JP3223102B2 - 太陽電池セルおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
陽電池セル(人工衛星の電源として好ましく使用され得
る宇宙用太陽電池セルを含む)およびその製造方法の改
善に関するものである。
材料として、結晶系(単結晶と多結晶を含む)シリコン
は、比較的安価でありかつ高い信頼性をも有するので、
実使用の実績の点でGaAs等の他の材料をはるかに凌
駕している。
池セルの一例を概略的な断面図で示しており、図7
(B)はそれに対応するエネルギバンド図であり、Ev
とEcはそれぞれ価電子帯の上限と導電帯の下限を表わ
している。図7(A)のセルにおいては、光Lを受ける
p- 型の単結晶シリコン基板1の前面側にn+ 型拡散層
2が形成され、背面側にp+ 型拡散層3が形成されてい
る。
プロセスによって製造され得る。たとえば、30〜50
0μmの厚さと1×1015cm-3程度のボロン濃度を有
するp- 型の単結晶Si基板1が用意される。そして、
基板1の背面に約1×1017cm-3以上の高濃度のボロ
ンを含むp+ 型拡散層3が形成される。p+ 型拡散層3
の形成においては、基板1の前面をシリコン酸化膜など
のマスク材料で覆い、その基板1はBBr3 ガスと酸素
が混合された雰囲気中で500〜1200℃の温度に加
熱される。これによって、基板1全体を覆うように高濃
度のボロンを含んだ酸化物が形成され、基板1のマスク
されていない背面のみを介して基板内へ高濃度のボロン
が固相拡散される。その後、基板1上の酸化物やマスク
材料を除去した後に、基板1の前面側に約1×1018c
m-3以上の高濃度のリンを含むn + 型拡散層2が形成さ
れる。n+ 型拡散層2の形成においては、基板1の背面
をマスク材料で覆い、その基板1はPOCl3 ガスと酸
素が混合された雰囲気中で500〜1200℃の温度に
加熱される。これによって、基板1全体を覆うように高
濃度のリンを含む酸化物が形成され、基板1のマスクさ
れていない前面のみを介して基板内へ高濃度のリンが固
相拡散される。最後に、酸化物やマスク材料を除去した
後に、基板1の前面上にはAg,PdおよびTi等から
なる前面電極(図示せず)を櫛型形状に形成して、背面
上にはAg,Pd,TiまたはAl等からなる背面電極
(図示せず)を形成し、これによってp−nジャンクシ
ョン型の単結晶シリコン太陽電池セルが完成する。
の構造においては、p- 型基板1の前面側にn+ 型拡散
層2を設けてp−nジャンクションを形成し、背面側に
p-基板1とp+ 型拡散層3との間に不純物の濃淡ジャ
ンクションを設けることによって、図7(B)に示され
ているように基板1の前面から背面へのポテンシャルの
勾配が形成される。なお、このようなセルにおいて、p
型とn型の導電型を逆にすることもできる。
いては、CVD技術の発達によって、希望する組成と厚
さを有する半導体薄膜を順次堆積してセルを形成するこ
とが可能である。一般的には、ガラスなどの基板上に、
リンを含んだn型アモルファスシリコン薄膜、不純物を
含まないi型アモルファスシリコン薄膜およびボロンを
含んだp型アモルファスシリコン薄膜を順次堆積するこ
とによって、受光前面から背面へのポテンシャルの勾配
を有する構造のセルがよく用いられる。
シャルの勾配を含む構造とともに、異なったバンドギャ
ップを有する2種類以上の半導体材料を重ねて堆積した
積層を含む構造によって、異なる光の波長に適合した効
率のよい光電変換を行ない得る太陽電池セルが知られて
いる。ヘテロ接合型と呼ばれるこの構造は、太陽電池セ
ル基板の半導体材料が有するバンドギャップより小さな
エネルギ(長い波長に対応)の光は光電変換できないと
いう事実と、そのバンドギャップが大きいほど光電変換
で得ることができる電圧が高くなるという現象を考慮し
たものである。すなわち、ヘテロ接合型太陽電池セル
は、光のエネルギ(波長に依存)に合わせてバンドギャ
ップの異なる複数の半導体層を設けることによって、効
率の良い光電変換を得ようとするものである。しかしな
