａ−
ＳｉＣ／ａ−Ｓｉヘテロフエースは光で発生された電子
のバツク拡散に対するブロツキング接点（ｂｌｏｃｋｉ
ｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ）としても作用し［エフ・エバン
ゲリステイ等、アプライドフイジツクスレターズ４４
（８），７６４（１９８４）（Ｆ． Ｅｖａｎｇｅｌｉ
ｓｔｉ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．
Ｌｅｔｔｅｒｓ４４（８），７６４（１９８４））］、
そしてこれは“広窓”セルの卓越性の多くを説明すると
思われる。この故に、窓−ベース境界（ｗｉｎｄｏｗ−
ｂａｓｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）における急激な親和力
不連続性（ａｂｒｕｐｔ ａｆｆｉｎｉｔｙ ｄｉｓｃ
ｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）よりも再結合を最小化するのにｉ
−層における親和力勾配がより効果的であるかどうかと
いう問題が生じる。２つの理由でそれは言えると考えら
れる：（ａ）量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）又
は“超格子”（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）構造に関す
る最近の実験［テイー、テイエジエ等、無定形半導体に
おける輸送及び欠陥、国際協議会会議録−１９８４年３
月、ジヤーナルオブノンクリスタリンソリツズ（公表さ
れるべき）（Ｔ． Ｔｉｅｄｊｅ， ｅｔ ａｌ．，
Ｐｒｏｃ． Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ．Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ
ａｎｄ Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ−Ｍａｒｃｈ， １９８
４，Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄｓ（ｔｏ
ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ）は、ａ−Ｓｉにおける電
子波動関数は３０Åのオーダーの距離にわたつてそれら
のコヒーレンスを保持することを示唆している。この故
に、バツク拡散するキヤリヤは前部接触層の厚さの有意
な部分（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｆｒａｃｔｉｏｎ）
に対して境界におけるポテンシヤル障壁を透過すること
ができる；（ｂ）いずれにせよ、すべてのではない再結
合が前部接触層内で起こる。多数キヤリヤ濃度はｉ層内
の相当な距離に対して高いままである。最大パワー条件
下の典型的な設計における多数キヤリヤ擬フエルミ準位
（ｍａｊｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ ｑｕａｓｉ−Ｆ
ｅｒｍｉ ｌｅｖｅｌ）の実質的移動は（１−２）×１
０４ ｅＶ／ｃｍのオーダーであり、そのために多数キ
ヤリヤ濃度は１デケード（ｏｎｅ ｄｅｃａｄｅ）減少
するのに数１００Åを必要とする。換言すれば、厳密に
境界においてバツク拡散キヤリヤを捕獲しようと（ａｒ
ｒｅｓｔ）試みることは両方の計算に対して不十分であ
り、むしろそれらは境界に近づくことを防止されなけれ
ばならない。 【００２０】勾配つき親和力セル（Ｇｒａｄｅｄ ａｆ
ｆｉｎｉｔｙ ｃｅｌｌ）親和力に勾配をつけることの
効力を証明するために無定形シリコン−ゲルマニウムア
ロイ系において図２Ａの構造のものを出願人は製造し
た。所望のホール親和力勾配は図３に略図で示された通
り、ｉ層の前部［放射方向に（ｒａｄｉａｔｉｏｎｗａ
ｒｄ）］３９０Åにわたりａ−Ｓｉ８０Ｇｅ２０から純
