JP3490964B2 - 光起電力装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光起電力装置に関
するものであり、詳細には単結晶半導体または多結晶半
導体等の結晶系半導体と非晶質半導体の半導体接合を備
えた光起電力装置に関するものである。
するものであり、詳細には単結晶半導体または多結晶半
導体等の結晶系半導体と非晶質半導体の半導体接合を備
えた光起電力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、光起電力装置として薄膜半導体を
用いたものが盛んに開発されている。薄膜半導体を発電
層とするものは、大面積化が容易であり、太陽電池のよ
うな光起電力装置に求められる基本的要件を十分に満た
すものである。
用いたものが盛んに開発されている。薄膜半導体を発電
層とするものは、大面積化が容易であり、太陽電池のよ
うな光起電力装置に求められる基本的要件を十分に満た
すものである。
【０００３】しかしながら、薄膜半導体は、結晶構造が
秩序だっていないため、結晶構造上の未結合手を多量に
含んでおり、結晶系半導体と比べると良質な材料ではな
い。このため、高い光電変換効率を得ることができない
という問題がある。
秩序だっていないため、結晶構造上の未結合手を多量に
含んでおり、結晶系半導体と比べると良質な材料ではな
い。このため、高い光電変換効率を得ることができない
という問題がある。
【０００４】このような問題を解決するものとして、互
いに逆導電型の関係を有する結晶系半導体基板と非晶質
半導体膜を接合させた光起電力装置が提案されている。
このような光起電力装置では、結晶系半導体基板を発電
層としているので、高い光電変換効率を得ることができ
る。
いに逆導電型の関係を有する結晶系半導体基板と非晶質
半導体膜を接合させた光起電力装置が提案されている。
このような光起電力装置では、結晶系半導体基板を発電
層としているので、高い光電変換効率を得ることができ
る。
【０００５】また、このような光起電力装置において
は、半導体接合で生じる界面準位での光生成キャリアの
再結合を低減するため、結晶系半導体基板と非晶質半導
体膜の間に、実質的に発電に寄与しない程度に薄膜の真
性非晶質半導体膜を挿入した構造の光起電力装置が提案
されている。
は、半導体接合で生じる界面準位での光生成キャリアの
再結合を低減するため、結晶系半導体基板と非晶質半導
体膜の間に、実質的に発電に寄与しない程度に薄膜の真
性非晶質半導体膜を挿入した構造の光起電力装置が提案
されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
個人住宅向けに太陽電池が普及し始めクリーンエネルギ
ーに対する期待が高まりつつある中、光起電力装置にお
いてさらなる変換効率の向上が求められている。本発明
の目的は、半導体接合部における光生成キャリアの再結
合をさらに低減し、光電変換効率を向上させることがで
きる光起電力装置を提供することにある。
個人住宅向けに太陽電池が普及し始めクリーンエネルギ
ーに対する期待が高まりつつある中、光起電力装置にお
いてさらなる変換効率の向上が求められている。本発明
の目的は、半導体接合部における光生成キャリアの再結
合をさらに低減し、光電変換効率を向上させることがで
きる光起電力装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】 本発明の光起電力装置
は、互いに逆導電型の関係を有する結晶系半導体基板と
非晶質半導体膜の接合部に、薄膜の真性非晶質半導体膜
が挿入された光起電力装置であって、前記結晶系半導体
基板はシリコン基板であり、前記真性非晶質半導体膜
は、前記結晶系半導体基板との接合界面が非晶質シリコ
ンから構成され、且つ前記真性非晶質半導体膜の光学的
バンドギャップは、前記非晶質半導体膜と接する側にお
いて前記結晶系半導体基板との接合界面に配された前記
非晶質シリコンよりも広くされていることを特徴として
いる。
は、互いに逆導電型の関係を有する結晶系半導体基板と
非晶質半導体膜の接合部に、薄膜の真性非晶質半導体膜
が挿入された光起電力装置であって、前記結晶系半導体
基板はシリコン基板であり、前記真性非晶質半導体膜
は、前記結晶系半導体基板との接合界面が非晶質シリコ
ンから構成され、且つ前記真性非晶質半導体膜の光学的
バンドギャップは、前記非晶質半導体膜と接する側にお
いて前記結晶系半導体基板との接合界面に配された前記
非晶質シリコンよりも広くされていることを特徴として
いる。
【０００８】本発明において、真性非晶質半導体膜の光
学的バンドギャップは、非晶質半導体膜側に向かうにつ
れて広くなっていればよく、連続的に光学的バンドギャ
ップが広くなるように形成されてもいてもよいし、段階
的に広くなるように、複数の層を積層して構成されてい
てもよい。
学的バンドギャップは、非晶質半導体膜側に向かうにつ
れて広くなっていればよく、連続的に光学的バンドギャ
ップが広くなるように形成されてもいてもよいし、段階
的に広くなるように、複数の層を積層して構成されてい
てもよい。
【０００９】複数の層を積層する場合、異なる半導体材
料を積層してもよい。例えば、結晶系半導体基板側に非
晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）層を設け、非晶質半導体膜側
に非晶質シリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ）層、非晶質
シリコンオキサイド（ａ−ＳｉＯ）層、または非晶質シ