がら、従来のヘテロ接合型セルは、積層間の格子定数や
熱膨張係数の不一致から生じる問題を含む場合が多く、
単結晶太陽電池セルへのヘテロ接合の応用例は少ない。
が、たとえば特開昭64−71182に開示されてい
る。この文献によるアモルファスシリコン薄膜太陽電池
セルにおいては、堆積されるp−i−nの積層のi層中
にゲルマニウムを含む(Si−Ge合金)層を他の層と
同様にCVDで堆積することによってi層中に他の部分
と比べてバンドキャップの狭い部分をつくり、それによ
って光電変換の効率を改善しようとしている。
陽光を電力に変えることを目的とする太陽電池セルにと
って、その光電変換効率の改善は絶えずつきまとう課題
である。これについて、入射エネルギの有効利用という
観点からみれば、太陽光のうちの比較的短い波長の光は
太陽電池セルの受光前面近傍でそのほとんどが光電変換
されるのであるが、長波長の光は利用されずに損失して
しまうという問題を抱えている。
るための1つの方策として、太陽電池セルの内部で基板
のバンドギャップを変化させて、長波長側のエネルギの
低い光でも光電変換できるような構造を形成することが
考えられる。
部のバンドギャップを変化させることは難しい。なぜな
らば、均一な物性を有する単結晶中のバンドギャップ
は、本来どこでも均一なはずだからである。また、他の
半導体材料との重ね合わせを考えても、先に述べたよう
に、積層間で格子定数や熱膨張係数などについて良好な
整合性を得ることが容易でない。
変化させ得るアモルファスシリコンや多結晶シリコンの
膜においては、エネルギバンドギャップ内のローカルエ
ネルギ準位やグレインバウンダリーのように少数キャリ
アの再結合の核となる要素が多く存在し、太陽電池セル
の変換効率を大きく左右するキャリアの拡散長は単結晶
の場合に比べて短い。したがって、アモルファスシリコ
ンや多結晶シリコンを利用した太陽電池セルは、特別の
工夫なしには高効率を期待することができない。
ファス太陽電池セルの変換効率改善の試みである。しか
し、アモルファスシリコンはその材料自体のもつ能力が
前述のように十分高くなく、この単純なp−i−n積層
構造にGeを含む層を加えただけでは単結晶セルを超え
る効率を得ることは難しい。より具体的には、たとえば
i層内にバンドギャップの小さなGe層を挿入した場
合、受光前面側の薄いp層で吸収されなかった短い波長
の光もそのi層中のGe層で光電変換されてしまい、エ
ネルギの高い光を効率的に利用できない。すなわち、入
射する光の多くをi層中のGe層で捉えれば、全層をG
eで形成した太陽電池セルとそれほど変わらない効率し
か得られない。これは、GeのバンドギャップがSiの
それよりも小さいので得られる効率も低いということを
意味する。
明は、高い出力電圧を得ることができかつ長波長側の光
の光電変換をも可能にして大きな出力電流をも得ること
ができる高効率の太陽電池セルを提供することを目的と
している。
る太陽電池セルは、第1導電型の単結晶Si基板と、そ
の基板の第1主面側に形成された第2導電型の第2の拡
散層と、基板の第2の主面側に形成されていて基板の不
純物濃度より高い濃度を有する第1導電型の第2の拡散
層と、この第2の拡散層上に形成されていてSiのエネ
ルギバンドギャップより狭いバンドギャップを有しかつ
基板の不純物濃度より高い濃度を有する第1導電型の半
導体層とを含むことを特徴としている。
えばp- 型のSi基板の背面側のp + 型の導電層中にS
i−Ge合金またはGeのようにSiより狭いバンドギ
ャップを有する半導体層が設けられ、基板の受光面側に
はn+ 型の薄いSi拡散層が設けられる。したがって、
高いエネルギを有する短波長の光は受光前面側のn+型
の薄いSi拡散層や比較的厚いp- 型Si基板によって
十分に光電変換され、Siのバンドギャップでは光電変
換されなかった長波長の光が狭いバンドギャップを有す
る背面のSi−Ge合金層またはGe層で光電変換され
得る。
eVであり、Geのバンドギャップは0.66eVであ
る。したがって、Siのバンドギャップは約1.11μ
mの光の波長に対応し、Geのバンドギャップは約1.
