JP4070483B2 - 光起電力装置並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置、特に光起電力装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光起電力装置は、光を吸収し電流に主に変換する部分の半導体の種類により、単結晶系、多結晶系、非晶質系に分類される。ところで、非晶質系半導体薄膜と結晶系半導体の特長を生かし、両者を積層構造 としたハイブリッド型光起電力装置が研究されている。例えば、特開平４−１３０６７１号公報に、この種の光起電力装置が示されている。この光起電力装置は、互いに逆の導電型を有する結晶系シリコン半導体と非晶質シリコン系半導体とを組み合わせて半導体接合を形成する際に、接合界面に実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜を介在させることにより、これらの界面特性を向上させ、光電変換特性の向上を図るものである。
【０００３】
図５は、単結晶シリコン基板の表面を凹凸化し、その結晶系半導体と非晶質半導体との接合界面に荷電子制御を行わない実質的に真性（ｉ型）の非晶質半導体層を介在させた構造の光起電力装置を示す斜視図である。図に示すように、ｎ型の単結晶シリコン（Ｓｉ）基板１０１の表面はアルカリエッチング等の方法により表面が凹凸化されている。凹凸化された単結晶シリコン基板１０１の受光面側には、ｉ型の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）半導体層１０２、ｐ型の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）半導体層１０３、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ））などの透光性導電膜からなる透明電極１０４がその順で積層形成されている。更に、透明電極１０４上には、例えば、銀（Ａｇ）からなる櫛形状の集電極１０５が形成されている。
【０００４】
また、単結晶シリコン基板１０１の裏面側には、ｉ型の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）半導体層１０６、ｎ型の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）半導体層１０７、例えば、ＩＴＯなどの透光性導電膜からなる透明電極１０８がその順で積層形成し、ＢＳＦ効果を得る構造が形成される。更に、透明電極１０８上には、例えば、Ａｇからなる櫛形状の集電極１０９が形成されている。
【０００５】
上記の構造により、凹凸化された表面で光反射を抑制し、効率良く光を装置内に取り込んでいる。
【０００６】
上記したように、互いに逆の導電型を有する単結晶シリコン基板と非晶質シリコン薄膜とを形成してｐｎ接合を形成する際に、上記単結晶シリコン基板と非晶質シリコン薄膜との間に荷電子制御を行わないか、ボロンを微量にドーピングして実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜を介在させて、これらの界面特性を向上させている。この構造のｐｎ接合は、２００℃以下の低温で形成できるので、基板の純度が低く、高温プロセスでは不純物や酸素誘起欠陥の影響が懸念されるような場合においても良好な接合特性が得られている。
【発明が解決しようとする課題】
上記したｐｎ接合は、２００℃以下の低温で形成できるため、良好な接合特性が得られる。しかしながら、低温プロセスであるがために、基板表面に付着した水分や有機物の完全な除去は困難であり、基板表面には、酸素、窒素、炭素といった不純物が存在していた。この不純物による界面特性の低下が懸念されている。
【０００７】
この発明は、上記した従来の問題点に鑑みなされたものにして、結晶系半導体と非結晶系半導体薄膜との界面特性を向上させ、接合特性を改善させることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の光起電力装置は、一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させた光起電力装置において、前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させたことを特徴とする。
【０００９】
ここで、非晶質系半導体薄膜とは、完全な非晶質半導体のみならず、微小な結晶粒を有する非晶質半導体薄膜も含む。
【００１１】
また、一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板がｎ型であり、他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜がｐ型であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコン半導体基板よりも高く２×１０22ｃｍ-3以下であり、且つ界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上１×１０16ｃｍ-2以下にするとよい。
【００１３】
上記した構成によると、４配位のシリコン原子の共有結合が形成するネットワーク中に２配位の酸素が混入することによってネットワークの構造柔軟性が増し、界面の欠陥密度が低減されてキャリア再結合が抑制されると考えられる。この結果、開放電圧（Ｖｏｃ）とフィルファクタ（Ｆ．Ｆ．）を向上させることができる。