粋なａ−Ｓｉまで線形にアロイ組成に勾配をつけること
により形成した。境界ステツプ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
ｓｔｅｐ）の形成を回避するためにｎ＋層１０はもちろ
ん純粋なＳｉであつた。対照群及び比較の標準として、
出願人は純粋なＳｉからＳｉ５０Ｇｅ５０までの範囲を
約１０％増分においてスパニングして（ｓｐａｎｎｉｎ
ｇ）、均一な組成の従来の［勾配をつけていない（ｕｎ
ｇｒａｄｅｄ）］アロイセルの組を同一条件下に製造し
た。かくして、勾配つき親和力のセル（ＧＡＣ）は対照
群のＳｉ８０Ｇｅ２０のメンバーに実質的に匹敵する。
すべてのセルは過剰の水素の存在下にシラン−ゲルマン
（ｓｉｌａｎｅ−ｇｅｒｍａｎｅ）混合物のＲＦプラズ
マ分解により製造した。基体は、付着期間中２５０℃に
保持して、電子ビーム蒸着させた１５００ÅのＭｏで金
属化されたコーニング７０５９ガラス（Ｃｏｒｎｉｎｇ
７０５０ ｇｌａｓｓ）であつた。ｐ＋層は約３００
Å厚さでありそして気相において約４％ジボランでドー
プした。ｉ層は全体で約５０００Å厚さであり、そして
意図的にはドープしなかつた。ｎ＋層は約７０Å厚さで
ありそして気相において約４％ホスフインでドープし
た。上部接点２１（ｕｐｐｅｒ ｃｏｎｔａｃｔ）（図
４）は電子ビーム蒸着したＩＴＯ（インジウム錫酸化
物）約６００Åでつくつた。 【００２１】ＧＡＣの勾配をつけた領域のパラメータは
下記基準で演繹的に（ａ ｐｒｉｏｒｉ）選ばれた：前
記した如く、デンバー効果及びｄＮｖ／ｄｘを無視する
と、ホール電流密度Ｊｐは次式で書き表わすことができ
る［前記エス・ジエイ・フオナツシユ等：前記エス・ジ
エイ・フオナツシユ（Ｓ． Ｊ． Ｆｏｎａｓｈ ｅｔ
ａｌ．， ｓｕｐｒａ：Ｓ． Ｊ． Ｆｏｎａｓｈ，
ｓｕｐｒａ）］： 【００２２】 【数３】 【００２３】（式中、Ｆ＝ｄＥｏ／ｄｘは照明下の真空
レベルの勾配であり、残りの記号は通常の意味を有す
る）。＋ｘ方向にホールが移動するためには、不等式 【００２４】 【数４】 【００２５】を満足しなければならない。［前記ジー・
エー・スワルツ（Ｇ． Ａ． Ｓｗａｒｔｚ， ｓｕｐ
ｒａ）のコンピユータシミユレーシヨンから図３、ｎ＋
層１０にすぐ隣接したｉ層１２の非常に重要な部分（ｃ
ｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｒｔｉｏｎ）１１においてＦ≒３
×１０４ｅＶ／ｃｍ及びＫＴｄ（ｌｎ（ｐ））／ｄｘ≒
６×１０４ｅＶ／ｃｍであることが推定される。これは
ｄｘｐ／ｄｘにより与えられるべき少なくとも３×１０
４ｅＶ／ｃｍの不足を残す。都合の悪いことに、ａ−Ｓ
ｉＧｅアロイの電子及びホール親和力は知られていな
い。しかしながら、ヒロセ（Ｈｉｒｏｓｅ）［エム・ヒ
ロセ、１９８４年３月の国際協議会、無定形半導体にお
ける輸送及び欠陥の会議録、ジヤーナル オブ ノンク
リスタリンリツズ（公表されるべき）（Ｍ． Ｈｉｒｏ
ｓｅ， Ｐｒｏｃ． Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｔｒａｎ
ｓｐｏｒｔ ａｎｄ Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ Ａｍｏｒ
ｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉ−ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ， Ｍａ
ｒｃｈ， １９８４。Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓ
ｏｌｉｄｓ（ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ）］は最
近ａ−Ｓｉの電子親和力に対して３．９３ｅＶという値
を報告した。結晶性Ｓｉに対して受け入れられた値４．
０１ｅＶとの比較は、電子親和力は構造変化に対して比