リコンナイトライド（ａ−ＳｉＮ）層を設けてもよい。
この場合、非晶質シリコン層の膜厚は５ｎｍ以下である
ことが好ましい。
料を積層してもよい。例えば、結晶系半導体基板側に非
晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）層を設け、非晶質半導体膜側
に非晶質シリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ）層、非晶質
シリコンオキサイド（ａ−ＳｉＯ）層、または非晶質シ
リコンナイトライド（ａ−ＳｉＮ）層を設けてもよい。
この場合、非晶質シリコン層の膜厚は５ｎｍ以下である
ことが好ましい。
【００１０】真性非晶質半導体膜中に、非晶質シリコン
カーバイト層、非晶質シリコンオキサイド層、非晶質シ
リコンナイトライド層を用いる場合には、これらの層に
おける炭素、酸素または窒素の濃度を基板から遠ざかる
につれて傾斜的に増加させてもよい。このような傾斜構
造を設けることにより、各層の内部において、基板から
遠ざかるつれて広くなるような光学的バンドギャップを
形成することができる。
カーバイト層、非晶質シリコンオキサイド層、非晶質シ
リコンナイトライド層を用いる場合には、これらの層に
おける炭素、酸素または窒素の濃度を基板から遠ざかる
につれて傾斜的に増加させてもよい。このような傾斜構
造を設けることにより、各層の内部において、基板から
遠ざかるつれて広くなるような光学的バンドギャップを
形成することができる。
【００１１】非晶質シリコン層に水素を含有させると、
光学的バンドギャップが広くなるので、真性非晶質半導
体膜として非晶質シリコン層を形成し、この非晶質シリ
コン層における水素含有量を非晶質半導体膜側に近づく
につれて高めることにより光学的バンドギャップを広く
してもよい。また、水素含有量の異なる非晶質シリコン
層を積層してもよい。具体的には、結晶系半導体基板側
に相対的に水素含有量の低い非晶質シリコン層を設け、
非晶質半導体膜側に相対的に水素含有量の高い非晶質シ
リコン層を設けてもよい。この場合、結晶系半導体基板
側に設けられる非晶質シリコン層の膜厚は１〜７ｎｍで
あることが好ましく、さらに好ましくは３〜６ｎｍであ
る。
光学的バンドギャップが広くなるので、真性非晶質半導
体膜として非晶質シリコン層を形成し、この非晶質シリ
コン層における水素含有量を非晶質半導体膜側に近づく
につれて高めることにより光学的バンドギャップを広く
してもよい。また、水素含有量の異なる非晶質シリコン
層を積層してもよい。具体的には、結晶系半導体基板側
に相対的に水素含有量の低い非晶質シリコン層を設け、
非晶質半導体膜側に相対的に水素含有量の高い非晶質シ
リコン層を設けてもよい。この場合、結晶系半導体基板
側に設けられる非晶質シリコン層の膜厚は１〜７ｎｍで
あることが好ましく、さらに好ましくは３〜６ｎｍであ
る。
【００１２】本発明において、真性非晶質半導体膜の全
体の膜厚は、発電層とはならない膜厚であり、例えば２
０〜２５０Åである。本発明において用いられる結晶系
半導体基板は、例えば、単結晶体半導体基板または多結
晶半導体基板である。また、微結晶系または薄膜多結晶
系のものであってもよい。本発明において用いる非晶質
半導体膜には、微結晶シリコン薄膜等の微結晶半導体膜
も含まれる。
体の膜厚は、発電層とはならない膜厚であり、例えば２
０〜２５０Åである。本発明において用いられる結晶系
半導体基板は、例えば、単結晶体半導体基板または多結
晶半導体基板である。また、微結晶系または薄膜多結晶
系のものであってもよい。本発明において用いる非晶質
半導体膜には、微結晶シリコン薄膜等の微結晶半導体膜
も含まれる。
【００１３】（作用）互いに逆導電型の関係を有する結
晶系半導体基板と非晶質半導体膜を接合した光起電力装
置において、半導体接合で生じる界面準位での光生成キ
ャリアの再結合を低減するために接合界面に挿入する真
性非晶質半導体膜は、緻密な構造とする程その効果が大
きくなるものの、この膜での光吸収の増大による電流ロ
スも引き起こす。これを抑制するために、真性非晶質半
導体膜の膜厚を薄くすることも考えられるが、薄くしす
ぎると光起電力装置内でのビルトインポテンシャルの低
下を招き、開放電圧の低下を生じさせる。
晶系半導体基板と非晶質半導体膜を接合した光起電力装
置において、半導体接合で生じる界面準位での光生成キ
ャリアの再結合を低減するために接合界面に挿入する真
性非晶質半導体膜は、緻密な構造とする程その効果が大
きくなるものの、この膜での光吸収の増大による電流ロ
スも引き起こす。これを抑制するために、真性非晶質半
導体膜の膜厚を薄くすることも考えられるが、薄くしす
ぎると光起電力装置内でのビルトインポテンシャルの低
下を招き、開放電圧の低下を生じさせる。
【００１４】 そこで、本発明においては、結晶系半導
体基板と非晶質半導体膜との接合界面に挿入する真性非
晶質半導体膜は、結晶系半導体基板との接合界面が非晶
質シリコンから構成され、且つその光学的バンドギャッ
プは、非晶質半導体膜と接する側において結晶系半導体
基板との接合界面に配された前記非晶質シリコンよりも
広くされている。
体基板と非晶質半導体膜との接合界面に挿入する真性非
晶質半導体膜は、結晶系半導体基板との接合界面が非晶
質シリコンから構成され、且つその光学的バンドギャッ
プは、非晶質半導体膜と接する側において結晶系半導体
基板との接合界面に配された前記非晶質シリコンよりも
広くされている。
【００１５】すなわち、結晶系半導体基板側において高
品質な真性非晶質半導体層とし、非晶質半導体膜側にお
いて光学的バンドギャップが広い、すなわちワイドギャ