【００１４】
又、この発明は、一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させるとともに、前記結晶系シリコン半導体基板の裏面側に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体基板と同じ導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜を設けた光起電力装置において、前記結晶系シリコン半導体基板と裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させたを特徴とする。
【００１５】
また、一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板がｎ型であり、他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜がｐ型であることを特徴とする。
【００１６】
前記裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコン半導体基板よりも高く２×１０22ｃｍ-3以下であり、且つ界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上５×１０16ｃｍ-2以下にするとよい。
【００１７】
更に、前記結晶系シリコン半導体基板と表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させるように構成するとよい。
【００１８】
上記の構成によると、４配位のシリコン原子の共有結合が形成するネットワーク中に２配位の酸素が混入することによってネットワークの構造柔軟性が増し、界面の欠陥密度が低減されてキャリア再結合が抑制されると考えられる。
【００１９】
また、この発明は一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させるとともに、前記結晶系シリコン半導体基板の裏面側に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体基板と同じ導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜を設けた光起電力装置の製造方法において、前記結晶系シリコン半導体基板の面に水素ガスと炭酸ガスとの混合ガスを用いてプラズマ放電させて結晶系シリコン半導体基板の面にプラズマ処理を施した後、当該プラズマ処理が施された前記面上に直接荷電子制御を行わない実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を形成することにより、前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させることを特徴とする。
【００２０】
上記の構成によれば、前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態につき図面を参照して説明する。図１は、この発明の実施形態にかかる光起電力装置を製造工程別に示した断面図である。
【００２２】
結晶系半導体基板としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板などがあるが、この実施形態としては、厚さ３００μｍ、抵抗率５Ωｃｍ以下の単結晶シリコン基板１１を用いた。この単結晶シリコン基板１１の表裏面は、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液などのアルカリ溶液を用いて異方性エッチングが施され、凹凸化されている。
【００２３】
この単結晶シリコン基板１１を洗浄し、真空チャンバ内に入れ、２００℃以下に加熱する。この実施形態では、基板温度１７０℃に加熱する。次に、水素ガス（Ｈ2）を導入し、プラズマ放電により基板表面のクリーニングを行う。このプロセスは基板表面の炭素量を低減させるのに効果があることが分かっている。この実施形態では、この水素プラズマ処理時に炭酸ガス（ＣＯ2）を導入し、分解及び表面に吸着させ、界面への酸素導入を行った（図１（ａ）参照）。このときの形成条件を表１に示す。この際、微量の炭素も同時に混入することになるが、炭素はシリコン中では中性であるために接合特性にはほとんど影響を及ぼさない。
【００２４】
その後、非晶質系半導体薄膜として、シランガス（ＳｉＨ4）及び水素ガス（Ｈ2）を導入し、基板温度１７０℃に保ち、プラズマＣＶＤ法により、ノンドープのｉ型の非晶質シリコン層１２を、続いて、ＳｉＨ4ガス、ジボランガス（Ｂ2Ｈ6）及び水素ガスを導入し、プラズマＣＶＤ法によりｐ型非晶質シリコン層１３を順次形成し、ｐｎ接合を形成する（図１（ｂ）参照）。このときの形成条件を表１に示す。
【００２５】
次に、上記ｎ型単結晶シリコン基板１１の裏面側に同様にして、非晶質シリコン薄膜を形成する。まず、ｎ型単結晶シリコン基板１１を真空チャンバ内に入れ、２００℃以下に加熱する。この実施形態では、基板温度１７０℃に加熱する。次に、水素ガス（Ｈ2）でプラズマ放電を行う。この水素プラズマ処理時において、必要に応じ炭酸ガス（ＣＯ2）を導入する。炭酸ガス（ＣＯ2）を導入した場合には、界面への酸素導入が行われる。その後、シランガス（ＳｉＨ4）及び水素ガス（Ｈ2）を導入し、基板温度を１７０℃に保ち、プラズマＣＶＤ法により、ノンドープのｉ型の非晶質シリコン層１４を、続いて、ＳｉＨ4ガス、フォスフィンガス（ＰＨ3）及びＨ2ガスを導入し、プラズマＣＶＤ法によりｎ型非晶質シリコン層１５を順次形成し、ｎ型単結晶シリコン基板１１の裏面側にＢＳＦ構造を形成する（図１（ｃ）参照）。このときの形成条件を表１に示す。