較的非感受性であることを示唆する。故に、親和力差△
Ｘｎ＝Ｘｎ（Ｓｉ）−Ｘｎ（Ｇｅ）は結晶状態における
と同じ値、即ち−０．１５ｅＶを有すると推測される。
移動度ギヤツプ（ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｇａｐ）の差△Ｅ
ｇ＝Ｅｇ（Ｓｉ）−Ｅｇ（Ｇｅ）≒０．７０ｅＶを加え
ると、△Ｘｐ≒０．５５ｅＶが得られ；即ち、ギヤツプ
広化（ｇａｐ ｗｉｄｅｎｉｎｇ）の約７９％が価電子
帯縁において起り、そして２１％が伝導帯縁において起
こる。Ｘｐが組成において線形であると仮定すると、３
９０Åの距離における０％から２０％Ｇｅまでの勾配づ
け（ｇｒａｄｉｎｇ）（図３参照）は、ｎ＋ｉ境界にお
けるホール束（ｈｏｌｅ ｆｌｕｘ）を逆にするのにか
ろうじて十分である（ｍａｓｇｉｎａｌｌｙｓｕｆｆｉ
ｃｉｅｎｔ）、価電子帯における３×１０４Ｖ／ｃｍの
オーダーの有効電界（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｉｅｌ
ｄ）を生じる。伴なう電子親和力勾配、１６、図３は、
もちろん、逆効果であり（ｃｏｕｎｔｅｒ ｐｒｏｄｕ
ｃｔｉｖｅ）、電子のドリフトを遅らせる。（図１にお
いてｄｘｎ／ｄｘとｄｘｐ／ｄｘは反対符号を有するこ
とに留意されたい）好都合なことに、電子濃度勾配はこ
の点においてははるかに小さくて電子拡散電流は残りの
ドリフト電界によつて容易に圧倒される（ｏｖｅｒ−ｗ
ｈｅｌｍｅｄ）と思われる。 【００２６】本発明はｎ−ｉ−ｐ太陽電池の製造により
実施するように変形された。それに対する略バンド線図
は図３に示されている。セルそれ自体は図４に略図で示
されている。個々のセル構成部分は下記の如くしてつく
られる。 【００２７】基体：後部接点（ｂａｃｋ ｃｏｎｔａｃ
ｔ）２２、図４−１″×１″，約０．０４″厚さの構成
部品２３、図４、コーニング７０５９ガラス上に電子ビ
ーム蒸着させた、１５００Å厚さのモリブデン付着プロセス −ＲＦプラズマ（グロー）放電ＲＦ電圧 ：アルゴン中Ｍｏ表面のイオン洗浄のための４
００ボルトピークピーク（ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａ
ｋ）、付着のための３６０ボルトピークピーク基体バイアス ：−５０ボルトＤＣ自己誘導プラズマ電圧 ：−１４８ボルトＤＣＲＦパワー密度 ：０．６８４ワツト／平方ｃｍガス ：フローレート（制御的に下記のように変えられ
た）シラン ３．８→４．０ｓｃｃｍ ５％ゲルマン：水素３．９８→０．０ｓｃｃｍ 水素 ８．２２→１２．０ｓｃｃｍ（ｉ
層）ガス 下記の値に制御可能に変えられたフローレート ４．６６％ジボラン： 水素 ８．２２ｓｃｃｍ（Ｐ層）付着 ４．２９％ホスフイン： 水素 １２．０ｓｃｃｍ（Ｎ層）付着 水素／水素化物 比 ３．０ 絶対圧 ２００ミリトル層 厚さ Ｎ層（前部） ７０Å 全ｉ層 ５０１５Å ｉ層の勾配をつけられた部分 層 ３８６Å Ｐ層（後部） ２９２Å 前部接点、２１、ＦＩＧ．３Ａ インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）≒６００Å 付着速度、ｉ層 １．２８６Å／ｓｅｃ 基体温度 ２５０℃ 太陽電池は、本実施例においては、百分率組成対厚さ
（真性層１２）プロツト、図４に示された如きａ−Ｓｉ
８０Ｇｅ２０アロイの組成に勾配をつけることによつて
製造した。 【００２８】製作は底部層から基体２３、金属化２２、
ｐ＋層１４、真性（ｉ）層１２、ｎ＋層１０、最後に透
明な伝導性インジウム−錫酸化物（ＩＴＯ）層２１、ま
で連続操作として進行させた。中心ｐ−ｉ−ｎ層の厚さ
（及び勾配をつけられた親和力領域１１）は図３に示さ
れている。 【００２９】製作の一般的シーケンスは下記の通りであ
り、報告されたすべての時間は各工程に対して経過した
時間である：ＲＦ洗浄 ：１７ｓｃｃｍで流れる１２２ミリトル絶対圧
のアルゴン中、１３．６ＭＨｚで４００ボルトピークピ
ーク、２６０℃の接地された基体、プラズマ電圧≒−１
