JP4240984B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光電変換装置に関し、特に、微結晶および多結晶などの多数の結晶粒を含む非単結晶半導体を光電変換層として用いた光電変換装置に関する。
【０００２】
近年、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）系半導体を光電変換層として用いた光電変換装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。ここで、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）系半導体とは、最大粒径が約百ｎｍ以下の結晶粒を多数含み、かつ、構成元素としてＳｉを含む半導体であり、内部に非晶質相を有するものも含む。この微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層として用いた光電変換装置は、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）からなる光電変換装置と比べて光劣化が格段に少ないという特徴を有している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８４６１９号公報
【特許文献２】
特開２００２−７６３９６号公報
図６は、従来の微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層として用いた光電変換装置の構造を説明するための断面図である。図６を参照して、従来の微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層として用いた光電変換装置の構造について説明する。
【０００４】
従来の光電変換装置では、図６に示すように、ガラス基板１０１の上面上に、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｇからなる金属電極層１０２が形成されている。また、金属電極層１０２の上面上には、約１００ｎｍの膜厚を有するアルミニウム添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）からなる透明電極１０３が形成されている。また、透明電極１０３の上面上には、リンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｎ層１０４（膜厚約５０ｎｍ）、実質的に導電型を決定するための不純物がドープされていない微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｉ層１０５（膜厚約２μｍ）、および、ボロンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｐ層１０６（膜厚約１０ｎｍ）が順次積層された発電ユニットが形成されている。また、発電ユニットの上面上には、約８０ｎｍの膜厚を有する透明電極１０７が形成されている。また、透明電極１０７の上面上の所定個所には、銀ペーストからなる集電極１０８が形成されている。これにより、従来の微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層（発電ユニット）として用いた光電変換装置が構成されている。
【０００５】
図７は、図６に示した従来の光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。図７を参照して、従来の光電変換装置における各層の結晶粒の状態としては、ｉ層１０５に含まれる結晶粒１０５ａの多くは、基板１０１の主表面１０１ａに対して実質的に垂直な方向の長径を有している。また、ｎ層１０４に含まれる結晶粒１０４ａおよびｐ層１０６に含まれる結晶粒１０６ａの多くは、略等方的な形状または基板１０１の主表面１０１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。このように、発電ユニットを構成するｎ層１０４、ｉ層１０５およびｐ層１０６において、その中に含まれる結晶粒１０４ａ、１０５ａおよび１０６ａの多くは一方向に揃っており、その方向は基板１０１の主表面１０１ａに対して実質的に垂直な方向となっている。また、ｎ層１０４の下面上の透明電極１０３に含まれる結晶粒１０３ａの多くは、基板１０１の主表面１０１ａに対して実質的に垂直な方向の長径を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層（発電ユニット）として用いた光電変換装置は、光電変換装置の重要な出力パラメータである開放電圧が低いという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の目的は、開放電圧を向上させることが可能な光電変換装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明者が鋭意検討した結果、光電変換層を構成する非単結晶半導体層の結晶粒の長径方向を所定の方向に配置することによって開放電圧を向上させることができることを見い出した。
【０００９】
すなわち、この発明の第１の局面による光電変換装置は、主表面を有する基板と、基板の主表面上に形成された第１導電型の第１非単結晶半導体層と、基板の主表面上に形成された第２導電型の第２非単結晶半導体層と、第１非単結晶半導体層と第２非単結晶半導体層との間に形成され、実質的に真性な第３非単結晶半導体層とを備えている。そして、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層の少なくともいずれか一方の半導体層と、第３非単結晶半導体層との界面部分において、第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の多くは、基板の主表面に対して実質的に垂直な方向の長径を有し、界面部分において記一方の半導体層に含まれる結晶粒の多くは、基板の主表面に対して実質的に平行な方向の長径を有しており、一方の半導体層に含まれる結晶粒の前記基板の主表面に対して平行な方向の平均結晶粒径は、第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の前記基板の主表面に対して平行な方向の平均結晶粒径よりも大きい。
【００１０】
