JP4441377B2 - Photoelectric conversion device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、光電変換装置およびその製造方法に関し、さらに詳しくは光電変換装置の高効率化技術に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a technology for improving the efficiency of a photoelectric conversion device.

電力エネルギー資源として利用される石油等の化石燃料は、残存資源量の問題から将来の供給不足が懸念されているとともに、地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素排出の問題があるので、当該化石燃料の代替エネルギー源として太陽電池が注目されている。
上記太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換層に、半導体によるpn接合を用いるものが一般的であり、原材料としてはシリコンが最も広く用いられている。シリコンを利用した太陽電池として現在最も普及しているものは、単結晶シリコン、多結晶シリコン等のバルク結晶を用いたものであり、近年これらバルク結晶系太陽電池の生産量の大幅拡大により太陽電池モジュール価格が低下し、太陽光発電システムの普及が急拡大している。しかし、バルク結晶系太陽電池は数百μmの厚さのシリコン基板を用いているため、太陽電池価格のうちシリコン原材料費の占める割合が大きく、大幅な低コスト化が難しくなってきているのが現状である。
Oil and other fossil fuels used as electric energy resources are concerned about the future supply shortage due to the problem of residual resources, and there is a problem of carbon dioxide emissions that cause global warming. Solar cells are attracting attention as an alternative energy source for fuel.
The solar cell generally uses a pn junction made of a semiconductor for a photoelectric conversion layer that converts light energy into electric energy, and silicon is most widely used as a raw material. Currently, the most popular solar cells using silicon are those using bulk crystals such as single crystal silicon and polycrystalline silicon. In recent years, the production of these bulk crystal solar cells has greatly increased. Module prices are falling and the spread of photovoltaic power generation systems is expanding rapidly. However, since bulk crystal solar cells use a silicon substrate with a thickness of several hundred μm, the silicon raw material costs account for a large portion of the solar cell price, making it difficult to significantly reduce costs. Currently.

また、太陽電池は発電時に二酸化炭素等の排出物を出さないクリーンエネルギーとして知られているが、太陽電池製造時にはエネルギー投入が必要であり、該エネルギー投入は二酸化炭素排出を伴うため、上述の地球温暖化現象の対策としての太陽電池普及拡大において、製造時の二酸化炭素排出量を低減することも重要課題の一つである。しかし、上記バルク結晶系太陽電池に使用されている単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板ともに、製造時のシリコン溶融に1500℃以上の高温が必要であるため、シリコンのバルク結晶成長を利用する方式において製造時の二酸化炭素排出量を今後大幅に低減していくことは困難であると考えられる。   In addition, solar cells are known as clean energy that does not emit carbon dioxide and other emissions during power generation. However, when solar cells are manufactured, energy input is required, and the energy input involves carbon dioxide emission. Reducing carbon dioxide emissions during production is also an important issue in the spread of solar cells as a countermeasure against global warming. However, since both the single crystal silicon substrate and the polycrystalline silicon substrate used in the bulk crystal solar cell require a high temperature of 1500 ° C. or higher for melting silicon during production, a method utilizing the bulk crystal growth of silicon Therefore, it is considered difficult to significantly reduce carbon dioxide emissions during production in the future.

一方、使用するシリコン量を上記バルク結晶系太陽電池に対して大幅に低減して低コスト化を図る次世代太陽電池技術として、薄膜シリコン太陽電池の技術開発が行われている。該薄膜シリコン太陽電池は、ガラス基板やステンレス基板などの上にプラズマCVD法等により膜厚数μm程度のシリコン薄膜を堆積させることにより作製される。したがって、シリコン使用量が上記バルク結晶系太陽電池の数百分の一程度に低減できるだけでなく、一回の製膜で大面積の太陽電池を作製できるので、低コスト化が可能な太陽電池として近年注目が高まっている。また、薄膜シリコン半導体層は300℃以下の低温プロセスで作製できるため、バルク結晶系太陽電池と比較して製造時の投入エネルギー、ひいては二酸化炭素排出量を大幅に低減することができる。   On the other hand, as a next-generation solar cell technology for reducing the cost by greatly reducing the amount of silicon used for the bulk crystal solar cell, a thin-film silicon solar cell has been developed. The thin film silicon solar cell is manufactured by depositing a silicon thin film having a thickness of several μm on a glass substrate, a stainless steel substrate or the like by a plasma CVD method or the like. Therefore, not only the amount of silicon used can be reduced to about one-hundredth of the bulk crystal solar cell, but also a solar cell with a large area can be produced by a single film formation. In recent years, attention has been increasing. In addition, since the thin film silicon semiconductor layer can be manufactured by a low temperature process of 300 ° C. or lower, the input energy at the time of manufacture, and hence the carbon dioxide emission amount can be greatly reduced as compared with the bulk crystal solar cell.

上記薄膜シリコン太陽電池の光電変換層は、一般的に、水素化アモルファスシリコンや水素化微結晶シリコンなどの半導体薄膜により形成される。なお、本明細書において用語「アモルファス」は、当該分野で一般的に使われる「アモルファス」と同義語として使用する。また、用語「微結晶」は、当該分野で一般的に使われるとおり、実質的に結晶相のみからなる状態だけでなく、結晶相とアモルファス相が混在した状態のものも含むこととする。たとえば、ラマン散乱スペクトルにおいて、結晶シリコン中のシリコン−シリコン結合に帰属されている520cm-1付近の鋭いピークがわずかでも検出されれば「微結晶シリコン」であると考えられており、本明細書においても同様の意味で用語「微結晶シリコン」を使用する。つまり、「微結晶シリコン」は、シリコン原子を結晶シリコン相として含有しているものであり、実質的に結晶シリコン相のみからなる状態だけでなく、結晶シリコン相とアモルファス相が混在した状態のものも含む。上記水素化微結晶シリコン太陽電池は、水素化アモルファスシリコン太陽電池と比べて光劣化が生じない点で優れており、より高効率化が可能な薄膜シリコン太陽電池として近年注目されている。 The photoelectric conversion layer of the thin film silicon solar cell is generally formed of a semiconductor thin film such as hydrogenated amorphous silicon or hydrogenated microcrystalline silicon. In this specification, the term “amorphous” is used as a synonym for “amorphous” generally used in this field. Further, the term “microcrystal” includes not only a state substantially consisting of only a crystalline phase but also a state in which a crystalline phase and an amorphous phase are mixed, as generally used in the field. For example, in the Raman scattering spectrum, if even a slight peak near 520 cm −1 attributed to a silicon-silicon bond in crystalline silicon is detected, it is considered “microcrystalline silicon”. The term “microcrystalline silicon” is used in the same sense. In other words, “microcrystalline silicon” contains silicon atoms as a crystalline silicon phase and is not only in a state consisting essentially of a crystalline silicon phase, but also in a state where a crystalline silicon phase and an amorphous phase are mixed. Including. The hydrogenated microcrystalline silicon solar cell is superior to a hydrogenated amorphous silicon solar cell in that photodegradation does not occur, and has attracted attention in recent years as a thin film silicon solar cell capable of achieving higher efficiency.

一般的な薄膜シリコン太陽電池の構造として、スーパーストレート型とサブストレート型の二つが挙げられる。スーパーストレート型構造とは、透光性基板上に透明導電層、光電変換層、電極層がこの順に積層して形成され、上記透光性基板側が光入射面となる構造である。一方、サブストレート型構造とは、基板上に電極層、光電変換層、透明導電層、グリッド電極がこの順に積層して形成され、上記グリッド電極側が光入射面となる構造である。いずれの構造においても、光電変換層は、p導電型を示す半導体層(以下、p層と称する)、真性半導体層(以下、i層と称する)、およびn導電型を示す半導体層(以下、n層と称する)から構成されるpin接合を備える場合が多い。   As a structure of a general thin film silicon solar cell, there are two types, a super straight type and a substrate type. The super straight type structure is a structure in which a transparent conductive layer, a photoelectric conversion layer, and an electrode layer are laminated in this order on a translucent substrate, and the translucent substrate side serves as a light incident surface. On the other hand, the substrate type structure is a structure in which an electrode layer, a photoelectric conversion layer, a transparent conductive layer, and a grid electrode are laminated on a substrate in this order, and the grid electrode side serves as a light incident surface. In any structure, the photoelectric conversion layer includes a semiconductor layer exhibiting p conductivity type (hereinafter referred to as a p layer), an intrinsic semiconductor layer (hereinafter referred to as i layer), and a semiconductor layer exhibiting an n conductivity type (hereinafter referred to as p layer). It is often provided with a pin junction composed of n layers).

以上述べてきたように、上記薄膜シリコン太陽電池は、大面積同時形成による低コスト化が可能であるとともに、製造時の二酸化炭素排出量が低減できるという利点を持ちながらも、現実的にはバルク結晶系太陽電池のような市場拡大フェーズには到っていない。その主要因は、バルク結晶系太陽電池と比較して低い光電変換効率であると考えられる。すなわち、太陽電池の光電変換効率は低くなればなるほど、同発電容量をまかなうための太陽電池モジュール枚数が増加しそれとともに設置コストも増大するため、低コストの薄膜シリコン太陽電池を用いているにも関わらず、システム価格が必ずしもバルク結晶系太陽電池より低くならないという問題がある。   As described above, the thin-film silicon solar cell has the advantage of being able to reduce the cost by simultaneously forming a large area and can reduce carbon dioxide emissions during production, but in reality it is bulky. It has not yet reached a market expansion phase like crystalline solar cells. The main factor is considered to be the low photoelectric conversion efficiency compared with the bulk crystal solar cell. In other words, the lower the photoelectric conversion efficiency of the solar cell, the more the number of solar cell modules to cover the same power generation capacity, and the installation cost also increases. Therefore, low-cost thin-film silicon solar cells are used. Nevertheless, there is a problem that the system price is not necessarily lower than that of a bulk crystal solar cell.

したがって、薄膜シリコン太陽電池の本格普及のためには高効率化が重要な課題であり、その一手段として、太陽電池の光入射面側の半導体層(以下、窓層とよぶ)のワイドバンドギャップ化技術が、精力的に研究されている。上記薄膜シリコン太陽電池は、窓層のバンドギャップを広げることにより、窓層における光吸収損失の低減による短絡電流密度の増加と、拡散電位の増加による開放電圧の増加が得られるので、光電変換効率を高めることができる。なお、アモルファスシリコンi層を活性層として用いる場合には、正孔のキャリア移動度が電子に比べて低いため、p型半導体層を光入射側の窓層とすることでキャリア収集効率を高めるようにするのが一般的である。微結晶シリコンi層を活性層に用いる場合でも、これを踏襲する場合が多い。   Therefore, high efficiency is an important issue for the full-scale spread of thin-film silicon solar cells. As one means, a wide band gap of a semiconductor layer (hereinafter referred to as a window layer) on the light incident surface side of the solar cell. The technology has been studied energetically. The thin-film silicon solar cell can increase the short-circuit current density by reducing the light absorption loss in the window layer and increase the open-circuit voltage by increasing the diffusion potential by widening the band gap of the window layer. Can be increased. When the amorphous silicon i layer is used as the active layer, the carrier mobility of holes is lower than that of electrons, so that the p-type semiconductor layer is used as a window layer on the light incident side to improve carrier collection efficiency. It is common to make it. Even when a microcrystalline silicon i layer is used as an active layer, this is often followed.