ップの真性非晶質半導体層としている。このようにワイ
ドギャップの真性非晶質半導体層を設けることにより、
光吸収の増大による電流ロスを少なくすることができる
とともに、ビルトインポテンシャルの低下も抑制でき、
従って光電変換効率の向上した光起電力装置とすること
ができる。
品質な真性非晶質半導体層とし、非晶質半導体膜側にお
いて光学的バンドギャップが広い、すなわちワイドギャ
ップの真性非晶質半導体層としている。このようにワイ
ドギャップの真性非晶質半導体層を設けることにより、
光吸収の増大による電流ロスを少なくすることができる
とともに、ビルトインポテンシャルの低下も抑制でき、
従って光電変換効率の向上した光起電力装置とすること
ができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】（第１の実施例）図１は、本発明
に従う第１の実施例の光起電力装置を示す模式的断面図
である。図１を参照して、ｎ型単結晶シリコン基板１１
の光入射側には、真性の非晶質シリコン層１２が形成さ
れている。真性の非晶質シリコン層１２の上には、真性
の非晶質シリコンカーバイト層１３が形成されている。
本発明の真性非晶質半導体膜は、真性の非晶質シリコン
層１２と真性の非晶質シリコンカーバイト層１３から構
成される。真性の非晶質シリコンカーバイト層１３の上
には、ｐ型非晶質シリコン膜１４が形成されている。ｐ
型非晶質シリコン膜１４の上には、透明電極１５が形成
され、この上に集電極１６が設けられている。
に従う第１の実施例の光起電力装置を示す模式的断面図
である。図１を参照して、ｎ型単結晶シリコン基板１１
の光入射側には、真性の非晶質シリコン層１２が形成さ
れている。真性の非晶質シリコン層１２の上には、真性
の非晶質シリコンカーバイト層１３が形成されている。
本発明の真性非晶質半導体膜は、真性の非晶質シリコン
層１２と真性の非晶質シリコンカーバイト層１３から構
成される。真性の非晶質シリコンカーバイト層１３の上
には、ｐ型非晶質シリコン膜１４が形成されている。ｐ
型非晶質シリコン膜１４の上には、透明電極１５が形成
され、この上に集電極１６が設けられている。
【００１７】ｎ型単結晶シリコン基板１１の裏面側に
は、真性の非晶質シリコン層１７が形成されており、こ
の上にｎ型非晶質シリコン膜１８が形成されている。真
性の非晶質シリコン膜１７とｎ型の非晶質シリコン膜１
８からＢＳＦ（ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌ
ｄ）領域が形成されている。ｎ型非晶質シリコン膜１８
の上には、裏面電極１９が形成され、この上に集電極１
６が設けられている。
は、真性の非晶質シリコン層１７が形成されており、こ
の上にｎ型非晶質シリコン膜１８が形成されている。真
性の非晶質シリコン膜１７とｎ型の非晶質シリコン膜１
８からＢＳＦ（ｂａｃｋ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｅｌ
ｄ）領域が形成されている。ｎ型非晶質シリコン膜１８
の上には、裏面電極１９が形成され、この上に集電極１
６が設けられている。
【００１８】光入射側に設けられる半導体膜及び電極の
形成条件は以下の通りである。真性の非晶質シリコン層
１２は、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量６
０ｓｃｃｍ、Ｈ2 ガス流量６０ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐ
ａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件で
形成されている。膜厚は３ｎｍであり、その光学的バン
ドギャップは１．５４ｅＶである。
形成条件は以下の通りである。真性の非晶質シリコン層
１２は、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量６
０ｓｃｃｍ、Ｈ2 ガス流量６０ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐ
ａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件で
形成されている。膜厚は３ｎｍであり、その光学的バン
ドギャップは１．５４ｅＶである。
【００１９】真性の非晶質シリコンカーバイト層１３
は、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ 4 ガス流量４０ｓ
ｃｃｍ、ＣＨ4 ガス流量４０ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、
基板温度１７０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件で形成
されている。膜厚は５ｎｍであり、その光学的バンドギ
ャップは１．７６ｅＶである。
は、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ 4 ガス流量４０ｓ
ｃｃｍ、ＣＨ4 ガス流量４０ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、
基板温度１７０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件で形成
されている。膜厚は５ｎｍであり、その光学的バンドギ
ャップは１．７６ｅＶである。
【００２０】ｐ型非晶質シリコン膜１４は、プラズマＣ
ＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量４０ｓｃｃｍ、Ｂ2Ｈ
6 ガス（１％Ｈ2 ベース）流量８０ｓｃｃｍ、圧力４０
Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件
で形成されている。膜厚は３ｎｍである。
ＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量４０ｓｃｃｍ、Ｂ2Ｈ
6 ガス（１％Ｈ2 ベース）流量８０ｓｃｃｍ、圧力４０
Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件
で形成されている。膜厚は３ｎｍである。
【００２１】透明電極１５は、スパッタリング法によ
り、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）から形成されている。
形成条件は、基板温度１８０℃、Ａｒガス流量７０ｓｃ
ｃｍ、Ｏ2 ガス流量５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、ＲＦ
パワー８００Ｗの条件で形成され、その膜厚は１００ｎ
ｍである。なお、Ｏ2 ガスとしては、５％Ｏ2 （Ａｒベ
ース）を使用している。
り、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）から形成されている。
形成条件は、基板温度１８０℃、Ａｒガス流量７０ｓｃ
ｃｍ、Ｏ2 ガス流量５ｓｃｃｍ、圧力０．７Ｐａ、ＲＦ
パワー８００Ｗの条件で形成され、その膜厚は１００ｎ
ｍである。なお、Ｏ2 ガスとしては、５％Ｏ2 （Ａｒベ
ース）を使用している。
【００２２】裏面側の半導体膜及び電極は以下の条件で
形成している。真性の非晶質シリコン層１７は、プラズ
マＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量６０ｓｃｃｍ、Ｈ
2 ガス流量６０ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、基板温度１７
０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件で形成している。膜
厚は１５ｎｍであり、光学的バンドギャップは１．５４
ｅＶである。
形成している。真性の非晶質シリコン層１７は、プラズ
マＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量６０ｓｃｃｍ、Ｈ
2 ガス流量６０ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、基板温度１７
０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件で形成している。膜
厚は１５ｎｍであり、光学的バンドギャップは１．５４
ｅＶである。
【００２３】ｎ型非晶質シリコン膜１８は、プラズマＣ
ＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量４０ｓｃｃｍ、ＰＨ3
ガス（２％Ｈ2 ベース）流量２０ｓｃｃｍ、圧力３０Ｐ
ａ、基板温度１７０℃、ＲＦパワー３０Ｗの条件で形成
している。膜厚は２２ｎｍである。
ＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量４０ｓｃｃｍ、ＰＨ3
ガス（２％Ｈ2 ベース）流量２０ｓｃｃｍ、圧力３０Ｐ
ａ、基板温度１７０℃、ＲＦパワー３０Ｗの条件で形成
している。膜厚は２２ｎｍである。
【００２４】裏面電極１９は、透明電極１５と同様にし
て形成している。なお、比較の従来例として、図３に示
すような構造の光起電力装置を作製した。真性の非晶質
シリコンカーバイト層１３が形成されていないこと以外
は、図１に示す第１の実施例と同様にして形成されてい
る。ただし、真性の非晶質シリコン層１２の膜厚は８ｎ
ｍとしている。
て形成している。なお、比較の従来例として、図３に示
すような構造の光起電力装置を作製した。真性の非晶質
シリコンカーバイト層１３が形成されていないこと以外
は、図１に示す第１の実施例と同様にして形成されてい
る。ただし、真性の非晶質シリコン層１２の膜厚は８ｎ
ｍとしている。
【００２５】以上のようにして作製した第１の実施例の
光起電力装置及び従来例の光起電力装置について、開放
電圧（Ｖｏｃ）及び短絡電流（Ｉｓｃ）を測定し、表１
に示した。
光起電力装置及び従来例の光起電力装置について、開放
電圧（Ｖｏｃ）及び短絡電流（Ｉｓｃ）を測定し、表１
に示した。
【００２６】
【表１】
【００２７】表１から明らかなように、本発明に従う第
１の実施例の光起電力装置は、従来例の光起電力装置に
比べ、短絡電流が向上しており、変換効率が高められて
いる。次に、真性非晶質半導体膜全体の膜厚を７．５ｎ
ｍと一定にし、真性の非晶質シリコン層１２と真性の非
晶質シリコンカーバイト層１３の膜厚をそれぞれ変化さ
せて光起電力装置を作製し、その開放電圧及び短絡電流
を測定した。その結果を図６及び図７に示す。なお、膜
厚以外の形成条件は、上記実施例と同一である。
１の実施例の光起電力装置は、従来例の光起電力装置に
比べ、短絡電流が向上しており、変換効率が高められて
いる。次に、真性非晶質半導体膜全体の膜厚を７．５ｎ
ｍと一定にし、真性の非晶質シリコン層１２と真性の非
晶質シリコンカーバイト層１３の膜厚をそれぞれ変化さ
せて光起電力装置を作製し、その開放電圧及び短絡電流
を測定した。その結果を図６及び図７に示す。なお、膜
