JP4187328B2 - 光起電力素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光起電力素子の製造方法に関し、特に、光入射側のドープ層と光電活性層との間に設けるバッファ層の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
非晶質半導体を用いた光起電力素子として、非晶質シリコン(a−Si)または水素化非晶質シリコン(a−Si:H)からなるp層,i層,n層を積層させてなるpin構造を有する積層型光起電力素子が良く知られている。
【0003】
このような光起電力素子にあっては、ドーパントに誘起された欠陥がドープ層(p層またはn層)に多く存在するので、プラズマCVD(Chemical Vapour Deposition)法によって光電活性層(i層)を形成する際に光入射側に位置するドープ層と光電活性層との界面に再結合の原因となる界面準位が形成されやすく、また、ドープ層中のドーパントが光電活性層中に拡散して光電活性層の電気的特性が低下する。従って、光起電力素子の特性向上を図るためには、光入射側のドープ層と光電活性層との界面での界面準位を低減したり、ドーパントの光電活性層への拡散を抑制する必要がある。
【0004】
そこで、この光入射側のドープ層と光電活性層との間に、非晶質半導体膜からなるバッファ層を備える構成が考案されている。このバッファ層において吸収された光を電流として完全に取り出すことは不可能であるので、そのバッファ層の材料としては光学的バンドギャップが広い材料が好ましい。よって、従来、a−Siまたはa−Si:Hにワイドギャップ化添加元素(炭素C,酸素O,窒素N等)を添加したa−Si膜(a−SiC膜,a−SiO膜,a−SiN膜等)またはa−Si:H膜(a−SiC:H膜,a−SiO:H膜,a−SiN:H膜等)を、バッファ層として用いている。なお、光学的バンドギャップ(Eopt3)は、応用物理学会誌(Y.Hishikawa et al, Jpn.J.Appl.Phy.30(1991)1008)に記載の(αhν)1/3vs.hνプロットから外挿した値である。
【0005】
図6は、このような従来の光電変換素子の構成図である。図6において、1はガラス等の透光性基板であり、透光性基板1には、SnO2 等の透明導電膜2、p型a−SiC:H膜からなるp層3、例えばa−SiC:H膜からなるバッファ層14、i型a−Si膜からなるi層5、n型a−Si膜からなるn層6、Al,Ag等の裏面電極膜7がこの順に積層形成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来のバッファ層において十分な光学的バンドギャップを得ようとする場合には添加元素C,O,N等の濃度が高くなり、これらの元素の添加に起因する膜中の欠陥密度が大きくなって膜質が劣化し、高い光電変換特性を実現できないという問題がある。
【0007】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、広い光学的バンドギャップと優れた電気的特性とを有する非晶質シリコン膜をバッファ層に用いることにより、光電変換特性の向上を図れる光起電力素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光起電力素子の製造方法は、光入射側の非晶質半導体からなる一導電型のドープ層と、非晶質半導体からなるバッファ層と、非晶質半導体からなる光電活性層と、非晶質半導体からなる他導電型のドープ層とをこの順に積層した構造を備える光起電力素子を製造する方法において、シランガスと水素ガスとを含みワイドギャップ化添加元素を含まない原料ガスを用いたRFパワー500mW/cm 2 以上、圧力1Torr以上の条件でのプラズマCVD法により、光学的バンドギャップが1.75eV〜1.95eV、水素濃度が30%〜45%、ワイドギャップ化添加元素の濃度が1%未満である非晶質シリコン膜からなる前記バッファ層を形成することを特徴とする。
【0009】
本発明の光起電力素子のバッファ層は、水素濃度を30%以上とすることにより、1.75eV以上の広い光学的バンドギャップを有する。また、ワイドギャップ化添加元素の濃度が1%未満と低いので、その添加に伴う欠陥密度は小さく、光電変換特性が向上する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
【0011】
図1は、本発明の光起電力素子の構成図である。図1において、1はガラス等の透光性基板であり、透光性基板1上には、SnO2 等の透明導電膜2(膜厚:5000〜10000Å)、光入射側のドープ層であるp型a−SiC:H膜からなるp層3(膜厚:100Å)、a−Si膜からなるバッファ層4(膜厚:100Å)、光電活性層であるi型a−Si膜からなるi層5(膜厚:2000Å)、n型a−Si膜からなるn層6(膜厚:100Å)、Al,Ag等の裏面電極膜7(膜厚:1μm)がこの順に積層形成されている。
【0012】