上記のような窓層のワイドバンドギャップ化に関する従来技術として、特開2002−16271号公報(特許文献1)に記載の薄膜光電変換装置が挙げられる。当該技術は、p型導電性のp型半導体層、実質的に真性なi型半導体層、n型導電性のn型半導体層を積層してなる少なくとも一つのpin接合構造を含む光電変換層と、その光電変換層の光入射側に備えられた導電性かつ光透過性の第1電極と、その第1電極と対向する面に備えられた第2電極とを有する薄膜光電変換装置において、pin接合を構成するi型半導体層が、微結晶シリコン又は微結晶シリコンゲルマニウムからなり、これと接するp型半導体層、n型半導体層の少なくとも一方が、微結晶シリコンカーバイドと微結晶シリコンとの混晶からなる。この薄膜光電変換装置によれば、p型半導体層、n型半導体層の光吸収が低減されるとともに、界面のバンドギャップが大きくなるため界面再結合が低減されて、高い光電変換効率が得られるとしている。さらに、特許文献1では、上記微結晶シリコンカーバイドと微結晶シリコンとの混晶の炭素量が、原子比で10〜30% の範囲にすることが好ましいとされており、上記原子比が10%未満であると、光吸収率の低下が不十分で微結晶シリコンカーバイドを混ぜた効果がなく、逆に30%を越える炭素量では抵抗が大きくなり、十分な飽和電流密度が得られず実用的でないと記載されている。   As a conventional technique related to the wide band gap of the window layer as described above, there is a thin film photoelectric conversion device described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-16271 (Patent Document 1). The technology includes a p-type conductive p-type semiconductor layer, a substantially intrinsic i-type semiconductor layer, and a photoelectric conversion layer including at least one pin junction structure formed by laminating an n-type conductive n-type semiconductor layer; In a thin film photoelectric conversion device having a conductive and light transmissive first electrode provided on the light incident side of the photoelectric conversion layer and a second electrode provided on a surface facing the first electrode, The i-type semiconductor layer constituting the junction is made of microcrystalline silicon or microcrystalline silicon germanium, and at least one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer in contact therewith is a mixed crystal of microcrystalline silicon carbide and microcrystalline silicon. Consists of. According to this thin film photoelectric conversion device, the light absorption of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is reduced, and the band gap of the interface is increased, so that interface recombination is reduced and high photoelectric conversion efficiency is obtained. It is said. Further, in Patent Document 1, it is preferable that the carbon content of the mixed crystal of the microcrystalline silicon carbide and the microcrystalline silicon is in the range of 10 to 30% in terms of atomic ratio, and the atomic ratio is 10%. If it is less than 30%, the light absorption rate is not sufficiently lowered, and there is no effect of mixing microcrystalline silicon carbide. Conversely, if the amount of carbon exceeds 30%, the resistance increases, and a sufficient saturation current density cannot be obtained. It is stated that it is not.

以上のように、特許文献1はp型のワイドバンドギャップ化によって高効率化を実現した技術であるが、n型半導体層のワイドバンドギャップ化によっても、同様の効果が期待できる。その一例としては、例えば特開2002−9313号公報(特許文献2)に記載の薄膜太陽電池である。当該技術は、複数の半導体層を積層してなるpin接合型薄膜太陽電池において、アモルファスシリコンを主材料としたpin構造からなり、pin構造のn層のバンドギャップがi層のそれよりも広く、i層中に微量のn型不純物を含有することを特徴とする薄膜太陽電池である。この薄膜太陽電池によれば、i層中に含まれる微量のn型不純物によって、i/n界面での内部電界が弱くなった場合に、i層よりもバンドギャップの大きなn層によって、界面にバンドオフセットが発生し、これがキャリアの逆拡散をブロックする方向に働いて、界面でのキャリアロスが大幅に減少し、結果として効率が向上するとしている。バンドギャップが大きなn層として好適な材料としては、アモルファスシリコンオキサイド、アモルファスシリコンカーバイド、アモルファスシリコンオキシカーバイド、アモルファスシリコンナイトライド、アモルファスシリコンオキシナイトライドなどを挙げている。   As described above, Patent Document 1 is a technology that achieves high efficiency by increasing the p-type wide band gap, but the same effect can be expected by increasing the wide band gap of the n-type semiconductor layer. As an example, there is a thin film solar cell described in, for example, JP-A-2002-9313 (Patent Document 2). The technology is a pin junction thin film solar cell in which a plurality of semiconductor layers are stacked, and has a pin structure mainly composed of amorphous silicon, and the band gap of the n layer of the pin structure is wider than that of the i layer, It is a thin film solar cell characterized by containing a trace amount of n-type impurities in the i layer. According to this thin-film solar cell, when the internal electric field at the i / n interface is weakened by a small amount of n-type impurities contained in the i layer, the n layer having a larger band gap than the i layer causes A band offset occurs, which acts in a direction to block carrier despreading, and carrier loss at the interface is greatly reduced, resulting in improved efficiency. Examples of suitable materials for the n layer having a large band gap include amorphous silicon oxide, amorphous silicon carbide, amorphous silicon oxycarbide, amorphous silicon nitride, and amorphous silicon oxynitride.

しかしながら、i層に特にn型不純物が含まれず、したがってi/n界面での内部電界が弱くなっていない場合において、ワイドバンドギャップ材料をn層に用いることにより、p層をワイドバンドギャップ化した場合と同等の光電変換効率向上効果を得るには至っていないという課題がある。特許文献1には、p型半導体層で得られた高効率化技術が、n型半導体層においても適用できるという内容の技術が掲載されているが、当該技術には以下に述べる問題点が存在する。   However, when the i layer does not contain any n-type impurities, and the internal electric field at the i / n interface is not weakened, the wide band gap is formed by using the wide band gap material for the n layer. There is a problem that the photoelectric conversion efficiency improvement effect equivalent to the case has not been obtained. Japanese Patent Laid-Open No. 2004-228561 discloses a technology that indicates that the high-efficiency technology obtained with the p-type semiconductor layer can also be applied to the n-type semiconductor layer. However, this technology has the following problems. To do.

特許文献1の技術では、ワイドバンドギャップ化のための添加元素として炭素を使用する場合、10原子%以上の多量の炭素がシリコン膜中に含有されることが要求されるが、これは同時に膜中のシリコン未結合手の増加を伴う。換言すれば、10原子%以上の高濃度に不純物が添加されるので、不純物濃度が低い場合と比較して、膜中に形成されるシリコン未結合手の密度は増加する。したがって、上記半導体層の欠陥密度が増加するとともに導電率が低下するので、太陽電池の形状因子が低下する可能性がある。また、不純物元素である炭素の膜中濃度が増加するにつれて、p型半導体層またはn型半導体層にドープされる導電型決定元素が膜中でドーパントとして活性化する際の、活性化効率が低下することが知られており、高濃度に不純物が添加されることによりキャリア濃度が低下するというデメリットが生じる。さらに、膜中の不純物元素濃度は小さいほど結晶化しやすく、上記高濃度条件ではp型半導体層またはn型半導体層中のアモルファス相の比率が増加する可能性がある。また、上記特許文献1の技術では、微結晶シリコンカーバイドの作製において使用される炭素含有ガスは、最終的に二酸化炭素排出量の増加をもたらすため好ましくない。より詳しくは、上記プラズマCVD法において、CVD装置に導入される炭素含有ガスの大部分はプラズマ中で分解されずに排気されるため、光電変換層の膜中に取り込まれない分の炭素は除害装置等を経由して処理されることになる。したがって、上記炭素含有ガスの使用は、太陽電池製造時の二酸化炭素排出量増加を招く。   In the technique of Patent Document 1, when carbon is used as an additive element for wide band gap, a large amount of carbon of 10 atomic% or more is required to be contained in the silicon film. Accompanied by an increase in silicon dangling hands. In other words, since the impurity is added at a high concentration of 10 atomic% or more, the density of silicon dangling bonds formed in the film increases as compared with the case where the impurity concentration is low. Therefore, since the defect density of the semiconductor layer increases and the conductivity decreases, the form factor of the solar cell may decrease. Further, as the concentration of carbon, which is an impurity element, in the film increases, the activation efficiency when the conductivity determining element doped in the p-type semiconductor layer or the n-type semiconductor layer is activated as a dopant in the film decreases. It is known that the carrier concentration is lowered by adding impurities at a high concentration. Furthermore, the smaller the impurity element concentration in the film, the easier it is to crystallize, and there is a possibility that the ratio of the amorphous phase in the p-type semiconductor layer or n-type semiconductor layer will increase under the high concentration conditions. In the technique of Patent Document 1, the carbon-containing gas used in the production of the microcrystalline silicon carbide is not preferable because it ultimately causes an increase in carbon dioxide emission. More specifically, in the above plasma CVD method, most of the carbon-containing gas introduced into the CVD apparatus is exhausted without being decomposed in the plasma, so that the carbon that is not taken into the film of the photoelectric conversion layer is excluded. It will be processed via harmful devices. Therefore, the use of the carbon-containing gas causes an increase in carbon dioxide emission during the production of solar cells.

特開2002−16271号公報JP 2002-16271 A 特開2002−9313号公報JP 2002-9313 A

本発明は、n型導電型半導体層に高濃度に不純物元素を含有させることなく、開放電圧および短絡電流を増加させ、光電変換効率を向上させた光電変換装置を提供すること、および、該光電変換装置の提供により製造時の二酸化炭素排出量を抑制することを課題とする。   The present invention provides a photoelectric conversion device in which the open-circuit voltage and the short-circuit current are increased and the photoelectric conversion efficiency is improved without containing an impurity element at a high concentration in the n-type conductive semiconductor layer, and the photoelectric conversion device It is an object of the present invention to suppress carbon dioxide emissions during production by providing a conversion device.

本発明者らは、上記pin型光電変換層におけるn型半導体層の少なくとも1つの層が窒素原子を含有することにより、窒素原子を含有しない場合に比して高い光電変換効率が得られることを見出し、本発明の完成に至った。
かくして、本発明によれば、p型半導体層、i型半導体層およびシリコン原子を少なくとも含有するn型半導体層を積層して構成される1つ以上のpin型光電変換層を有し、かつ、前記1つ以上のpin型光電変換層における少なくとも1つの前記n型半導体層が窒素原子を含有し、窒素原子を含有するn型半導体層は、その中に含まれる窒素原子の濃度が0.001〜10原子%であり、結晶シリコン相を有する光電変換装置が提供される。
本発明は別の観点によれば、基板上に導電膜を介してp型半導体層、i型半導体層およびn型半導体層を備えた光電変換層を1つ以上形成する工程を有し、前記光電変換層のn型半導体層を形成する工程において、シリコン原子、n型導電性元素および窒素原子を含む原料ガスを用いて、シリコン原子濃度に対する窒素原子濃度が0.001〜10原子%で窒素原子を含有するように、かつ窒素原子を含有するn型半導体層が結晶シリコン相を有するように形成する光電変換装置の製造方法が提供される。
The present inventors have found that at least one layer of the n-type semiconductor layer in the pin-type photoelectric conversion layer contains a nitrogen atom, so that a higher photoelectric conversion efficiency can be obtained than when no nitrogen atom is contained. The headline, the present invention has been completed.
Thus, according to the present invention, the p-type semiconductor layer, the i-type semiconductor layer, and one or more pin-type photoelectric conversion layers configured by laminating at least a silicon atom-containing n-type semiconductor layer, and At least one n-type semiconductor layer in the one or more pin-type photoelectric conversion layers contains nitrogen atoms, and the concentration of nitrogen atoms contained in the n-type semiconductor layer containing nitrogen atoms is 0.001. There is provided a photoelectric conversion device having a crystal silicon phase of -10 atomic% .
The present invention according to another aspect includes forming p-type semiconductor layer via a conductive film on a substrate, a photoelectric conversion layer with i-type semiconductor layer and n-type semiconductor layer of one or more, the In the step of forming the n-type semiconductor layer of the photoelectric conversion layer, nitrogen gas having a nitrogen atom concentration of 0.001 to 10 atom% with respect to the silicon atom concentration is obtained using a source gas containing silicon atoms, an n-type conductive element, and nitrogen atoms. Provided is a method for manufacturing a photoelectric conversion device that includes an atom and an n-type semiconductor layer that includes a nitrogen atom so as to have a crystalline silicon phase .

本発明の光電変換装置によれば、特に、窒素原子を含有するn型半導体層は、その中に含まれる窒素原子の濃度が0.01〜10原子%であるときに、開放電圧および短絡電流を増加させ、光電変換効率を向上させることができ、薄膜シリコン太陽電池の高効率化を実現することができる。
また、本発明の光電変換装置の製造方法によれば、バルク結晶系太陽電池に比して投入エネルギーを大幅に低減しながら上記高効率の光電変換装置を製造することができ、製造時の二酸化炭素排出量を大幅に抑制することができる。
According to the photoelectric conversion device of the present invention, in particular, the n-type semiconductor layer containing nitrogen atoms has an open-circuit voltage and a short-circuit current when the concentration of nitrogen atoms contained therein is 0.01 to 10 atomic%. Can be increased, the photoelectric conversion efficiency can be improved, and high efficiency of the thin-film silicon solar cell can be realized.
In addition, according to the method for manufacturing a photoelectric conversion device of the present invention, the above highly efficient photoelectric conversion device can be manufactured while significantly reducing the input energy as compared with a bulk crystal solar cell. Carbon emissions can be greatly reduced.