５４ボルトＤＣで１５分排気 ：３１ミリトル絶対圧、２４７℃の基体、ＤＣパワ
ー−５０ボルトで１０分 ガス平衡化 ：１０分、２００ミリトル絶対圧、２４７
℃、シラン３．８ｓｃｃｍ、ジボラン：水素８．２２ｓ
ｃｃｍ、ゲルマン：水素３．９８ｓｃｃｍ、２４７℃基
体速度、ＯＲＦ電圧、−５０ボルトＤＣ基体バイアスｐ＋付着 ：１分、４５秒、２００ミリトル絶対圧、２４
７℃、シラン３．８ｓｃｃｍ、ジボラン：水素、８．２
２ｓｃｃｍ、ゲルマン：水素３．９８ｓｃｃｍ、１３．
６ＭＨｚで３６０ボルトピークピークＲＦ、−５０ボル
トＤＣ基体バイアス排気 ：２９ミリトル絶対圧、２４７℃の基体で１５分ガスパージ ：５分、１９６ミリトル絶対圧、２４７℃、
シラン３．８ｓｃｃｍ、水素８．２２ｓｃｃｍ、ゲルマ
ン：水素３．９８ｓｃｃｍ。 【００３０】排気：２９ミリトル絶対圧、２４７℃の基
体で５分ガス平衡化 ：５分、１９７ミリトル絶対圧、シラン３．
８ｓｃｃｍ、水素８．２２ｓｃｃｍ、ゲルマン：水素
３．９８ｓｃｃｍ、２４７℃基体温度ＯＲＦ電圧、−５
０ボルトＤＣ基体バイアスｉ層付着開始 ：１９６ミリトル絶対圧、シラン３．８ｓ
ｃｃｍ、水素８．２２ｓｃｃｍ、ゲルマン：水素３．９
８ｓｃｃｍ、２４７℃基体温度、１３．６ＭＨｚで３６
０ボルトピークピークＲＦ、−５０ボルトＤＣ基体バイ
アスｉ層の勾配づけ ：表Ｉに記載された如き６５分ｉ層付着
の最後の５分間行なう、２４７℃基体温度、１３．６Ｍ
Ｈｚにおける３６０ボルトピークピークＲＦ、−５０ボ
ルトＤＣ基体バイアスｉ層付着仕上げ ：２００ミリトル絶対圧、シラン４．０
ｓｃｃｍ、水素１２．０ｓｃｃｍ、ゲルマン：水素０．
０ｓｃｃｍ、２４７℃基体温度、１３．６ＭＨｚで３６
０ボルトピークピークＲＦ、−５０ボルトＤＣ基体バイ
アスガス平衡化 ：５分、２００ミリトル絶対圧、シラン４．
０ｓｃｃｍ、ホスフイン：水素１２．０ｓｃｃｍ、ゲル
マン：水素０．０ｓｃｃｍ、２４６℃基体温度、ＯＲＦ
電圧、−５０ボルトＤＣ基体バイアス、ｎ＋付着 ：５７秒、２００ミリトル絶対圧、シラン４．
０ｓｃｃｍ、ホスフイン：水素１２．０ｓｃｃｍ、ゲル
マン：水素０．０ｓｃｃｍ、２４７℃基体温度、１３．
６ＭＨｚでの３６０ボルトピークピーク、ＲＦ、−５０
ボルトＤＣ基体バイアス、 勾配をつけられた親和力領域１１、図３の開発は本発明
の観点からセル構造の最も重要な部分である。 【００３１】この実施例においては、親和力勾配づけ
は、３つのガス状成分ＳｉＨ４、ＧｅＨ４：Ｈ２及びＨ
２を同時に供給して質量流速制御装置の５分の操作期間
中真性ａ−Ｓｉ８０Ｇｅ２０層の組成を２０％ゲルマニ
ウム含有率から実質的にゼロまで勾配をつけることによ
り（図５）達成された。シーケンスは計算されたガス流
速（ｓｃｃｍ）によつて表Ｉに１５秒間隔で示されてい
る。 【００３２】ＳｉＨ４供給速度は３．８０ｓｃｃｍから
４．０ｓｃｃｍまで定常的に増加し、これに対しＧｅＨ
４：Ｈ２は、元素状Ｈ２の流速を８．３３ｓｃｃｍから
１２．１１ｓｃｃｍまで漸次に増加させる一方０に定常
的に減させたことを示す第１欄に留意されたい。Ｈ２供
給を増加する理由は、水素／水素化物比［即ち水素／Ｃ
シラン＋ゲルマン）］を一定に（この例においては３．
０に近くして）保持することが必須であること、そうし
ないと無定形半導体の原子構造が影響をうけ得るという
ことである。 【００３３】ｎ＋ドープされたａ−Ｓｉ層１０（図３）
に対する測定された抵抗率は１３２０オーム−センチメ
−トルであり、これに対してｐ＋ドープしたａ−Ｓｉ層
１４のそれは２１，１００オーム−センチメ−トルであ
つた。測定された抵抗率のいくらかは測定期間中の接触
抵抗によるものであり得る。（理想的には、抵抗率は前
のものより低くあるべきである。何故ならばｎ及びｐ型
フイルムに対して、それぞれ５３オーム−センチメ−ト
ル及び２５００オーム−センチメ−トルという低い報告
された抵抗率が文献において見出され得るからであ
る）。 【００３４】ｐ又はｎドープされたＳｉ−Ｇｅアロイの