この第１の局面による光電変換装置では、上記のように、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層の少なくともいずれか一方の半導体層と、第３非単結晶半導体層との界面において、第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の長径方向を基板の主表面に対して実質的に垂直な方向に配置するとともに、一方の半導体層に含まれる結晶粒の長径方向を基板の主表面に対して実質的に平行な方向に配置することによって、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層の少なくともいずれか一方の半導体層と、第３非単結晶半導体層との界面において、結晶粒に不連続性を生じさせることができるとともに、一方の半導体層側から見た場合の結晶粒界の割合を小さくすることができる。これにより、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層の少なくともいずれか一方の半導体層と、第３非単結晶半導体層との界面において、逆方向リーク電流が流れにくくなるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１２】
また、この発明の第２の局面による光電変換装置は、主表面を有する基板と、基板の主表面上に形成された第１導電型の第１非単結晶半導体層と、第１非単結晶半導体層の上面上に形成された実質的に真性な第３非単結晶半導体層と、第３非単結晶半導体層の上面上に形成された第２導電型の第２非単結晶半導体層とを備えている。そして、第２非単結晶半導体層は、互いに結晶粒の長径方向が実質的に異なる第１層と第２層とが積層され、第１層に含まれる結晶粒の多くは、基板の主表面に対して実質的に平行な方向の長径を有しており、第２層に含まれる結晶粒の多くは、基板の主表面に対して実質的に垂直な方向の長径を有している。
【００１３】
この第２の局面による光電変換装置では、上記のように、真性な第３非単結晶半導体層の上面上に形成された第２非単結晶半導体層に、長径方向が基板の主表面に対して実質的に平行な方向である結晶粒を含む第１層と、長径方向が基板の主表面に対して実質的に垂直な方向である結晶粒を含む第２層とを積層することによって、第１層と第２層との界面において、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するとともに、結晶粒が不連続になる。その結果、逆方向リーク電流を抑制することができるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１４】
上記第２の局面による光電変換装置において、好ましくは、第１層は、第３非単結晶半導体層に接しており、第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の長径方向は、基板の主表面に対して実質的に垂直な方向である。このように構成すれば、第１層と第３非単結晶半導体層との間の界面においても、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するともに、結晶粒が不連続になる。その結果、逆方向リーク電流をさらに抑制することができるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１５】
また、上記第２の局面による光電変換装置において、好ましくは、第１層に含まれる結晶粒の基板の主表面に水平な方向の平均結晶粒径は、第２層に含まれる結晶粒の基板の主表面に水平な方向の平均結晶粒径よりも大きい。このように構成すれば、第１層と第２層との界面において、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒の不連続性を高めることができる。これにより、逆方向リーク電流をより一層抑制することができるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１６】
さらに、上記第１および第２の局面による光電変換装置において、好ましくは、基板と第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層のいずれか一方との間に、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層のいずれか一方と接触するように形成された電極層をさらに備え、電極層の結晶粒の長径方向は、基板の主表面に対して実質的に垂直な方向である。このように構成すれば、電極層と、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層のいずれか一方との間の界面においても、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するともに、結晶粒が不連続になる。その結果、逆方向リーク電流をより一層抑制することができるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１７】
また、上記第１および第２の局面による光電変換装置において、好ましくは、第１非単結晶半導体層と第２非単結晶半導体層と第３非単結晶半導体層とを有する発電ユニットを少なくとも１つ含む。このように構成すれば、複数の発電ユニットが積層された積層構造の光電変換装置においても、少なくとも１つの発電ユニットにおいて、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するため、逆方向リーク電流を抑制することができる。その結果、開放電圧を向上させることができる。
【００１８】
なお、本発明における「非単結晶半導体層」とは、例えば、多結晶半導体層、微結晶半導体層および非晶質半導体層を含む広い概念である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による光電変換装置を示した断面図である。図１を参照して、以下に第１実施形態による光電変換装置の全体構造について説明する。
【００２１】
まず、第１実施形態による光電変換装置では、図１に示すように、ガラス基板１の上面上には、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｇからなる金属電極層２が形成されている。また、金属電極層２の上面上には、約１００ｎｍの膜厚を有するＡＺＯからなる透明電極３が形成されている。ここで、透明電極３は、本発明の「電極層」の一例である。また、透明電極３の上面上には、リンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｎ層４（膜厚約５０ｎｍ）、実質的に導電型を決定するための不純物がドープされていない微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｉ層５（膜厚約２μｍ）、および、ボロンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｐ層６（膜厚約１０ｎｍ）が順次積層された発電ユニットが形成されている。なお、ｎ層４およびｐ層６は、本発明の「第１非単結晶半導体層」および「第２非単結晶半導体層」の一例である。また、ｉ層５は、本発明の「第３非単結晶半導体層」の一例である。また、発電ユニットの上面上には、約８０ｎｍの膜厚を有する透明電極７が形成されている。また、透明電極７の上面上の所定個所には、銀ペーストからなる集電極８が形成されている。これにより、本発明の第１実施形態による微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層（発電ユニット）として用いた光電変換装置が構成されている。
