JP3369847B2 - 光起電力素子 - Google Patents
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池や光セン
サ等の光起電力素子に関するものであり、特に長波長の
光に対して高感度な光起電力素子を提供する技術に関す
るものである。
サ等の光起電力素子に関するものであり、特に長波長の
光に対して高感度な光起電力素子を提供する技術に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】太陽エネルギーは、クリーンで非枯渇の
エネルギー源であることから石油、石炭等の化石燃料に
代わる将来のエネルギー源として大きく期待されてい
る。
エネルギー源であることから石油、石炭等の化石燃料に
代わる将来のエネルギー源として大きく期待されてい
る。
【０００３】斯かる太陽エネルギーを電気に変換する光
起電力素子に用いられる材料としては、従来単結晶シリ
コンや多結晶シリコン等の結晶系半導体、非晶質シリコ
ンに代表される非晶質半導体、或いはＧａＡｓ、ＩｎＰ
等の化合物半導体、といった半導体が用いられている。
起電力素子に用いられる材料としては、従来単結晶シリ
コンや多結晶シリコン等の結晶系半導体、非晶質シリコ
ンに代表される非晶質半導体、或いはＧａＡｓ、ＩｎＰ
等の化合物半導体、といった半導体が用いられている。
【０００４】ここで、単結晶シリコンを用いた従来の光
起電力素子について図１５を参照して説明する。図１５
は、単結晶シリコンよりなる光起電力素子の素子構造断
面図であり、１０１は抵抗率が１〜５Ωｃｍで、厚さ３
００〜４００μｍのｐ型の単結晶シリコン基板である。
そして、該単結晶シリコン基板１０１の光入射面には、
リン（Ｐ）を約８００℃の温度で表面から０．３〜０．
５μｍの深さにまで拡散することでｎ型層１０２が形成
されている。
起電力素子について図１５を参照して説明する。図１５
は、単結晶シリコンよりなる光起電力素子の素子構造断
面図であり、１０１は抵抗率が１〜５Ωｃｍで、厚さ３
００〜４００μｍのｐ型の単結晶シリコン基板である。
そして、該単結晶シリコン基板１０１の光入射面には、
リン（Ｐ）を約８００℃の温度で表面から０．３〜０．
５μｍの深さにまで拡散することでｎ型層１０２が形成
されている。
【０００５】また、前記ｎ型層１０２の光入射面にはＡ
ｇ、Ａｌ等の金属から成る櫛型状の受光面電極１０３、
及びＳｉＯ2からなる反射防止膜１０４が設けられてい
る。
ｇ、Ａｌ等の金属から成る櫛型状の受光面電極１０３、
及びＳｉＯ2からなる反射防止膜１０４が設けられてい
る。
【０００６】さらに、前記単結晶シリコン基板１０１の
背面側には、Ａｌの拡散により形成されたｐ+層１０５
及びＡｌから成る背面電極１０６が設けられている。
背面側には、Ａｌの拡散により形成されたｐ+層１０５
及びＡｌから成る背面電極１０６が設けられている。
【０００７】図１６は、斯かる光起電力素子に太陽光が
入射した際の、エネルギーの流れを示す説明図である。
入射した際の、エネルギーの流れを示す説明図である。
【０００８】まず、光起電力素子ＳＣに入射した太陽光
Ｌのうち、一部は光起電力素子ＳＣの光入射面で反射さ
れて反射光Ｒとなり外部に放出される。次いで、光起電
力素子ＳＣ内部に入射した光のうち、該光起電力素子Ｓ
Ｃを構成する単結晶シリコンのエネルギーギャップ
（１．１１ｅＶ）よりも大きいエネルギーを有する光は
電気Ｅに変換され、外部に出力される。そして、単結晶
シリコンのエネルギーギャップよりも小さいエネルギー
を有する長波長の光は、電気に変換されずに熱Ｈとして
外部に放出されるか、背面電極で反射され、光入射面か
ら反射光Ｒとして入射側空間に戻ることとなる。
Ｌのうち、一部は光起電力素子ＳＣの光入射面で反射さ
れて反射光Ｒとなり外部に放出される。次いで、光起電
力素子ＳＣ内部に入射した光のうち、該光起電力素子Ｓ
Ｃを構成する単結晶シリコンのエネルギーギャップ
（１．１１ｅＶ）よりも大きいエネルギーを有する光は
電気Ｅに変換され、外部に出力される。そして、単結晶
シリコンのエネルギーギャップよりも小さいエネルギー
を有する長波長の光は、電気に変換されずに熱Ｈとして
外部に放出されるか、背面電極で反射され、光入射面か
ら反射光Ｒとして入射側空間に戻ることとなる。
【０００９】この様な反射光Ｒや熱Ｈとして失われるエ
ネルギーは、光起電力素子ＳＣに入射した光のうち夫々
約３０％及び約５０％を占め、残りの精々２０％が電気
Ｅに変換されるに過ぎない。従って、光起電力素子ＳＣ
の光電変換効率を向上させるためには、これら反射光Ｒ
や熱Ｈとして失われる、長波長の光のエネルギーを有効
に利用する必要がある。
ネルギーは、光起電力素子ＳＣに入射した光のうち夫々
約３０％及び約５０％を占め、残りの精々２０％が電気
Ｅに変換されるに過ぎない。従って、光起電力素子ＳＣ
の光電変換効率を向上させるためには、これら反射光Ｒ
や熱Ｈとして失われる、長波長の光のエネルギーを有効
に利用する必要がある。
【００１０】そこで、この長波長の光の有効利用を図る
ために、単結晶シリコンからなる光起電力素子の背面側
に、シリコンよりもエネルギーギャップの小さいゲルマ
ニウムからなる光起電力素子を設けた積層型の光起電力
素子が提案されている。
ために、単結晶シリコンからなる光起電力素子の背面側
に、シリコンよりもエネルギーギャップの小さいゲルマ
ニウムからなる光起電力素子を設けた積層型の光起電力
素子が提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、斯かる積層
型の光起電力素子にあっても、光電変換効率の向上は僅
か２％程度にとどまり十分なものではなかった。
型の光起電力素子にあっても、光電変換効率の向上は僅
か２％程度にとどまり十分なものではなかった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】斯かる課題を解決するた
めに、本発明光起電力素子は、半導体からなる光起電力
素子であって、該半導体内の一部に、添加物の添加によ
りエネルギーギャップ内の所定位置にエネルギー準位が
形成された、他の部分よりもエネルギーの小さい光を吸
収する光吸収部を設けたことを特徴としている。
めに、本発明光起電力素子は、半導体からなる光起電力
素子であって、該半導体内の一部に、添加物の添加によ
りエネルギーギャップ内の所定位置にエネルギー準位が
形成された、他の部分よりもエネルギーの小さい光を吸
収する光吸収部を設けたことを特徴としている。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】この添加物としては、前記半導体がＳｉか
らなる場合にあっては、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｆｅ及びＭ
ｎから選択すれば良く、また前記半導体がＧｅからなる
場合にあっては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｕから選択す
れば良い。
らなる場合にあっては、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｆｅ及びＭ
ｎから選択すれば良く、また前記半導体がＧｅからなる
場合にあっては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｕから選択す
れば良い。
【００１９】或いは、前記半導体がＳｉからなる場合に
あっては、Ｎｉ及びＡｇから選択すれば良く、また、前
記半導体がＧｅからなる場合にあっては、Ａｇ及びＮｉ
から選択すれば良い。
あっては、Ｎｉ及びＡｇから選択すれば良く、また、前
記半導体がＧｅからなる場合にあっては、Ａｇ及びＮｉ
から選択すれば良い。