本発明の光電変換装置は、p型半導体層、i型半導体層およびシリコン原子を少なくとも含有するn型半導体層を積層して構成される1つ以上のpin型光電変換層を有し、かつ、前記1つ以上のpin型光電変換層における少なくとも1つの前記n型半導体層が窒素原子を含有する The photoelectric conversion device of the present invention has one or more pin-type photoelectric conversion layers configured by laminating a p- type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer containing at least silicon atoms, and At least one n-type semiconductor layer in the one or more pin-type photoelectric conversion layers contains a nitrogen atom .

上記構造の光電変換装置において、n型半導体層の窒素濃度は0.001〜10原子%が好ましく、0.01〜10原子%とするのがより好ましい。これにより、上記開放電圧の増加に加えて、n型半導体層の透過率が向上することによる光電変換装置の短絡電流増加の効果が得られるため、より光電変換効率が向上する。
また、光電変換装置において、n型半導体層が結晶シリコン相を含有することがさらに好ましい。換言すれば、n型半導体層が窒素原子を含む微結晶シリコン層であればよい。n型半導体層を微結晶シリコン層とすることにより、アモルファスシリコン層と比べてn型半導体層の導電性が向上するために直列抵抗を低減することができるので、光電変換装置の形状因子が増加し、これにより高い光電変換効率を得ることができる。さらに、n型半導体層の結晶化率を3以上とすることにより、i型半導体層との結合が良好に形成されるため、高い光電変換効率が得られるので、より好ましい。
In the photoelectric conversion device of the structure, the nitrogen concentration of the n-type semiconductor layer is preferably 0.001 to 10 atomic%, more preferably 0.01 to 10 atomic%. Thereby, in addition to the increase in the open circuit voltage, the effect of increasing the short-circuit current of the photoelectric conversion device due to the increase in the transmittance of the n-type semiconductor layer can be obtained, so that the photoelectric conversion efficiency is further improved.
Further, in the photoelectric conversion device, it is further preferable that the n-type semiconductor layer containing crystalline silicon phase. In other words, the n-type semiconductor layer may be a microcrystalline silicon layer containing nitrogen atoms. By making the n-type semiconductor layer a microcrystalline silicon layer, the conductivity of the n-type semiconductor layer is improved as compared to the amorphous silicon layer, so that the series resistance can be reduced, and the form factor of the photoelectric conversion device is increased. As a result, high photoelectric conversion efficiency can be obtained. Furthermore, by setting the crystallization rate of the n-type semiconductor layer to 3 or more, since the bond with the i-type semiconductor layer is well formed, high photoelectric conversion efficiency is obtained, which is more preferable.

また、光電変換装置において、i型半導体層がシリコン原子を結晶シリコン相として含有することがさらに好ましい。換言すれば、上記i型半導体層が微結晶シリコン層であればよい。これにより、光劣化のないi型半導体層が得られるだけでなく、微結晶シリコン層からなるn型半導体層とi型半導体層が良好な接合を形成するので、それによりi/n層界面再結合抑制効果が高まるため、光電変換装置の形状因子が増加し、さらに高い光電変換効率を得ることができる。 Further, in the photoelectric conversion device, it is further preferable that the i-type semiconductor layer containing silicon atoms as the crystalline silicon phase. In other words, the i-type semiconductor layer may be a microcrystalline silicon layer. As a result, not only an i-type semiconductor layer without photodegradation can be obtained, but also an n-type semiconductor layer made of a microcrystalline silicon layer and an i-type semiconductor layer form a good junction, whereby the i / n layer interface is regenerated. Since the coupling suppression effect is enhanced, the form factor of the photoelectric conversion device is increased, and higher photoelectric conversion efficiency can be obtained.

また、光電変換装置において、p型半導体層が、炭素原子、窒素原子などの不純物を含むことがさらに好ましい。これらの不純物を含むことにより、光電変換効率が向上する。その理由としては、(1)p型半導体層のバンドギャップが広がって拡散電位が増加すること、(2)不純物添加による結晶粒界の界面パッシベーション及びp型半導体層/i型半導体層界面パッシベーションの効果により界面再結合が低減すること、などが考えられる。また、不純物の濃度が低い場合には、p型半導体層とi型半導体層との間における、バンドギャップの不連続又はミスマッチがあまり生じず、したがって、両層の間に、界面層などを設ける必要がないため、簡易に、かつ、安価で、光電変換効率が高い光電変換装置を得ることができる。 Further, in the photoelectric conversion device, p-type semiconductor layer further preferably contains impurities such as carbon atom, a nitrogen atom. By including these impurities, the photoelectric conversion efficiency is improved. The reasons are as follows: (1) the band gap of the p-type semiconductor layer widens and the diffusion potential increases; (2) the interface passivation at the grain boundaries due to the addition of impurities and the p-type semiconductor layer / i-type semiconductor layer interface passivation. It is conceivable that interface recombination is reduced due to the effect. Further, when the impurity concentration is low, band gap discontinuity or mismatch does not occur so much between the p-type semiconductor layer and the i-type semiconductor layer. Therefore, an interface layer or the like is provided between the two layers. Since it is not necessary, a photoelectric conversion device that is simple, inexpensive, and has high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

なお、光電変換装置は、光が基板側から入射するスーパーストレート型構造であってもよいし、光が基板と反対側、すなわちグリッド電極側から入射するサブストレート型構造であってもよい。また、pin型光電変換層を2つ備えたスーパーストレート型積層型光電変換装置であってもよいし、サブストレート型積層型光電変換装置であってもよい。また、積層型光電変換装置においては、光電変換層を3つ以上備えていてもよい。さらに、積層型光電変換装置においては、光電変換層の間に透光性導電膜を備えていてもよい。 Note that the photoelectric conversion device may have a super straight type structure in which light is incident from the substrate side, or may have a substrate type structure in which light is incident from the opposite side of the substrate, that is, the grid electrode side. Further, it may be a super straight type stacked photoelectric conversion device provided with two pin type photoelectric conversion layers or a substrate type stacked photoelectric conversion device. In the stacked photoelectric conversion device, three or more photoelectric conversion layers may be provided. Further, in the stacked photoelectric conversion device, a light-transmitting conductive film may be provided between the photoelectric conversion layers.

以下、本発明の光電変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the photoelectric conversion device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.

[実施の形態1]
図1に示すように、実施の形態1の光電変換装置100は、スーパーストレート型であり、基板11上に、光電変換層10と透明導電層15と電極16がこの順番で積層されて構成されている。
[Embodiment 1]
As shown in FIG. 1, the photoelectric conversion device 100 of Embodiment 1 is a super straight type, and is configured by laminating a photoelectric conversion layer 10, a transparent conductive layer 15, and an electrode 16 in this order on a substrate 11. ing.

<基板の説明>
基板11は、透光性基板11aの上に透明導電層11bを堆積させて作製される。透光性基板11aとしては、ガラス板あるいはポリイミド、ポリビニル等の耐熱性を有する透光性樹脂板、さらにそれらが積層されたものなどが好適に用いられるが、光透過性が高く光電変換装置全体を構造的に支持し得るものであれば特に限定されない。また、それらの表面に金属膜、透明導電膜、絶縁膜等を被覆したものであってもよい。ただし、光電変換装置をサブストレート型構造に適用する場合には、上記透光性基板11aの代わりにステンレスなどの不透光性基板を用いてもよい。
<Description of substrate>
The substrate 11 is manufactured by depositing a transparent conductive layer 11b on a translucent substrate 11a. As the translucent substrate 11a, a glass plate, a translucent resin plate having heat resistance such as polyimide and polyvinyl, and a laminate of them are preferably used. However, the entire photoelectric conversion device has high light transmissivity. If it can support structurally, it will not specifically limit. Further, the surface thereof may be a metal film, a transparent conductive film, an insulating film, or the like. However, when the photoelectric conversion device is applied to a substrate type structure, an opaque substrate such as stainless steel may be used instead of the transparent substrate 11a.

透明導電層11bは透明導電性の材料からなり、例えば、ITO、酸化錫および酸化亜鉛等の透明導電性膜の単層または複数積層させたものを用いることができる。透明導電層11bは電極としての役割を担っているので、電気伝導性が高い方が好ましく、微量の不純物を添加することで電気伝導性を向上させたものを用いることもできる。透明導電層11bの形成方法としては、スパッタリング法、CVD法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法、スプレー法および電析法などの公知の方法が挙げられる。また、透明導電層11bの表面に凹凸形状が形成されていることが好ましい。この凹凸によって、透光性基板11a側から入射した入射光を散乱・屈折させて光路長を伸ばすことができるので、光電変換層10内での光閉じ込め効果が高まり短絡電流の向上が期待できる。透明導電層11bの表面に凹凸を形成する方法としては、透光性基板11aの上に一旦透明導電層11bを堆積させた後、エッチング法やサンドブラストのような機械加工により凹凸を形成する方法、透明導電層製膜時に膜材料の結晶成長により形成される表面凹凸を利用する方法、結晶成長面が配向しているために規則的な表面凹凸が形成されることを利用する方法等を用いてもよい。本実施の形態においては、膜材料の結晶成長時に形成される凹凸を利用した基板として、白板ガラス上にCVD法により酸化錫層を堆積させたもの(旭硝子(株)、商品名Asahi−U)を基板11として用いた。さらに、基板11上に、スパッタリング法で酸化亜鉛層を堆積させることにより、後に光電変換層10を形成する際に上記酸化錫層がプラズマによる損傷を受けるのを防止することができるので、より好ましい。   The transparent conductive layer 11b is made of a transparent conductive material. For example, a single layer or a plurality of laminated layers of transparent conductive films such as ITO, tin oxide, and zinc oxide can be used. Since the transparent conductive layer 11b plays a role as an electrode, it is preferable that the electrical conductivity is high, and a layer whose electrical conductivity is improved by adding a small amount of impurities can also be used. Examples of the method for forming the transparent conductive layer 11b include known methods such as a sputtering method, a CVD method, an electron beam vapor deposition method, a sol-gel method, a spray method, and an electrodeposition method. Moreover, it is preferable that the uneven | corrugated shape is formed in the surface of the transparent conductive layer 11b. The unevenness can scatter and refract incident light incident from the translucent substrate 11a side to extend the optical path length, so that the light confinement effect in the photoelectric conversion layer 10 is enhanced and an improvement in the short circuit current can be expected. As a method for forming irregularities on the surface of the transparent conductive layer 11b, after the transparent conductive layer 11b is once deposited on the translucent substrate 11a, the irregularities are formed by mechanical processing such as etching or sand blasting, Using a method using surface irregularities formed by crystal growth of a film material when forming a transparent conductive layer, a method utilizing regular surface irregularities formed because the crystal growth surface is oriented, etc. Also good. In the present embodiment, a substrate using unevenness formed during crystal growth of a film material is obtained by depositing a tin oxide layer on a white plate glass by a CVD method (Asahi Glass Co., Ltd., trade name Asahi-U). Was used as the substrate 11. Furthermore, it is more preferable that a zinc oxide layer is deposited on the substrate 11 by a sputtering method, so that the tin oxide layer can be prevented from being damaged by plasma when the photoelectric conversion layer 10 is formed later. .