厚以外の形成条件は、上記実施例と同一である。
【００２８】図６及び図７から明らかなように、この実
施例でも上記実施例と同様に短絡電流が増加している。
特に、非晶質シリコン層の膜厚を５ｎｍ以下の範囲とす
ることにより良好な特性が得られている。なお、真性非
晶質半導体膜の全体を非晶質シリコンカーバイト層から
構成すると、その膜質が非晶質シリコンよりも若干劣る
ため、結晶系半導体基板と非晶質半導体膜の半導体接合
で生じる界面準位での光生成キャリアの再結合を低減す
る効果が小さくなるので、少なくとも非晶質シリコン層
は数Å以上、好ましくは１ｎｍ以上であることが好まし
い。
施例でも上記実施例と同様に短絡電流が増加している。
特に、非晶質シリコン層の膜厚を５ｎｍ以下の範囲とす
ることにより良好な特性が得られている。なお、真性非
晶質半導体膜の全体を非晶質シリコンカーバイト層から
構成すると、その膜質が非晶質シリコンよりも若干劣る
ため、結晶系半導体基板と非晶質半導体膜の半導体接合
で生じる界面準位での光生成キャリアの再結合を低減す
る効果が小さくなるので、少なくとも非晶質シリコン層
は数Å以上、好ましくは１ｎｍ以上であることが好まし
い。
【００２９】（第２の実施例）図２は、本発明に従う第
２の実施例の光起電力装置を示す模式的断面図である。
図２を参照して、ｎ型単結晶シリコン基板２１の光入射
側には、真性の非晶質シリコン層２２が形成されてお
り、その上に真性の非晶質シリコンカーバイト層２３が
形成されている。真性の非晶質シリコン層２２と真性の
非晶質シリコンカーバイト層２３から、本発明の真性非
晶質半導体膜が構成されている。真性の非晶質シリコン
カーバイト層２３の上には、ｐ型の非晶質シリコン膜２
４が形成され、その上に透明電極２５及び集電極２６が
形成されている。
２の実施例の光起電力装置を示す模式的断面図である。
図２を参照して、ｎ型単結晶シリコン基板２１の光入射
側には、真性の非晶質シリコン層２２が形成されてお
り、その上に真性の非晶質シリコンカーバイト層２３が
形成されている。真性の非晶質シリコン層２２と真性の
非晶質シリコンカーバイト層２３から、本発明の真性非
晶質半導体膜が構成されている。真性の非晶質シリコン
カーバイト層２３の上には、ｐ型の非晶質シリコン膜２
４が形成され、その上に透明電極２５及び集電極２６が
形成されている。
【００３０】ｎ型単結晶シリコン基板２１の裏面側に
は、真性の非晶質シリコン層２７が形成されており、そ
の上に真性の非晶質シリコンカーバイト層２８が形成さ
れている。真性の非晶質シリコン層２７と真性の非晶質
シリコンカーバイト層２８から、本発明の真性非晶質半
導体膜が構成されている。真性の非晶質シリコンカーバ
イト層２８の上には、ｎ型の非晶質シリコン膜２９が形
成されている。ｎ型の非晶質シリコン膜２９の上には、
裏面電極３０及び集電極２６が形成されている。
は、真性の非晶質シリコン層２７が形成されており、そ
の上に真性の非晶質シリコンカーバイト層２８が形成さ
れている。真性の非晶質シリコン層２７と真性の非晶質
シリコンカーバイト層２８から、本発明の真性非晶質半
導体膜が構成されている。真性の非晶質シリコンカーバ
イト層２８の上には、ｎ型の非晶質シリコン膜２９が形
成されている。ｎ型の非晶質シリコン膜２９の上には、
裏面電極３０及び集電極２６が形成されている。
【００３１】真性の非晶質シリコン層２７、真性の非晶
質シリコンカーバイト層２８、及びｎ型の非晶質シリコ
ン膜２９から、ＢＳＦ領域が形成されている。図２に示
す実施例において、光入射側の半導体膜及び電極は、図
１に示す光入射側の半導体膜及び電極と同様にして形成
されている。
質シリコンカーバイト層２８、及びｎ型の非晶質シリコ
ン膜２９から、ＢＳＦ領域が形成されている。図２に示
す実施例において、光入射側の半導体膜及び電極は、図
１に示す光入射側の半導体膜及び電極と同様にして形成
されている。
【００３２】裏面側の真性の非晶質シリコン層２７は、
図１に示す実施例の真性の非晶質シリコン層１７と同様
の方法及び条件で形成されている。ただし膜厚は５ｎｍ
に形成されている。
図１に示す実施例の真性の非晶質シリコン層１７と同様
の方法及び条件で形成されている。ただし膜厚は５ｎｍ
に形成されている。
【００３３】真性の非晶質シリコンカーバイト層２８
は、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ 4 ガス流量４０ｓ
ｃｃｍ、ＣＨ4 ガス流量４０ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、
基板温度１７０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件で形成
されている。膜厚は１０ｎｍであり、光学的バンドギャ
ップは１．７６ｅＶである。
は、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ 4 ガス流量４０ｓ
ｃｃｍ、ＣＨ4 ガス流量４０ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ、
基板温度１７０℃、及びＲＦパワー３０Ｗの条件で形成
されている。膜厚は１０ｎｍであり、光学的バンドギャ
ップは１．７６ｅＶである。
【００３４】ｎ型の非晶質シリコン膜２９は、図１に示
す実施例におけるｎ型の非晶質シリコン膜１８と同様の
方法及び条件で形成されている。また、裏面電極３０
も、図１に示す実施例における裏面電極１９と同様の方
法及び条件により形成されている。表２に、この第２の
実施例の光起電力装置の開放電圧及び短絡電流を示す。