抵抗率は同様であることが予想される。 【００３５】 表 Ｉ ＧＡＣ−ｉ層付着の最後の５分間の時間工程記録（Ｔｉｍｅ ｌｏｇ） 計算されたガス流速 時 間 ＳｉＨ４ ＧｅＨ４：Ｈ２ Ｈ２ ５：０５：００ ３．８０ ３．９８ ８．３３ ５：０５：１５ ３．８１ ３．７８ ８．５２ ５：０５：３０ ３．８２ ３．５８ ８．７１ ５：０５：４５ ３．８３ ３．３９ ８．９０ ５：０６：００ ３．８４ ３．１９ ９．０６ ５：０６：１５ ３．８５ ２．９９ ９．２４ ５：０６：３０ ３．８６ ２．７８ ９．５１ ５：０６：４５ ３．８７ ２．５８ ９．６９ ５：０７：００ ３．８８ ２．３９ ９．８８ ５：０７：１５ ３．８９ ２．１９ １０．０５ ５：０７：３０ ３．９０ １．９９ １０．２３ ５：０７：４５ ３．９１ １．７９ １０．４１ 時 間 ＳｉＨ４ ＧｅＨ４：Ｇ２ Ｈ２ ５：０８：００ ３．９２ １．５９ １０．５８ ５：０８：１５ ３．９３ １．４０ １０．７６ ５：０８：３０ ３．９４ １．２０ １０．９４ ５：０８：４５ ３．９５ １．００ １１．１２ ５：０９：００ ３．９６ ０．７９ １１．３９ ５：０９：１５ ３．９７ ０．５９ １１．５７ ５：０９：３０ ３．９８ ０．４０ １１．７５ ５：０９：４５ ３．９９ ０．２０ １１．９３ ５：１０：００ ４．００ ０．００ １２．１１ 勾配をつけられた親和力セル及び勾配をつけられていな
いセルの対照群の測定された光起電力パラメータ（ｐｈ
ｏｔｏ ｖｏｌｔａｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）は図
６、７及び８においてｉ層の百分率Ｇｅ含有率に対して
プロツトされて示されている。測定は９３．６ｍＷ／ｃ
ｍ２の束でＥＬＨバルブ（ＥＬＨ ｂｕｌｂ）からの濾
過されていない（ｕｎｆｉｅｔｅｒｅｄ）放射の下で行
なわれた。比較用のアロイセルに対して、Ｖｏｃにおけ
る１２．７％の改良（図７）、Ｊｓｃにおける５．１％
改良（図６）及びフイルフアクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔ
ｏｒ）（グラフでは示されていない）の９．８％の改良
を示し、全体として２９．１％の効率の改良になる（図
８）ことを示す。勾配をつけられたセルの効率は実際、
同様な条件下でつくられたａ−Ｓｉセルの効率より高
く、そして知られている限りでは、単−接合無定形アロ
イセルに対して報告された最も高いものである。Ｇｅが
４０％を越えると光電池性能パラメータは急に低下す
る。 【００３６】式（２）により予想される増加とＶｏｃに
おける測定された増加を比較することは興味深い。測定
された増加は８５ｍｖであり、これに対して図３に示さ
れた電位差の代数和（即ち、差）は約８０ｍｖである。
この一致は多分偶然である。何故ならば式（２）の第２
項及び第３項における前因子（ｐｒｅｆａｃｔｏｒ）は
同時に１に近づくことはできないからである。出願人は
その代わりに、親和力勾配の主な効果は多分、ｎ＋層１
０における再結合シンクを排除することによつて真性層
１１及び１２における過剰キヤリヤ濃度を増加すること
であると考えている。この増加したキヤリヤ濃度はビル
トン電界（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ ｆｉｅｌｄ）及びホール
親和力勾配の組合わさつた効果により輸送される。故
に、被積分関数の第１項及び第３項の両方ともＶｏｃの
増加に寄与し、主な寄与は第１項からくる。 【００３７】本明細書にのべた勾配つき親和力セルはた
だ一般的原理の妥当性を証明するために最も簡単な考察
に従つて設計された。最大効率を達成する努力はなされ
ておらずそして又設計のシステマテイツクな最適化も試
みられなかつた。より長い領域にわたつて延びている△
Ｘｐが大きければ大きい程有利であろうと思われる。こ
れはａ−ＳｉＧｅ系内で、特にｉ層のＧｅ含有率を４０
％という多さに増加し、それによつてＡＭＩ日射（ＡＭ
Ｉ ｉｎｓｏｌａｔｉｏｎ）に対する最適に近い、約