【００２２】
図２は、図１に示した本発明の第１実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。図２を参照して、上記実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態としては、ｎ層４に含まれる結晶粒４ａの多くは、基板１の主表面１ａに対して略平行な方向の長径を有している。また、ｉ層５に含まれる結晶粒５ａの多くは、基板１の主表面１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。また、ｐ層６に含まれる結晶粒６ａの多くは、略等方的な形状または基板１の主表面１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。これにより、ｎ層４とｉ層５との界面において、結晶粒の不連続性が生じるとともに、ｉ層５側から見た場合の結晶粒界の割合が小さくなる。このため、ｎ層４とｉ層５との界面において、逆方向リーク電流が流れにくくなるので、開放電圧を向上させることができると考えられる。また、透明電極３に含まれる結晶粒３ａの多くは、基板１の主表面１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。これにより、ｎ層４と透明電極３との界面においても、結晶粒の不連続性が生じるため、逆方向リーク電流が抑制され、その結果、開放電圧をより向上させることができると考えられる。
【００２３】
上記した第１実施形態による効果を確認するために以下のような比較実験を行った。まず、プラズマＣＶＤ法を用いて、以下の表１に示す条件で、ｎ層４、ｉ層５およびｐ層６を順次、透明電極３の上面上に積層することによって、第１実施形態による光電変換装置および比較例による光電変換装置を作製した。この場合、比較例では、ｉ層およびｐ層は第１実施形態と同じ条件で形成し、ｎ層のみ異なる条件で形成した。
【００２４】
【表１】
そして、表１の条件で作製した約５０ｎｍの膜厚を有するｎ層について、断面ＴＥＭ観察を行い、結晶粒の形状について測定を行った。結果を以下の表２に示す。なお、表２において、数値は測定値の平均値を示しており、方向は、基板１の主表面１ａに対する方向を示している。
【００２５】
【表２】
上記表２を参照して、第１実施形態のｎ層４に含まれる結晶粒の多くは、基板１の主表面に対して略平行な方向に長径を有していることがわかった。また、比較例のｎ層に含まれる結晶粒の多くは、略等方的な形状を有していることがわかった。
【００２６】
また、表１の条件で形成したｉ層５についても、断面ＴＥＭ観察を行ったところ、基板１の主表面１ａに対して垂直な方向には平均で約２０ｎｍ以上、基板１の主表面１ａに対して平行な方向には平均で約７ｎｍの形状を有する結晶粒が成長していることがわかった。つまり、第１実施形態および比較例によるｉ層は、基板１の主表面１ａに対して略垂直な方向に長径を有していることが判明した。また、第１実施形態によるｎ層４に含まれる結晶粒４ａの基板１の主表面１ａに対して略平行な方向の平均結晶粒径が約１５ｎｍであるのに対して、ｉ層５に含まれる結晶粒５ａの基板１の主表面１ａに対して略平行な方向の平均結晶粒径が約７ｎｍであるので、ｎ層４とｉ層５との界面において、基板１の主表面１ａに対して垂直な方向の結晶粒の不連続性がより高められることになる。このため、逆方向リーク電流がさらに抑制されるので、開放電圧がより向上すると考えられる。
【００２７】
次に、上記した第１実施形態による効果を確認するため、上記第１実施形態および比較例による光電変換装置の出力特性をＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2、２５℃の疑似太陽光照射条件下で測定した。ここで、ＡＭ（Ａｉｒ Ｍａｓｓ）とは、地球大気に入射する直達太陽光が通過する路程の、標準状態の大気（標準気圧１０１３ｈＰａ）に垂直に入射した場合の路程に対する比である。結果を表３に示す。
【００２８】
【表３】
上記表３を参照して、第１実施形態による光電変換装置は、比較例と比べて、短絡電流については同等であるが、開放電圧と曲線因子が改善されていることが判明した。これにより、第１実施形態では、変換効率が向上していることがわかる。
【００２９】
（第２実施形態）
この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、ｐ層中の結晶粒の分布に不連続性がある光電変換装置について説明する。
【００３０】
図３は、本発明の第２実施形態による光電変換装置を示した断面図である。図３を参照して、以下に第２実施形態による光電変換装置の構造について説明する。
【００３１】
図３に示すように、ガラス基板１１の上面上には、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｇからなる金属電極層１２が形成されている。また、金属電極層１２の上面上には、約１００ｎｍの膜厚を有するＡＺＯからなる透明電極１３が形成されている。ここで、透明電極１３は、本発明の「電極層」の一例である。また、透明電極１３の上面上には、リンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｎ層１４（膜厚約５０ｎｍ）、実質的に導電型を決定するための不純物がドープされていない微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｉ層１５（膜厚約２μｍ）、および、ボロンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｐ層１６（膜厚約１０ｎｍ）が順次積層された発電ユニットが形成されている。なお、ｎ層１４およびｐ層１６は、本発明の「第１非単結晶半導体層」および「第２非単結晶半導体層」の一例である。また、ｉ層１５は、本発明の「第３非単結晶半導体層」の一例である。
【００３２】
ここで、この第２実施形態では、ｐ層１６は、ｉ層１５の上面に接するｐ２層１９と、ｐ２層１９の上面上に形成されたｐ１層２０とから構成されている。なお、ｐ２層１９およびｐ１層２０は、それぞれ、本発明の「第１層」および「第２層」の一例である。
【００３３】
また、発電ユニットの上面上には、約８０ｎｍの膜厚を有する透明電極１７が形成されている。また、透明電極１７の上面上の所定個所には、銀ペーストからなる集電極１８が形成されている。これにより、本発明の第２実施形態による微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層（発電ユニット）として用いた光電変換装置が構成されている。