表２には、図３に示す従来例の光起電力装置の開放電圧
及び短絡電流も併せて示す。
す実施例におけるｎ型の非晶質シリコン膜１８と同様の
方法及び条件で形成されている。また、裏面電極３０
も、図１に示す実施例における裏面電極１９と同様の方
法及び条件により形成されている。表２に、この第２の
実施例の光起電力装置の開放電圧及び短絡電流を示す。
表２には、図３に示す従来例の光起電力装置の開放電圧
及び短絡電流も併せて示す。
【００３５】
【表２】
【００３６】表２に示すように、本発明に従う第２の実
施例の光起電力装置は、従来例の光起電力装置に比べ、
開放電圧及び短絡電流が向上しており、変換効率が高め
られている。
施例の光起電力装置は、従来例の光起電力装置に比べ、
開放電圧及び短絡電流が向上しており、変換効率が高め
られている。
【００３７】（第３の実施例）図４は、本発明に従う第
３の実施例の光起電力装置を示す模式的断面図である。
図４を参照して、ｎ型単結晶シリコン基板３１の光入射
側には、真性の非晶質シリコン層３２が形成され、その
上に真性の非晶質シリコン層３３が形成されている。真
性の非晶質シリコン層３３は、真性の非晶質シリコン層
３２に比べ、相対的に水素含有量が高くなるように形成
されている。すなわち、水素含有量が高くなることによ
り、光学的バンドギャップが広くなるように形成されて
いる。真性の非晶質シリコン層３２と真性の非晶質シリ
コン層３３から、本発明の真性非晶質半導体膜が構成さ
れている。
３の実施例の光起電力装置を示す模式的断面図である。
図４を参照して、ｎ型単結晶シリコン基板３１の光入射
側には、真性の非晶質シリコン層３２が形成され、その
上に真性の非晶質シリコン層３３が形成されている。真
性の非晶質シリコン層３３は、真性の非晶質シリコン層
３２に比べ、相対的に水素含有量が高くなるように形成
されている。すなわち、水素含有量が高くなることによ
り、光学的バンドギャップが広くなるように形成されて
いる。真性の非晶質シリコン層３２と真性の非晶質シリ
コン層３３から、本発明の真性非晶質半導体膜が構成さ
れている。
【００３８】真性の非晶質シリコン層３３の上には、ｐ
型の非晶質シリコン層３４が形成されている。ｐ型の非
晶質シリコン層３４の上には、透明電極３５及び集電極
３６が形成されている。
型の非晶質シリコン層３４が形成されている。ｐ型の非
晶質シリコン層３４の上には、透明電極３５及び集電極
３６が形成されている。
【００３９】ｎ型単結晶シリコン基板３１の裏面側に
は、真性の非晶質シリコン層３７が形成されており、こ
の上にｎ型の非晶質シリコン膜３８が形成されている。
ｎ型の非晶質シリコン層３８の上には、裏面電極３９及
び集電極３６が形成されている。
は、真性の非晶質シリコン層３７が形成されており、こ
の上にｎ型の非晶質シリコン膜３８が形成されている。
ｎ型の非晶質シリコン層３８の上には、裏面電極３９及
び集電極３６が形成されている。
【００４０】光入射側の半導体膜及び電極は以下のよう
にして形成されている。真性の非晶質シリコン層３２
は、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量１０ｓ
ｃｃｍ、圧力５３Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパ
ワー１０Ｗの条件で形成している。膜厚は４ｎｍであ
り、光学的バンドギャップは１．５４ｅＶである。
にして形成されている。真性の非晶質シリコン層３２
は、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量１０ｓ
ｃｃｍ、圧力５３Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパ
ワー１０Ｗの条件で形成している。膜厚は４ｎｍであ
り、光学的バンドギャップは１．５４ｅＶである。
【００４１】真性の非晶質シリコン層３３は、プラズマ
ＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量１０ｓｃｃｍ、Ｈ2
ガス流量２００ｓｃｃｍ、圧力５３Ｐａ、基板温度１７
０℃、及びＲＦパワー１０Ｗの条件で形成している。膜
厚は４ｎｍであり、光学的バンドギャップは１．６３ｅ
Ｖである。
ＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量１０ｓｃｃｍ、Ｈ2
ガス流量２００ｓｃｃｍ、圧力５３Ｐａ、基板温度１７
０℃、及びＲＦパワー１０Ｗの条件で形成している。膜
厚は４ｎｍであり、光学的バンドギャップは１．６３ｅ
Ｖである。
【００４２】ｐ型の非晶質シリコン層３４は、プラズマ
ＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量１０ｓｃｃｍ、Ｂ2
Ｈ6 ガス（１％Ｈ2 ベース）流量２０ｓｃｃｍ、圧力５
３Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー１０Ｗの条
件で形成している。膜厚は３ｎｍである。
ＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量１０ｓｃｃｍ、Ｂ2
Ｈ6 ガス（１％Ｈ2 ベース）流量２０ｓｃｃｍ、圧力５
３Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー１０Ｗの条
件で形成している。膜厚は３ｎｍである。
【００４３】透明電極３５は、図１に示す実施例におけ
る透明電極１５と同様の方法及び条件で形成している。
裏面側の半導体膜及び電極は以下のようにして形成され