１．４ｅＶに光学ギヤツプを低下させることによつて達
成することができる［ジエイ・ジエイ・ロフエルスキ
ー，ジヤーナル オブ アプライド フイジツクス・２
７，７７７（１９５６）（Ｊ．Ｊ．Ｌｏｆｅｒｓｋｉ，
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２７，７７７（１９５
６）］。 【００３８】ａ−ＳｉＮ系における最近の光放出の研究
（前記、エム・ヒロセ）はギヤツプ変化の大半は価電子
帯で起こることを示し、これに対してａ−ＳｉＣ系にお
ける同様な研究（前記エフ・エバンゲリスチ等）はゼロ
付近の価電子帯不連続性を示している。かくして電子及
びホール親和力は独立に操作することができ、そして図
２Ａ乃至図２Ｄに示されたすべての４つの構造を得るこ
とができる。これらの系において達成し得る非常に広い
ギヤツプは０．５ｅＶに近づく親和力差の可能性を高め
る。これらの系の組み合わせは前部及び後部接触層の両
方に近傍の再結合シンクの同時的排除を可能とし、まだ
光起電力効率における更に一層の増加の見込みがある。 【００３９】親和力勾配を生成する前記方法のすべて
は、実施例における如く勾配つき層の全体の化学的組成
の変動にあてはまる。無定形材料において利用し得る構
造自由度は付着の方法又は条件の変更により化学的に均
一な半導体における親和力勾配の生成も可能とする。か
くして、シランのグロー放電分解により調整される水素
化ａ−Ｓｉの光学ギヤツプは導入された水素含有率を変
えることによつて１．６〜１．９ｅＶの範囲にわたり変
えることができる［エイチ・フリツツシエ、太陽エネル
ギー材料３，４４７（１９８０）（Ｈ． Ｆｒｉｔｚｓ
ｃｈｅ， Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａ
ｌｓ ３，４４７（１９８０）］。水素含有率は基体温
度、基体バイアス、ＲＦパワーレベル、シラン濃度及び
フローレート及び残留系圧力を包含する多数の付着パラ
メータ（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ
ｓ）の関数である［ジエイ・シー・ナイツ、日本物理学
会誌、１８、別冊、１８−１，１０１（１９７９）、エ
イチ・オカモト、テイー・ハマグチ、ワイ・ニツタ及び
ワイ・ハマカワ、ジヤーナル オブ ノンクリスタリン
ソリツズ３５−３６，２０１（１９８０）（Ｊ． Ｃ．
Ｋｎｉｇｈｔｓ， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐ
ｈｙｓ． １８，Ｓｕｐｐｌ． １８−１，１０１（１
９７９），Ｈ． Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｔ． Ｈａｍａｇｕ
ｃｈｉ， Ｙ．Ｎｉｔｔａ， ａｎｄ Ｙ． Ｈａｍａ
ｋａｗａ， Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌｉｄ
ｓ ３５−３６，２０１（１９８０））］。なお更に変
更したものは付着期間中フツ素の如きハロゲンを導入す
ることにより［エー・マダン、エス・アール・オブシン
スキー及びイー・ベン・フイロツソフイカル・マガジン
Ｂ４０、２５９）（Ａ． Ｍａｄａｎ，Ｓ． Ｒ． Ｏ
ｖｓｈｉｎｓｋｙ， ａｎｄ Ｅ． Ｂｅｎｎ， Ｐｈ
ｉｌ． Ｍａｇ． Ｂ４０，２５９）（１９７９））］
又は反応スパツタリングの如き他の付着プロセスの使用
により（エフ・アール・フエフレイ、エイチ・アール・
シヤンクス及びジー・シー・ダニエルソン、ジヤーナル
オブ ノンクリスタリン ソリツズ３５−３６，２６
１（１９８０）（Ｆ． Ｒ． Ｆｅｆｆｒｅｙ， Ｈ．
Ｒ． Ｓｈａｎｋｓ， ａｎｄ Ｇ． Ｃ． Ｄａｎ
ｉｅｌｓｏｎ， Ｊ． Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ． Ｓｏｌ
ｉｄｓ３５−３６，２６１（１９８０））］及び化学蒸
着により（ビー・エー・スコツト、半導体及び半金属に
おいて、２１巻、著者ジエイ・パンコーブ（アカデミツ