【００２６】
更に、表面側電極としてＩＴＯ膜１６をスパッタ法により形成し、集電極として銀電極１８をスクリーン印刷法により形成する。また、裏面側電極としてＩＴＯ膜１７をスパッタ法により形成し、集電極として銀電極１９をスクリーン印刷法により形成して光起電力装置が完成する（図１（ｄ）参照）。
【００２７】
上記した光起電力装置の具体的な形成条件を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】
次に、単結晶シリコン基板１１の表面側の水素ガスによるプラズマ処理において、炭酸（ＣＯ2）ガスを導入するガス流量を０〜１００ｓｃｃｍの範囲で変化させて、界面酸素原子面密度を変えた時の出力特性を測定した結果を表２に示す。界面酸素原子面濃度は、図２に示すように、ＳＩＭＳ分析により、非晶質シリコン層１２側から深さ方向に測定し、深さ方向に積分して酸素（Ｏ）の体積濃度を求める。そして、図２中ハッチングを施した領域、すなわち、界面の前後のそれぞれ基板もしくは非晶質シリコン層の酸素濃度のバックグランドレベルに達する箇所から深さ方向（２０〜３０Å）の体積濃度を求めて、界面の原子の面密度を算出して、界面酸素原子面密度としている。図２に示すように、非晶質シリコン層の膜中の酸素の体積濃度の方が単結晶シリコン基板中の酸素の体積濃度より高い。また、非晶質シリコン層の酸素体積濃度は２×１０22ｃｍ-3以下である。
【００３０】
【表２】
【００３１】
表２から明らかなように、単結晶シリコン基板１１の表面側のプラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入しない比較例に比して、ＣＯ2ガスを導入したこの発明の実施形態によれば、開放電圧（Ｖｏｃ）とフィルファクタ（Ｆ．Ｆ．）が向上することが分かる。
【００３２】
図３にＣＯ2ガスを導入して基板表面側に水素プラズマ処理を行った場合の光起電力装置の出力（セル出力）（Ｐｍａｘ）と、表面側の界面酸素原子面密度との関係を測定した結果を示す。
【００３３】
図３から界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上１×１０16ｃｍ-2以下であれば、セル出力が１．９００Ｗを越えて良好な結果が得られていることが分かる。よって、界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上１×１０16ｃｍ-2以下になるように、単結晶シリコン基板１１の表面側の水素プラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入する流量を制御するとよい。
【００３４】
上記したように、界面に酸素原子を存在させることにより特性が向上するのは、４配位のシリコン原子の共有結合が形成するネットワーク中に２配位の酸素が混入することによってネットワークの構造柔軟性が増し、界面の欠陥密度が低減されてキャリア再結合が抑制されて、開放電圧（Ｖｏｃ）とフィルファクタ（Ｆ．Ｆ．）が向上するからだと考えられる。また、ｐ型非晶質シリコン層１３側の界面においては、非晶質シリコン膜を形成する際に成膜室壁や基板搬送トレー及び基板マスク等から混入した不純ボロン（Ｂ）を補償し、良好なｐｉｎ接合が得られる効果も伴っていると考えられる。例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．６８，１９９６ Ｐ１２０１に述べられているように、ある程度の濃度のボロンを含む非晶質シリコン膜に対して１０００倍程度の酸素を導入することで、不純物ボロンを補償することができる。
【００３５】
次に、単結晶シリコン基板１１の裏面側の水素ガスによるプラズマ処理において、炭酸（ＣＯ2）ガスを導入するガス流量を０〜１００ｓｃｃｍの範囲で変化させて、界面酸素原子面密度を変えた時の出力特性を測定した結果を表３に示す。なお、この実施形態においては、単結晶シリコン基板１１の表面側の水素ガスによるプラズマ処理においては、炭酸（ＣＯ2）ガスは導入していない。界面酸素原子面濃度は、上記した表面側の測定方法と同じ方法で算出した。
【００３６】
【表３】
【００３７】
表３から明らかなように、単結晶シリコン基板１１の裏面側のプラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入しない比較例に比して、ＣＯ2ガスを導入したこの発明の実施形態によれば、開放電圧（Ｖｏｃ）とフィルファクタ（Ｆ．Ｆ．）が向上することが分かる。この効果は表面のｐ層側の場合と同様に酸素原子による構造緩和によるものと考えられる。
【００３８】
図４にＣＯ2ガスを導入して基板裏面側に水素プラズマ処理を行った場合の光起電力装置の出力（セル出力）（Ｐｍａｘ）と、裏面側の界面酸素原子面密度との関係を測定した結果を示す。
【００３９】
図４から界面酸素原子密度が５×１０13ｃｍ-2以上５×１０16ｃｍ-2以下であれば、セル出力が１．９００Ｗを越えて良好な結果が得られていることが分かる。よって、界面酸素原子密度が５×１０13ｃｍ-2以上５×１０16ｃｍ-2以下になるように、単結晶シリコン基板１１の表面側の水素プラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入する流量を制御するとよい。