<光電変換層の説明>
光電変換層10は、構成材料のうち主材料はシリコンであり、特にアモルファスシリコン、微結晶シリコン等が好適に用いられる。ここで、本発明において、用語「アモルファスシリコン」および「微結晶シリコン」は、それぞれ、当該分野で一般的に使われる、「水素化アモルファスシリコン」および「水素化微結晶シリコン」を含むものとする。本実施の形態の光電変換層10は、基板11側からp型半導体層12、i型半導体層13、n型半導体層14をこの順に堆積させてpin接合構造が形成されている。各型の半導体層の膜厚は、特に限定されるものではないが、p型半導体層12が5〜50nm、i型半導体層13が100〜5000nm、n型半導体層14が5〜100nmの範囲とすることがよく、好ましくはp型半導体層12が10〜30nm、i型半導体層13が200〜
4000nm、n型半導体層14が10〜30nmである。
<Description of photoelectric conversion layer>
The main material of the photoelectric conversion layer 10 is silicon, and amorphous silicon, microcrystalline silicon, or the like is particularly preferably used. Here, in the present invention, the terms “amorphous silicon” and “microcrystalline silicon” include “hydrogenated amorphous silicon” and “hydrogenated microcrystalline silicon”, which are generally used in this field, respectively. In the photoelectric conversion layer 10 of the present embodiment, a p-type semiconductor layer 12, an i-type semiconductor layer 13, and an n-type semiconductor layer 14 are deposited in this order from the substrate 11 side to form a pin junction structure. The film thickness of each type of semiconductor layer is not particularly limited, but the p-type semiconductor layer 12 is 5 to 50 nm, the i-type semiconductor layer 13 is 100 to 5000 nm, and the n-type semiconductor layer 14 is 5 to 100 nm. Preferably, the p-type semiconductor layer 12 is 10 to 30 nm, and the i-type semiconductor layer 13 is 200 to 200 nm.
4000 nm, n-type semiconductor layer 14 is 10-30 nm.

p型半導体層12は、p型導電性決定元素がドープされたシリコン層である。上記p型導電性決定元素としては、ホウ素、アルミニウム、ガリウム等の不純物原子を用いることができる。p型半導体層12はアモルファスシリコン層であっても微結晶シリコン層であってもよい。ここで、微結晶シリコン層とは、プラズマCVD法などの非平衡プロセスを用いて低温で形成される場合の、微細な結晶シリコン相とアモルファスシリコン相の混合相からなる半導体層を意味する。p型半導体層12が結晶シリコン相を含む場合には、高い導電性を得られ光電変換層の直列抵抗を小さくできるので、形状因子が増加し、高い光電変換効率を得ることができるので、p型半導体層12は結晶シリコン相を含んでいることが好ましい。また、p型半導体層12が結晶シリコン相を含む場合には、i型半導体層13の結晶化のための下地層として優れるので、i型半導体層堆積初期に下地層の影響を受けて結晶成分が成長しやすく結晶化率の高い高品質のi型半導体層13が得られるので、短絡電流密度が増加し、高い光電変換効率を得ることができるので好ましい。   The p-type semiconductor layer 12 is a silicon layer doped with a p-type conductivity determining element. As the p-type conductivity determining element, impurity atoms such as boron, aluminum, and gallium can be used. The p-type semiconductor layer 12 may be an amorphous silicon layer or a microcrystalline silicon layer. Here, the microcrystalline silicon layer means a semiconductor layer made of a mixed phase of a fine crystalline silicon phase and an amorphous silicon phase when formed at a low temperature using a non-equilibrium process such as a plasma CVD method. When the p-type semiconductor layer 12 includes a crystalline silicon phase, high conductivity can be obtained and the series resistance of the photoelectric conversion layer can be reduced, so that the form factor can be increased and high photoelectric conversion efficiency can be obtained. The type semiconductor layer 12 preferably contains a crystalline silicon phase. Further, when the p-type semiconductor layer 12 includes a crystalline silicon phase, the p-type semiconductor layer 12 is excellent as a base layer for crystallization of the i-type semiconductor layer 13. Is easy to grow, and a high-quality i-type semiconductor layer 13 with a high crystallization rate is obtained, which is preferable because the short-circuit current density increases and high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

また、p型半導体層12は、炭素原子または窒素原子を不純物として含むことがさらに好ましい。該不純物を含むことにより、光電変換効率が向上する。その理由としては、(1)p型半導体層のバンドギャップが広がって拡散電位が増加すること、(2)不純物添加による結晶粒界の界面パッシベーション及びp型半導体層/i型半導体層界面パッシベーションの効果により界面再結合が低減すること、などが考えられる。また、不純物の濃度が低い場合には、p型半導体層12とi型半導体層13との間における、バンドギャップの不連続又はミスマッチがあまり生じず、したがって、両層の間に、界面層などを設ける必要がないため、簡易に、かつ、安価で、光電変換効率が高い光電変換装置を得ることができるので、さらに好ましい。   The p-type semiconductor layer 12 further preferably contains carbon atoms or nitrogen atoms as impurities. By containing the impurities, the photoelectric conversion efficiency is improved. The reasons are as follows: (1) the band gap of the p-type semiconductor layer widens and the diffusion potential increases; (2) the interface passivation at the grain boundaries due to the addition of impurities and the p-type semiconductor layer / i-type semiconductor layer interface passivation. It is conceivable that interface recombination is reduced due to the effect. In addition, when the impurity concentration is low, band gap discontinuity or mismatch does not occur between the p-type semiconductor layer 12 and the i-type semiconductor layer 13, so an interface layer or the like is present between the two layers. Therefore, it is more preferable because a photoelectric conversion device that is simple, inexpensive, and has high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

なお、p型半導体層12が不純物として炭素原子を含有する場合、シリコンカーバイドの結晶相を実質的に含まないものとする。この状態は、例えば、上記炭素原子を含有した微結晶シリコンのラマン散乱スペクトルを観測したとき、シリコンカーバイド結晶を構成するシリコン−カーボン結合に帰属されるピークが実質的に検出されないことによって確認することができる。この状態は、また、X線回折法においてシリコンカーバイド結晶構造に帰属される回折ピークが実質的に検出されないことによって確認してもよい。   In addition, when the p-type semiconductor layer 12 contains a carbon atom as an impurity, the silicon carbide crystal phase is substantially not included. This state is confirmed, for example, by confirming that a peak attributed to a silicon-carbon bond constituting the silicon carbide crystal is not substantially detected when a Raman scattering spectrum of the microcrystalline silicon containing the carbon atom is observed. Can do. This state may also be confirmed by substantially not detecting a diffraction peak attributed to the silicon carbide crystal structure in the X-ray diffraction method.

さらに、p型半導体層12は、炭素原子と窒素原子の両方の不純物を含んでいても良い。   Furthermore, the p-type semiconductor layer 12 may contain impurities of both carbon atoms and nitrogen atoms.

i型半導体層13は、特に不純物を添加していない微結晶シリコン層である。ただし、実質的に真性な半導体であれば、少量の不純物元素が含まれていてもよい。この場合、i型半導体層13としては、微結晶シリコンの代わりにアモルファスシリコンを用いてもよいが、光劣化が生じないために高い光電変換効率を得ることができる点で、微結晶シリコンを用いる方がより好ましい The i-type semiconductor layer 13 is a microcrystalline silicon layer to which no impurity is added. However, a small amount of impurity elements may be included as long as it is a substantially intrinsic semiconductor. In this case, as the i-type semiconductor layer 13, amorphous silicon may be used instead of microcrystalline silicon, but microcrystalline silicon is used in that high photoelectric conversion efficiency can be obtained because no photodegradation occurs. Is more preferable .

n型半導体層14は、n型導電性決定元素がドープされたシリコン層である。n型導電性決定元素としては、リン、窒素、酸素等の不純物原子を用いることができる。n型半導体層14は0.001〜10原子%の濃度で窒素原子を含有しており、窒素原子を含有していないn型半導体層に比べて開放電圧が増加し高い光電変換効率が得られる。窒素原子を含有することにより開放電圧が増加する理由としては、(1)n型半導体層のバンドギャップが広がって拡散電位が増加すること、(2)窒素添加による結晶粒界の界面パッシベーションおよびi/n層界面パッシベーションの効果により界面再結合が低減すること等が考えられる。   The n-type semiconductor layer 14 is a silicon layer doped with an n-type conductivity determining element. As the n-type conductivity determining element, impurity atoms such as phosphorus, nitrogen, and oxygen can be used. The n-type semiconductor layer 14 contains nitrogen atoms at a concentration of 0.001 to 10 atomic%, and an open circuit voltage is increased and high photoelectric conversion efficiency is obtained as compared with an n-type semiconductor layer not containing nitrogen atoms. . The reason why the open-circuit voltage increases by containing nitrogen atoms is as follows: (1) the band gap of the n-type semiconductor layer widens and the diffusion potential increases; (2) interface passivation and i of the grain boundary due to the addition of nitrogen; It is conceivable that interface recombination is reduced by the effect of / n layer interface passivation.

また、n型半導体層14は、その窒素濃度を0.01〜10原子%とすることにより、開放電圧の向上に加えて、光透過率が向上するため短絡電流密度が増加し、光電変換効率はさらに向上する。また、上述したように、n型半導体層14に不純物元素として窒素原子を添加する場合、従来技術のような炭素原子の添加と比較して、10原子%以下の低不純物濃度で開放電圧の向上効果を得ることができる。したがって、上記効果(1)および(2)に加えて、低不純物濃度であることの利点として、(3)不純物添加による欠陥密度の増加、および不純物添加によるn型半導体層14中のアモルファス相の比率の増加を抑制できる効果が期待できる。さらに、(4)不純物添加によるn型導電性決定元素の活性化効率の低下を抑制できるとともに、(5)炭素原子を使用しないので製造時の二酸化炭素排出量が増加しないという利点が得られる。   Further, the n-type semiconductor layer 14 has a nitrogen concentration of 0.01 to 10 atomic%, so that in addition to the improvement of the open circuit voltage, the light transmittance is improved, so that the short-circuit current density is increased and the photoelectric conversion efficiency is increased. Is further improved. Further, as described above, when nitrogen atoms are added as an impurity element to the n-type semiconductor layer 14, the open circuit voltage is improved at a low impurity concentration of 10 atomic% or less compared to the addition of carbon atoms as in the prior art. An effect can be obtained. Therefore, in addition to the above effects (1) and (2), as an advantage of a low impurity concentration, (3) an increase in defect density due to impurity addition, and an amorphous phase in the n-type semiconductor layer 14 due to impurity addition An effect that can suppress the increase in the ratio can be expected. Further, (4) it is possible to suppress a decrease in the activation efficiency of the n-type conductivity determining element due to the addition of impurities, and (5) since carbon atoms are not used, there is an advantage that the amount of carbon dioxide emission during production does not increase.

n型半導体層14としては、アモルファスシリコン中に窒素原子が添加された層を用いることもできるが、結晶シリコンを含む方が高い導電性を得られ光電変換層の直列抵抗を小さくできるので、結晶シリコンを含んでいることが好ましい。すなわち、微結晶シリコン中に窒素原子が添加された層を用いた方が、形状因子が増加しより高い光電変換効率が得られるので好ましい。さらに、n型半導体層14は、その結晶化率が3以上であることが好ましい。ここで、結晶化率とは、n型半導体層単層のラマン散乱スペクトルにおいて、480cm-1のアモルファスシリコンのピーク高さIaに対する、シリコン‐シリコン結合に帰属される520cm-1の結晶シリコンのピーク高さIcの比、すなわちIc/Iaと定義する。これは、結晶体積分率の絶対値を表す値ではないが、上記Ic/Iaは結晶体積分率をよく反映するため、当該分野では膜中の結晶化成分の割合を示す指標として一般的に使用される。上記n型半導体層14の結晶化率が3以上であれば、i型半導体層13との接合が良好に形成され、i型半導体層13との間で、上述のi/n界面再結合抑制効果が得られやすく、高い光電変換効率が得られるので、より好ましい。 As the n-type semiconductor layer 14, a layer in which nitrogen atoms are added to amorphous silicon can be used. However, if crystalline silicon is included, higher conductivity can be obtained and the series resistance of the photoelectric conversion layer can be reduced. It preferably contains silicon. That is, it is preferable to use a layer in which nitrogen atoms are added to microcrystalline silicon because the shape factor increases and higher photoelectric conversion efficiency can be obtained. Further, the n-type semiconductor layer 14 preferably has a crystallization ratio of 3 or more. Here, the crystallization rate is the peak of crystalline silicon at 520 cm −1 attributed to a silicon-silicon bond with respect to the peak height Ia of amorphous silicon at 480 cm −1 in the Raman scattering spectrum of a single n-type semiconductor layer. The ratio of the height Ic, that is, Ic / Ia is defined. This is not a value representing the absolute value of the crystal volume fraction, but since Ic / Ia well reflects the crystal volume fraction, it is generally used as an index indicating the proportion of crystallized components in the film in this field. used. If the crystallization rate of the n-type semiconductor layer 14 is 3 or more, a good junction with the i-type semiconductor layer 13 is formed, and the above-mentioned i / n interface recombination suppression with the i-type semiconductor layer 13 is suppressed. Since an effect is easy to be acquired and high photoelectric conversion efficiency is obtained, it is more preferable.