【００３４】
図４は、図３に示した本発明の第２実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。図４を参照して、上記実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態としては、ｎ層１４に含まれる結晶粒１４ａの多くは、略等方的な形状を有している。また、ｉ層１５に含まれる結晶粒１５ａの多くは、基板１１の主表面１１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。また、ｐ１層２０に含まれる結晶粒２０ａの多くは、略等方的な形状または基板１１の主表面１１ａに対して略垂直な方向の長径を有しているとともに、ｐ２層１９に含まれる結晶粒１９ａの多くは基板１１の主表面１１ａに対して略平行な方向の長径を有している。
【００３５】
これにより、ｉ層１５とｐ層１６との界面だけでなく、ｐ２層１９とｐ１層２０との界面においても、結晶粒の分布に不連続性が生じるため、光電変換装置における逆方向リーク電流のパスと考えられる基板１１の主表面１１ａに対して垂直な方向の結晶粒界がそれぞれの界面において減少すると考えられる。その結果、逆方向リーク電流がさらに抑制されるので、開放電圧がより一層向上すると考えられる。
【００３６】
上記第２実施形態による効果を確認するために、以下のような実験を行った。まず、プラズマＣＶＤ法を用いて、以下の表４に示す条件で、ｎ層１４、ｉ層１５、ｐ２層１９およびｐ１層２０を順次、透明電極層１３の上面上に積層することにより、光電変換装置を作製した。
【００３７】
【表４】
次に、上記第２実施形態による光電変換装置の出力特性をＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2、２５℃の疑似太陽光照射条件で測定した。結果を表５に示す。
【００３８】
【表５】
上記表５を参照して、第２実施形態による光電変換装置は、表３に示した第１実施形態の比較例と比べて、開放電圧と曲線因子とが改善されており、変換効率が向上していることがわかる。また、第２実施形態では、第１実施形態による光電変換装置と同等の特性が得られていることを確認することができた。
【００３９】
図５は、図３に示した本発明の第２実施形態の変形例による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。図５を参照して、この第２実施形態の変形例では、上記第２実施形態と異なり、ｐ層２６を構成するｐ１層２０はｉ層１５と接している。また、第２実施形態と同様、ｐ１層２０に含まれる結晶粒２０ａの多くは略等方的な形状または基板１１の主表面１１ａに対して略垂直な方向の長径を有しているとともに、ｐ２層１９に含まれる結晶粒１９ａの多くは基板１１の主表面１１ａに対して略平行な方向の長径を有している。これにより、第２実施形態と同様、ｐ１層２０とｐ２層１９との界面において、結晶粒の分布に不連続性が生じるため、光電変換装置における逆方向リーク電流のパスと考えられる基板１１の主表面１１ａに対して垂直な方向の結晶粒界が減少すると考えられる。その結果、逆方向リーク電流が抑制されるので、開放電圧を向上させることができると考えられる。
【００４０】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４１】
たとえば、上記各実施形態は、基板の主表面は略平面状であるが、凹凸形状を有していてもよい。この場合、各層の結晶粒の長径方向は、この凹凸面に対して略垂直、または、略平行であってもよい。つまり、光電変換装置内部では略膜厚方向（垂直方向）に電流が流れるため、膜厚方向に略平行な方向の結晶粒界に不連続性が生じていればよい。
【００４２】
また、上記各実施形態では、各層の結晶粒は長径方向が互いに略９０度ずれるようにしたが、本発明はこれに限らず、各層の結晶粒は長径方向が互いに３０度以上ずれていることが好ましい。
【００４３】
また、上記各実施形態において、発電ユニットは１つであるが、本発明はこれに限らず、複数の発電ユニットが積層された、いわゆる積層型の光起電力装置において、少なくとも１つの発電ユニットが上記各実施形態の発電ユニットであればよい。これにより、少なくとも１つの発電ユニットにおいて、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するため、逆方向リーク電流を抑制することができる。その結果、開放電圧を向上させることができる。
【００４４】
また、上記各実施形態において、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなる光電変換装置について説明したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなど他の半導体材料からなる光電変換装置であってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、開放電圧を向上させることが可能な光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による光電変換装置を示した断面図である。
【図２】図１に示した本発明の第１実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態による光電変換装置を示した断面図である。
【図４】図３に示した本発明の第２実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。
【図５】図３に示した本発明の第２実施形態の変形例による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。
【図６】従来の光電変換装置の構造を説明するための断面図である。
【図７】図６に示した従来の光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
１ 基板
１ａ 主表面
２ 裏面電極
３ 透明電極（電極層）
４ ｎ層（第１非単結晶半導体層または第２非単結晶半導体層）
５ ｉ層（第３非単結晶半導体層）
６ ｐ層（第１非単結晶半導体層または第２非単結晶半導体層）
７ 透明電極
８ 集電極
【発明の属する技術分野】
この発明は、光電変換装置に関し、特に、微結晶および多結晶などの多数の結晶粒を含む非単結晶半導体を光電変換層として用いた光電変換装置に関する。
【０００２】