【００２０】ここで、添加物の添加量は１０16ｃｍ-3〜
１０19ｃｍ-3の範囲とすることが好ましい。
１０19ｃｍ-3の範囲とすることが好ましい。
【００２１】また、前記光吸収部の厚さは、１μｍ〜１
０μｍの範囲であることが好ましく、より好ましくは
１．５μｍ〜７μｍの範囲とすれば良い。
０μｍの範囲であることが好ましく、より好ましくは
１．５μｍ〜７μｍの範囲とすれば良い。
【００２２】さらに、前記光吸収部は、半導体に備えら
れた半導体接合部に近接して設けることが好ましく、好
ましくは半導体接合部から０．５μｍ〜５０μｍ、より
好ましくは０．８μｍ〜４０μｍ離間して設けることが
望ましい。
れた半導体接合部に近接して設けることが好ましく、好
ましくは半導体接合部から０．５μｍ〜５０μｍ、より
好ましくは０．８μｍ〜４０μｍ離間して設けることが
望ましい。
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【実施の形態】本発明の光起電力素子に係わる第１実施
形態を、図１を参照して説明する。図１は本実施形態に
係わる光起電力素子の素子構造断面図である。
形態を、図１を参照して説明する。図１は本実施形態に
係わる光起電力素子の素子構造断面図である。
【００３８】図中、１は抵抗率が１〜５Ωｃｍで、厚さ
約３５０μｍのｐ型の単結晶シリコン基板である。そし
て、該単結晶シリコン基板１の光入射面にはリン（Ｐ）
を約８００℃の温度で表面から約０．５μｍの深さにま
で拡散することでｎ型層２が形成されている。さらに、
このＰの拡散に先だって、単結晶シリコン基板１内に
は、Ｃｕを添加することで光吸収部Ａを設けている。
約３５０μｍのｐ型の単結晶シリコン基板である。そし
て、該単結晶シリコン基板１の光入射面にはリン（Ｐ）
を約８００℃の温度で表面から約０．５μｍの深さにま
で拡散することでｎ型層２が形成されている。さらに、
このＰの拡散に先だって、単結晶シリコン基板１内に
は、Ｃｕを添加することで光吸収部Ａを設けている。
【００３９】また、ｎ型層２の光入射面にはＡｇ、Ａｌ
等の金属から成る櫛型状の受光面電極３が設けられ、加
えて光入射面での光の反射防止用にＳｉＯ2からなる反
射防止膜４が設けられている。
等の金属から成る櫛型状の受光面電極３が設けられ、加
えて光入射面での光の反射防止用にＳｉＯ2からなる反
射防止膜４が設けられている。
【００４０】さらに、単結晶シリコン基板１の背面側に
は、Ａｌの拡散により形成されたｐ+層５及びＡｌから
なる背面電極６が設けられている。
は、Ａｌの拡散により形成されたｐ+層５及びＡｌから
なる背面電極６が設けられている。
【００４１】ここで、本発明の特徴は、前記単結晶シリ
コン基板１内の一部に、Ｃｕが添加されてなる光吸収部
Ａを設けた点にある。そして、この光吸収部Ａは基板１
内の他の部分よりもエネルギーの小さい光を吸収するの
で、従来よりも長波長の光まで有効に利用することがで
きる。
コン基板１内の一部に、Ｃｕが添加されてなる光吸収部
Ａを設けた点にある。そして、この光吸収部Ａは基板１
内の他の部分よりもエネルギーの小さい光を吸収するの
で、従来よりも長波長の光まで有効に利用することがで
きる。
【００４２】次に、本実施形態の光起電力素子の製造工
程について、図２を参照して説明する。尚、同図に於い
て、図１と同一の部分については同一の符号を付してい
る。
程について、図２を参照して説明する。尚、同図に於い
て、図１と同一の部分については同一の符号を付してい
る。
【００４３】まず、図２（Ａ）に示す第１工程に於いて
は、抵抗率が３Ωｃｍのｐ型の単結晶シリコン基板１を
ＮａＯＨ水溶液中（濃度約１％、温度約８５℃）に約５
分間浸漬し、表面に形成された自然酸化膜をエッチング
する。次いで、エッチング処理を終えた基板１の光入射
面側からイオン注入法を用いてＣｕイオンを、表面から
約５０μｍの深さに注入量のピークを持つように注入
し、Ｃｕが添加された光吸収部Ａを形成する。この時の
イオン注入の条件はエネルギー約１８０ＫｅＶ、注入量
約５×１０17ｃｍ-2である。そして、Ｃｕイオンの注入
時に損なわれた前記基板１の結晶性を回復するためにＮ
2雰囲気中に於いて、この基板１に約８００℃でアニー
ル処理を行った。
は、抵抗率が３Ωｃｍのｐ型の単結晶シリコン基板１を
ＮａＯＨ水溶液中（濃度約１％、温度約８５℃）に約５
分間浸漬し、表面に形成された自然酸化膜をエッチング
する。次いで、エッチング処理を終えた基板１の光入射
面側からイオン注入法を用いてＣｕイオンを、表面から
約５０μｍの深さに注入量のピークを持つように注入
し、Ｃｕが添加された光吸収部Ａを形成する。この時の
イオン注入の条件はエネルギー約１８０ＫｅＶ、注入量
約５×１０17ｃｍ-2である。そして、Ｃｕイオンの注入
時に損なわれた前記基板１の結晶性を回復するためにＮ
2雰囲気中に於いて、この基板１に約８００℃でアニー
ル処理を行った。
【００４４】次いで、同図（Ｂ）に示す第２工程に於い
ては、基板１の表面にリン（Ｐ）を、ＰＯＣｌ3を拡散
源として約８５０℃の温度で拡散した後、基板１の光入
射面以外のＰが拡散された部分をエッチングにより除去
し、基板１の光入射面に、Ｐが拡散された厚さ約０．５
μｍのｎ型層２を形成する。
ては、基板１の表面にリン（Ｐ）を、ＰＯＣｌ3を拡散
源として約８５０℃の温度で拡散した後、基板１の光入
射面以外のＰが拡散された部分をエッチングにより除去
し、基板１の光入射面に、Ｐが拡散された厚さ約０．５
μｍのｎ型層２を形成する。
【００４５】次いで、同図（Ｃ）に示す第３工程に於い
ては、ｎ型層２の光入射面に、スクリーン印刷法を用い
てＡｇからなる厚さ約２０００Åの櫛型状の受光面電極
３を形成する。
ては、ｎ型層２の光入射面に、スクリーン印刷法を用い
てＡｇからなる厚さ約２０００Åの櫛型状の受光面電極
３を形成する。
【００４６】次いで、同図（Ｄ）に示す第４工程に於い
ては、単結晶シリコン基板１の背面側に背面電極６とな
るＡｌを蒸着法により形成した後、８００℃でアニール
処理することで基板１の背面側にＡｌの拡散したｐ+層
５を形成する。
ては、単結晶シリコン基板１の背面側に背面電極６とな
るＡｌを蒸着法により形成した後、８００℃でアニール
処理することで基板１の背面側にＡｌの拡散したｐ+層
５を形成する。
【００４７】最後に、同図（Ｅ）に示す第５工程に於い
ては、前記ｎ型層２の光入射面にスパッタ法により厚さ
約７００ÅのＳｉＯ2を形成し、反射防止膜４とした。
ては、前記ｎ型層２の光入射面にスパッタ法により厚さ
約７００ÅのＳｉＯ2を形成し、反射防止膜４とした。
【００４８】表１に、斯かる如くして形成した本実施形
態の光起電力素子と、Ｃｕが添加されてなる光吸収部Ａ
を設けない従来の光起電力素子の光電変換効率を比較す
る。
態の光起電力素子と、Ｃｕが添加されてなる光吸収部Ａ
を設けない従来の光起電力素子の光電変換効率を比較す
る。
【００４９】
【表１】
【００５０】表１によれば、本実施形態の光起電力素子
では特に短絡電流値が大幅に増大することで、光電変換
効率が１８％と、従来構造（１５％）に比べ約２０％特
性を向上できることがわかる。
では特に短絡電流値が大幅に増大することで、光電変換
効率が１８％と、従来構造（１５％）に比べ約２０％特
性を向上できることがわかる。
【００５１】そこで、この短絡電流値の大幅な増大の原
因を解析するために、本実施形態及び従来の光起電力素
子における光感度の波長依存性を測定した。図３は、本
実施形態の光起電力素子と従来構造の光起電力素子の、
入射光に対する光感度の波長依存性を表す特性図であ
り、実線が本実施形態を、また点線は従来構造を夫々表
している。
因を解析するために、本実施形態及び従来の光起電力素
子における光感度の波長依存性を測定した。図３は、本
実施形態の光起電力素子と従来構造の光起電力素子の、