光電変換層10を形成する方法としては、代表的にはCVD法が挙げられる。CVD法としては、常圧CVD、減圧CVD、プラズマCVD、熱CVD、ホットワイヤーCVD、MOCVD法等が挙げられるが、本実施の形態ではプラズマCVD法を用いた。プラズマCVD法により光電変換層10を形成する際に使用するシリコン含有ガスとしては、SiH4、Si26等のシリコン原子を含むものであれば特に限定されないが、一般的にSiH4を用いる場合が多い。上記シリコン含有ガスとともに使用される希釈ガスとしては、H2、Ar、He等を用いることができるが、アモルファスシリコンおよび微結晶シリコンの形成時にはH2を用いる場合が多い。また、p型半導体層およびn型半導体層の形成時には、上記シリコン含有ガスおよび希釈ガスとともにドーピングガスを使用する。
該ドーピングガスは目的とする型の導電性決定元素を含むガスであれば特に限定されないが、一般的にp型導電性決定元素がホウ素である場合はB26を、n型導電性決定元素がリンである場合はPH3を用いる場合が多い。
A typical method for forming the photoelectric conversion layer 10 is a CVD method. Examples of the CVD method include atmospheric pressure CVD, low pressure CVD, plasma CVD, thermal CVD, hot wire CVD, and MOCVD method. In this embodiment, the plasma CVD method is used. The silicon-containing gas used when forming the photoelectric conversion layer 10 by the plasma CVD method is not particularly limited as long as it contains silicon atoms such as SiH 4 and Si 2 H 6, but generally SiH 4 is used. There are many cases. As the diluent gas used together with the silicon-containing gas, H 2 , Ar, He, or the like can be used, but H 2 is often used when forming amorphous silicon and microcrystalline silicon. Further, when forming the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, a doping gas is used together with the silicon-containing gas and the dilution gas.
The doping gas is not particularly limited as long as it contains a target type conductivity determining element, but generally B 2 H 6 is determined when the p-type conductivity determining element is boron, and n-type conductivity determination is performed. When the element is phosphorus, PH 3 is often used.

上記プラズマCVD法により光電変換層10を形成する際に、基板温度、圧力、ガス流量、プラズマへの投入電力等の製膜パラメータを適切に制御することで、アモルファス相と結晶相の存在比率を制御することが可能である。また、n型半導体層14の形成時に使用する窒素含有ガスとしては、N2、NH3等の窒素原子を含むものであれば特に限定されないが、本実施の形態ではN2を用いた。特にN2は、深冷式ガス分離法等、空気からの分離により安価に製造できること、および安定な物質であり除害処理の必要がないことなどの利点があるので好ましい。 When the photoelectric conversion layer 10 is formed by the plasma CVD method, the ratio of the amorphous phase to the crystalline phase is controlled by appropriately controlling the film forming parameters such as the substrate temperature, pressure, gas flow rate, and input power to the plasma. It is possible to control. The nitrogen-containing gas used when forming the n-type semiconductor layer 14 is not particularly limited as long as it contains nitrogen atoms such as N 2 and NH 3 , but N 2 is used in the present embodiment. In particular, N 2 is preferable because it can be produced at low cost by separation from air, such as a cryogenic gas separation method, and it is a stable substance and does not require a detoxification treatment.

<電極および透明導電層の説明>
電極16は、導電層が少なくとも1層以上あればよく、光反射率が大きく導電率が高い程好ましい。これらを満たす材料として、可視光反射率の高い銀、アルミニウム、チタン、パラジウム等の金属材料やその合金が用いられ、CVD法、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、スプレー法、スクリーン印刷法等により上記光電変換層10の上に形成される。電極16は、光電変換層10で吸収されなかった光を反射して再度光電変換層10に戻すため、光電変換効率の向上に寄与する。さらに、光電変換層10と電極16との間に透明導電層15を形成すると、入射光に対する光閉じ込め向上効果や光反射率向上効果が得られることに加えて、電極16に含まれる元素の光電変換層10への拡散を抑制することができる。透明導電層15は透明導電層11bと同様の材料や製法にて形成することができる。ただし、本発明をサブストレート型構造に適用する場合には、上記電極16として、櫛形など表面を一様に覆わないグリッド形状であることが好ましい。
<Description of electrode and transparent conductive layer>
The electrode 16 only needs to have at least one conductive layer, and the higher the light reflectivity, the higher the conductivity. As materials that satisfy these requirements, metallic materials such as silver, aluminum, titanium, and palladium with high visible light reflectivity and alloys thereof are used. CVD, sputtering, vacuum deposition, electron beam deposition, spraying, screen printing It is formed on the photoelectric conversion layer 10 by a method or the like. Since the electrode 16 reflects the light that has not been absorbed by the photoelectric conversion layer 10 and returns it to the photoelectric conversion layer 10 again, it contributes to the improvement of the photoelectric conversion efficiency. Furthermore, when the transparent conductive layer 15 is formed between the photoelectric conversion layer 10 and the electrode 16, the effect of improving the light confinement and the light reflectance with respect to incident light can be obtained, and the photoelectric of the elements contained in the electrode 16 can be obtained. Diffusion to the conversion layer 10 can be suppressed. The transparent conductive layer 15 can be formed by the same material and manufacturing method as the transparent conductive layer 11b. However, when the present invention is applied to a substrate type structure, the electrode 16 preferably has a grid shape such as a comb shape that does not cover the surface uniformly.

以上の構成により、開放電圧、短絡電流密度および形状因子が大きく光電変換効率の高いスーパーストレート型(あるいはサブストレート型)の光電変換装置100を得ることができる。   With the above configuration, a super straight type (or substrate type) photoelectric conversion device 100 having a large open circuit voltage, short circuit current density, and high form factor and high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

[実施の形態2]
次に、上記とは異なる実施の形態2として、光電変換層を2つ有するスーパーストレート型積層型光電変換装置200について、図2を用いて説明する。なお、図2において、図1に示した実施の形態1と同一の構成要素には同一の符号を付している。
このスーパーストレート型積層型光電変換装置200は、基板11上に、第1の光電変換層10、第2の光電変換層20、透明導電層15および電極16がこの順番で積層されて構成されている。これらの構成要素の中で、基板11、透明導電層15および電極16は、上述のスーパーストレート型光電変換装置100と同じものが使用でき、各構成要素の機能もスーパーストレート型光電変換装置100と同様であるので、説明を省略する。
[Embodiment 2]
Next, as a second embodiment different from the above, a superstrate stacked photoelectric conversion device 200 having two photoelectric conversion layers will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the same components as those in the first embodiment shown in FIG.
The super straight type stacked photoelectric conversion device 200 is configured by laminating a first photoelectric conversion layer 10, a second photoelectric conversion layer 20, a transparent conductive layer 15 and an electrode 16 in this order on a substrate 11. Yes. Among these components, the substrate 11, the transparent conductive layer 15, and the electrode 16 can be the same as the super straight photoelectric conversion device 100 described above, and the function of each component is the same as that of the super straight photoelectric conversion device 100. Since it is the same, description is abbreviate | omitted.

第1の光電変換層10は光入射側に位置するため、第2の光電変換層20には第1の光電変換層10を透過した光のみが入射する。そのため、積層型構造にしたときの利点としては、入射光スペクトル領域を分割して受光させることができるので光の有効活用ができることと、高い開放電圧が得られることが挙げられる。上記効果を高めるために、光入射側である第1の光電変換層10のバンドギャップが第2の光電変換層20のバンドギャップより大きくなるように積層すれば、入射光のうち短波長光は主に第1の光電変換層10で、長波長光は主に第2の光電変換層20で吸収されるので、各波長域を有効に利用することができる。   Since the first photoelectric conversion layer 10 is located on the light incident side, only the light transmitted through the first photoelectric conversion layer 10 is incident on the second photoelectric conversion layer 20. For this reason, advantages of the stacked structure include that the incident light spectrum region can be divided and received so that light can be used effectively and a high open-circuit voltage can be obtained. In order to enhance the above effect, if the first photoelectric conversion layer 10 on the light incident side is laminated so that the band gap is larger than the band gap of the second photoelectric conversion layer 20, short wavelength light among the incident light is reduced. Since the long wavelength light is mainly absorbed by the second photoelectric conversion layer 20 mainly in the first photoelectric conversion layer 10, each wavelength region can be used effectively.

第1および第2の光電変換層10、20は、pinの接合方向が同一になるように積層され、かつ光入射側がp型半導体層となるように形成されていればよく、これは光電変換層が3層以上の場合も同様である。なお、図2において、22はp型半導体層、23はi型半導体層、24はn型半導体層である。第1および第2の光電変換層10、20の各層の膜厚は特に限定されるものではないが、第1の光電変換層10ではp型半導体層12が 5〜50nm、i型半導体層13が100〜500nm、n型半導体層14が5〜50nmの範囲とすることがよく、好ましくはp型半導体層12が10〜30nm、i型半導体層13が200〜400nm、n型半導体層14が10〜30nmであり、第2の光電変換層20ではp型半導体層22が5〜50nm、i型半導体層23が1000〜5000nm、n型半導体層24が5〜100nmであり、より好ましくはp型半導体層22が10〜30nm、i型半導体層23が2000〜4000nm、n型半導体層24が10〜30nmである。   The first and second photoelectric conversion layers 10 and 20 may be stacked so that the bonding directions of the pins are the same, and the light incident side may be a p-type semiconductor layer. The same applies when there are three or more layers. In FIG. 2, 22 is a p-type semiconductor layer, 23 is an i-type semiconductor layer, and 24 is an n-type semiconductor layer. The thickness of each layer of the first and second photoelectric conversion layers 10 and 20 is not particularly limited, but in the first photoelectric conversion layer 10, the p-type semiconductor layer 12 is 5 to 50 nm, and the i-type semiconductor layer 13. Of the n-type semiconductor layer 14 is preferably in the range of 5 to 50 nm, preferably the p-type semiconductor layer 12 is 10 to 30 nm, the i-type semiconductor layer 13 is 200 to 400 nm, and the n-type semiconductor layer 14 is In the second photoelectric conversion layer 20, the p-type semiconductor layer 22 is 5 to 50 nm, the i-type semiconductor layer 23 is 1000 to 5000 nm, and the n-type semiconductor layer 24 is 5 to 100 nm, more preferably p. The type semiconductor layer 22 is 10 to 30 nm, the i type semiconductor layer 23 is 2000 to 4000 nm, and the n type semiconductor layer 24 is 10 to 30 nm.

また、第1および第2の光電変換層10、20の間(3層以上では各光電変換層の間)に中間層が形成されていてもよい。この場合、該中間層は透明導電膜であることが好ましい。中間層を設けることにより、第1の光電変換層10から中間層に入射した光は、中間層にてその一部が反射され、残りの光は中間層を透過して第2の光電変換層20に入射するので、各光電変換層への入射光量を制御できる。これにより、各光電変換層10、20の光電流の値が均等化され、各光電変換層10、20にて発生した光生成キャリアが積層型光電変換装置の短絡電流にほぼ無駄なく寄与できるため、結果として積層型光電変換装置の短絡電流を増加し光電変換効率を向上することができる。   Moreover, the intermediate | middle layer may be formed between the 1st and 2nd photoelectric converting layers 10 and 20 (between each photoelectric converting layer in three layers or more). In this case, the intermediate layer is preferably a transparent conductive film. By providing the intermediate layer, a part of the light incident on the intermediate layer from the first photoelectric conversion layer 10 is reflected by the intermediate layer, and the remaining light passes through the intermediate layer and passes through the second photoelectric conversion layer. Therefore, the amount of light incident on each photoelectric conversion layer can be controlled. Thereby, the photocurrent values of the photoelectric conversion layers 10 and 20 are equalized, and the photogenerated carriers generated in the photoelectric conversion layers 10 and 20 can contribute to the short-circuit current of the stacked photoelectric conversion device almost without waste. As a result, the short circuit current of the stacked photoelectric conversion device can be increased and the photoelectric conversion efficiency can be improved.