近年、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）系半導体を光電変換層として用いた光電変換装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。ここで、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）系半導体とは、最大粒径が約百ｎｍ以下の結晶粒を多数含み、かつ、構成元素としてＳｉを含む半導体であり、内部に非晶質相を有するものも含む。この微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層として用いた光電変換装置は、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）からなる光電変換装置と比べて光劣化が格段に少ないという特徴を有している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８４６１９号公報
【特許文献２】
特開２００２−７６３９６号公報
図６は、従来の微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層として用いた光電変換装置の構造を説明するための断面図である。図６を参照して、従来の微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層として用いた光電変換装置の構造について説明する。
【０００４】
従来の光電変換装置では、図６に示すように、ガラス基板１０１の上面上に、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｇからなる金属電極層１０２が形成されている。また、金属電極層１０２の上面上には、約１００ｎｍの膜厚を有するアルミニウム添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）からなる透明電極１０３が形成されている。また、透明電極１０３の上面上には、リンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｎ層１０４（膜厚約５０ｎｍ）、実質的に導電型を決定するための不純物がドープされていない微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｉ層１０５（膜厚約２μｍ）、および、ボロンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｐ層１０６（膜厚約１０ｎｍ）が順次積層された発電ユニットが形成されている。また、発電ユニットの上面上には、約８０ｎｍの膜厚を有する透明電極１０７が形成されている。また、透明電極１０７の上面上の所定個所には、銀ペーストからなる集電極１０８が形成されている。これにより、従来の微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層（発電ユニット）として用いた光電変換装置が構成されている。
【０００５】
図７は、図６に示した従来の光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。図７を参照して、従来の光電変換装置における各層の結晶粒の状態としては、ｉ層１０５に含まれる結晶粒１０５ａの多くは、基板１０１の主表面１０１ａに対して実質的に垂直な方向の長径を有している。また、ｎ層１０４に含まれる結晶粒１０４ａおよびｐ層１０６に含まれる結晶粒１０６ａの多くは、略等方的な形状または基板１０１の主表面１０１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。このように、発電ユニットを構成するｎ層１０４、ｉ層１０５およびｐ層１０６において、その中に含まれる結晶粒１０４ａ、１０５ａおよび１０６ａの多くは一方向に揃っており、その方向は基板１０１の主表面１０１ａに対して実質的に垂直な方向となっている。また、ｎ層１０４の下面上の透明電極１０３に含まれる結晶粒１０３ａの多くは、基板１０１の主表面１０１ａに対して実質的に垂直な方向の長径を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層（発電ユニット）として用いた光電変換装置は、光電変換装置の重要な出力パラメータである開放電圧が低いという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の目的は、開放電圧を向上させることが可能な光電変換装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明者が鋭意検討した結果、光電変換層を構成する非単結晶半導体層の結晶粒の長径方向を所定の方向に配置することによって開放電圧を向上させることができることを見い出した。
【０００９】
すなわち、この発明の第１の局面による光電変換装置は、主表面を有する基板と、基板の主表面上に形成された第１導電型の第１非単結晶半導体層と、基板の主表面上に形成された第２導電型の第２非単結晶半導体層と、第１非単結晶半導体層と第２非単結晶半導体層との間に形成され、実質的に真性な第３非単結晶半導体層とを備えている。そして、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層の少なくともいずれか一方の半導体層と、第３非単結晶半導体層との界面部分において、第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の多くは、基板の主表面に対して実質的に垂直な方向の長径を有し、界面部分において記一方の半導体層に含まれる結晶粒の多くは、基板の主表面に対して実質的に平行な方向の長径を有しており、一方の半導体層に含まれる結晶粒の前記基板の主表面に対して平行な方向の平均結晶粒径は、第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の前記基板の主表面に対して平行な方向の平均結晶粒径よりも大きい。
【００１０】
この第１の局面による光電変換装置では、上記のように、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層の少なくともいずれか一方の半導体層と、第３非単結晶半導体層との界面において、第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の長径方向を基板の主表面に対して実質的に垂直な方向に配置するとともに、一方の半導体層に含まれる結晶粒の長径方向を基板の主表面に対して実質的に平行な方向に配置することによって、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層の少なくともいずれか一方の半導体層と、第３非単結晶半導体層との界面において、結晶粒に不連続性を生じさせることができるとともに、一方の半導体層側から見た場合の結晶粒界の割合を小さくすることができる。これにより、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層の少なくともいずれか一方の半導体層と、第３非単結晶半導体層との界面において、逆方向リーク電流が流れにくくなるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１２】