入射光に対する光感度の波長依存性を表す特性図であ
り、実線が本実施形態を、また点線は従来構造を夫々表
している。
【００５２】同図から明らかなように、本実施形態によ
れば特に波長約１μｍ以上の長波長領域に於いて光感度
が向上しており、この結果表１に示したように短絡電流
値が大幅に向上したものと考えられる。
れば特に波長約１μｍ以上の長波長領域に於いて光感度
が向上しており、この結果表１に示したように短絡電流
値が大幅に向上したものと考えられる。
【００５３】本実施形態の光起電力素子により上記の如
く長波長光に対する光感度が上昇した理由は、以下のよ
うに考えられる。
く長波長光に対する光感度が上昇した理由は、以下のよ
うに考えられる。
【００５４】図４は、光起電力素子を構成する半導体で
ある単結晶シリコン基板１内の、Ｃｕが添加されてなる
光吸収部に於いて予測されるエネルギーギャップ内準位
の模式図であり、Ｅｃは伝導帯端を、Ｅｖは価電子帯端
を夫々表している。
ある単結晶シリコン基板１内の、Ｃｕが添加されてなる
光吸収部に於いて予測されるエネルギーギャップ内準位
の模式図であり、Ｅｃは伝導帯端を、Ｅｖは価電子帯端
を夫々表している。
【００５５】図４を参照して、単結晶シリコン基板１を
構成するＳｉはエネルギーギャップが１．１１ｅＶであ
り、このＳｉ中にＣｕが添加されるとギャップ内の中央
近傍、具体的にはギャップ幅の１／２±１０％の範囲内
のエネルギーを有するエネルギー位置にエネルギー準位
Ｅｉが形成される。そして、このＣｕが添加された部分
に光が入射すると、まずＥｉ−Ｅｖ間のエネルギー差と
同等のエネルギーを有する波長の光により、電子ｅが矢
印Ａ１に示す如く価電子帯端Ｅｖからエネルギー準位Ｅ
ｉに励起されると共に、正孔ｈが価電子帯端Ｅｖに生成
される。次いでＥｃ−Ｅｉ間のエネルギー差と同等のエ
ネルギーを有する波長の光により、エネルギー準位Ｅｉ
に励起された電子ｅが矢印Ａ２に示す如く再び伝導帯Ｅ
ｃに励起され、この結果伝導帯端Ｅｃ及び価電子帯端Ｅ
ｖに電子ｅとホールｈの光キャリアが生成される。つま
り、従来１．１１ｅＶ以上、即ち波長約１．１μｍ以下
の光でしか光キャリアが生成されなかったのに対し、本
実施形態よれば、複数回の光吸収過程を経ることにより
その半分の約０．５６ｅＶ以上、即ち波長約２．２ミク
ロン以下の光で光キャリアを生成することができる。従
って、本実施形態の光起電力素子によれば、単結晶シリ
コン基板１内にＣｕが添加されてなる光吸収部Ａが、該
基板１内の他の部分よりもエネルギーの小さい光まで吸
収することに因り、図３に示した如く長波長の光に対す
る光感度が向上したものと考えられる。
構成するＳｉはエネルギーギャップが１．１１ｅＶであ
り、このＳｉ中にＣｕが添加されるとギャップ内の中央
近傍、具体的にはギャップ幅の１／２±１０％の範囲内
のエネルギーを有するエネルギー位置にエネルギー準位
Ｅｉが形成される。そして、このＣｕが添加された部分
に光が入射すると、まずＥｉ−Ｅｖ間のエネルギー差と
同等のエネルギーを有する波長の光により、電子ｅが矢
印Ａ１に示す如く価電子帯端Ｅｖからエネルギー準位Ｅ
ｉに励起されると共に、正孔ｈが価電子帯端Ｅｖに生成
される。次いでＥｃ−Ｅｉ間のエネルギー差と同等のエ
ネルギーを有する波長の光により、エネルギー準位Ｅｉ
に励起された電子ｅが矢印Ａ２に示す如く再び伝導帯Ｅ
ｃに励起され、この結果伝導帯端Ｅｃ及び価電子帯端Ｅ
ｖに電子ｅとホールｈの光キャリアが生成される。つま
り、従来１．１１ｅＶ以上、即ち波長約１．１μｍ以下
の光でしか光キャリアが生成されなかったのに対し、本
実施形態よれば、複数回の光吸収過程を経ることにより
その半分の約０．５６ｅＶ以上、即ち波長約２．２ミク
ロン以下の光で光キャリアを生成することができる。従
って、本実施形態の光起電力素子によれば、単結晶シリ
コン基板１内にＣｕが添加されてなる光吸収部Ａが、該
基板１内の他の部分よりもエネルギーの小さい光まで吸
収することに因り、図３に示した如く長波長の光に対す
る光感度が向上したものと考えられる。
【００５６】次に、Ｃｕイオン注入の際のドーズ量或い
は注入時間を変えることでＣｕの添加量を変化させ、光
起電力素子の光電変換効率を測定した。図５は、Ｃｕの
添加量を変化して形成した種々の光起電力素子の光電変
換効率を表した特性図であり、比較のために従来の光起
電力素子の光電変換効率を図中に点線で示している。
尚、光起電力素子は前述した図２に示す製造工程と同一
の工程で製造し、Ｃｕの添加量のみを変化させている。
は注入時間を変えることでＣｕの添加量を変化させ、光
起電力素子の光電変換効率を測定した。図５は、Ｃｕの
添加量を変化して形成した種々の光起電力素子の光電変
換効率を表した特性図であり、比較のために従来の光起
電力素子の光電変換効率を図中に点線で示している。
尚、光起電力素子は前述した図２に示す製造工程と同一
の工程で製造し、Ｃｕの添加量のみを変化させている。
【００５７】同図から明らかに、Ｃｕの添加量が約１×
１０16ｃｍ-3以上になると長波長の光に対する光感度が
増加し、光電変換効率が一旦向上する。そして、さらに
添加量を増大すると光電変換効率は極大値を迎えた後次
第に低下し、添加量が約１×１０19ｃｍ-3以上では従来
の光起電力素子よりも低下した。このようにＣｕの添加
量の増大に伴い光吸収が増加する一方で光電変換効率が
低下した理由は、Ｃｕの添加により形成されたエネルギ
ー準位が光キャリアの再結合中心としても作用するため
と考えられる。従って、長波長の光を吸収することで生
成された光キャリアを有効に外部に取り出すためにはＣ
ｕの添加量の最適値が存在するものと考えられ、図５か
ら、その好ましいＣｕの添加量の範囲は１×１０16〜１
×１０19ｃｍ-3の範囲と考えられる。
１０16ｃｍ-3以上になると長波長の光に対する光感度が
増加し、光電変換効率が一旦向上する。そして、さらに
添加量を増大すると光電変換効率は極大値を迎えた後次
第に低下し、添加量が約１×１０19ｃｍ-3以上では従来
の光起電力素子よりも低下した。このようにＣｕの添加
量の増大に伴い光吸収が増加する一方で光電変換効率が
低下した理由は、Ｃｕの添加により形成されたエネルギ
ー準位が光キャリアの再結合中心としても作用するため
と考えられる。従って、長波長の光を吸収することで生
成された光キャリアを有効に外部に取り出すためにはＣ
ｕの添加量の最適値が存在するものと考えられ、図５か
ら、その好ましいＣｕの添加量の範囲は１×１０16〜１
×１０19ｃｍ-3の範囲と考えられる。
【００５８】次に、Ｃｕを添加する際のイオン注入のエ
ネルギーを制御し、Ｃｕが添加された領域の、即ち光吸
収部の位置を変化させた光起電力素子を作成し、その光
電変換効率を調べた。図６はこの結果を示し、Ｃｕの添
加されてなる光吸収部の位置を変化させて作成した種々
の光起電力素子の光電変換効率を表す特性図である。
尚、同図において横軸に示した光吸収部の位置はｐｎ接
合部から光透過方向への深さで表している。また、比較
のために、従来の光起電力素子の光電変換効率を図中に
点線で示している。
ネルギーを制御し、Ｃｕが添加された領域の、即ち光吸
収部の位置を変化させた光起電力素子を作成し、その光
電変換効率を調べた。図６はこの結果を示し、Ｃｕの添
加されてなる光吸収部の位置を変化させて作成した種々
の光起電力素子の光電変換効率を表す特性図である。
尚、同図において横軸に示した光吸収部の位置はｐｎ接
合部から光透過方向への深さで表している。また、比較
のために、従来の光起電力素子の光電変換効率を図中に
点線で示している。
【００５９】同図によれば、光吸収部の位置を変化させ
ても従来の光起電力素子よりも全体的に高い光電変換効
率が得られており、特に、半導体接合部であるｐｎ接合
部に近接して設ける程高い光電変換効率が得られた。同
図から、光吸収部を半導体接合部であるｐｎ接合部から