クプレス、ニユーヨーク、１９８４）（Ｂ． Ａ． Ｓ
ｃｏｔｔ， ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａ
ｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ， Ｖｏｌ． ２１，ｅ
ｄ． Ｊ． Ｐａｎｋｏｖｅ（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒ
ｅｓｓ， ＮｅｗＹｏｒｋ， １９８４））製造するこ
とができる。光学ギヤツプにおける相当する変動を生じ
るかどうかそしてもしそうであるならばこれらの変動は
価電子帯及び伝導帯移動度縁間にいかに割当てられるか
は完全に明らかではない。 【００４０】本発明の適用性は、たとえば約５０ｃｍ２
／ボルト秒より小さい低いキヤリヤ移動度を示す無定形
型半導体に限定される。 【００４１】光で発生されたキヤリヤの移動は拡散電界
（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）及び静電電界（ｅ
ｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）の両方の結果
であり、前者は性質においてランダムであり、そして後
者は半導体内の電位分布に支配されそしてそれによる。 【００４２】半導体は製造条件による少量のＨ２及びＮ
２を含有することは避け難く、これらの物質の効果は大
部分知られていない：しかしながら、かかるデバイスの
操作はこのことにより多分影響される。 【００４３】本発明はアロイ自体に適用可能であり、ド
ーピングとは区別されなければならない。 【００４４】それぞれバブル及びバンドシヨツトとして
ホール及び電子の個々の通過を可視化することは便利で
ある。ホールは次いで、即ち勾配をつけられた領域１１
の境界を定める急な勾配を登り（即ち右に）、これに対
してシヨツトは降下しそれにより前記した如きキヤリヤ
の選択的分離に影響する。キヤリヤは２つの主な原因に
より生じることは理解される：（１）熱エネルギー及び
（２）光学エネルギー。いずれにせよ、図２Ａ乃至図２
Ｇ及び図３の平衡バンド線図の勾配が小さければ小さい
程、固有電界（ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｆｉｅｌｄ）はより小さく、そして本発明の利用に対し
てはより有利である。 【００４５】“バツク拡散”とは、同領域中に存在する
電界によるコレクシヨンの方向に対する又は反対のキヤ
リヤ拡散を意味する。
【図面の簡単な説明】
【図１】それぞれ仕事関数ΦＡ及びΦＢの金属接点間に
サンドイツチ状にはさまれた、親和力勾配を含む照明さ
れた半導体の最も一般的な場合の表示である。 【図２】２Ａ乃至２Ｄは、２Ａ及び２Ｂがｎ−ｉ−ｐ構
造に関し、一方２Ｃ及び２Ｄはｐ−ｉ−ｎ構造に関し、
そして勾配づけの不存在におけるバンド縁は点線により
示されている、バツク拡散を抑制するための局在化した
親和力勾配の使用を示す平衡バンド線図であり、２Ｅ及
び２Ｆはそれぞれｎ−ｉ−ｐ及びｐ−ｉ−ｎ構造におけ
るホール及び電子の両方に対する局在化した親和力勾配
の使用を示す平衡バンド線図であり、２Ｇはタンデムｎ
−ｉ−ｐ／ｎ−ｉ−ｐ構造におけるホール親和力勾配の
使用を示す。 【図３】本発明に従つて構成された太陽電池に対する平
衡バンド線図である。 【図４】図３により特徴づけられた太陽電池の側面図で
ある。 【図５】図３及び図４のセルに対する組成対厚さのプロ
ツトである。 【図６】図３乃至図５のセルのコンピユータで描かれた
出力電流対Ｇｅ含有率のプロツトである。 【図７】図３乃至図５のセルのコンピユータで描かれた
出力電圧対Ｇｅ含有率のプロツトである。 【図８】図３乃至図５のセルのコンピユータで描かれた
効率対Ｇｅ含有率のプロツトである。 【符号の説明】 １０ ｎ＋層 １１ 勾配つき親和力領域 １２ 真性層 １４ ｐ＋層 １５ 後部勾配つき親和力領域 １６ 勾配なし親和力真性層に対する前部境界 １７ 勾配なし親和力真性層の後部境界 ２０ フエルミ準位 ２１ インジウム一錫酸化物又は錫酸化物の透明な伝導