88μmの光の波長に対応する。これらの光の波長は、
それぞれ理想的な状態でSiおよびGeによって光電変
換され得る光の最も長い波長を意味する。このことか
ら、本発明による太陽電池セルは広い波長範囲にわたっ
て光電変換し得ることが理解されよう。
造方法においては、単結晶Si基板を用意し、その基板
の受光前面となるべき第1主面に対向する第2主面側に
Geイオンを注入することによってSi−Ge合金層を
形成し、このSi−Ge合金層の上にさらに第2のSi
−Ge合金層またはGe層を堆積する工程を含むことを
特徴としている。この太陽電池セルの製造方法において
は、Geのイオン注入によってSi−Ge合金層が形成
される工程が含まれるので、基板におけるSi領域とS
i−Ge合金層領域との界面近傍における格子定数や熱
膨張係数の急激な変化が緩和される。
ルは、第1導電型の単結晶Si基板と、その基板の第1
主面側に形成された第2導電型の拡散層と、基板の第2
主面側に形成されたSi1-xGex(0<x≦1)合金層
と、Si基板とSi1-xGex合金層との界面に沿って少
なくとも部分的領域に形成された中間半導体層とを含
み、その中間半導体層はSiの屈折率より小さな屈折率
を有しかつSi1-xGex合金層のエネルギバンドギャッ
プより大きなバンドギャップを有することを特徴として
いる。
中間半導体層がSiの屈折率とGeの屈折率との中間の
屈折率を有するので、Si基板で吸収されなかった光を
Si基板内へ反射し返す傾向にあり、一度の通過では吸
収しきれなかった光を再度Si基板に導くことでSi基
板内での吸収を高めることが可能になる。また、中間半
導体層で反射されずにSi1-x Gex 合金層内へ透過す
る光については、中間半導体層がSiのバンドギャップ
より大きなバンドギャップを有するので、その中間半導
体層で吸収されることがなく、Si1-x Gex 合金層内
で吸収されることを可能にする。したがって、この太陽
電池セルにおいてはSi基板が薄くても十分な光電変換
効率を得ることができ、宇宙用の軽い太陽電池セルとし
て好ましく用いられ得る。
単結晶Si基板を用い、その基板の背面のたとえばp+
型層の内部にSiより狭いバンドギャップを有するGe
層またはSi−Ge合金層が形成される。Geは、Si
と同じ結晶構造を有し、Siと全率固溶型の合金を形成
し得る。Si基板の受光前面側近傍のp−nジャンクシ
ョンは従来の太陽電池セルにおけるものと同様である
が、背面近傍のジャンクションは、p+ 型Ge層もしく
はSi−Ge合金層とp+ 型Si拡散層との間、または
p + 型Ge層もしくはSi−Ge合金層とp- 型Si基
板との間に形成される。
比較的厚い基板層内で短い波長を有する高エネルギの光
がSiによって十分に光電変換され、Siのバンドギャ
ップでは光電変換されない残りの長波長の光が背面側の
p+ 拡散層に到達したときに、バンドギャップの狭いG
e層またはSi−Ge合金層によって光電変換される。
に狭いバンドギャップを有するGe層またはSi−Ge
層を形成する方法としては、特定のものに限定されるこ
とはなく、たとえばCVD法,固相成長法,MBE(モ
レキュラービームエピタキシ)法などを用いることがで
きる。しかし、イオン注入によってSi基板内にGeイ
オンを注入してSi−Ge合金を形成する方法と、イオ
ン注入によって形成されたSi−Ge合金を下地にして
さらにSi−Ge合金やGeを堆積する方法がより本発
明に適しているので、この方法についてより具体的に説
明する。
よる太陽電池セルの概略的な断面図を示しており、図1
(B)はこのセルに対応したエネルギバンド構造を概略
的に示している。図1(A)のセルにおいては、p- 型
Si基板1の受光前面側にn + 型Si拡散層2が形成さ
れている。基板1の背面側にはp+ 型Si拡散層3とp
+ 型Si−Ge合金層4が形成され、これらの層3と4
の間には背面のジャンクション5が形成されている。S
iのバンドギャップは約1.1eVであり、Si−Ge
合金層のバンドギャップは約0.7eVである。
イオン注入によって形成した場合、単結晶SiからSi
−Ge合金への遷移は他の膜を堆積する場合に比べて徐
々に生じ、格子のミスマッチが緩和され得る。また、こ
のイオン注入によって形成されたSi−Ge層上にさら
に他の方法でSi−Ge合金やGeを堆積した場合も同
様の効果が得られ、単結晶Si面上に直接他の膜を堆積
する場合よりも欠陥密度の少ない良好な界面が得られ
る。
は、イオン注入によるSi−Ge合金層の製造工程を含
んでいる。
ン濃度が1×1015cm-3程度のp - 型単結晶Si基板
1が用意される。その基板1の背面に、Geがイオン注
入される。Geのイオン注入条件は、たとえば10〜2
00keVの範囲内で望ましくは50keVの注入エネ
ルギと1×1015〜1×1018cm-2の範囲内で望まし