また、この発明の第２の局面による光電変換装置は、主表面を有する基板と、基板の主表面上に形成された第１導電型の第１非単結晶半導体層と、第１非単結晶半導体層の上面上に形成された実質的に真性な第３非単結晶半導体層と、第３非単結晶半導体層の上面上に形成された第２導電型の第２非単結晶半導体層とを備えている。そして、第２非単結晶半導体層は、互いに結晶粒の長径方向が実質的に異なる第１層と第２層とが積層され、第１層に含まれる結晶粒の多くは、基板の主表面に対して実質的に平行な方向の長径を有しており、第２層に含まれる結晶粒の多くは、基板の主表面に対して実質的に垂直な方向の長径を有している。
【００１３】
この第２の局面による光電変換装置では、上記のように、真性な第３非単結晶半導体層の上面上に形成された第２非単結晶半導体層に、長径方向が基板の主表面に対して実質的に平行な方向である結晶粒を含む第１層と、長径方向が基板の主表面に対して実質的に垂直な方向である結晶粒を含む第２層とを積層することによって、第１層と第２層との界面において、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するとともに、結晶粒が不連続になる。その結果、逆方向リーク電流を抑制することができるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１４】
上記第２の局面による光電変換装置において、好ましくは、第１層は、第３非単結晶半導体層に接しており、第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の長径方向は、基板の主表面に対して実質的に垂直な方向である。このように構成すれば、第１層と第３非単結晶半導体層との間の界面においても、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するともに、結晶粒が不連続になる。その結果、逆方向リーク電流をさらに抑制することができるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１５】
また、上記第２の局面による光電変換装置において、好ましくは、第１層に含まれる結晶粒の基板の主表面に水平な方向の平均結晶粒径は、第２層に含まれる結晶粒の基板の主表面に水平な方向の平均結晶粒径よりも大きい。このように構成すれば、第１層と第２層との界面において、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒の不連続性を高めることができる。これにより、逆方向リーク電流をより一層抑制することができるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１６】
さらに、上記第１および第２の局面による光電変換装置において、好ましくは、基板と第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層のいずれか一方との間に、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層のいずれか一方と接触するように形成された電極層をさらに備え、電極層の結晶粒の長径方向は、基板の主表面に対して実質的に垂直な方向である。このように構成すれば、電極層と、第１非単結晶半導体層および第２非単結晶半導体層のいずれか一方との間の界面においても、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するともに、結晶粒が不連続になる。その結果、逆方向リーク電流をより一層抑制することができるので、開放電圧を向上させることができる。
【００１７】
また、上記第１および第２の局面による光電変換装置において、好ましくは、第１非単結晶半導体層と第２非単結晶半導体層と第３非単結晶半導体層とを有する発電ユニットを少なくとも１つ含む。このように構成すれば、複数の発電ユニットが積層された積層構造の光電変換装置においても、少なくとも１つの発電ユニットにおいて、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するため、逆方向リーク電流を抑制することができる。その結果、開放電圧を向上させることができる。
【００１８】
なお、本発明における「非単結晶半導体層」とは、例えば、多結晶半導体層、微結晶半導体層および非晶質半導体層を含む広い概念である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による光電変換装置を示した断面図である。図１を参照して、以下に第１実施形態による光電変換装置の全体構造について説明する。
【００２１】
まず、第１実施形態による光電変換装置では、図１に示すように、ガラス基板１の上面上には、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｇからなる金属電極層２が形成されている。また、金属電極層２の上面上には、約１００ｎｍの膜厚を有するＡＺＯからなる透明電極３が形成されている。ここで、透明電極３は、本発明の「電極層」の一例である。また、透明電極３の上面上には、リンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｎ層４（膜厚約５０ｎｍ）、実質的に導電型を決定するための不純物がドープされていない微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｉ層５（膜厚約２μｍ）、および、ボロンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｐ層６（膜厚約１０ｎｍ）が順次積層された発電ユニットが形成されている。なお、ｎ層４およびｐ層６は、本発明の「第１非単結晶半導体層」および「第２非単結晶半導体層」の一例である。また、ｉ層５は、本発明の「第３非単結晶半導体層」の一例である。また、発電ユニットの上面上には、約８０ｎｍの膜厚を有する透明電極７が形成されている。また、透明電極７の上面上の所定個所には、銀ペーストからなる集電極８が形成されている。これにより、本発明の第１実施形態による微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層（発電ユニット）として用いた光電変換装置が構成されている。
【００２２】