この光電変換装置200において、第1および第2の光電変換層10、20(3層以上では各光電変換層)のうち、少なくとも1つの光電変換層におけるn型半導体層中に0.001〜10原子%の濃度の窒素原子が添加されている。これにより、上述のスーパーストレート型光電変換装置100にて得られたのと同様の効果によって、スーパーストレート型積層型光電変換装置200の開放電圧が増加する。さらに、窒素濃度を0.01〜10原子%とすると、開放電圧の向上に加えて、n型半導体層の光透過率が向上するため短絡電流密度が増加し、光電変換効率はさらに向上する。   In this photoelectric conversion device 200, 0.001 to 10 in the n-type semiconductor layer in at least one of the first and second photoelectric conversion layers 10 and 20 (each photoelectric conversion layer in three or more layers). Nitrogen atoms are added at an atomic concentration. Thereby, the open circuit voltage of the super straight type | mold laminated photoelectric conversion apparatus 200 increases by the effect similar to the effect obtained with the above-mentioned super straight type photoelectric conversion apparatus 100. FIG. Furthermore, when the nitrogen concentration is 0.01 to 10 atomic%, in addition to improving the open circuit voltage, the light transmittance of the n-type semiconductor layer is improved, so that the short-circuit current density is increased and the photoelectric conversion efficiency is further improved.

また、n型半導体層を、窒素原子を含有する微結晶シリコン層とした場合には、導電性が高く光電変換層の直列抵抗が低減されて形状因子が向上するので好ましい。さらに、n型半導体層が第2のn型半導体層と、第2のn型半導体層とi型半導体層の間の第1のn型半導体層からなる場合には、第1のn型半導体層には窒素原子を積極的に添加せず、第2のn型半導体層の窒素濃度を4〜10原子%とすることができ、開放電圧、短絡電流密度、および形状因子が増加し、光電変換効率がさらに向上するので好ましい。   In addition, when the n-type semiconductor layer is a microcrystalline silicon layer containing a nitrogen atom, it is preferable because the conductivity is high, the series resistance of the photoelectric conversion layer is reduced, and the shape factor is improved. Further, when the n-type semiconductor layer includes a second n-type semiconductor layer and a first n-type semiconductor layer between the second n-type semiconductor layer and the i-type semiconductor layer, the first n-type semiconductor layer Nitrogen atoms are not actively added to the layer, the nitrogen concentration of the second n-type semiconductor layer can be 4 to 10 atomic%, the open circuit voltage, the short circuit current density, and the form factor increase, This is preferable because the conversion efficiency is further improved.

また、より好ましくは第1のn型半導体層と隣接するi層が微結晶シリコン層であれば、i層の光劣化が生じないだけでなく、第1のn型半導体層が有するi/n層界面再結合低減効果がより高められて形状因子が増加するので、より高い光電変換効率を得ることができる。また、実施の形態1と同様に、第1および第2の光電変換層のp型半導体層を炭素原子、窒素原子の少なくとも一方を不純物として含んだ層とすると、光電変換効率向上の点から好ましい。   More preferably, if the i layer adjacent to the first n-type semiconductor layer is a microcrystalline silicon layer, not only does the i layer not deteriorate, but also the i / n of the first n-type semiconductor layer has. Since the layer interface recombination reduction effect is further enhanced and the form factor is increased, higher photoelectric conversion efficiency can be obtained. Similarly to Embodiment 1, it is preferable that the p-type semiconductor layer of the first and second photoelectric conversion layers is a layer containing at least one of carbon atoms and nitrogen atoms as impurities from the viewpoint of improving photoelectric conversion efficiency. .

なお、上記実施の形態2をサブストレート型構造に適用する場合には、上記スーパーストレート型積層型光電変換装置200と異なり電極16が光入射側となるので、上述の説明において第1の光電変換層10と第2の光電変換層20の位置が相互に入れ替わる点、各光電変換層10、20は電極16側(光入射側)からpinの接合順となる点、電極16として表面を一様に覆わないグリッド形状であることに注意が必要であるが、得られる効果は全てスーパーストレート型構造と同様である。   When the second embodiment is applied to a substrate type structure, the electrode 16 is on the light incident side unlike the super straight type stacked photoelectric conversion device 200, and therefore the first photoelectric conversion in the above description. The point where the positions of the layer 10 and the second photoelectric conversion layer 20 interchange with each other, the point where each photoelectric conversion layer 10, 20 is in the joining order of the pins from the electrode 16 side (light incident side), and the surface as the electrode 16 is uniform. It is necessary to pay attention to the grid shape that is not covered with, but all the obtained effects are the same as those of the super straight type structure.

以上のように、本発明によれば、光電変換装置および積層型光電変換装置において、製造時の二酸化炭素排出量を増加させる材料を用いずに、開放電圧、短絡電流密度および形状因子を増加させ、光電変換効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施例および比較例を説明する。
As described above, according to the present invention, in the photoelectric conversion device and the stacked photoelectric conversion device, the open-circuit voltage, the short-circuit current density, and the form factor are increased without using a material that increases the carbon dioxide emission during production. The photoelectric conversion efficiency can be improved.
Examples of the present invention and comparative examples will be described below.

(実施例1〜8)
本実施例1〜8では、図1に示すスーパーストレート型光電変換装置100を以下のように作製した。
基板11としては、透光性基板11aの表面に透明導電膜11bが形成された縦127mm×横127mm×厚み1.8mmの白板ガラス(旭硝子(株)、商品名:Asahi−U)を使用した。この基板11上に、膜厚50nmの酸化亜鉛層をマグネトロンスパッタリング法により形成した後、プラズマCVD法により後述の条件で光電変換層10をp型半導体層12、i型半導体層13、n型半導体層14の順に堆積した。光電変換層10の製膜に用いたプラズマCVD装置は超高真空装置であり、不純物元素の混入が少ない高品質の光電変換層を作製できる。続いて、光電変換層10の上に、マグネトロンスパッタリング法により透明導電層15として膜厚50nmの酸化亜鉛層を、電極16として膜厚500nmの銀層を順次堆積させて、スーパーストレート型光電変換装置100を得た。
(Examples 1-8)
In the present Examples 1-8, the super straight type photoelectric conversion apparatus 100 shown in FIG. 1 was produced as follows.
As the substrate 11, a white plate glass (Asahi Glass Co., Ltd., trade name: Asahi-U) having a length of 127 mm × width 127 mm × thickness 1.8 mm in which a transparent conductive film 11 b is formed on the surface of a light-transmitting substrate 11 a was used. . A zinc oxide layer having a thickness of 50 nm is formed on the substrate 11 by a magnetron sputtering method, and then the photoelectric conversion layer 10 is formed by a plasma CVD method under the conditions described later, the p-type semiconductor layer 12, the i-type semiconductor layer 13, and the n-type semiconductor. Layer 14 was deposited in that order. The plasma CVD apparatus used for film formation of the photoelectric conversion layer 10 is an ultra-high vacuum apparatus, and a high-quality photoelectric conversion layer with little mixing of impurity elements can be manufactured. Subsequently, a 50 nm-thickness zinc oxide layer as the transparent conductive layer 15 and a 500 nm-thickness silver layer as the electrode 16 are sequentially deposited on the photoelectric conversion layer 10 by the magnetron sputtering method. 100 was obtained.

光電変換層10の各層は以下の条件にて形成した。
p型半導体層12は、原料ガスとしてSiH4、H2、B26を用いた。H2/SiH4ガス流量比は150倍とし、B26/SiH4ガス流量比は0.003とした。p型半導体層12は、光活性層であるi型半導体層に入射する光量を多くするためにp型層としての機能を損なわない範囲で薄い方が望ましく、本実施例では20nmの膜厚とした。
i型半導体層13は、原料ガスとしてSiH4およびH2を用いた。H2/SiH4ガス流量比は80倍とし、膜厚2500nmとなるように製膜した。
n型半導体層14は、原料ガスとしてSiH4、H2、PH3およびN2を用いた。H2/SiH4ガス流量比は100倍とし、PH3/SiH4ガス流量比は、表1記載のように変化させた。N2/SiH4ガス流量比についても表1記載のように変化させ、そのときの膜中窒素濃度を表1に併記した。なお、膜中窒素濃度は、n型半導体層14について高感度の二次イオン質量分析を行った結果得られた値(原子%)を示した。また、本実施例のn型半導体層14単層のラマン散乱スペクトルにおいて、シリコン−シリコン結合に帰属される520cm-1付近の結晶シリコンのピークが観測されたことから、本実施例のn型半導体層は結晶シリコン相を有することが確認できた。また、480cm-1付近のアモルファスシリコンのピーク高さIaに対して、該結晶シリコンのピーク高さIcの比Ic/Iaはいずれも3以上であった。n型半導体層14は、裏面電極16から光活性層であるi型半導体層13に再入射する反射光量を多くするためにn型層としての機能を損なわない程度で薄いほうが望ましく、20nmの膜厚とした。
なお、各半導体層12、13、14のプラズマCVDによる形成時において、製膜時の基板温度をそれぞれ、170℃、180℃、160℃とした。
Each layer of the photoelectric conversion layer 10 was formed under the following conditions.
The p-type semiconductor layer 12 uses SiH 4 , H 2 , and B 2 H 6 as source gases. The H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio was 150 times, and the B 2 H 6 / SiH 4 gas flow rate ratio was 0.003. The p-type semiconductor layer 12 is desirably thin as long as it does not impair the function as the p-type layer in order to increase the amount of light incident on the i-type semiconductor layer, which is a photoactive layer. In this embodiment, the p-type semiconductor layer 12 has a thickness of 20 nm. did.
The i-type semiconductor layer 13 uses SiH 4 and H 2 as source gases. The H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio was 80 times, and the film was formed to a film thickness of 2500 nm.
The n-type semiconductor layer 14 uses SiH 4 , H 2 , PH 3 and N 2 as source gases. The H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio was 100 times, and the PH 3 / SiH 4 gas flow rate ratio was changed as shown in Table 1. N 2 / SiH 4 also gas flow rate was varied as described in Table 1 were also shown the membrane in a nitrogen concentration at the time shown in Table 1. The nitrogen concentration in the film is a value (atomic%) obtained as a result of performing highly sensitive secondary ion mass spectrometry for the n-type semiconductor layer 14. Further, in the Raman scattering spectrum of the single layer of the n-type semiconductor layer 14 of this example, a peak of crystalline silicon near 520 cm −1 attributed to the silicon-silicon bond was observed, and thus the n-type semiconductor of this example It was confirmed that the layer had a crystalline silicon phase. Further, the ratio Ic / Ia of the peak height Ic of the crystalline silicon with respect to the peak height Ia of amorphous silicon near 480 cm −1 was 3 or more. The n-type semiconductor layer 14 is desirably thin so as not to impair the function as the n-type layer in order to increase the amount of reflected light that reenters the i-type semiconductor layer 13 that is the photoactive layer from the back electrode 16. Thickness.
In addition, when forming each semiconductor layer 12, 13, and 14 by plasma CVD, the substrate temperature at the time of film-forming was 170 degreeC, 180 degreeC, and 160 degreeC, respectively.

このようにして得られた実施例1〜8の光電変換装置について、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下におけるセル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。その結果を表1にまとめて記し、特に、開放電圧の窒素濃度依存性を図3に、短絡電流密度の窒素濃度依存性を図4に、光電変換効率の窒素濃度依存性を図5に示した。 The photoelectric conversion devices of Examples 1 to 8 thus obtained were measured for current-voltage characteristics with a cell area of 1 cm 2 under AM1.5 (100 mW / cm 2 ) irradiation conditions. The results are summarized in Table 1. In particular, FIG. 3 shows the nitrogen concentration dependency of the open circuit voltage, FIG. 4 shows the nitrogen concentration dependency of the short circuit current density, and FIG. 5 shows the nitrogen concentration dependency of the photoelectric conversion efficiency. It was.