本発明の特徴部分であるバッファ層4は、光学的バンドギャップが1.75eV以上、水素濃度が30%以上、ワイドギャップ化添加元素の濃度が1%未満であるa−Si膜から構成されている。
【0013】
ここで、本発明の光起電力素子のバッファ層4として使用するa−Si膜の特性について説明する。
【0014】
プラズマCVD法により、シランガス(SiH4 )と水素ガス(H2 )とを原料として以下の表1の条件でバッファ層4として使用する本発明のa−Si膜を形成した。なお、表1には、プラズマCVD法により、シランガス(SiH4 )のみを原料として100%SiH4 のa−Si膜(比較例)を形成した際の条件も併せて示す。
【0015】
【表1】
【0016】
表1から明らかなように、比較例としてのa−Si膜は、低RFパワー(50mW/cm2 以下)、低圧力(0.4Torr以下)の条件下で形成するのに対して、本発明のa−Si膜は、高RFパワー(500mW/cm2 以上)、高圧力(1Torr以上)の条件下で水素希釈率(H2 /SiH4 )を高くして形成することができる。なお、原料ガスにワイドギャップ化添加元素(C,O,N)が含まれず、この表1の条件で形成した本発明のa−Si膜中のワイドギャップ化添加元素は1%未満である。
【0017】
図2〜図4は、本発明のa−Si膜と比較例としてのa−Si膜との特性を示すグラフである。図2は、光学的バンドギャップと水素濃度(CH )との関係を示しており、□は本発明のa−Si膜、○は比較例のa−Si膜のそれぞれの特性を表す。また、図3は、光学的バンドギャップとSi−H2 結合量(CSi-H2 /CH )との関係を示しており、□は本発明のa−Si膜、○は比較例のa−Si膜のそれぞれの特性を表す。更に、図4は、光学的バンドギャップと光導電率(σph)・暗導電率(σd )との関係を示しており、□,◇は本発明のa−Si膜、○,◎は比較例のa−Si膜のそれぞれの特性を表す。
【0018】
本発明のa−Si膜は、光学的バンドギャップが1.6eV以上であってしかも水素濃度(CH )が30%以上である場合において、膜中のSi−H2 結合量(CSi-H2 /CH )を50%以下にすることにより、高い光導電率(σph)が得られている。また、この際、暗導電率(σd )がほぼ10-11 (S/cm)以下に低く抑えられ、その比(σph/σd )が105 以上(5桁以上)になり、バッファ層として好適な特性を示す。
【0019】
次に、ワイドギャップ化添加元素の影響について説明する。プラズマCVD法により、シランガス(SiH4 )とメタンガス(CH4 )と水素ガス(H2 )とを原料として以下の表2の条件で従来例のa−SiC膜を形成した。
【0020】
【表2】
【0021】
図5は、表1に示す条件で形成した本発明のa−Si膜及び従来例のa−SiC膜における光学的バンドギャップと光導電率(σph)・暗導電率(σd )との関係を示すグラフである。図5において、□,◇は本発明のa−Si膜での光導電率(σph),暗導電率(σd )を表し、実線A,Bは従来例のa−SiC膜での光導電率(σph),暗導電率(σd )を表している。
【0022】
図5から明らかなように、従来例のa−SiC膜では、光学的バンドギャップを1.75eV以上にすると、ワイドギャップ化添加元素(C)が多く含まれて膜中欠陥が多く、光導電率(σph)が著しく低下して比(σph/σd )も著しく小さくなる。なお、a−SiCは、a−SiO,a−SiNと比較して欠陥が少なくて膜質が良好であり、a−SiO膜,a−SiN膜の場合には、光学的バンドギャップを1.75eV以上にすると、a−SiC膜の場合よりも更に特性は劣化する。
【0023】
これに対して、本発明のa−Si膜では、ワイドギャップ化添加元素(C,O,N)が1%未満でほとんど含まれていないので、光学的バンドギャップが1.75eV以上であってもそれらの元素の添加に起因した膜中欠陥の発生が少なく、上述したように、光導電率(σph)が高く、暗導電率(σd )がほぼ10-11 (S/cm)以下に低く抑えられ、その比(σph/σd )が105 以上(5桁以上)になり、バッファ層4として好適な特性を示す。
【0024】
但し、本発明のa−Si膜にあっても、光学的バンドギャップが1.95eVを超えると光導電率(σph)及び比(σph/σd )が急激に低下する。よって、光学的バンドギャップは1.95eV以下にすることが好ましい。光学的バンドギャップが1.95eVとなるときの水素濃度は、図2より45%であり、水素濃度は45%以下ににすることが好ましい。
【0025】
また、本発明のa−Si膜を形成する際に、原料ガスにメタンガス(CH4 )を添加し、膜中に故意に炭素(C)を混入させた場合、光学的バンドギャップが1.95eV以下であっても膜中の炭素濃度が1%以上になると、光導電率(σph)及び比(σph/σd )が急激に低下することが確かめられた。よって、本発明のa−Si膜にあっては、ワイドギャップ化添加元素(C,O,N)を1%未満にすることが好ましい。この結果、実用上は、光学的バンドギャップが1.75eV〜1.95eVであって、水素濃度が30%〜45%であり、ワイドギャップ化添加元素(C,O,N)を1%未満とすることが望ましい。