図２は、図１に示した本発明の第１実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。図２を参照して、上記実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態としては、ｎ層４に含まれる結晶粒４ａの多くは、基板１の主表面１ａに対して略平行な方向の長径を有している。また、ｉ層５に含まれる結晶粒５ａの多くは、基板１の主表面１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。また、ｐ層６に含まれる結晶粒６ａの多くは、略等方的な形状または基板１の主表面１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。これにより、ｎ層４とｉ層５との界面において、結晶粒の不連続性が生じるとともに、ｉ層５側から見た場合の結晶粒界の割合が小さくなる。このため、ｎ層４とｉ層５との界面において、逆方向リーク電流が流れにくくなるので、開放電圧を向上させることができると考えられる。また、透明電極３に含まれる結晶粒３ａの多くは、基板１の主表面１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。これにより、ｎ層４と透明電極３との界面においても、結晶粒の不連続性が生じるため、逆方向リーク電流が抑制され、その結果、開放電圧をより向上させることができると考えられる。
【００２３】
上記した第１実施形態による効果を確認するために以下のような比較実験を行った。まず、プラズマＣＶＤ法を用いて、以下の表１に示す条件で、ｎ層４、ｉ層５およびｐ層６を順次、透明電極３の上面上に積層することによって、第１実施形態による光電変換装置および比較例による光電変換装置を作製した。この場合、比較例では、ｉ層およびｐ層は第１実施形態と同じ条件で形成し、ｎ層のみ異なる条件で形成した。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】
また、表１の条件で形成したｉ層５についても、断面ＴＥＭ観察を行ったところ、基板１の主表面１ａに対して垂直な方向には平均で約２０ｎｍ以上、基板１の主表面１ａに対して平行な方向には平均で約７ｎｍの形状を有する結晶粒が成長していることがわかった。つまり、第１実施形態および比較例によるｉ層は、基板１の主表面１ａに対して略垂直な方向に長径を有していることが判明した。また、第１実施形態によるｎ層４に含まれる結晶粒４ａの基板１の主表面１ａに対して略平行な方向の平均結晶粒径が約１５ｎｍであるのに対して、ｉ層５に含まれる結晶粒５ａの基板１の主表面１ａに対して略平行な方向の平均結晶粒径が約７ｎｍであるので、ｎ層４とｉ層５との界面において、基板１の主表面１ａに対して垂直な方向の結晶粒の不連続性がより高められることになる。このため、逆方向リーク電流がさらに抑制されるので、開放電圧がより向上すると考えられる。
【００２７】
次に、上記した第１実施形態による効果を確認するため、上記第１実施形態および比較例による光電変換装置の出力特性をＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ2、２５℃の疑似太陽光照射条件下で測定した。ここで、ＡＭ（Ａｉｒ Ｍａｓｓ）とは、地球大気に入射する直達太陽光が通過する路程の、標準状態の大気（標準気圧１０１３ｈＰａ）に垂直に入射した場合の路程に対する比である。結果を表３に示す。
【００２８】
【表３】
【００２９】
（第２実施形態）
この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、ｐ層中の結晶粒の分布に不連続性がある光電変換装置について説明する。
【００３０】
図３は、本発明の第２実施形態による光電変換装置を示した断面図である。図３を参照して、以下に第２実施形態による光電変換装置の構造について説明する。
【００３１】
図３に示すように、ガラス基板１１の上面上には、約３００ｎｍの膜厚を有するＡｇからなる金属電極層１２が形成されている。また、金属電極層１２の上面上には、約１００ｎｍの膜厚を有するＡＺＯからなる透明電極１３が形成されている。ここで、透明電極１３は、本発明の「電極層」の一例である。また、透明電極１３の上面上には、リンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｎ層１４（膜厚約５０ｎｍ）、実質的に導電型を決定するための不純物がドープされていない微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｉ層１５（膜厚約２μｍ）、および、ボロンがドープされた微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなるｐ層１６（膜厚約１０ｎｍ）が順次積層された発電ユニットが形成されている。なお、ｎ層１４およびｐ層１６は、本発明の「第１非単結晶半導体層」および「第２非単結晶半導体層」の一例である。また、ｉ層１５は、本発明の「第３非単結晶半導体層」の一例である。
【００３２】
ここで、この第２実施形態では、ｐ層１６は、ｉ層１５の上面に接するｐ２層１９と、ｐ２層１９の上面上に形成されたｐ１層２０とから構成されている。なお、ｐ２層１９およびｐ１層２０は、それぞれ、本発明の「第１層」および「第２層」の一例である。
【００３３】
また、発電ユニットの上面上には、約８０ｎｍの膜厚を有する透明電極１７が形成されている。また、透明電極１７の上面上の所定個所には、銀ペーストからなる集電極１８が形成されている。これにより、本発明の第２実施形態による微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）を光電変換層（発電ユニット）として用いた光電変換装置が構成されている。
【００３４】
図４は、図３に示した本発明の第２実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。図４を参照して、上記実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態としては、ｎ層１４に含まれる結晶粒１４ａの多くは、略等方的な形状を有している。また、ｉ層１５に含まれる結晶粒１５ａの多くは、基板１１の主表面１１ａに対して略垂直な方向の長径を有している。また、ｐ１層２０に含まれる結晶粒２０ａの多くは、略等方的な形状または基板１１の主表面１１ａに対して略垂直な方向の長径を有しているとともに、ｐ２層１９に含まれる結晶粒１９ａの多くは基板１１の主表面１１ａに対して略平行な方向の長径を有している。
【００３５】
これにより、ｉ層１５とｐ層１６との界面だけでなく、ｐ２層１９とｐ１層２０との界面においても、結晶粒の分布に不連続性が生じるため、光電変換装置における逆方向リーク電流のパスと考えられる基板１１の主表面１１ａに対して垂直な方向の結晶粒界がそれぞれの界面において減少すると考えられる。その結果、逆方向リーク電流がさらに抑制されるので、開放電圧がより一層向上すると考えられる。
【００３６】
上記第２実施形態による効果を確認するために、以下のような実験を行った。まず、プラズマＣＶＤ法を用いて、以下の表４に示す条件で、ｎ層１４、ｉ層１５、ｐ２層１９およびｐ１層２０を順次、透明電極層１３の上面上に積層することにより、光電変換装置を作製した。
【００３７】
【表４】
【００３８】
【表５】
【００３９】