【００４０】
次に、基板の表裏面、すなわち、ｐ側およびｎ側界面の酸素原子面密度と出力特性の関係を表４に示す。
【００４１】
【表４】
【００４２】
表４からｐ／ｎ両側への水素プラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入することによって、片側の場合以上に開放電圧の向上が見られた。
【００４３】
上記したように、結晶系シリコン半導体と非晶質系シリコン半導体からなるｐｎ接合において、基板である結晶系シリコンと非晶質シリコン系半導体薄膜の界面付近に酸素を適当量存在させることにより、界面でのキャリアの再結合を抑制でき、接合特性の改善ができた。この接合を用いた光起電力装置においては、解放電圧の向上が図れ、本発明の有効性を確認することができた。
【００４４】
尚、上記した実施形態においては、非晶質シリコン層の形成を表面側から形成しているが、裏面側から作成してもよい。また、上記した実施形態においては、ｎ型単結晶基板１１の裏面側をＢＳＦ構造にしているが、ＢＳＦ構造を用いないものにおいても同様の効果が得られる。
【００４５】
又、単結晶基板としてｐ型単結晶基板を用い、表面側にノンドープの非晶質シリコン層、ｎ型非晶質シリコン層及びＩＴＯ層、銀集電極を、裏面側にノンドープの非晶質シリコン層、ｐ型の非晶質シリコン層及び裏面電極層を作成する場合も同様に形成することができ、同様の効果が得られる。
【００４６】
尚、上記した実施形態においては、ここで、非晶質系半導体薄膜として、非晶質シリコン薄膜を用いたが、微小な結晶粒を有するいわゆる微結晶シリコン薄膜も同様に用いることができる。また、上記した実施形態においては、半導体としてシリコンを用いた場合について説明したが、ゲルマニウムを用いた場合も同様の効果が期待できる
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、前記結晶系半導体と実質的に真性な非晶質系半導体薄膜とが積層形成する界面に酸素原子を存在させることにより、界面特性が改善され、太陽電池特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態にかかる光起電力装置を製造工程別に示した断面図である。
【図２】ＳＩＭＳ分析により測定した酸素体積濃度を示す特性図である。
【図３】光起電力装置の出力（Ｐｍａｘ）と、表面側の界面酸素原子面密度との関係を示す特性図である。
【図４】光起電力装置の出力（Ｐｍａｘ）と、裏面側の界面酸素原子面密度との関係を示す特性図である。
【図５】単結晶シリコン基板の表面を凹凸化し、その結晶系半導体と非晶質半導体との接合界面にｉ型の非晶質半導体層を介在させた構造の光起電力装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１ 単結晶シリコン基板
１２ ｉ型非晶質シリコン層
１３ ｐ型非晶質シリコン層
１４ ｉ型非晶質シリコン層
１５ ｎ型非晶質シリコン層
１６、１７ ＩＴＯ膜
１８、１９ 集電極
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置、特に光起電力装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光起電力装置は、光を吸収し電流に主に変換する部分の半導体の種類により、単結晶系、多結晶系、非晶質系に分類される。ところで、非晶質系半導体薄膜と結晶系半導体の特長を生かし、両者を積層構造 としたハイブリッド型光起電力装置が研究されている。例えば、特開平４−１３０６７１号公報に、この種の光起電力装置が示されている。この光起電力装置は、互いに逆の導電型を有する結晶系シリコン半導体と非晶質シリコン系半導体とを組み合わせて半導体接合を形成する際に、接合界面に実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜を介在させることにより、これらの界面特性を向上させ、光電変換特性の向上を図るものである。
【０００３】
図５は、単結晶シリコン基板の表面を凹凸化し、その結晶系半導体と非晶質半導体との接合界面に荷電子制御を行わない実質的に真性（ｉ型）の非晶質半導体層を介在させた構造の光起電力装置を示す斜視図である。図に示すように、ｎ型の単結晶シリコン（Ｓｉ）基板１０１の表面はアルカリエッチング等の方法により表面が凹凸化されている。凹凸化された単結晶シリコン基板１０１の受光面側には、ｉ型の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）半導体層１０２、ｐ型の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）半導体層１０３、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ））などの透光性導電膜からなる透明電極１０４がその順で積層形成されている。更に、透明電極１０４上には、例えば、銀（Ａｇ）からなる櫛形状の集電極１０５が形成されている。
【０００４】
また、単結晶シリコン基板１０１の裏面側には、ｉ型の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）半導体層１０６、ｎ型の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）半導体層１０７、例えば、ＩＴＯなどの透光性導電膜からなる透明電極１０８がその順で積層形成し、ＢＳＦ効果を得る構造が形成される。更に、透明電極１０８上には、例えば、Ａｇからなる櫛形状の集電極１０９が形成されている。