くは1×1016cm-2の注入量が用いられる。イオン注
入された基板1は500〜900℃の範囲内で望ましく
は800℃の温度で120分程度アニールされ、これに
よって基板1の活性化が行なわれる。このようにして、
基板1の背面にSi−Ge合金層4が形成される。
上の高濃度のp+ 型拡散層が形成される。その形成方法
においては、基板1の前面をシリコン酸化物などのマス
ク材料によって覆い、その基板1はBBr3 ガスと酸素
が混合された雰囲気中で500〜1200℃の温度に加
熱される。これによって、基板1全体を覆うように高濃
度のボロンを含んだ酸化物が形成され、基板1のマスク
されていない背面側からだけ高濃度のボロンが固相拡散
される。その結果、シリコン基板1の背面にp + 型拡散
層3が形成されるとともに、Si−Ge合金層4がp+
型になる。
除去した後に、前面側に1×1018cm-3以上の高濃度
のn+ 型拡散層2が形成される。このn+ 型拡散層2の
形成においては、基板1の背面をマスク材料で覆った後
に、その基板1はPOCl3ガスと酸素が混合された雰
囲気中で500〜1200℃の温度に加熱される。これ
によって、基板1全体を覆うように高濃度のリンを含ん
だ酸化物が形成され、基板1のマスクされていない前面
側にだけ高濃度のリンが固相拡散される。
側のn+ 型拡散層2と背面側のp+型拡散層3が形成さ
れるとともに、その背面側のp+ 型導電層内にSi−G
e合金層4が形成される。そして、p+ 型Si拡散層3
とp+ 型Si−Ge合金層4との間に背面ジャンクショ
ン5が形成される。
DによるSi−Ge合金層の製造工程を含んでいる。
の製造方法の場合と同様に、30〜500μmの厚さと
1×1015cm-3程度のボロン濃度を有するp- 型単結
晶Si基板1が用意される。その基板1の背面上にCV
Dを用いてSi−Ge合金層4が形成される。Si−G
e合金層4の堆積条件としては、たとえば、十分に排気
した真空チャンバ内で基板1を約300℃に加熱し、G
eH4 ガスとSiH4ガスを5対1の混合比でそのチャ
ンバ内に導入することによって圧力が500mTorr
に保たれる。そして、チャンバ内に300Wのパワーで
高周波を印加してプラズマを発生させることによって、
基板1上にSi−Ge合金のアモルファス層が形成され
る。その後、基板1を約800℃で120分程度アニー
ルし、堆積されたSi−Ge層の結晶化が行なわれる。
こうして、基板1の背面上に結晶化されたSi−Ge合
金層4が形成される。
上の高濃度のp+ 型拡散層が形成される。その形成方法
においては、第1の製造方法の場合と同様に、基板1の
前面をシリコン酸化物などのマスク材料によって覆い、
その基板1はBBr3 ガスと酸素が混合された雰囲気中
で500〜1200℃の温度に加熱される。これによっ
て、基板1全体を覆うように高濃度のボロンを含んだ酸
化物が形成され、基板1のマスクされていない背面側か
らだけ高濃度のボロンが固相拡散される。その結果、シ
リコン基板の背面側にp+ 型拡散層3が形成されるとと
もに、Si−Ge合金層4がp+ 型になる。
除去した後に、基板1の前面側に1×1018cm-3以上
の高濃度のn+ 型拡散層2が形成される。このn+ 型拡
散層2の形成においても、第1の製造方法の場合と同様
に、基板1の背面をマスク材料で覆った後に、その基板
1はPOCl3 ガスと酸素が混合された雰囲気中で50
0〜1200℃の温度に加熱される。これによって、基
板1全体を覆うように高濃度のリンを含む酸化物が形成
され、基板1のマスクされていない前面側にだけ高濃度
のリンが固相拡散される。
側のn+ 型拡散層2と背面側のp+型拡散層3が形成さ
れるとともに、背面側のp+ 型導電層内にSi−Ge合
金層4が形成される。
は、狭いバンドギャップを有する二重層をイオン注入と
CVDを用いて形成する工程を含んでいる。
2の製造方法の場合と同様に、30〜500μmの厚さ
と1×1015cm-3程度のボロン濃度を有する単結晶S
i基板1が用意される。その基板1の背面側に、第1の
製造方法の場合と同様にGeがイオン注入される。Ge
のイオン注入の条件としては、たとえば10〜200k
eVの範囲内で望ましくは50keVの注入エネルギと
1×1015〜1×10 18cm-2の範囲内で望ましくは1
×1016cm-2の注入量が用いられる。イオン注入され
た基板1は500〜900℃の範囲内で望ましくは80
0℃の温度で約120分間アニールされ、これによって
基板1の活性化が行なわれる。
(図1(A)参照)を下地として、さらに第2の製造方
法の場合と同様に、CVD法によって第2のSi−Ge
合金層4bが形成される。第2のSi−Ge層の堆積条
件としては、たとえば十分に排気した真空チャンバ内で
基板1を約300℃に加熱し、GeH4 ガスとSiH 4