約０．５〜５０μｍ離間した位置に設けることで光電変
換効率は大きく向上し、０．８μｍ〜４０μｍの範囲で
最大となることがわかる。
ても従来の光起電力素子よりも全体的に高い光電変換効
率が得られており、特に、半導体接合部であるｐｎ接合
部に近接して設ける程高い光電変換効率が得られた。同
図から、光吸収部を半導体接合部であるｐｎ接合部から
約０．５〜５０μｍ離間した位置に設けることで光電変
換効率は大きく向上し、０．８μｍ〜４０μｍの範囲で
最大となることがわかる。
【００６０】次に、Ｃｕイオンの注入時にイオン注入の
エネルギーを制御することで、Ｃｕが添加されてなる光
吸収部の厚さを変化させて形成した種々の光起電力素子
を作成し、その光電変換効率を測定した。
エネルギーを制御することで、Ｃｕが添加されてなる光
吸収部の厚さを変化させて形成した種々の光起電力素子
を作成し、その光電変換効率を測定した。
【００６１】図７は、Ｃｕが添加されてなる光吸収部の
厚さを変化させて形成した種々の光起電力素子の光電変
換効率を表す特性図である。尚、比較のために従来の光
起電力素子の光電変換効率を図中に点線で示している。
厚さを変化させて形成した種々の光起電力素子の光電変
換効率を表す特性図である。尚、比較のために従来の光
起電力素子の光電変換効率を図中に点線で示している。
【００６２】同図によれば、光吸収部の厚さが１〜１０
μｍの範囲では従来のものよりも高い光電変換効率が得
られるものの、その厚さが１０μｍを越えると却って効
率が低下することがわかる。この低下は、Ｃｕの添加に
より形成されたエネルギー準位を介した光キャリアの再
結合が増加したためと考えられる。本実施形態に於いて
は、Ｃｕが添加されてなる光吸収部の厚さは、１μｍ〜
１０μｍの範囲、より好ましくは１．５μｍ〜７μｍの
範囲が最適であった。
μｍの範囲では従来のものよりも高い光電変換効率が得
られるものの、その厚さが１０μｍを越えると却って効
率が低下することがわかる。この低下は、Ｃｕの添加に
より形成されたエネルギー準位を介した光キャリアの再
結合が増加したためと考えられる。本実施形態に於いて
は、Ｃｕが添加されてなる光吸収部の厚さは、１μｍ〜
１０μｍの範囲、より好ましくは１．５μｍ〜７μｍの
範囲が最適であった。
【００６３】上述した如く、本実施形態にあっては、光
起電力素子を構成する半導体である単結晶シリコン基板
１の一部にＣｕが添加された光吸収部を設けることで従
来よりも長波長の光を利用することが可能となり、光電
変換効率を向上させることができる。これは、光吸収部
に於いてはエネルギーギャップの中央近傍にＣｕの添加
によるエネルギー準位が形成され、このエネルギー準位
を介して従来よりも低エネルギー、即ち長波長の光で光
キャリアが生成されるため、と考えられる。このような
添加物としては、Ｓｉ半導体を用いる場合にあってはＣ
ｕ以外にＺｎ，Ａｕ，Ｆｅ及びＭｎがある。従って、Ｓ
ｉ半導体内の一部に、Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｕ，Ｆｅ及びＭｎ
から選択される１もしくは複数の添加物が添加された領
域を設けることで、上述した場合と同様に従来よりも長
波長の光の利用が可能となり、光電変換効率が向上する
こととなる。
起電力素子を構成する半導体である単結晶シリコン基板
１の一部にＣｕが添加された光吸収部を設けることで従
来よりも長波長の光を利用することが可能となり、光電
変換効率を向上させることができる。これは、光吸収部
に於いてはエネルギーギャップの中央近傍にＣｕの添加
によるエネルギー準位が形成され、このエネルギー準位
を介して従来よりも低エネルギー、即ち長波長の光で光
キャリアが生成されるため、と考えられる。このような
添加物としては、Ｓｉ半導体を用いる場合にあってはＣ
ｕ以外にＺｎ，Ａｕ，Ｆｅ及びＭｎがある。従って、Ｓ
ｉ半導体内の一部に、Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｕ，Ｆｅ及びＭｎ
から選択される１もしくは複数の添加物が添加された領
域を設けることで、上述した場合と同様に従来よりも長
波長の光の利用が可能となり、光電変換効率が向上する
こととなる。
【００６４】また、Ｇｅ半導体を用いた場合に、エネル
ギーギャップの中央近傍にエネルギー準位を作る添加物
としてはＭｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕがあり、前記Ｇｅ半導
体内の一部にこれらから選択される１もしくは複数の添
加物が添加された領域を設けることで、同様の効果が得
られる。
ギーギャップの中央近傍にエネルギー準位を作る添加物
としてはＭｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕがあり、前記Ｇｅ半導
体内の一部にこれらから選択される１もしくは複数の添
加物が添加された領域を設けることで、同様の効果が得
られる。
【００６５】次に、本発明の第２実施形態に係わる光起
電力素子について説明する。本実施形態の光起電力素子
の素子構造も、基本的には図１に示した第１実施形態の
光起電力素子と同一であるので、素子構造については図
１を参照して説明する。
電力素子について説明する。本実施形態の光起電力素子
の素子構造も、基本的には図１に示した第１実施形態の
光起電力素子と同一であるので、素子構造については図
１を参照して説明する。
【００６６】本第２実施形態の光起電力素子が、第１実
施形態の光起電力素子と異なる点は、添加物としてＣｕ
ではなくＡｇを用いた点にある。
施形態の光起電力素子と異なる点は、添加物としてＣｕ
ではなくＡｇを用いた点にある。
【００６７】図８は、光起電力素子を構成する半導体で
ある単結晶シリコン基板１内であって、Ａｇが添加され
た領域に於いて予測されるギャップ内エネルギー準位の
模式図であり、Ｅｃは伝導帯端を、Ｅｖは価電子帯端を
夫々表している。
ある単結晶シリコン基板１内であって、Ａｇが添加され
た領域に於いて予測されるギャップ内エネルギー準位の
模式図であり、Ｅｃは伝導帯端を、Ｅｖは価電子帯端を
夫々表している。
【００６８】図８を参照して、単結晶シリコン基板１を
構成するＳｉはエネルギーギャップが１．１１ｅＶであ
り、このＳｉ中にＡｇが添加されると、エネルギーギャ
ップ内であって、価電子帯端Ｅｖ及び伝導帯端Ｅｃから
夫々１／３の位置近傍、具体的にはギャップ幅の１／３
±１０％の範囲内のエネルギーを有するエネルギー位置
に、エネルギー準位Ｅｉ1，Ｅｉ2が形成される。従っ
て、エネルギーギャップの１／３のエネルギーを有する
光により、電子ｅが図中矢印に示すとおり価電子帯端Ｅ
ｖからエネルギー準位Ｅｉ1及びＥｉ2を介して伝導帯端
Ｅｃに励起されることとなり、同時に正孔ｈが価電子帯
端Ｅｖに生成される。従って、シリコンのエネルギーギ
ャップである１．１１ｅＶの略１／３、即ち約０．３７
ｅＶの光により電子、正孔の光キャリアが生成されるこ
ととなり、第１実施形態よりもより低エネルギー、即ち
より長波長の光を利用することが可能となる。
構成するＳｉはエネルギーギャップが１．１１ｅＶであ
り、このＳｉ中にＡｇが添加されると、エネルギーギャ
ップ内であって、価電子帯端Ｅｖ及び伝導帯端Ｅｃから
夫々１／３の位置近傍、具体的にはギャップ幅の１／３
±１０％の範囲内のエネルギーを有するエネルギー位置
に、エネルギー準位Ｅｉ1，Ｅｉ2が形成される。従っ
て、エネルギーギャップの１／３のエネルギーを有する
光により、電子ｅが図中矢印に示すとおり価電子帯端Ｅ
ｖからエネルギー準位Ｅｉ1及びＥｉ2を介して伝導帯端
Ｅｃに励起されることとなり、同時に正孔ｈが価電子帯
端Ｅｖに生成される。従って、シリコンのエネルギーギ
ャップである１．１１ｅＶの略１／３、即ち約０．３７
ｅＶの光により電子、正孔の光キャリアが生成されるこ