【０００５】
上記の構造により、凹凸化された表面で光反射を抑制し、効率良く光を装置内に取り込んでいる。
【０００６】
上記したように、互いに逆の導電型を有する単結晶シリコン基板と非晶質シリコン薄膜とを形成してｐｎ接合を形成する際に、上記単結晶シリコン基板と非晶質シリコン薄膜との間に荷電子制御を行わないか、ボロンを微量にドーピングして実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜を介在させて、これらの界面特性を向上させている。この構造のｐｎ接合は、２００℃以下の低温で形成できるので、基板の純度が低く、高温プロセスでは不純物や酸素誘起欠陥の影響が懸念されるような場合においても良好な接合特性が得られている。
【発明が解決しようとする課題】
上記したｐｎ接合は、２００℃以下の低温で形成できるため、良好な接合特性が得られる。しかしながら、低温プロセスであるがために、基板表面に付着した水分や有機物の完全な除去は困難であり、基板表面には、酸素、窒素、炭素といった不純物が存在していた。この不純物による界面特性の低下が懸念されている。
【０００７】
この発明は、上記した従来の問題点に鑑みなされたものにして、結晶系半導体と非結晶系半導体薄膜との界面特性を向上させ、接合特性を改善させることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の光起電力装置は、一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させた光起電力装置において、前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させたことを特徴とする。
【０００９】
ここで、非晶質系半導体薄膜とは、完全な非晶質半導体のみならず、微小な結晶粒を有する非晶質半導体薄膜も含む。
【００１１】
また、一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板がｎ型であり、他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜がｐ型であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコン半導体基板よりも高く２×１０22ｃｍ-3以下であり、且つ界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上１×１０16ｃｍ-2以下にするとよい。
【００１３】
上記した構成によると、４配位のシリコン原子の共有結合が形成するネットワーク中に２配位の酸素が混入することによってネットワークの構造柔軟性が増し、界面の欠陥密度が低減されてキャリア再結合が抑制されると考えられる。この結果、開放電圧（Ｖｏｃ）とフィルファクタ（Ｆ．Ｆ．）を向上させることができる。
【００１４】
又、この発明は、一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させるとともに、前記結晶系シリコン半導体基板の裏面側に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体基板と同じ導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜を設けた光起電力装置において、前記結晶系シリコン半導体基板と裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させたを特徴とする。
【００１５】
また、一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板がｎ型であり、他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜がｐ型であることを特徴とする。
【００１６】
前記裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコン半導体基板よりも高く２×１０22ｃｍ-3以下であり、且つ界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上５×１０16ｃｍ-2以下にするとよい。
【００１７】
更に、前記結晶系シリコン半導体基板と表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させるように構成するとよい。
【００１８】
上記の構成によると、４配位のシリコン原子の共有結合が形成するネットワーク中に２配位の酸素が混入することによってネットワークの構造柔軟性が増し、界面の欠陥密度が低減されてキャリア再結合が抑制されると考えられる。
【００１９】
また、この発明は一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させるとともに、前記結晶系シリコン半導体基板の裏面側に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体基板と同じ導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜を設けた光起電力装置の製造方法において、前記結晶系シリコン半導体基板の面に水素ガスと炭酸ガスとの混合ガスを用いてプラズマ放電させて結晶系シリコン半導体基板の面にプラズマ処理を施した後、当該プラズマ処理が施された前記面上に直接荷電子制御を行わない実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を形成することにより、前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させることを特徴とする。