【0026】
次に、このような本発明の光起電力素子の製造方法の例について説明する。透光性基板1上にスパッタ法等にて透明導電膜2を堆積し、次に、その上にプラズマCVD法により、p層3,バッファ層4,i層5及びn層6をこの順に堆積し、更に、真空加熱蒸着法等にて裏面電極膜7を形成する。なお、この際のp層3,バッファ層4,i層5及びn層6の具体的な形成条件を下記表3に示す。なお、n型のドーピングガスは、B2 H6 /H2 としたが、B(CH3 )3 /H2 であっても良い。
【0027】
【表3】
【0028】
本発明の特徴部分であるバッファ層4は、基板温度を低温(180℃)とし、高RFパワー(750mW/cm2 )及び高圧力(1.3Torr)の条件下、水素希釈率(H2 /SiH4 )を高くして形成され、光学的バンドギャップが1.82eVである。
【0029】
また、図6に示す構成の従来の光起電力素子を製造した。この際のp層3,バッファ層14,i層5及びn層6の具体的な形成条件を下記表4に示す。この従来の光起電力素子は、上記本発明の光起電力素子と比較して、バッファ層がa−SiC:H膜である点が異なっているだけであり、他の構成及び製造条件は全く同じである。なお、従来の光起電力素子におけるバッファ層14の光学的バンドギャップは、本発明のバッファ層4と同じ1.82eVである。
【0030】
【表4】
【0031】
このようにして製造した本発明の光起電力素子(本発明例)と従来の光起電力素子(従来例)とにおける光電変換特性を下記表5に示す。
【0032】
【表5】
【0033】
この表5から分かるように、本発明例では従来例と比べて、開放電圧(VOC),短絡電流(ISC)及び曲線因子(F.F.)が何れも増大し、変換効率(η)が向上しており、優れた特性を有している。このような特性の向上は、p層3の直列抵抗による損失の低減に起因すると考えられる。
【0034】
なお、上述した例では、透光性基板上に各膜を堆積した構成をなし、透光性基板側から光を入射するようにした順タイプの光起電力素子について説明したが、絶縁性基板上に、金属電極,n型a−Si層,i型a−Si層,バッファ層,p型a−Si層をこの順に積層し、その上にITO,SnO2 ,ZnO等の透明導電膜、Ag等の集電極を設けた構成をなし、膜面画(基板の反対側)から光を入射するようにした逆タイプの光起電力素子についても、本発明を同様に適用できることは勿論である。
【0035】
【発明の効果】
以上のように本発明では、バッファ層として、光学的バンドギャップが1.75eV以上、水素濃度が30%以上、ワイドギャップ化添加元素の濃度が1%未満である非晶質シリコン膜を使用するようにしたので、バッファ層が、広い光学的バンドギャップと優れた電気的特性(高い光導電率,低い暗導電率)とを有し、光電変換特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光電変換素子の構成図である。
【図2】光学的バンドギャップと水素濃度(CH )との関係を示すグラフである。
【図3】光学的バンドギャップとSi−H2 結合量(CSi-H2 /CH )との関係を示すグラフである。
【図4】光学的バンドギャップと光導電率(σph)・暗導電率(σd )との関係を示すグラフである。
【図5】本発明のa−Si膜及び従来例のa−SiC膜における光学的バンドギャップと光導電率(σph)・暗導電率(σd )との関係を示すグラフである。
【図6】従来の光電変換素子の構成図である。
【符号の説明】
1 透光性基板
2 透明導電膜
3 p層
4 バッファ層
5 i層
6 n層
7 裏面電極膜
Claims (1)
- 光入射側の非晶質半導体からなる一導電型のドープ層と、非晶質半導体からなるバッファ層と、非晶質半導体からなる光電活性層と、非晶質半導体からなる他導電型のドープ層とをこの順に積層した構造を備える光起電力素子を製造する方法において、シランガスと水素ガスとを含みワイドギャップ化添加元素を含まない原料ガスを用いたRFパワー500mW/cm 2 以上、圧力1Torr以上の条件でのプラズマCVD法により、光学的バンドギャップが1.75eV〜1.95eV、水素濃度が30%〜45%、ワイドギャップ化添加元素の濃度が1%未満である非晶質シリコン膜からなる前記バッファ層を形成することを特徴とする光起電力素子の製造方法。
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JP32571598A Expired - Lifetime JP4187328B2 (ja) | 1998-11-16 | 1998-11-16 | 光起電力素子の製造方法 |
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- 1998-11-16 JP JP32571598A patent/JP4187328B2/ja not_active Expired - Lifetime
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