ととなり、第１実施形態よりもより低エネルギー、即ち
より長波長の光を利用することが可能となる。
【００６９】表２に本実施形態及び従来の光起電力素子
の光電変換効率を示す。同表に示す通り、本実施形態に
よればより短絡電流値の増大を図ることができ、従って
光電変換効率の向上を図ることができる。
の光電変換効率を示す。同表に示す通り、本実施形態に
よればより短絡電流値の増大を図ることができ、従って
光電変換効率の向上を図ることができる。
【００７０】
【表２】
【００７１】尚、上記のＡｇと同様の位置にエネルギー
準位を形成する添加物としてはＮｉがあり、Ｓｉ半導体
内の一部に、Ａｇの代わりにＮｉが、或いはＡｇとＮｉ
とが同時に添加されてなる光吸収部を設けることで同様
の効果が得られる。
準位を形成する添加物としてはＮｉがあり、Ｓｉ半導体
内の一部に、Ａｇの代わりにＮｉが、或いはＡｇとＮｉ
とが同時に添加されてなる光吸収部を設けることで同様
の効果が得られる。
【００７２】また、半導体としてシリコンの代わりにＧ
ｅを用いた場合にあっても同様に、該Ｇｅ半導体内の一
部に、Ａｇ或いはＮｉのいずれか、もしくは両方が添加
されてなる光吸収部を設けることで、同様の効果が得ら
れる。
ｅを用いた場合にあっても同様に、該Ｇｅ半導体内の一
部に、Ａｇ或いはＮｉのいずれか、もしくは両方が添加
されてなる光吸収部を設けることで、同様の効果が得ら
れる。
【００７３】さらには、エネルギーギャップ内の中央近
傍、或いは伝導帯端及び価電子端から夫々１／３の位置
近傍ばかりでなく、ギャップ内の複数のエネルギー位置
にエネルギー準位を形成しても良い。斯かる構成とすれ
ば、各エネルギー準位間のエネルギー差をより小さくで
きるために、より低エネルギー、即ちより長波長の光の
利用が可能となる。また、この時相隣接するエネルギー
準位間のエネルギー差が略等しくなるように各エネルギ
ー準位を形成すれば、同じエネルギーを有する光で複数
回の励起が可能となることから、このエネルギーの光の
吸収量を増加することができる。
傍、或いは伝導帯端及び価電子端から夫々１／３の位置
近傍ばかりでなく、ギャップ内の複数のエネルギー位置
にエネルギー準位を形成しても良い。斯かる構成とすれ
ば、各エネルギー準位間のエネルギー差をより小さくで
きるために、より低エネルギー、即ちより長波長の光の
利用が可能となる。また、この時相隣接するエネルギー
準位間のエネルギー差が略等しくなるように各エネルギ
ー準位を形成すれば、同じエネルギーを有する光で複数
回の励起が可能となることから、このエネルギーの光の
吸収量を増加することができる。
【００７４】尚、以上の実施形態に於いては、半導体と
してＳｉを用いた場合にあっては添加する添加物とし
て、Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｕ，Ｆｅ，Ｍｎ或いはＡｇ，Ｎｉを
挙げたが、シリコンのエネルギーギャップ内の複数のエ
ネルギー位置に、エネルギー準位を形成するものであれ
ば、これに限るものでないことは言うまでもない。この
ことは、半導体の材料としてＧｅを用いた場合にあって
も同様である。
してＳｉを用いた場合にあっては添加する添加物とし
て、Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｕ，Ｆｅ，Ｍｎ或いはＡｇ，Ｎｉを
挙げたが、シリコンのエネルギーギャップ内の複数のエ
ネルギー位置に、エネルギー準位を形成するものであれ
ば、これに限るものでないことは言うまでもない。この
ことは、半導体の材料としてＧｅを用いた場合にあって
も同様である。
【００７５】次に、本発明の第３実施形態に係わる光起
電力素子を、図９を参照して説明する。図９は、本実施
形態に係わる積層型の光起電力素子の素子構造断面図で
あり、前述した第１実施形態に係わる光起電力素子を光
透過側に配したことを特徴としている。
電力素子を、図９を参照して説明する。図９は、本実施
形態に係わる積層型の光起電力素子の素子構造断面図で
あり、前述した第１実施形態に係わる光起電力素子を光
透過側に配したことを特徴としている。
【００７６】同図においてＳＣ１は本発明の第１実施形
態に係わる光起電力素子であり、その詳細については前
述したのでここでは省略する。また、該光起電力素子Ｓ
Ｃ１の光入射側には、Ｓｉ半導体からなる光起電力素子
ＳＣ２が設けてある。
態に係わる光起電力素子であり、その詳細については前
述したのでここでは省略する。また、該光起電力素子Ｓ
Ｃ１の光入射側には、Ｓｉ半導体からなる光起電力素子
ＳＣ２が設けてある。
【００７７】図中、１１は抵抗率が１〜５Ωｃｍで、厚
さ約３５０μｍのｐ型の単結晶シリコン基板である。そ
して、該基板１１の光入射面には、リン（Ｐ）を約８０
０℃の温度で表面から約０．５μｍの深さにまで拡散す
ることでｎ型層１２が形成されている。
さ約３５０μｍのｐ型の単結晶シリコン基板である。そ
して、該基板１１の光入射面には、リン（Ｐ）を約８０
０℃の温度で表面から約０．５μｍの深さにまで拡散す
ることでｎ型層１２が形成されている。
【００７８】また、前記ｎ型層１２の光入射面にはＡ
ｇ、Ａｌ等の金属から成る櫛型状の受光面電極１３が設
けられ、加えて光入射面での反射防止用にＳｉＯ2から
なる反射防止膜１４が設けられている。
ｇ、Ａｌ等の金属から成る櫛型状の受光面電極１３が設
けられ、加えて光入射面での反射防止用にＳｉＯ2から
なる反射防止膜１４が設けられている。
【００７９】さらに、前記基板１１の背面側には、Ａｌ
の拡散により形成されたｐ+層１５及びＡｌからなる背
面電極１６が設けられている。
の拡散により形成されたｐ+層１５及びＡｌからなる背
面電極１６が設けられている。
【００８０】ここで、本実施形態にあっては、光入射側
の光起電力素子ＳＣ１の背面電極１６をメッシュ状等の
ように開口部を有した形状とし、該開口部を通って、光
起電力素子ＳＣ１を透過した光が光透過側の光起電力素
子ＳＣ１に入射するように構成している。
の光起電力素子ＳＣ１の背面電極１６をメッシュ状等の
ように開口部を有した形状とし、該開口部を通って、光
起電力素子ＳＣ１を透過した光が光透過側の光起電力素
子ＳＣ１に入射するように構成している。
【００８１】この時、背面電極１６の形状を、光起電力
素子ＳＣ１の光入射面に設けられた櫛型状の受光面電極
３の形状と対応させ、該受光面電極３を覆うように配す
ることで、受光面電極３による光の反射ロスを低減する
ことができ、一層効果的である。
素子ＳＣ１の光入射面に設けられた櫛型状の受光面電極
３の形状と対応させ、該受光面電極３を覆うように配す
ることで、受光面電極３による光の反射ロスを低減する
ことができ、一層効果的である。
【００８２】また、光起電力素子ＳＣ１と別の光起電力
素子ＳＣ２とは、エポキシ等の長波長光を透過する材料
からなる接着剤１７により相互に接着されている。
素子ＳＣ２とは、エポキシ等の長波長光を透過する材料
からなる接着剤１７により相互に接着されている。
【００８３】加えて、光起電力素子ＳＣ１の出力は受光
面電極３と背面電極５とから取り出され、別の光起電力
素子ＳＣ２の出力は受光面電極１３と背面電極１６とか
ら取り出される。
面電極３と背面電極５とから取り出され、別の光起電力
素子ＳＣ２の出力は受光面電極１３と背面電極１６とか
ら取り出される。
【００８４】本実施形態の光起電力素子によれば約２１
％の光電変換効率が得られ、第１及び第２の実施形態に
係わる光起電力素子よりもさらに高い光電変換効率を得
ることができた。
％の光電変換効率が得られ、第１及び第２の実施形態に
係わる光起電力素子よりもさらに高い光電変換効率を得
ることができた。
【００８５】尚、本実施形態にあっては第１の光起電力
素子として第１の実施形態に係わる光起電力素子を用い
たが、これに限らず第２の実施形態に係わる光起電力素