【００２０】
上記の構成によれば、前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態につき図面を参照して説明する。図１は、この発明の実施形態にかかる光起電力装置を製造工程別に示した断面図である。
【００２２】
結晶系半導体基板としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板などがあるが、この実施形態としては、厚さ３００μｍ、抵抗率５Ωｃｍ以下の単結晶シリコン基板１１を用いた。この単結晶シリコン基板１１の表裏面は、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液などのアルカリ溶液を用いて異方性エッチングが施され、凹凸化されている。
【００２３】
この単結晶シリコン基板１１を洗浄し、真空チャンバ内に入れ、２００℃以下に加熱する。この実施形態では、基板温度１７０℃に加熱する。次に、水素ガス（Ｈ2）を導入し、プラズマ放電により基板表面のクリーニングを行う。このプロセスは基板表面の炭素量を低減させるのに効果があることが分かっている。この実施形態では、この水素プラズマ処理時に炭酸ガス（ＣＯ2）を導入し、分解及び表面に吸着させ、界面への酸素導入を行った（図１（ａ）参照）。このときの形成条件を表１に示す。この際、微量の炭素も同時に混入することになるが、炭素はシリコン中では中性であるために接合特性にはほとんど影響を及ぼさない。
【００２４】
その後、非晶質系半導体薄膜として、シランガス（ＳｉＨ4）及び水素ガス（Ｈ2）を導入し、基板温度１７０℃に保ち、プラズマＣＶＤ法により、ノンドープのｉ型の非晶質シリコン層１２を、続いて、ＳｉＨ4ガス、ジボランガス（Ｂ2Ｈ6）及び水素ガスを導入し、プラズマＣＶＤ法によりｐ型非晶質シリコン層１３を順次形成し、ｐｎ接合を形成する（図１（ｂ）参照）。このときの形成条件を表１に示す。
【００２５】
次に、上記ｎ型単結晶シリコン基板１１の裏面側に同様にして、非晶質シリコン薄膜を形成する。まず、ｎ型単結晶シリコン基板１１を真空チャンバ内に入れ、２００℃以下に加熱する。この実施形態では、基板温度１７０℃に加熱する。次に、水素ガス（Ｈ2）でプラズマ放電を行う。この水素プラズマ処理時において、必要に応じ炭酸ガス（ＣＯ2）を導入する。炭酸ガス（ＣＯ2）を導入した場合には、界面への酸素導入が行われる。その後、シランガス（ＳｉＨ4）及び水素ガス（Ｈ2）を導入し、基板温度を１７０℃に保ち、プラズマＣＶＤ法により、ノンドープのｉ型の非晶質シリコン層１４を、続いて、ＳｉＨ4ガス、フォスフィンガス（ＰＨ3）及びＨ2ガスを導入し、プラズマＣＶＤ法によりｎ型非晶質シリコン層１５を順次形成し、ｎ型単結晶シリコン基板１１の裏面側にＢＳＦ構造を形成する（図１（ｃ）参照）。このときの形成条件を表１に示す。
【００２６】
更に、表面側電極としてＩＴＯ膜１６をスパッタ法により形成し、集電極として銀電極１８をスクリーン印刷法により形成する。また、裏面側電極としてＩＴＯ膜１７をスパッタ法により形成し、集電極として銀電極１９をスクリーン印刷法により形成して光起電力装置が完成する（図１（ｄ）参照）。
【００２７】
上記した光起電力装置の具体的な形成条件を表１に示す。
【００２８】
【表１】
次に、単結晶シリコン基板１１の表面側の水素ガスによるプラズマ処理において、炭酸（ＣＯ2）ガスを導入するガス流量を０〜１００ｓｃｃｍの範囲で変化させて、界面酸素原子面密度を変えた時の出力特性を測定した結果を表２に示す。界面酸素原子面濃度は、図２に示すように、ＳＩＭＳ分析により、非晶質シリコン層１２側から深さ方向に測定し、深さ方向に積分して酸素（Ｏ）の体積濃度を求める。そして、図２中ハッチングを施した領域、すなわち、界面の前後のそれぞれ基板もしくは非晶質シリコン層の酸素濃度のバックグランドレベルに達する箇所から深さ方向（２０〜３０Å）の体積濃度を求めて、界面の原子の面密度を算出して、界面酸素原子面密度としている。図２に示すように、非晶質シリコン層の膜中の酸素の体積濃度の方が単結晶シリコン基板中の酸素の体積濃度より高い。また、非晶質シリコン層の酸素体積濃度は２×１０22ｃｍ-3以下である。
【００３０】
【表２】
表２から明らかなように、単結晶シリコン基板１１の表面側のプラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入しない比較例に比して、ＣＯ2ガスを導入したこの発明の実施形態によれば、開放電圧（Ｖｏｃ）とフィルファクタ（Ｆ．Ｆ．）が向上することが分かる。
【００３２】
図３にＣＯ2ガスを導入して基板表面側に水素プラズマ処理を行った場合の光起電力装置の出力（セル出力）（Ｐｍａｘ）と、表面側の界面酸素原子面密度との関係を測定した結果を示す。
【００３３】