ガスを5対1の混合比でそのチャンバ内に導入すること
によって圧力が約50mTorrに保たれる。チャンバ
内に300Wのパワーで高周波を印加してプラズマを発
生させることによって、基板1の背面上にSi−Ge合
金のアモルファス層が形成される。その後、基板1を約
800℃で120分程度アニールし、堆積されたSi−
Ge層の結晶化が行なわれる。こうして、基板1の背面
側にイオン注入のみを用いる場合よりも厚いSi−Ge
合金層4が形成される。
上の高濃度のp+ 型拡散層が形成される。その形成方法
においては、第1と第2の製造方法の場合と同様に、基
板1の前面をシリコン酸化物などのマスク材料によって
覆い、その基板1はBBr3ガスと酸素が混合された雰
囲気中で500〜1200℃の温度に加熱される。これ
によって、基板1全体を覆うように高濃度のボロンを含
んだ酸化物が形成され、基板1のマスクされていない背
面側からだけ高濃度のボロンが固相拡散される。その結
果、Si基板1の背面側にp+ 型層3が形成されるとと
もに、Si−Ge層4がp+ 型になる。
除去した後に、基板1の前面側に1×1018cm-3以上
の高濃度のn+ 型拡散層2が形成される。このn+ 型拡
散層2の形成においては、第1と第2の製造方法の場合
と同様に、基板1の背面側をマスク材料で覆った後に、
その基板1はPOCl3 ガスと酸素が混合された雰囲気
中で500〜1200℃の温度に加熱される。これによ
って、基板1全体を覆うように高濃度のリンを含んだ酸
化物が形成され、基板1のマスクされていない前面側に
だけ高濃度のリンが固相拡散される。
側のn+ 型拡散層2と背面側のp+型拡散層3が形成さ
れるとともに、その背面側のp+ 型導電層内にSi−G
e合金層4が形成される。
ドギャップを有する第2の層4bとしてSi−Ge層で
はなくGe層が形成されてもよい。
Ge合金層4はp+ 型層3を介することなくp- 型基板
1に直接接するように形成されてもよい。
CVDによって形成される場合、ドーピング不純物を含
むガスを原料ガスに混ぜることによって、その層の形成
と同時にドーピングが行なわれてもよい。
細な凹凸を含むテキスチャ構造などの無反射形状やパッ
シベーション膜を形成してもよいことは言うまでもな
い。
電変換効率を発揮するためには、Siで吸収可能な波長
領域の光のほとんどがSi基板領域1内で光電変換され
ることが望まれる。しかし、Siの光吸収係数は比較的
小さいので、Siで光電変換し得る光のほとんどをSi
基板領域1で吸収するためには、基板領域1が数百μm
の厚さを有することが望まれる。しかし、Si基板1の
厚さが増大することは太陽電池セルの重量が増大するこ
とを意味し、宇宙用太陽電池セルとして用いるためには
好ましくないことである。
発明の実施の形態の他の例による太陽電池セルの断面構
造を概略的に示している。図2に示された太陽電池セル
は図1のものに類似しているが、p+ 型中間半導体層
6,6aおよび6bが付加されている。すなわち、Si
よりも小さな屈折率とp+ 型Si1-x Gex (0<x≦
1)層4より大きなバンドギャップを有する中間半導体
層6,6aおよび6bがSi/SiGe界面に平行な面
に沿って少なくとも部分的に形成されている。この中間
半導体層はSiで吸収可能な光をSi基板1の領域内へ
反射させ、Si基板領域内での光吸収を高めるように作
用する。また、この中間半導体層6,6aおよび6bは
p+ ドーピングされ、Si1-x Gex 層4から注入され
る少数キャリア(電子)の注入効率を高めるようにも働
く。
して、たとえばSiOX ,SiNX,SiC等を用いる
ことができる。SiOX とSiNX は、SiとOもしく
はNとの比率に依存して半導体的な性質から絶縁的な性
質までをとり得ることが知られている(たとえば、古川
清二郎他編「シリコン系ヘテロデバイス」丸善(株)第
143頁〜147頁参照)。また、SiCは、近年特に
高温エレクトロニクス材料として注目されつつある半導
体材料である。
ャップEgを示している。表1において、SiO2 とS
i3 N4 は、それぞれSiOX とSiNX の代表例とし
て示されている。また、屈折率n0.4 とn1.2 は、それ
ぞれ400nmの波長と1200nmの波長の光に関す
る屈折率を表わしている。表1から、SiO2 ,Si 3
N4 およびSiCは、Siに比べて小さな屈折率nを有
しかつSiに比べて大きなバンドギャップEgを有して
いることがわかる。このような事実から、SiOX ,S
iNX およびSiCが中間半導体層6,6aおよび6b
の材料として好ましく用いられ得ることがわかる。
スペクトル分布を示すグラフである。すなわち、このグ
ラフの横軸は光の波長を表わし、縦軸はスペクトル放射
照度を表わしている。図3のスペクトル分布のうち、4
00nmの波長からSiのバンドギャップである約1.