子を用いることもできる。
素子として第１の実施形態に係わる光起電力素子を用い
たが、これに限らず第２の実施形態に係わる光起電力素
子を用いることもできる。
【００８６】また、本実施形態にあっては２つの光起電
力素子を積層した構成としたが、３つ以上の光起電力素
子を積層した構成とし、前述の第１または第２実施形態
に係わる光起電力素子を光透過側のいずれかの素子とし
ても良い。
力素子を積層した構成としたが、３つ以上の光起電力素
子を積層した構成とし、前述の第１または第２実施形態
に係わる光起電力素子を光透過側のいずれかの素子とし
ても良い。
【００８７】以上詳述した如く、本発明の光起電力素子
は該素子を構成する半導体内の一部に光吸収部を設けた
ので、該光吸収部が半導体内の他の部分よりも長波長の
光を吸収し、従来よりも長波長の光の有効利用が可能と
なるために光電変換効率の向上を図ることができる。
は該素子を構成する半導体内の一部に光吸収部を設けた
ので、該光吸収部が半導体内の他の部分よりも長波長の
光を吸収し、従来よりも長波長の光の有効利用が可能と
なるために光電変換効率の向上を図ることができる。
【００８８】即ち、本発明光起電力素子は、複数回の光
吸収過程により入射光を吸収するので、従来よりも長波
長の光を吸収することができる。
吸収過程により入射光を吸収するので、従来よりも長波
長の光を吸収することができる。
【００８９】次に、本発明の第４実施形態に係わる光起
電力素子について、図１０を参照して説明する。図１０
は、本実施形態に係わる光起電力素子の素子構造断面図
である。
電力素子について、図１０を参照して説明する。図１０
は、本実施形態に係わる光起電力素子の素子構造断面図
である。
【００９０】同図を参照して、２１はステンレス、Ａｌ
等の金属板からなる第１の導電膜である。また２２は、
該第１の導電膜２１上にスパッタ法により形成された、
例えば膜厚約１００Åの酸化シリコンからなる絶縁膜で
あり、２３は該絶縁膜２２上にスパッタ法により形成さ
れたタングステンからなる膜厚約８００Åの第２の導電
膜である。
等の金属板からなる第１の導電膜である。また２２は、
該第１の導電膜２１上にスパッタ法により形成された、
例えば膜厚約１００Åの酸化シリコンからなる絶縁膜で
あり、２３は該絶縁膜２２上にスパッタ法により形成さ
れたタングステンからなる膜厚約８００Åの第２の導電
膜である。
【００９１】斯かる構造の光起電力素子に、同図に矢印
Ｃで示す如く第１の導電膜２１側から光が入射すると、
第１の導電膜２１の表面近傍に、入射した光と同じ波長
で電子と、該電子の生成に誘起された正孔と、が生成さ
れる。そして、これら電子、正孔の光キャリアは、絶縁
膜２２内の電界により前記表面近傍から分離され、第１
の導電膜２１及び第２の導電膜２３から外部に取り出さ
れ、光起電力が発生する。
Ｃで示す如く第１の導電膜２１側から光が入射すると、
第１の導電膜２１の表面近傍に、入射した光と同じ波長
で電子と、該電子の生成に誘起された正孔と、が生成さ
れる。そして、これら電子、正孔の光キャリアは、絶縁
膜２２内の電界により前記表面近傍から分離され、第１
の導電膜２１及び第２の導電膜２３から外部に取り出さ
れ、光起電力が発生する。
【００９２】即ち、本実施形態にあっては前記絶縁膜２
２が光入射方向と平行な向きの電界を有するために光キ
ャリア分離部として作用し、第１の導電膜２１表面近傍
に生成された光キャリアを夫々第１の導電膜２１及び第
２の導電膜２３の方向へ分離する。
２が光入射方向と平行な向きの電界を有するために光キ
ャリア分離部として作用し、第１の導電膜２１表面近傍
に生成された光キャリアを夫々第１の導電膜２１及び第
２の導電膜２３の方向へ分離する。
【００９３】図１１は、本実施形態に係わる光起電力素
子の、入射光に対する光感度の波長依存性を示した特性
図である。同図に示す如く、本実施形態の光起電力素子
によっても従来は殆ど感度のなかった波長１μｍ以上の
長波長光に対する光感度を向上することが可能となる。
子の、入射光に対する光感度の波長依存性を示した特性
図である。同図に示す如く、本実施形態の光起電力素子
によっても従来は殆ど感度のなかった波長１μｍ以上の
長波長光に対する光感度を向上することが可能となる。
【００９４】従って、図９に示した第３実施形態の、積
層型の光起電力素子に於ける、光透過側の光起電力素子
ＳＣ１として本第４実施形態の光起電力素子を用いるこ
とで、長波長の光まで感度のある光起電力素子を提供で
きることとなる。この積層型の光起電力素子の光電変換
効率を測定したところ、２０．５％と従来よりも光電変
換効率を向上することができた。
層型の光起電力素子に於ける、光透過側の光起電力素子
ＳＣ１として本第４実施形態の光起電力素子を用いるこ
とで、長波長の光まで感度のある光起電力素子を提供で
きることとなる。この積層型の光起電力素子の光電変換
効率を測定したところ、２０．５％と従来よりも光電変
換効率を向上することができた。
【００９５】尚、ここで本実施形態の光起電力素子を積
層型の光起電力素子に用いるにあたっては、図１２に示
す構造としても良い。
層型の光起電力素子に用いるにあたっては、図１２に示
す構造としても良い。
【００９６】図１２は、本発明第４実施形態の光起電力
素子を用いた積層型の光起電力素子の素子構造断面図で
ある。
素子を用いた積層型の光起電力素子の素子構造断面図で
ある。
【００９７】同図に示した積層型の光起電力素子にあっ
ては、光透過側に配した第４実施形態の光起電力素子Ｓ
Ｃ１の第１の導電膜を、光入射側の光起電力素子ＳＣ２
の背面電極と共通とし、共にＡｌからなる共通電極３０
から構成している。斯かる構成とすれば製造工程を簡略
化でき、製造コストの低減も可能となる。
ては、光透過側に配した第４実施形態の光起電力素子Ｓ
Ｃ１の第１の導電膜を、光入射側の光起電力素子ＳＣ２
の背面電極と共通とし、共にＡｌからなる共通電極３０
から構成している。斯かる構成とすれば製造工程を簡略
化でき、製造コストの低減も可能となる。
【００９８】また、図１２に示した積層型の光起電力素
子の光電変換効率は２０．５％であり、図９に示した積
層型光起電力素子の構造を用いた場合と同じ値が得られ
た。
子の光電変換効率は２０．５％であり、図９に示した積
層型光起電力素子の構造を用いた場合と同じ値が得られ
た。
【００９９】尚、本実施形態にあっては２つの光起電力
素子を積層した構成としたが、３つ以上の光起電力素子
を積層した構成とし、前述の第４実施形態に係わる光起
電力素子を光透過側の素子のいずれかとしても良い。
素子を積層した構成としたが、３つ以上の光起電力素子
を積層した構成とし、前述の第４実施形態に係わる光起
電力素子を光透過側の素子のいずれかとしても良い。
【０１００】次に、本発明の第５実施形態に係わる光起
電力素子について、図１３を参照して説明する。図１３
は、本実施形態に係わる光起電力素子の素子構造断面図
である。尚、図１０に示した第４実施形態に係わる光起
電力素子と同一の構成を有する部分には同じ符号を付し
て表している。
電力素子について、図１３を参照して説明する。図１３
は、本実施形態に係わる光起電力素子の素子構造断面図
である。尚、図１０に示した第４実施形態に係わる光起
電力素子と同一の構成を有する部分には同じ符号を付し
て表している。
【０１０１】図１３に示した如く、本第５実施形態の光
起電力素子にあっては第１の導電膜２１と第２の導電膜
２３との間の絶縁膜を、光入射側の第１絶縁膜２２ａ
と、該第１絶縁膜２２ａよりもエネルギーギャップの小
さい光透過側の第２絶縁膜２２ｂから構成している。こ
のような絶縁膜の材料としては、例えばＮ量の多いＳｉ
1-xＮxを第１絶縁膜２２ａとして用い、Ｎ量の少ないＳ
ｉ1-xＮxを第２絶縁膜２２ｂとして用いることができ
る。
起電力素子にあっては第１の導電膜２１と第２の導電膜