図３から界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上１×１０16ｃｍ-2以下であれば、セル出力が１．９００Ｗを越えて良好な結果が得られていることが分かる。よって、界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上１×１０16ｃｍ-2以下になるように、単結晶シリコン基板１１の表面側の水素プラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入する流量を制御するとよい。
【００３４】
上記したように、界面に酸素原子を存在させることにより特性が向上するのは、４配位のシリコン原子の共有結合が形成するネットワーク中に２配位の酸素が混入することによってネットワークの構造柔軟性が増し、界面の欠陥密度が低減されてキャリア再結合が抑制されて、開放電圧（Ｖｏｃ）とフィルファクタ（Ｆ．Ｆ．）が向上するからだと考えられる。また、ｐ型非晶質シリコン層１３側の界面においては、非晶質シリコン膜を形成する際に成膜室壁や基板搬送トレー及び基板マスク等から混入した不純ボロン（Ｂ）を補償し、良好なｐｉｎ接合が得られる効果も伴っていると考えられる。例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．６８，１９９６ Ｐ１２０１に述べられているように、ある程度の濃度のボロンを含む非晶質シリコン膜に対して１０００倍程度の酸素を導入することで、不純物ボロンを補償することができる。
【００３５】
次に、単結晶シリコン基板１１の裏面側の水素ガスによるプラズマ処理において、炭酸（ＣＯ2）ガスを導入するガス流量を０〜１００ｓｃｃｍの範囲で変化させて、界面酸素原子面密度を変えた時の出力特性を測定した結果を表３に示す。なお、この実施形態においては、単結晶シリコン基板１１の表面側の水素ガスによるプラズマ処理においては、炭酸（ＣＯ2）ガスは導入していない。界面酸素原子面濃度は、上記した表面側の測定方法と同じ方法で算出した。
【００３６】
【表３】
表３から明らかなように、単結晶シリコン基板１１の裏面側のプラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入しない比較例に比して、ＣＯ2ガスを導入したこの発明の実施形態によれば、開放電圧（Ｖｏｃ）とフィルファクタ（Ｆ．Ｆ．）が向上することが分かる。この効果は表面のｐ層側の場合と同様に酸素原子による構造緩和によるものと考えられる。
【００３８】
図４にＣＯ2ガスを導入して基板裏面側に水素プラズマ処理を行った場合の光起電力装置の出力（セル出力）（Ｐｍａｘ）と、裏面側の界面酸素原子面密度との関係を測定した結果を示す。
【００３９】
図４から界面酸素原子密度が５×１０13ｃｍ-2以上５×１０16ｃｍ-2以下であれば、セル出力が１．９００Ｗを越えて良好な結果が得られていることが分かる。よって、界面酸素原子密度が５×１０13ｃｍ-2以上５×１０16ｃｍ-2以下になるように、単結晶シリコン基板１１の表面側の水素プラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入する流量を制御するとよい。
【００４０】
次に、基板の表裏面、すなわち、ｐ側およびｎ側界面の酸素原子面密度と出力特性の関係を表４に示す。
【００４１】
【表４】
表４からｐ／ｎ両側への水素プラズマ処理において、ＣＯ2ガスを導入することによって、片側の場合以上に開放電圧の向上が見られた。
【００４３】
上記したように、結晶系シリコン半導体と非晶質系シリコン半導体からなるｐｎ接合において、基板である結晶系シリコンと非晶質シリコン系半導体薄膜の界面付近に酸素を適当量存在させることにより、界面でのキャリアの再結合を抑制でき、接合特性の改善ができた。この接合を用いた光起電力装置においては、解放電圧の向上が図れ、本発明の有効性を確認することができた。
【００４４】
尚、上記した実施形態においては、非晶質シリコン層の形成を表面側から形成しているが、裏面側から作成してもよい。また、上記した実施形態においては、ｎ型単結晶基板１１の裏面側をＢＳＦ構造にしているが、ＢＳＦ構造を用いないものにおいても同様の効果が得られる。
【００４５】
又、単結晶基板としてｐ型単結晶基板を用い、表面側にノンドープの非晶質シリコン層、ｎ型非晶質シリコン層及びＩＴＯ層、銀集電極を、裏面側にノンドープの非晶質シリコン層、ｐ型の非晶質シリコン層及び裏面電極層を作成する場合も同様に形成することができ、同様の効果が得られる。
【００４６】
尚、上記した実施形態においては、ここで、非晶質系半導体薄膜として、非晶質シリコン薄膜を用いたが、微小な結晶粒を有するいわゆる微結晶シリコン薄膜も同様に用いることができる。また、上記した実施形態においては、半導体としてシリコンを用いた場合について説明したが、ゲルマニウムを用いた場合も同様の効果が期待できる
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、前記結晶系半導体と実質的に真性な非晶質系半導体薄膜とが積層形成する界面に酸素原子を存在させることにより、界面特性が改善され、太陽電池特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態にかかる光起電力装置を製造工程別に示した断面図である。
【図２】ＳＩＭＳ分析により測定した酸素体積濃度を示す特性図である。
【図３】光起電力装置の出力（Ｐｍａｘ）と、表面側の界面酸素原子面密度との関係を示す特性図である。
【図４】光起電力装置の出力（Ｐｍａｘ）と、裏面側の界面酸素原子面密度との関係を示す特性図である。