1eVに対応する約1100nmの波長の光は、Si基
板1の領域内で光電変換されることが望ましい。なぜな
らば、背面に形成されたSi1-x Gex 層4内の光電変
換によって生じた少数キャリアを背面ジャンクション5
を通過させてp−n接合に導くよりも、Si基板1の領
域内で少数キャリアを発生させた方が明らかにそれらの
少数キャリアのライフタイムの長いことが期待されるか
らである。しかし、図1の太陽電池セルにおいて波長が
約1100nmの光のほとんどをSi基板1の領域内で
吸収するためには、基板1が約500μmのように大き
な厚さを有することが必要となり、太陽電池セルの重量
の増大という前述の問題を生じる。
大きな材料から屈折率の小さな材料内へそれらの材料間
の界面を介して光が入射する場合、その光はその界面に
よって反射される傾向が強い。したがって、Si基板1
の背面にSiに比べて小さな屈折率を有する中間半導体
層6,6aおよび6bを設けることによって光を反射さ
せ、Si基板1内へ再度光を導くことが可能になる。ま
た、従来からシリコン太陽電池セルの受光前面には通常
はテキスチャ構造のような無反射形状が形成されている
ので、太陽電池セルの前面と中間半導体層6,6aおよ
び6bとの間の多重反射によって約400〜1100n
mの波長の光がSi基板1の領域内で十分に光電変換さ
れ得ることになる。
は、Si1-x Gex 層4によって光電変換されるべき約
1100〜1900nmの波長を有する光に対して透明
でなければならない。すなわち、中間半導体層6,6a
および6bのバンドギャップEgは、Si1-x Gex の
バンドギャップEg(最大でSiの約1.1eV)より
大きくなければならない。
ルについてさらに具体的に説明する。
図1のものに類似しているが、Si基板1の背面側のp
+ 型Si層3とp+ 型Si1-xGex層4との界面全体に
沿ってp+ 型中間半導体層6が設けられている。図4
は、図2の太陽電池セルに対応したエネルギバンド構造
の一例を示している。すなわち、中間半導体層6はSi
基板1より小さなバンドギャップEgを有している。ま
た、この中間半導体層6はSi基板1およびp+ 型Si
層3に比べて小さな屈折率を有している。したがって、
Siによって光電変換され得る光のうちでSi基板1お
よびp+ 型Si層3において吸収されなかった光は中間
半導体層6によって再びSi基板1に向けて反射され、
その反射された光はSiによって光電変換され得る。す
なわち、中間半導体層6は、太陽電池セルの重量を増大
させることなくSi基板1の厚さの増大と同等の効果を
生じ得る。
+ 型Si層3とSi1-x Gex 層4との境界全域に沿っ
て設けられる必要はない。
+ 型中間半導体層6aはp+ 型Si層3とp+ 型Si
1-x Gex 層4との境界に沿って部分的に形成されてい
る。SiOX ,SiNX ,およびSiCの格子定数はS
iのそれと一致しないので、中間半導体層6aが部分的
に形成されてSi1-x Gex 層4によって埋込まれるこ
とは好ましいことである。部分的に形成された中間半導
体層6aをSi1-x Ge x 層4で埋込むには、Si1-x
Gex 層4の堆積のときにその厚さ方向より面内の広が
り方向の成長速度を大きくすればよい。たとえば、Si
基板1の主面として(110)面を選択することによっ
て、Si1-x Gex 層4のこのような成長の可能性があ
ることがIII−V族化合物半導体の薄膜成長技術から
推定される。
層3とp+ 型Si1-x Gex 層4との界面に平行な複数
の面に沿って部分的に形成された複数のp+ 型中間半導
体層6a,6bを含んでいる。この場合、所望の光反射
の効果を得かつ少数キャリアの流れを阻害しないよう
に、第1の中間半導体層6aと第2の中間半導体層6b
の部分的領域は互いにずらされていることが望ましい。
ルに対応するセルの製造方法の一例を図解している。
mの厚さを有するp- 型Si基板1が用意される。この
Si基板1は、好ましくは(110)の主面を有してい
る。
にたとえば図1(A)のセルの場合と同様に熱拡散によ
ってp+ 層3が形成される。このp+ 層3には、さらに
イオン注入法によってGeが注入される。このGeのイ
オン注入は、後で形成されるSi1-x Gex 層6との格
子ミスマッチを緩和する効果を生じる。注入条件として
は、たとえば10〜200keVの範囲内の適当な注入