２３との間の絶縁膜を、光入射側の第１絶縁膜２２ａ
と、該第１絶縁膜２２ａよりもエネルギーギャップの小
さい光透過側の第２絶縁膜２２ｂから構成している。こ
のような絶縁膜の材料としては、例えばＮ量の多いＳｉ
1-xＮxを第１絶縁膜２２ａとして用い、Ｎ量の少ないＳ
ｉ1-xＮxを第２絶縁膜２２ｂとして用いることができ
る。
【０１０２】斯かる構成とすれば、電子の移動を助ける
向きの電界が増強され、より光電変換効率の向上した光
起電力素子を提供することができる。本実施形態の光起
電力素子を図１２に示した積層型の光起電力素子におけ
る、背面側の光起電力素子ＳＣ１に適用したところ２１
％の光電変換効率が得られ、第４実施形態の光起電力素
子を用いるより高い値が得られた。
向きの電界が増強され、より光電変換効率の向上した光
起電力素子を提供することができる。本実施形態の光起
電力素子を図１２に示した積層型の光起電力素子におけ
る、背面側の光起電力素子ＳＣ１に適用したところ２１
％の光電変換効率が得られ、第４実施形態の光起電力素
子を用いるより高い値が得られた。
【０１０３】次に、本発明の第６実施形態に係わる光起
電力素子について、図１４を参照して説明する。図１４
は本実施形態に係わる光起電力素子の素子構造断面図で
ある。
電力素子について、図１４を参照して説明する。図１４
は本実施形態に係わる光起電力素子の素子構造断面図で
ある。
【０１０４】同図に於いて３１はガラスからなる基板で
あり、該基板３１上に膜厚５００ÅのＮｉからなる第１
の導電膜３２が蒸着法により形成されている。そして、
該第１の導電膜３２上に炭化シリコンからなる膜厚５０
Åの半導体膜３３及びＡｌからなる膜厚２０００Åの第
２の導電膜３４がスパッタ法或いは蒸着法等の方法によ
り積層されている。本光起電力素子の光電変換機構は以
下の通りである。この光起電力素子に光が図中矢印Ｃで
示す如く基板３１側から入射すると、第１の導電膜３２
の表面に電子、正孔からなる光キャリアが、入射した光
と同じ波長で生成される。そしてこの光キャリアは、前
記半導体膜中の電界により分離され、夫々第１の導電膜
３２及び第２の導電膜３４を介して外部に出力されるこ
とから、これら両導電膜間に光起電力が生じることとな
る。
あり、該基板３１上に膜厚５００ÅのＮｉからなる第１
の導電膜３２が蒸着法により形成されている。そして、
該第１の導電膜３２上に炭化シリコンからなる膜厚５０
Åの半導体膜３３及びＡｌからなる膜厚２０００Åの第
２の導電膜３４がスパッタ法或いは蒸着法等の方法によ
り積層されている。本光起電力素子の光電変換機構は以
下の通りである。この光起電力素子に光が図中矢印Ｃで
示す如く基板３１側から入射すると、第１の導電膜３２
の表面に電子、正孔からなる光キャリアが、入射した光
と同じ波長で生成される。そしてこの光キャリアは、前
記半導体膜中の電界により分離され、夫々第１の導電膜
３２及び第２の導電膜３４を介して外部に出力されるこ
とから、これら両導電膜間に光起電力が生じることとな
る。
【０１０５】即ち、前記半導体膜３３中には光入射方向
と平行な向きに電界が生じているので、該半導体膜３３
がキャリア分離部として作用し、前記光キャリアを夫々
第１の導電膜３２及び第２の導電膜３４の方向に分離す
るのである。
と平行な向きに電界が生じているので、該半導体膜３３
がキャリア分離部として作用し、前記光キャリアを夫々
第１の導電膜３２及び第２の導電膜３４の方向に分離す
るのである。
【０１０６】さらに、本実施形態の光起電力素子に於い
て、第１の導電膜３２の材料として前記第２の導電膜３
４の構成材よりも仕事関数の大きい材料を用いること
で、前記半導体膜３３中の電界を増大でき、従って光電
変換効率を一層向上することができる。このような組み
合わせとしては、例えば第１の導電膜３２としてＰｔ，
Ｎｉを、第２の導電膜３４としてＷ，Ａｌを組み合わせ
て用いることができる。
て、第１の導電膜３２の材料として前記第２の導電膜３
４の構成材よりも仕事関数の大きい材料を用いること
で、前記半導体膜３３中の電界を増大でき、従って光電
変換効率を一層向上することができる。このような組み
合わせとしては、例えば第１の導電膜３２としてＰｔ，
Ｎｉを、第２の導電膜３４としてＷ，Ａｌを組み合わせ
て用いることができる。
【０１０７】本第６実施形態に係わる光起電力素子を、
図１２に示した積層型の光起電力素子に於ける背面側の
光起電力素子ＳＣ１として用いた積層型の光起電力素子
を形成した。その結果、２０．８％と従来の光起電力素
子よりも高い光電変換効率が得られた。
図１２に示した積層型の光起電力素子に於ける背面側の
光起電力素子ＳＣ１として用いた積層型の光起電力素子
を形成した。その結果、２０．８％と従来の光起電力素
子よりも高い光電変換効率が得られた。
【０１０８】尚、以上の第４乃至第６実施形態に於いて
は、光の入射により第１の導電膜の表面に出現した光キ
ャリアを分離する光キャリア分離部として絶縁膜或いは
半導体膜を用いたが、これに限るものでなく、光入射方
向と平行な電界を有するものであれば良いことは言うま
でもない。
は、光の入射により第１の導電膜の表面に出現した光キ
ャリアを分離する光キャリア分離部として絶縁膜或いは
半導体膜を用いたが、これに限るものでなく、光入射方
向と平行な電界を有するものであれば良いことは言うま
でもない。
【０１０９】また、光入射側に配する第１の導電膜とし
ては、以上の実施形態で述べたＡｌ、Ｎｉ等の金属膜に
限らず、入射した光と同じ波長で光キャリアが生成され
るような薄膜であれば、如何なるものであっても良い。
ては、以上の実施形態で述べたＡｌ、Ｎｉ等の金属膜に
限らず、入射した光と同じ波長で光キャリアが生成され
るような薄膜であれば、如何なるものであっても良い。
【０１１０】
【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によれば従来
は光起電力の発生に殆ど寄与しなかった波長１μｍ以上
の光に対する光感度が向上し、従って従来よりも光電変
換効率の高い光起電力素子を提供することが可能とな
る。
は光起電力の発生に殆ど寄与しなかった波長１μｍ以上
の光に対する光感度が向上し、従って従来よりも光電変
換効率の高い光起電力素子を提供することが可能とな
る。
【図１】本発明の第１実施形態に係わる光起電力素子の
素子構造断面図である。
素子構造断面図である。
【図２】第１実施形態に係わる光起電力素子を製造する
工程を説明するための、工程別素子構造断面図である。
工程を説明するための、工程別素子構造断面図である。
【図３】第１実施形態に係わる光起電力素子と、従来構
造の光起電力素子の入射光に対する光感度の波長依存性
を示した特性図である。
造の光起電力素子の入射光に対する光感度の波長依存性
を示した特性図である。
【図４】ｐ型単結晶シリコン基板中にＣｕが添加される
ことにより予測されるエネルギーギャップ内準位の概念
図である。
ことにより予測されるエネルギーギャップ内準位の概念
図である。
【図５】Ｃｕの添加量を変化させて形成した種々の光起
電力素子の光電変換効率を示した特性図である。
電力素子の光電変換効率を示した特性図である。
【図６】光吸収部の位置を変化させて形成した種々の光
起電力素子の光電変換効率を示した特性図である。
起電力素子の光電変換効率を示した特性図である。
【図７】光吸収部の厚さを変化させて形成した種々の光
起電力素子の光電変換効率を示した特性図である。
起電力素子の光電変換効率を示した特性図である。
【図８】ｐ型単結晶シリコン基板中にＡｇが添加される
ことにより予測されるエネルギーギャップ内準位の概念
図である。
ことにより予測されるエネルギーギャップ内準位の概念
図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係わる積層型の光起電
力素子の素子構造断面図である。