性層 ２２ 後部金属接点、モリブデン ２３ 支持基体
サンドイツチ状にはさまれた、親和力勾配を含む照明さ
れた半導体の最も一般的な場合の表示である。 【図２】２Ａ乃至２Ｄは、２Ａ及び２Ｂがｎ−ｉ−ｐ構
造に関し、一方２Ｃ及び２Ｄはｐ−ｉ−ｎ構造に関し、
そして勾配づけの不存在におけるバンド縁は点線により
示されている、バツク拡散を抑制するための局在化した
親和力勾配の使用を示す平衡バンド線図であり、２Ｅ及
び２Ｆはそれぞれｎ−ｉ−ｐ及びｐ−ｉ−ｎ構造におけ
るホール及び電子の両方に対する局在化した親和力勾配
の使用を示す平衡バンド線図であり、２Ｇはタンデムｎ
−ｉ−ｐ／ｎ−ｉ−ｐ構造におけるホール親和力勾配の
使用を示す。 【図３】本発明に従つて構成された太陽電池に対する平
衡バンド線図である。 【図４】図３により特徴づけられた太陽電池の側面図で
ある。 【図５】図３及び図４のセルに対する組成対厚さのプロ
ツトである。 【図６】図３乃至図５のセルのコンピユータで描かれた
出力電流対Ｇｅ含有率のプロツトである。 【図７】図３乃至図５のセルのコンピユータで描かれた
出力電圧対Ｇｅ含有率のプロツトである。 【図８】図３乃至図５のセルのコンピユータで描かれた
効率対Ｇｅ含有率のプロツトである。 【符号の説明】 １０ ｎ＋層 １１ 勾配つき親和力領域 １２ 真性層 １４ ｐ＋層 １５ 後部勾配つき親和力領域 １６ 勾配なし親和力真性層に対する前部境界 １７ 勾配なし親和力真性層の後部境界 ２０ フエルミ準位 ２１ インジウム一錫酸化物又は錫酸化物の透明な伝導
性層 ２２ 後部金属接点、モリブデン ２３ 支持基体
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭58−145171（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−98988（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−192387（ＪＰ，Ａ)
特開 昭56−64476（ＪＰ，Ａ)
特開 昭56−74969（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−194264（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名)
H01L 31/04
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．Ｐ型およびＮ型の電気伝導性層と、前記Ｐ型および
Ｎ型の電気伝導性層の間に設けられた無定型半導体材料
からなるＩ型の半導体層とを有する光電池において、 前記Ｉ型の半導体層は、前記Ｐ型の電気伝導性層の近傍
に設けられた電子のバック拡散を減じる電子親和力勾配
を有する領域と、前記Ｎ型の電気伝導性層の近傍に設け
られたホールのバック拡散を減じるホール親和力勾配を
有する領域との少なくともいずれか一方を含み、該領域
がＧｅ含有量が、層厚方向に変化したＳｉＧｅからなる
ことを特徴とする光電池。２． 前記Ｉ型の半導体層は、前記Ｐ型又はＮ型の電気
伝導性層の近傍でＧｅ含有量が実質的に０になっている
請求項１記載の光電池。 ３． 前記Ｉ型の半導体層の前記領域以外の部分はＧｅ
含有量が一定のＳｉＧｅからなる請求項１の光電池。 ４． 前記光電池は、前記Ｐ型の電気伝導性層側から光
を入射させる構成である請求項１記載の光電池。 ５． 前記領域に近接する前記Ｐ型又はＮ型の電気伝導
性層は、ＳｉＧｅによりバンドギャップの大きなドープ
されたＳｉ層である請求項１記載の光電池。
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|---|---|---|---|
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