ている。
る透明電極１５と同様の方法及び条件で形成している。
裏面側の半導体膜及び電極は以下のようにして形成され
ている。
【００４４】真性の非晶質シリコン層３７は、プラズマ
ＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量２０ｓｃｃｍ、圧力
２７Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー２０Ｗの
条件で形成している。膜厚は１５ｎｍであり、光学的バ
ンドギャップは１．５４ｅＶである。
ＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量２０ｓｃｃｍ、圧力
２７Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー２０Ｗの
条件で形成している。膜厚は１５ｎｍであり、光学的バ
ンドギャップは１．５４ｅＶである。
【００４５】ｎ型の非晶質シリコン膜３８は、プラズマ
ＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量２０ｓｃｃｍ、ＰＨ
3 ガス（２％Ｈ2 ベース）流量１０ｓｃｃｍ、圧力２７
Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー２０Ｗの条件
で形成している。膜厚は２２ｎｍである。
ＣＶＤ法により、ＳｉＨ4 ガス流量２０ｓｃｃｍ、ＰＨ
3 ガス（２％Ｈ2 ベース）流量１０ｓｃｃｍ、圧力２７
Ｐａ、基板温度１７０℃、及びＲＦパワー２０Ｗの条件
で形成している。膜厚は２２ｎｍである。
【００４６】裏面電極３９は、図１に示す実施例の裏面
電極１９と同様の方法及び条件により形成している。比
較の従来例の光起電力装置として、図５に示すような光
起電力装置を作製した。図５に示すように、真性の非晶
質シリコン層３３が形成されていないこと以外は、図４
に示す実施例と同様の構造を有している。ただし、真性
の非晶質シリコン層３２の膜厚は８ｎｍである。第３の
実施例の光起電力装置及び図５に示す光起電力装置の開
放電圧及び短絡電流を表３に示す。
電極１９と同様の方法及び条件により形成している。比
較の従来例の光起電力装置として、図５に示すような光
起電力装置を作製した。図５に示すように、真性の非晶
質シリコン層３３が形成されていないこと以外は、図４
に示す実施例と同様の構造を有している。ただし、真性
の非晶質シリコン層３２の膜厚は８ｎｍである。第３の
実施例の光起電力装置及び図５に示す光起電力装置の開
放電圧及び短絡電流を表３に示す。
【００４７】
【表３】
【００４８】表３に示すように、本発明に従う第３の実
施例の光起電力装置は、従来例のものに比べ、開放電圧
が向上しており、変換効率が高められている。次に、真
性非晶質半導体膜全体の膜厚を９ｎｍと一定にし、第１
の非晶質のシリコン層３２と、第２の非晶質シリコン層
３３の膜厚をそれぞれ変化させて光起電力装置を作製
し、その光電変換特性を測定した。その結果を図８〜図
１０に示す。
施例の光起電力装置は、従来例のものに比べ、開放電圧
が向上しており、変換効率が高められている。次に、真
性非晶質半導体膜全体の膜厚を９ｎｍと一定にし、第１
の非晶質のシリコン層３２と、第２の非晶質シリコン層
３３の膜厚をそれぞれ変化させて光起電力装置を作製
し、その光電変換特性を測定した。その結果を図８〜図
１０に示す。
【００４９】図８〜図１０に示すように、第１の非晶質
シリコン層の膜厚が９ｎｍである従来の光起電力装置に
比べ、本発明に従う光起電力装置では高い光電変換効率
が得られている。また、図１０から明らかなように、第
１の非晶質シリコン層の膜厚が１〜７ｎｍの範囲内であ
るときに特に光電変換効率が高くなっており、さらには
３〜６ｎｍの範囲であるときにさらに高い光電変換効率
が得られている。
シリコン層の膜厚が９ｎｍである従来の光起電力装置に
比べ、本発明に従う光起電力装置では高い光電変換効率
が得られている。また、図１０から明らかなように、第
１の非晶質シリコン層の膜厚が１〜７ｎｍの範囲内であ
るときに特に光電変換効率が高くなっており、さらには
３〜６ｎｍの範囲であるときにさらに高い光電変換効率
が得られている。
【００５０】上記第１の実施例及び第２の実施例では、
非晶質シリコンカーバイト層を用いているが、これに代
えて、非晶質シリコンオキサイド層または非晶質シリコ
ンナイトナイド層を用いても、同様の効果が得られるこ
とを確認している。
非晶質シリコンカーバイト層を用いているが、これに代
えて、非晶質シリコンオキサイド層または非晶質シリコ
ンナイトナイド層を用いても、同様の効果が得られるこ
とを確認している。
【００５１】上記第３の実施例においては、水素含有量
を高めることにより、非晶質シリコン層の光学的バンド
ギャップを広くした層を形成しているが、光学的バンド
ギャップを広くする方法として、ＳｉＨ4 ガスなどの原
料ガスを水素ガスで希釈して水素含有量を高める以外
に、ＨｅまたはＡｒガスを希釈ガスとして用いて薄膜形
成してもよい。また、ＳｉＨ4 ガスによる成膜工程と、
Ｈｅ、Ａｒ、またはＸｅガスによるプラズマ処理工程を
繰り返すことにより成膜しても、同様に光学的バンドギ
ャップの大きな層を形成することができる。
を高めることにより、非晶質シリコン層の光学的バンド
ギャップを広くした層を形成しているが、光学的バンド
ギャップを広くする方法として、ＳｉＨ4 ガスなどの原
料ガスを水素ガスで希釈して水素含有量を高める以外
に、ＨｅまたはＡｒガスを希釈ガスとして用いて薄膜形