力素子の素子構造断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係わる光起電力素子
の素子構造断面図である。
の素子構造断面図である。
【図１１】第４実施形態に係わる光起電力素子の、入射
光に対する光感度の波長依存性を示す特性図である。
光に対する光感度の波長依存性を示す特性図である。
【図１２】第４実施形態に係わる光起電力素子を用い
た、積層型の光起電力素子の素子構造断面図である。
た、積層型の光起電力素子の素子構造断面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係わる光起電力素子
の素子構造断面図である。
の素子構造断面図である。
【図１４】本発明の第６実施形態に係わる光起電力素子
の素子構造断面図である。
の素子構造断面図である。
【図１５】従来の光起電力素子の素子構造断面図であ
る。
る。
【図１６】エネルギーの流れを説明するための説明図で
ある。
ある。
１，１０１…ｐ型単結晶シリコン基板、２，１０２…ｎ
型層、３，１０３…受光面電極、４，１０４…反射防止
膜、５，１０５…ｐ+層、６，１０６…背面電極、Ａ…
光吸収部、２１，３２…第１の導電膜、２２，３３…キ
ャリア分離部、２３，３４…第２の導電膜、３０…共通
電極
型層、３，１０３…受光面電極、４，１０４…反射防止
膜、５，１０５…ｐ+層、６，１０６…背面電極、Ａ…
光吸収部、２１，３２…第１の導電膜、２２，３３…キ
ャリア分離部、２３，３４…第２の導電膜、３０…共通
電極
フロントページの続き
(72)発明者 中村 昇
大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号
三洋電機株式会社内
(72)発明者 二宮 国基
大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号
三洋電機株式会社内
(56)参考文献 特開 昭62−224981（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−163962（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−332176（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 31/04 - 31/078
Claims (10)
- 【請求項１】 Ｓｉ半導体からなる光起電力素子であっ
て、該半導体内の一部に、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｆｅ及び
Ｍｎから選択される添加物の添加によりエネルギーギャ
ップ内の所定位置にエネルギー準位が形成された、他の
部分よりもエネルギーの小さい光を吸収する光吸収部を
設けたことを特徴とする光起電力素子。 - 【請求項２】 Ｇｅ半導体からなる光起電力素子であっ
て、該半導体内の一部に、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｏか
ら選択される添加物の添加によりエネルギーギャップ内
の所定位置にエネルギー準位が形成された、他の部分よ
りもエネルギーの小さい光を吸収する光吸収部を設けた
ことを特徴とする光起電力素子。 - 【請求項３】 Ｓｉ半導体からなる光起電力素子であっ
て、該半導体内の一部に、Ｎｉ及びＡｇから選択される
添加物の添加によりエネルギーギャップ内の所定位置に
エネルギー準位が形成された、他の部分よりもエネルギ
ーの小さい光を吸収する光吸収部を設けたことを特徴と
する光起電力素子。 - 【請求項４】 Ｇｅ半導体からなる光起電力素子であっ
て、該半導体内の一部に、Ａｇ及びＮｉから選択される
添加物の添加によりエネルギーギャップ内の所定位置に
エネルギー準位が形成された、他の部分よりもエネルギ
ーの小さい光を吸収する光吸収部を設けたことを特徴と
する光起電力素子。 - 【請求項５】 前記添加物の添加量が、１０ 16 ｃｍ -3 〜
１０ 19 ｃｍ -3 の範囲であることを特徴とする請求項１乃
至４記載の光起電力素子。 - 【請求項６】 前記光吸収部の厚さが、１μｍ〜１０μ
ｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至５記載の
光起電力素子。 - 【請求項７】 前記光吸収部の厚さが、１．５μｍ〜７
μｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至６記載
の光起電力素子。 - 【請求項８】 前記半導体が半導体接合部を備え、該半
導体接合部に近接して前記光吸収部が設けられたことを
特徴とする請求項１乃至７記載の光起電力素子。 - 【請求項９】 前記光吸収部が、半導体接合部から０．
５μｍ〜５０μｍ離間されて設けられたことを特徴とす
る請求項８記載の光起電力素子。 - 【請求項１０】 前記光吸収部が、半導体接合部から
０．８μｍ〜４０μｍ離間されて設けられたことを特徴
とする請求項８記載の光起電力素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13537196A JP3369847B2 (ja) | 1996-05-29 | 1996-05-29 | 光起電力素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13537196A JP3369847B2 (ja) | 1996-05-29 | 1996-05-29 | 光起電力素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09321327A JPH09321327A (ja) | 1997-12-12 |
| JP3369847B2 true JP3369847B2 (ja) | 2003-01-20 |
Family
ID=15150163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13537196A Expired - Fee Related JP3369847B2 (ja) | 1996-05-29 | 1996-05-29 | 光起電力素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3369847B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8749053B2 (en) | 2009-06-23 | 2014-06-10 | Intevac, Inc. | Plasma grid implant system for use in solar cell fabrications |
| JP5681607B2 (ja) * | 2011-03-28 | 2015-03-11 | 株式会社東芝 | 光電変換素子 |
| EP2777069A4 (en) | 2011-11-08 | 2015-01-14 | Intevac Inc | SUBSTRATE PROCESSING SYSTEM AND METHOD |
| MY178951A (en) | 2012-12-19 | 2020-10-23 | Intevac Inc | Grid for plasma ion implant |
-
1996
- 1996-05-29 JP JP13537196A patent/JP3369847B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH09321327A (ja) | 1997-12-12 |
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