エネルギと1×1015〜1×1018cm-2の範囲内の適
当な注入量を用いることができる。p+ 層3内へGeが
イオン注入された基板1は500〜900℃の範囲内の
適当な温度でアニールされ、これによって基板1の活性
化が行なわれる。なお、p+ 層3はボロンのイオン注入
によって形成されてもよく、その場合にはGeのイオン
注入の前後を問わずp+ 層が形成され得る。
eを含むp+ 層3上には、中間半導体層6が形成され
る。中間半導体層6としては、たとえばCVD法によっ
てSiH4 とN2 Oを約650℃で反応させることによ
ってSiOX を形成することができる。また、中間半導
体層6として、SiH4 とNH3 を約400℃で反応さ
せてSiNX を形成してもよい。さらに、中間半導体層
6として、約200Paの減圧下においてSiHCl3
とC3 H8 を約1000℃で反応させてSiCを形成し
てもよい。このような中間半導体層を形成する際、ガス
混合比率を調整して不純物を添加することにより、所望
のp+ ドーピングが同時に行なわれる。中間半導体層6
の材料は、後工程を考慮して適当に選択することができ
る。たとえば、後にp−n接合を形成する工程において
比較的高温の熱拡散が用いられる場合にはSiCを中間
半導体層6の材料として選択することが好ましく、p−
n接合の形成時に比較的低温のイオン注入法やCVD法
が用いられる場合には、SiOX やSiNX を選択する
ことができる。
知のフォトリソグラフィ技術を用いて部分的に窓あけさ
れ、基板の背面が部分的に露出させられる。このような
パターニングされた中間半導体層6aは、フォトリソグ
ラフィ技術を用いることなく公知の選択成長を利用して
形成することもできる。その場合には、図5(C)の工
程を省略して図5(B)におけるp+ 層3上に直接パタ
ーン化された中間半導体層6aが形成され得る。
SiH4 とp型不純物を含む混合ガスを約700〜10
00℃において熱分解するCVD法によってp+ 型Si
1-xGex 層4aが堆積される。また、p+ 型Si1-x
Gex 層4aは、約300WのRFパワーと約300℃
の温度の条件の下でのプラズマCVDによって堆積する
ことも可能である。なお、Si1-x Gex 層4aにおけ
る組成比xは混合ガスの組成を調節することによって変
化させることができる。
場合と同様に基板1の前面上にn+層2が形成され、こ
れによってp−n接合が形成される。その後、n+ 層2
上に周知の反射防止膜7および前面電極8が形成され、
さらにSi1-x Gex 層4a上に背面電極9が形成され
て太陽電池セルが完成する。
ルに対応するセルの製造工程を図解している。図6
(A)は、図5(E)に示されたSi1-x Gex 層4a
上にパターン化された第2の中間半導体層6bが形成さ
れた状態を示している。第2の中間半導体層6bは、第
1の中間半導体層6aと同様に形成され得る。このと
き、第1の中間半導体層6aに含まれる開口部分と第2
の中間半導体層6bに含まれる開口部分とは、それらの
相対的位置が互いにずらされることが好ましい。そうす
ることによって、第1中間半導体層6aによって反射さ
れなかった光を第2の中間半導体層6bによって効果的
に反射させることができる。なお、第1中間半導体層6
aにおいて占める開口部の割合と第2中間半導体層6b
において占める開口部の割合とは必ずしも一致する必要
はない。
bは第2Si1-x Gex 層4bによって覆われる。この
第2Si1-x Gex 層は、第1Si1-x Gex 層4aと
同様に形成され得る。しかし、第1Si1-x Gex 層4
aと第2Si1-x Gex 層4bとにおいて組成比を表わ
すxは互いに同一である必要はなく、第2Si1-x Ge
x 層4bにおけるxが第1Si1-x Gex 層4aにおけ
るよりも大きいことが好ましい。
場合と同様に、基板1の前面側にn + 層2を形成するこ
とによってp−n接合が形成される。そして、n+ 層2
上に反射防止膜7と前面電極8が形成され、第2Si
1-x Gex 層4b上に背面電極9が形成されて太陽電池
セルが完成する。
池セルの背面側にSi1-x Gex 層を設けることによっ
て、前面側の薄いn+ 層や比較的厚いp- 基板によって
高エネルギを有する波長の短い光はSiによって十分に
光電変換され、広いバンドギャップを有するSiによっ
ては光電変換されなかった光が狭いバンドギャップを有