Figure 0004441377
Figure 0004441377

(実施例(参考例)9〜11)
本実施例9〜11では、n型半導体層14以外は全て実施例6〜8と同条件で、以下のようにスーパーストレート型光電変換装置100を作製した。
n型半導体層14は、窒素を添加しない第1のn型半導体層を形成し、その上に実施例6〜8と同じ窒素濃度となる第2のn型半導体層を堆積させて形成した。第1のn型半導体層は、原料ガスとして、SiH4、H2およびPH3を用いた。H2/SiH4ガス流量比は70倍とし、PH3/SiH4ガス流量比は0.001とした。第一のn型半導体層単層のラマン散乱スペクトルにおいて、520cm-1付近の結晶シリコンのピークが観測されたことから、本実施例9〜11の第一のn型半導体層は結晶シリコン相を有することが確認できた。第2のn型半導体層は、表1に示すように製膜条件を実施例6〜8と同条件とした。第1、第2のn型半導体層の膜厚はそれぞれ10nm、15nmとした。
(Example (reference example) 9-11)
In Examples 9-11, except for the n-type semiconductor layer 14, the super straight type photoelectric conversion device 100 was manufactured as follows under the same conditions as in Examples 6-8.
The n-type semiconductor layer 14 was formed by forming a first n-type semiconductor layer to which nitrogen was not added and depositing a second n-type semiconductor layer having the same nitrogen concentration as in Examples 6 to 8 thereon. The first n-type semiconductor layer used SiH 4 , H 2 and PH 3 as source gases. The H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio was 70 times, and the PH 3 / SiH 4 gas flow rate ratio was 0.001. In the Raman scattering spectrum of the first n-type semiconductor layer single layer, the peak of crystalline silicon near 520 cm −1 was observed. Therefore, the first n-type semiconductor layers of Examples 9 to 11 have crystalline silicon phases. It was confirmed that it had. As shown in Table 1, the second n-type semiconductor layer was formed under the same conditions as in Examples 6-8. The film thicknesses of the first and second n-type semiconductor layers were 10 nm and 15 nm, respectively.

このようにして得られた実施例9〜11の光電変換装置について、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下におけるセル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。実施例1〜8と同様に、結果を表1、および図3〜図5に示した。 The photoelectric conversion devices of Examples 9 to 11 thus obtained were measured for current-voltage characteristics with a cell area of 1 cm 2 under AM1.5 (100 mW / cm 2 ) irradiation conditions. The results are shown in Table 1 and FIGS. 3 to 5 in the same manner as in Examples 1-8.

(実施例12)
本実施例12では、n型半導体層14作成時のH2/SiH4流量比を20倍にしたこと以外は全て実施例6と同条件で、以下のようにスーパーストレート型光電変換装置100を作製した。すなわち、表1記載のとおり、実施例12のn型半導体層の窒素濃度は2原子%である。本実施例のn型半導体層単層のラマン散乱スペクトルにおいて520cm-1付近の結晶シリコンのピークが観測されなかったことから、本実施例のn型半導体層14はアモルファスシリコンからなることが確認された。
(Example 12)
In Example 12, except that the H 2 / SiH 4 flow rate ratio at the time of forming the n-type semiconductor layer 14 was increased by 20 times, the super straight type photoelectric conversion device 100 was prepared as follows under the same conditions as in Example 6. Produced. That is, as shown in Table 1, the nitrogen concentration of the n-type semiconductor layer of Example 12 is 2 atomic%. In the Raman scattering spectrum of the single n-type semiconductor layer of this example, no crystalline silicon peak near 520 cm −1 was observed, confirming that the n-type semiconductor layer 14 of this example was made of amorphous silicon. It was.

このようにして得られた実施例12の光電変換装置について、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下におけるセル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。実施例1〜8と同様に、結果を表1、および図3〜図5に示した。 The photoelectric conversion device of Example 12 obtained in this manner was measured for current-voltage characteristics with a cell area of 1 cm 2 under AM1.5 (100 mW / cm 2 ) irradiation conditions. The results are shown in Table 1 and FIGS. 3 to 5 in the same manner as in Examples 1-8.

(比較例1)
本比較例1では、n型半導体層14以外は全て実施例1〜8と同条件で、以下のようにスーパーストレート型光電変換装置100を作製した。
n型半導体層14は、原料ガスとして、SiH4、H2、PH3を用い、H2/SiH4ガス流量比は20倍とし、PH3/SiH4ガス流量比は膜中リン濃度が0.01原子%となるように調整した以外は全て実施例1〜8と同条件で作製した。本比較例1のn型半導体層単層のラマン散乱スペクトルにおいて520cm-1付近の結晶シリコンのピークが観測されなかったことから、本比較例1のn型半導体層14はアモルファスシリコンからなることが確認された。
(Comparative Example 1)
In this comparative example 1, except for the n-type semiconductor layer 14, the super straight type photoelectric conversion device 100 was manufactured as follows under the same conditions as in Examples 1 to 8.
The n-type semiconductor layer 14 uses SiH 4 , H 2 , and PH 3 as source gases, the H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio is 20 times, and the PH 3 / SiH 4 gas flow rate ratio is such that the phosphorus concentration in the film is 0. All were prepared under the same conditions as in Examples 1 to 8, except that the concentration was adjusted to 0.01 atomic%. Since the peak of crystalline silicon near 520 cm −1 was not observed in the Raman scattering spectrum of the single n-type semiconductor layer of Comparative Example 1, the n-type semiconductor layer 14 of Comparative Example 1 may be made of amorphous silicon. confirmed.

このようにして得られた比較例1の光電変換装置について、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下におけるセル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。実施例1〜8と同様に、結果を表1、および図3〜図5に示した。 The photoelectric conversion device of Comparative Example 1 thus obtained was measured for current-voltage characteristics with a cell area of 1 cm 2 under AM1.5 (100 mW / cm 2 ) irradiation conditions. The results are shown in Table 1 and FIGS. 3 to 5 in the same manner as in Examples 1-8.

(比較例2)
本比較例2では、n型半導体層14以外は全て実施例1〜8と同条件で、以下のようにスーパーストレート型光電変換装置100を作製した。
n型半導体層14は、PH3/SiH4ガス流量比、およびN2/SiH4ガス流量比を表1に示したようにした以外は全て実施例1〜8と同条件で作製した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a super straight photoelectric conversion device 100 was manufactured as follows under the same conditions as in Examples 1 to 8 except for the n-type semiconductor layer 14.
The n-type semiconductor layer 14 was produced under the same conditions as in Examples 1 to 8 except that the PH 3 / SiH 4 gas flow rate ratio and the N 2 / SiH 4 gas flow rate ratio were as shown in Table 1.

このようにして得られた比較例2の光電変換装置について、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下におけるセル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。その結果を表1に示した。ただし、本比較例2の開放電圧、短絡電流密度および光電変換効率はいずれも極端に低かったため、表1には示したが図3〜図5には記載していない。 The photoelectric conversion device of Comparative Example 2 thus obtained was measured for current-voltage characteristics with a cell area of 1 cm 2 under AM1.5 (100 mW / cm 2 ) irradiation conditions. The results are shown in Table 1. However, since the open circuit voltage, the short circuit current density, and the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 2 were all extremely low, they are shown in Table 1 but not shown in FIGS.

(実施例1〜11、比較例1および2についての考察)
以下、実施例1〜11、比較例1および2の比較結果に関して、表1および図3に基づいて考察する。
n型半導体層製膜時にN2ガスを使用しなかった比較例1のn型半導体層が0.0002原子%の窒素を含有することより、本実施例1〜8にて使用したプラズマCVD装置の真空チャンバー内の脱ガスまたは残存ガスとして存在する窒素不純物が、ごくわずかに製膜時にn型半導体層中に混入することを示している。ただし、該プラズマCVD装置は超高真空装置であるので、上記比較例1が、n型半導体層中の不純物窒素量が最も少ないものとして、他の実施例または比較例と比較することとする。
(Consideration about Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 and 2)
Hereinafter, the comparison results of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 and 2 will be considered based on Table 1 and FIG.
Since the n-type semiconductor layer of Comparative Example 1 that did not use N 2 gas at the time of forming the n-type semiconductor layer contains 0.0002 atomic% of nitrogen, the plasma CVD apparatus used in Examples 1 to 8 It is shown that nitrogen impurities present as degassed or residual gas in the vacuum chamber are very slightly mixed into the n-type semiconductor layer during film formation. However, since the plasma CVD apparatus is an ultra-high vacuum apparatus, the comparative example 1 is compared with other examples or comparative examples on the assumption that the amount of impurity nitrogen in the n-type semiconductor layer is the smallest.

窒素濃度が0.001原子%より低い実施例1は、窒素添加によるバンドギャップの増加、結晶粒界やi/n層界面のパッシベーション効果のいずれもあまり得られない窒素濃度であるため、比較例1と開放電圧があまり変わらなかったと考えられる。上記比較例1は開放電圧が0.500Vであるのに対し、窒素濃度が0.001原子%以上となるようにn型半導体層を製膜した実施例2〜8では、いずれもこの値を上回る開放電圧が得られた。特に、実施例6で開放電圧の向上効果は最大となり、0.543Vの開放電圧が得られた。すなわち、開放電圧を大きく向上させるためには、n型半導体層中の窒素濃度が0.001原子%以上が好ましい。   Since Example 1 in which the nitrogen concentration is lower than 0.001 atomic% is a nitrogen concentration at which neither the increase of the band gap due to the addition of nitrogen nor the passivation effect of the crystal grain boundary or the i / n layer interface can be obtained so much. It is considered that the open circuit voltage did not change much from 1. In Comparative Example 1, the open-circuit voltage is 0.500 V, whereas in Examples 2 to 8 in which the n-type semiconductor layer is formed so that the nitrogen concentration is 0.001 atomic% or more, this value is all A higher open circuit voltage was obtained. In particular, in Example 6, the effect of improving the open circuit voltage was maximized, and an open circuit voltage of 0.543 V was obtained. That is, in order to greatly improve the open circuit voltage, the nitrogen concentration in the n-type semiconductor layer is preferably 0.001 atomic% or more.

窒素濃度が13原子%である比較例2は開放電圧が0.464Vであり、比較例1の開放電圧よりも大きく低下している。また、合わせて短絡電流密度および形状因子も大きく減少して光電変換効率がゼロ近くまで低下していることから、n型半導体層に過剰に窒素を添加したことによって、絶縁体である窒化シリコン相の割合が増加して電気伝導性が低下し、光生成キャリアの収集効率が極端に低下したものと考えられる。   In Comparative Example 2 where the nitrogen concentration is 13 atomic%, the open circuit voltage is 0.464 V, which is much lower than the open circuit voltage of Comparative Example 1. In addition, the short circuit current density and the shape factor are also greatly reduced and the photoelectric conversion efficiency is reduced to near zero. Therefore, by adding excessive nitrogen to the n-type semiconductor layer, the silicon nitride phase that is an insulator is added. It is considered that the electrical conductivity is decreased due to the increase in the ratio of the photogenerated carriers, and the collection efficiency of the photogenerated carriers is extremely decreased.