成してもよい。また、ＳｉＨ4 ガスによる成膜工程と、
Ｈｅ、Ａｒ、またはＸｅガスによるプラズマ処理工程を
繰り返すことにより成膜しても、同様に光学的バンドギ
ャップの大きな層を形成することができる。
【００５２】 また、図３に示す第３の実施例の裏面側
を、図２に示す第２の実施例のように、ｎ型単結晶シリ
コン基板とｎ型非晶質シリコン膜との間に、本発明の真
性非晶質半導体膜を挿入したＢＳＦ領域としてもよい。
を、図２に示す第２の実施例のように、ｎ型単結晶シリ
コン基板とｎ型非晶質シリコン膜との間に、本発明の真
性非晶質半導体膜を挿入したＢＳＦ領域としてもよい。
【００５３】
【発明の効果】本発明によれば、半導体接合部における
光生成キャリアの再結合を低減し、光電変換効率を向上
させることができる。
光生成キャリアの再結合を低減し、光電変換効率を向上
させることができる。
【図１】本発明に従う第１の実施例の光起電力装置を示
す模式的断面図。
す模式的断面図。
【図２】本発明に従う第２の実施例の光起電力装置を示
す模式的断面図。
す模式的断面図。
【図３】比較の従来例の光起電力装置を示す模式的断面
図。
図。
【図４】本発明に従う第３の実施例の光起電力装置を示
す模式的断面図。
す模式的断面図。
【図５】比較の従来例の光起電力装置を示す模式的断面
図。
図。
【図６】本発明に従う第１の実施例において非晶質シリ
コン層の膜厚を変化させたときの短絡電流を示す図。
コン層の膜厚を変化させたときの短絡電流を示す図。
【図７】本発明に従う第１の実施例において非晶質シリ
コン層の膜厚を変化させたときの開放電圧を示す図。
コン層の膜厚を変化させたときの開放電圧を示す図。
【図８】本発明に従う第３の実施例において第１の非晶
質シリコン層の膜厚を変化させたときの開放電圧を示す
図。
質シリコン層の膜厚を変化させたときの開放電圧を示す
図。
【図９】本発明に従う第３の実施例において第１の非晶
質シリコン層の膜厚を変化させたときの短絡電流を示す
図。
質シリコン層の膜厚を変化させたときの短絡電流を示す
図。
【図１０】本発明に従う第３の実施例において第１の非
晶質シリコン層の膜厚を変化させたときの最高出力を示
す図。
晶質シリコン層の膜厚を変化させたときの最高出力を示
す図。
１１，２１，３１…ｎ型単結晶シリコン基板
１２，２２，３２…真性の非晶質シリコン層
１３，２３…真性の非晶質シリコンカーバイト層
３３…真性の非晶質シリコン層
１４，２４，３４…ｐ型非晶質シリコン膜
１５，２５，３５…透明電極
１６，２６，３６…集電極
１７，２７，３７…真性の非晶質シリコン層
２８…真性の非晶質シリコンカーバイト層
１８，２９，３８…ｎ型非晶質シリコン膜
１９，３０，３９…裏面電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
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(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 31/04 - 31/078
Claims (7)
- 【請求項１】 互いに逆導電型の関係を有する結晶系半
導体基板と非晶質半導体膜の接合部に、薄膜の真性非晶
質半導体膜が挿入された光起電力装置であって、前記結晶系半導体基板はシリコン基板であり、 前記真性非晶質半導体膜は、前記結晶系半導体基板との
接合界面が非晶質シリコンから構成され、 且つ 前記真性非晶質半導体膜の光学的バンドギャップ
は、前記非晶質半導体膜と接する側において前記結晶系
半導体基板との接合界面に配された前記非晶質シリコン
よりも広くされていることを特徴とする光起電力装置。 - 【請求項２】 前記真性非晶質半導体膜が複数の層を積
層して構成されていることを特徴とする請求項１記載の
光起電力装置。 - 【請求項３】 前記真性非晶質半導体膜が、前記結晶系
半導体基板側に設けられる非晶質シリコン層と、前記非
晶質半導体膜側に設けられる非晶質シリコンカーバイド
層、非晶質シリコンオキサイド層、または非晶質シリコ
ンナイトライド層とから構成されていることを特徴とす
る請求項２記載の光起電力装置。 - 【請求項４】 前記非晶質シリコン層の膜厚が５ｎｍ以
下であることを特徴とする請求項３に記載の光起電力装
置。 - 【請求項５】 前記真性非晶質半導体膜が、前記結晶系
半導体基板側に設けられる相対的に水素含有量の低い非
晶質シリコン層と、前記非晶質半導体膜側に設けられる
相対的に水素含有量の高い非晶質シリコン層とから構成
されていることを特徴とする請求項２に記載の光起電力
装置。 - 【請求項６】 前記結晶系半導体基板側に設けられる非
晶質シリコン層の膜厚が１〜７ｎｍであることを特徴と
する請求項５に記載の光起電力装置。 - 【請求項７】 前記結晶系半導体基板の裏面側に、前記
結晶系半導体基板と同導電型を有する非晶質半導体膜が
形成され、当該非晶質半導体膜と前記結晶系半導体基板
との間に薄膜の真性非晶質半導体膜が挿入された光起電
力装置であって、 前記裏面側に挿入された真性非晶質半導体膜は、前記結
晶系半導体基板との接合界面が非晶質シリコンから構成
され、 且つ前記裏面側に挿入された真性非晶質半導体膜の光学
的バンドギャップは、前記同導電型を有する非晶質半導
体膜と接する側において前記結晶系半導体基板との接合
界面に配された前記非晶質シリコンよりも広くされてい
ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の
光起電力装置。
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