【図５】単結晶シリコン基板の表面を凹凸化し、その結晶系半導体と非晶質半導体との接合界面にｉ型の非晶質半導体層を介在させた構造の光起電力装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１ 単結晶シリコン基板
１２ ｉ型非晶質シリコン層
１３ ｐ型非晶質シリコン層
１４ ｉ型非晶質シリコン層
１５ ｎ型非晶質シリコン層
１６、１７ ＩＴＯ膜
１８、１９ 集電極
Claims (8)
- 一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させた光起電力装置において、前記結晶系シリコン半導体基板と実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させたことを特徴とする光起電力装置。
- 一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板がｎ型であり、他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜がｐ型であることを特徴とする請求項１に記載の光起電力装置。
- 前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコン半導体基板よりも高く２×１０22ｃｍ-3以下であり、且つ界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上１×１０16ｃｍ-2以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光起電力装置。
- 一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させるとともに、前記結晶系シリコン半導体基板の裏面側に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体基板と同じ導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜を設けた光起電力装置において、前記結晶系シリコン半導体基板と裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と前記裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは前記裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させたことを特徴とする光起電力装置。
- 一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板がｎ型であり、他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜がｐ型であることを特徴とする請求項４に記載の光起電力装置。
- 前記裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコン半導体基板よりも高く２×１０22ｃｍ-3以下であり、且つ界面酸素原子面密度が５×１０13ｃｍ-2以上５×１０16ｃｍ-2以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載の光起電力装置。
- 前記結晶系シリコン半導体基板と表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面に、表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中よりも高濃度の酸素原子を存在させたことを特徴とする４ないし６のいずれかに記載の光起電力装置。
- 一導電型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体基板と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させるとともに、前記結晶系シリコン半導体基板の裏面側に実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体基板と同じ導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜を設けた光起電力装置の製造方法において、前記結晶系シリコン半導体基板の面に水素ガスと炭酸ガスとの混合ガスを用いてプラズマ放電させて結晶系シリコン半導体基板の面にプラズマ処理を施した後、当該プラズマ処理が施された前記面上に直接荷電子制御を行わない実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を形成することにより、前記結晶系シリコン半導体基板と前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが直接接して形成される界面近傍における前記結晶系シリコン半導体基板と前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中に、前記結晶系シリコン半導体基板もしくは前記実質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜中のバックグランドレベルの酸素濃度よりも高濃度の酸素原子を存在させることを特徴とする光起電力装置の製造方法。
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