するSi1-x Gex 層によって光電変換されるので、高
い光電変換効率が得られるとともに、長波長の光による
不所望の発熱が減少し、安定したセルの動作が可能とな
る。
ン注入法を応用することによって、単結晶Si基板とS
i1-x Gex 層との間の格子ミスマッチを緩和すること
ができ、信頼性の高い太陽電池セルを得ることができ
る。
側に反射させるので、Si基板を薄くすることができ
る。したがって、そのような太陽電池セルは重量を減少
させることができ、宇宙用太陽電池セルとして、より好
ましく用いられ得る。
す概略的な断面図であり、(B)はそのセルに対応する
概略的なエネルギバンド図である。
的な断面図である。
すグラフである。
エネルギバンド図である。
造工程を示す概略的な断面図である。
造工程を示す概略的な断面図である。
示す概略的な断面図であり、(B)はそのセルに対応す
る概略的なエネルギバンド図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 第1導電型の単結晶Si基板と、 前記基板の第1の主面側に形成された第2導電型の第1
の拡散層と、前記基板の第2の主面側に形成されていて前記基板の不
純物濃度より高い濃度を有する第1導電型の第2の拡散
層と、 前記第2の拡散層上に形成されていてSiのエネルギバ
ンドギャップより狭いバンドギャップを有しかつ前記基
板の不純物濃度より高い濃度を有する第1導電型の半導
体層とを含むことを特徴とする太陽電池セル。 - 【請求項2】 前記狭いバンドギャップを有する半導体
層は、Si−Ge合金層であることを特徴とする請求項
1に記載の太陽電池セル。 - 【請求項3】 前記狭いバンドギャップを有する半導体
層は、Ge層であることを特徴とする請求項1に記載の
太陽電池セル。 - 【請求項4】 請求項2に記載された太陽電池セルの製
造方法であって、 単結晶Si基板を用意し、 前記基板の受光面となるべき第1主面に対向する第2主
面側に、Geイオンを注入することによって第1のSi
−Ge合金層を形成し、 前記第1のSi−Ge合金層の上にさらに第2のSi−
Ge合金層を堆積 する工程を含むことを特徴とする太陽
電池セルの製造方法。 - 【請求項5】 請求項2に記載された太陽電池セルの製
造方法であって、 単結晶Si基板を用意し、 前記基板の受光面となるべき第1主面に対向する第2主
面側に、Geイオンを注入することによってSi−Ge
合金層を形成し、 前記Si−Ge合金層の上にさらにGe層を堆積する工
程を含むことを特徴とする太陽電池セルの製造方法。 - 【請求項6】 第1導電型の単結晶Si基板と、 前記基板の第1の主面側に形成された第2導電型の拡散
層と、 前記基板の第2の主面側に形成されたSi1-xGex(0
<x≦1)合金層と、 前記Si基板と前記Si1-xGex合金層との界面に平行
な面に沿って少なくとも部分的領域に形成された中間半
導体層とを含み、前記中間半導体層はSiの屈折率より
小さな屈折率を有しかつ前記Si1-xGexのエネルギバ
ンドギャップより大きなバンドギャップを有することを
特徴とする太陽電池セル。 - 【請求項7】 前記中間半導体層はp+型であることを
特徴とする請求項6に記載の太陽電池セル。 - 【請求項8】 前記中間半導体層と同じ特性を有する少
なくとも1層の付加的な中間半導体層をさらに含み、前
記付加的な中間半導体層は前記Si1-xGex合金層内に
おいて前記界面に平行で少なくとも部分的領域に設けら
れていることを特徴とする請求項6または7に記載の太
陽電池セル。 - 【請求項9】 前記Si基板の前記第1と第2の主面は
(110)面であることを特徴とする請求項6ないし8
のいずれかの項に記載の太陽電池セル。 - 【請求項10】 前記中間層はSiOx,SiNxおよび
SiCから選択された少なくとも1つを含むことを特徴
とする請求項6ないし9のいずれかの項に記載の太陽電
池セル。 - 【請求項11】 前記複数の中間半導体層のそれぞれの
層内における前記部分的領域は、前記界面に平行な方向
において互いにずらされていることを特徴とする請求項
8に記載の太陽電池セル。
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
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