図５は、図３に示した本発明の第２実施形態の変形例による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。図５を参照して、この第２実施形態の変形例では、上記第２実施形態と異なり、ｐ層２６を構成するｐ１層２０はｉ層１５と接している。また、第２実施形態と同様、ｐ１層２０に含まれる結晶粒２０ａの多くは略等方的な形状または基板１１の主表面１１ａに対して略垂直な方向の長径を有しているとともに、ｐ２層１９に含まれる結晶粒１９ａの多くは基板１１の主表面１１ａに対して略平行な方向の長径を有している。これにより、第２実施形態と同様、ｐ１層２０とｐ２層１９との界面において、結晶粒の分布に不連続性が生じるため、光電変換装置における逆方向リーク電流のパスと考えられる基板１１の主表面１１ａに対して垂直な方向の結晶粒界が減少すると考えられる。その結果、逆方向リーク電流が抑制されるので、開放電圧を向上させることができると考えられる。
【００４０】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４１】
たとえば、上記各実施形態は、基板の主表面は略平面状であるが、凹凸形状を有していてもよい。この場合、各層の結晶粒の長径方向は、この凹凸面に対して略垂直、または、略平行であってもよい。つまり、光電変換装置内部では略膜厚方向（垂直方向）に電流が流れるため、膜厚方向に略平行な方向の結晶粒界に不連続性が生じていればよい。
【００４２】
また、上記各実施形態では、各層の結晶粒は長径方向が互いに略９０度ずれるようにしたが、本発明はこれに限らず、各層の結晶粒は長径方向が互いに３０度以上ずれていることが好ましい。
【００４３】
また、上記各実施形態において、発電ユニットは１つであるが、本発明はこれに限らず、複数の発電ユニットが積層された、いわゆる積層型の光起電力装置において、少なくとも１つの発電ユニットが上記各実施形態の発電ユニットであればよい。これにより、少なくとも１つの発電ユニットにおいて、基板の主表面に対して垂直な方向の結晶粒界が減少するため、逆方向リーク電流を抑制することができる。その結果、開放電圧を向上させることができる。
【００４４】
また、上記各実施形態において、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）からなる光電変換装置について説明したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなど他の半導体材料からなる光電変換装置であってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、開放電圧を向上させることが可能な光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による光電変換装置を示した断面図である。
【図２】図１に示した本発明の第１実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態による光電変換装置を示した断面図である。
【図４】図３に示した本発明の第２実施形態による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。
【図５】図３に示した本発明の第２実施形態の変形例による光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。
【図６】従来の光電変換装置の構造を説明するための断面図である。
【図７】図６に示した従来の光電変換装置における各層の結晶粒の状態を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
１ 基板
１ａ 主表面
２ 裏面電極
３ 透明電極（電極層）
４ ｎ層（第１非単結晶半導体層または第２非単結晶半導体層）
５ ｉ層（第３非単結晶半導体層）
６ ｐ層（第１非単結晶半導体層または第２非単結晶半導体層）
７ 透明電極
８ 集電極
Claims (6)
- 主表面を有する基板と、
前記基板の主表面上に形成された第１導電型の第１非単結晶半導体層と、
前記基板の主表面上に形成された第２導電型の第２非単結晶半導体層と、
前記第１非単結晶半導体層と前記第２非単結晶半導体層との間に形成され、実質的に真性な第３非単結晶半導体層とを備え、
前記第１非単結晶半導体層および前記第２非単結晶半導体層の少なくともいずれか一方の半導体層と、前記第３非単結晶半導体層との界面部分において、前記第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の多くは、前記基板の主表面に対して実質的に垂直な方向の長径を有し、前記界面部分において前記一方の半導体層に含まれる結晶粒の多くは、前記基板の主表面に対して実質的に平行な方向の長径を有しており、
前記一方の半導体層に含まれる結晶粒の前記基板の主表面に対して平行な方向の平均結晶粒径は、前記第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の前記基板の主表面に対して平行な方向の平均結晶粒径よりも大きい、光電変換装置。 - 主表面を有する基板と、
前記基板の主表面上に形成された第１導電型の第１非単結晶半導体層と、
前記第１非単結晶半導体層の上面上に形成された実質的に真性な第３非単結晶半導体層と、
前記第３非単結晶半導体層の上面上に形成された第２導電型の第２非単結晶半導体層とを備え、
前記第２非単結晶半導体層は、互いに結晶粒の長径方向が実質的に異なる第１層と第２層とが積層され、
前記第１層に含まれる結晶粒の多くは、前記基板の主表面に対して実質的に平行な方向の長径を有しており、
前記第２層に含まれる結晶粒の多くは、前記基板の主表面に対して実質的に垂直な方向の長径を有している、光電変換装置。 - 前記第１層は、前記第３非単結晶半導体層に接しており、
前記第３非単結晶半導体層に含まれる結晶粒の長径方向は、前記基板の主表面に対して実質的に垂直な方向である、請求項２に記載の光電変換装置。 - 前記第１層に含まれる結晶粒の前記基板の主表面に対して平行な方向の平均結晶粒径は、前記第２層に含まれる結晶粒の前記基板の主表面に対して平行な方向の平均結晶粒径よりも大きい、請求項２または３のいずれかに記載の光電変換装置。
- 前記基板と、前記第１非単結晶半導体層および前記第２非単結晶半導体層のいずれか一方との間に、前記第１非単結晶半導体層および前記第２非単結晶半導体層のいずれか一方と接触するように形成された電極層をさらに備え、
前記電極層の結晶粒の長径方向は、前記基板の主表面に対して実質的に垂直な方向である、請求項１〜４のいずれかに記載の光電変換装置。 - 前記第１非単結晶半導体層と前記第２非単結晶半導体層と前記第３非単結晶半導体層とを有する発電ユニットを少なくとも１つ含む、請求項１〜５のいずれかに記載の光電変換装置。
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