また、実施例1〜8、および比較例1は、n型半導体層の導電率が1〜2×10-3[S/cm]となるようにPH3/SiH4ガス流量比を制御したが、比較例2のn型半導体層は導電率が1×10-6[S/cm]であり、他より導電率が低下した。さらに、実施例4〜8では、同じ導電率を維持するために必要なPH3/SiH4ガス流量比が増加していることから、窒素濃度の増加とともにリンのドーパントとしての活性化効率が低下したことが推認され、特に10原子%より高い領域の比較例2では極端に低下することが分かった。比較のために、比較例2よりさらに窒素濃度が高い20原子%の高濃度条件でn型半導体層単膜を形成し、そのときのPH3/SiH4ガス流量比を比較例2の10倍の条件としたが、導電率は1×10-7[S/cm]以下でありほぼ絶縁体であった。以上より、n型半導体層中の窒素濃度が10原子%より高い領域では、上述したような窒化シリコン相の増加によりリンのドーパントとしての活性化が極めて困難になると考えられ、n型半導体層として必要な電気伝導性が得られないことにより光電変換効率が大きく減少することがわかった。すなわち、n型半導体層が適切な導電率を有し窒素添加による開放電圧向上効果を得るためには、n型半導体層中の窒素濃度が10原子%以下となるようにすることが好ましい。
以上の考察によれば、本発明は、特に、n型半導体層中の窒素濃度0.001〜10原子%の範囲において、n型半導体層のワイドバンドギャップ化、結晶粒界やi/n層界面のパッシベーション効果等により、開放電圧が増加し光電変換効率の高い光電変換装置を得ることができると考えられる。
In Examples 1 to 8 and Comparative Example 1, the PH 3 / SiH 4 gas flow ratio was controlled so that the conductivity of the n-type semiconductor layer was 1 to 2 × 10 −3 [S / cm]. The n-type semiconductor layer of Comparative Example 2 had a conductivity of 1 × 10 −6 [S / cm], and the conductivity was lower than the others. Further, in Examples 4 to 8, since the PH 3 / SiH 4 gas flow rate ratio necessary for maintaining the same conductivity is increased, the activation efficiency of phosphorus as a dopant decreases with an increase in nitrogen concentration. In particular, it was found that in the comparative example 2 in a region higher than 10 atomic%, it was extremely lowered. For comparison, an n-type semiconductor layer single film was formed under a high concentration condition of 20 atomic% where the nitrogen concentration was higher than that of Comparative Example 2, and the PH 3 / SiH 4 gas flow ratio at that time was 10 times that of Comparative Example 2. However, the electrical conductivity was 1 × 10 −7 [S / cm] or less, which was almost an insulator. From the above, in the region where the nitrogen concentration in the n-type semiconductor layer is higher than 10 atomic%, activation of phosphorus as a dopant is considered to be extremely difficult due to the increase in the silicon nitride phase as described above. It was found that the photoelectric conversion efficiency is greatly reduced when the necessary electrical conductivity is not obtained. That is, in order for the n-type semiconductor layer to have an appropriate conductivity and obtain an effect of improving the open-circuit voltage by adding nitrogen, it is preferable that the nitrogen concentration in the n-type semiconductor layer be 10 atomic% or less.
According to the above considerations, the present invention has a wide band gap, a crystal grain boundary and an i / n layer in the n-type semiconductor layer, particularly in the nitrogen concentration range of 0.001 to 10 atomic% in the n-type semiconductor layer. It is considered that a photoelectric conversion device with high open-circuit voltage and high photoelectric conversion efficiency can be obtained due to the passivation effect of the interface.

また、実施例7および8において、開放電圧が最大となる実施例6と比べて窒素濃度の増加とともに開放電圧および形状因子が順次低下している原因について以下考察する。n型半導体層中の窒素濃度が低濃度側から10原子%の高濃度領域に近づくにつれて、n型半導体層のバンドギャップが増加し、i/n層界面のバンドギャップの差に起因するバレンスバンドの不連続性が顕著になると考えられる。ここで、i/n層界面欠陥を介した再結合が無視できるほど少ない場合は、上記バレンスバンドの不連続性、すなわちi層からn層への正孔の拡散をブロックする障壁があれば、i/n層界面近傍における正孔存在確率の減少をもたらすため、それに伴い再結合低減効果が得られる。しかし、一般的に知られているように、実際の微結晶太陽電池またはアモルファス太陽電池においては、p/i層またはi/n層界面には欠陥が存在しており、実施例7および8では、バレンスバンドの不連続性の増加とともに増加するi/n界面欠陥を介した再結合により、開放電圧および形状因子が低下すると考えられる。したがって、界面欠陥を介した再結合を低減するためには、上記界面近傍においてフォトキャリアを欠陥にトラップされ難くして効率よく収集するための内部電界の存在が重要であると考えられる。これを実現する手段として、i層からn層に至るバレンスバンドの不連続性を緩和するようなバンドギャップを有する層をi/n層界面に挿入することにより、挿入した界面層全体に内部電界が印加されるため、フォトキャリアの収集を向上させることができると考えられる。このことは、図3および図4において、i/n層界面に窒素を添加しない第1のn型半導体層を設けた実施例9〜11の開放電圧および短絡電流密度が、それぞれ対応する窒素濃度を有する実施例6〜8より高いことからも裏付けられる。すなわち、第2のn型半導体層中の窒素濃度が4原子%以上の領域では、i/n層界面に微結晶シリコンからなる第1のn型半導体層を挿入することで、i/n層界面に生じるバレンスバンドの不連続性が緩和されるので、上記界面再結合が低減されるとともに、開放電圧、短絡電流密度および形状因子が増加し光電変換効率を向上させることができたと考えられる。また、窒素を添加しない第1のn型半導体層上に、比較例2に対応する13原子%の窒素を含有する第2のn型半導体層を形成し光電変換装置を作製したところ、比較例2と同様に第2のn型半導体層の電気伝導性が極めて小さいため、開放電圧、短絡電流密度および形状因子が大きく減少し、光電変換効率がゼロ近くまで低下した。このことから、第2のn型半導体層の電気伝導性が適切である10原子%以下の窒素濃度の範囲では、上記第1のn型半導体層を設けることにより、開放電圧、短絡電流密度および形状因子が増加することが明らかになった。
以上の考察によれば、第2のn型半導体層中の窒素濃度が4〜10原子%の範囲においては、窒素を添加しない第1のn型半導体層を形成することによりi/n層界面再結合を低減し形状因子が向上するとともに、開放電圧、および短絡電流密度が増加し光電変換効率をさらに向上させることができると考えられる。
In addition, in Examples 7 and 8, the reason why the open-circuit voltage and the form factor are sequentially decreased as the nitrogen concentration is increased as compared with Example 6 in which the open-circuit voltage is maximized will be discussed below. As the nitrogen concentration in the n-type semiconductor layer approaches the high concentration region of 10 atomic% from the low concentration side, the band gap of the n-type semiconductor layer increases, and the valence band caused by the difference in the band gap at the interface of the i / n layer. It is thought that the discontinuity of becomes remarkable. Here, if recombination through i / n layer interface defects is negligibly small, if there is a barrier that blocks the discontinuity of the valence band, that is, diffusion of holes from the i layer to the n layer, Since the probability of hole existence near the interface of the i / n layer is reduced, a recombination reduction effect can be obtained accordingly. However, as is generally known, in actual microcrystalline solar cells or amorphous solar cells, defects exist at the interface of the p / i layer or i / n layer. It is believed that the recombination through i / n interface defects increases with increasing valence band discontinuity, which reduces the open circuit voltage and form factor. Therefore, in order to reduce recombination through interface defects, it is considered that the presence of an internal electric field is important in order to efficiently collect photocarriers in the vicinity of the interface so that they are not easily trapped by defects. As a means for realizing this, by inserting a layer having a band gap that relaxes the discontinuity of the valence band from the i layer to the n layer at the i / n layer interface, an internal electric field is applied to the entire inserted interface layer. Since it is applied, it is considered that the collection of photocarriers can be improved. 3 and 4, the open-circuit voltage and the short-circuit current density of Examples 9 to 11 in which the first n-type semiconductor layer to which nitrogen is not added is provided at the i / n layer interface correspond to the corresponding nitrogen concentrations. This is also supported by the fact that it is higher than Examples 6-8. That is, in the region where the nitrogen concentration in the second n-type semiconductor layer is 4 atomic% or more, the first n-type semiconductor layer made of microcrystalline silicon is inserted into the i / n layer interface, whereby the i / n layer Since the discontinuity of the valence band generated at the interface is relaxed, it is considered that the interface recombination is reduced and the open-circuit voltage, the short-circuit current density, and the form factor are increased to improve the photoelectric conversion efficiency. Further, when a second n-type semiconductor layer containing 13 atom% nitrogen corresponding to Comparative Example 2 was formed on the first n-type semiconductor layer to which nitrogen was not added, a photoelectric conversion device was manufactured. Comparative Example 2, the electrical conductivity of the second n-type semiconductor layer was extremely small, so that the open-circuit voltage, the short-circuit current density, and the form factor were greatly reduced, and the photoelectric conversion efficiency was reduced to nearly zero. From this, in the range of nitrogen concentration of 10 atomic% or less where the electric conductivity of the second n-type semiconductor layer is appropriate, by providing the first n-type semiconductor layer, the open circuit voltage, the short-circuit current density, and It became clear that the form factor increased.
According to the above consideration, when the nitrogen concentration in the second n-type semiconductor layer is in the range of 4 to 10 atomic%, the i / n layer interface is formed by forming the first n-type semiconductor layer to which nitrogen is not added. It is considered that the recombination is reduced and the shape factor is improved, and the open-circuit voltage and the short-circuit current density are increased to further improve the photoelectric conversion efficiency.

次に、実施例1〜8、比較例1および2の短絡電流密度について、図4に基づいて考察する。図4によれば、比較例1、実施例1および実施例2では、短絡電流密度にほとんど差異がないことがわかる。比較例1は短絡電流密度が21.80mA/cm2であるのに対し、窒素濃度が0.01原子%以上となるようにn型半導体層を製膜した実施例3〜8では、いずれもこの値を上回る短絡電流密度が得られ、窒素濃度10原子%までは窒素濃度の増加とともに短絡電流密度も増加し続けた。したがって、n型半導体層中の窒素濃度を増加させることにより、窒素濃度0.01原子%以上の領域では、n型半導体層の光透過率が向上して、裏面に設けられた電極16にて反射してi型半導体層13に再入射する光量が増加するために光生成キャリア数が増加するので、短絡電流密度が増加するものと考えられる。また、実施例1〜8および比較例1と2のn型半導体層単膜の光透過率を測定して比較したところ、窒素濃度の増加とともに、波長600nm〜1150nmの光透過率が向上した。これは、n型半導体層中の窒素濃度が増えるにつれて、光透過率の高い窒化シリコン相の割合が増加していくためであると考えられる。比較例2では、n型半導体層中の、光透過率の高い窒化シリコン相の増加に付随して生じる、電気伝導性の低下により短絡電流密度が低下するが、実施例3〜8のように窒素濃度が10原子%以下の領域では高い短絡電流密度が得られることが明らかになった。
以上の考察によれば、n型半導体層中窒素濃度0.01〜10原子%の範囲において、上述した開放電圧の向上に加えて、n型半導体層の光透過率の向上により短絡電流密度が増加するので、より光電変換効率の高い光電変換装置を得ることができると考えられる。
Next, the short-circuit current densities of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 will be considered based on FIG. According to FIG. 4, it can be seen that there is almost no difference in short-circuit current density in Comparative Example 1, Example 1, and Example 2. In Comparative Example 1, the short-circuit current density is 21.80 mA / cm 2 , whereas in Examples 3 to 8 in which the n-type semiconductor layer is formed so that the nitrogen concentration is 0.01 atomic% or more, all are A short-circuit current density exceeding this value was obtained, and the short-circuit current density continued to increase with increasing nitrogen concentration up to a nitrogen concentration of 10 atomic%. Therefore, by increasing the nitrogen concentration in the n-type semiconductor layer, the light transmittance of the n-type semiconductor layer is improved in the region where the nitrogen concentration is 0.01 atomic% or more, and the electrode 16 provided on the back surface is improved. Since the number of photogenerated carriers increases because the amount of light that is reflected and re-enters the i-type semiconductor layer 13 increases, it is considered that the short-circuit current density increases. Further, when the light transmittances of the n-type semiconductor layer single films of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 were measured and compared, the light transmittance at wavelengths of 600 nm to 1150 nm was improved as the nitrogen concentration increased. This is considered to be because the ratio of the silicon nitride phase having a high light transmittance increases as the nitrogen concentration in the n-type semiconductor layer increases. In Comparative Example 2, the short-circuit current density decreases due to the decrease in electrical conductivity that occurs accompanying the increase in the silicon nitride phase having a high light transmittance in the n-type semiconductor layer, but as in Examples 3-8. It was revealed that a high short-circuit current density can be obtained in a region where the nitrogen concentration is 10 atomic% or less.
According to the above consideration, in the range where the nitrogen concentration in the n-type semiconductor layer is 0.01 to 10 atomic%, in addition to the improvement of the open-circuit voltage described above, the short-circuit current density is improved by the improvement of the light transmittance of the n-type semiconductor layer. Since it increases, it is thought that a photoelectric conversion apparatus with higher photoelectric conversion efficiency can be obtained.

(実施例6および実施例12との比較)
次に、実施例6および12の比較結果について考察する。実施例12は、n型半導体層製膜時の水素希釈量が少ないため、窒素添加されたアモルファスシリコンn型半導体層となっているのに対し、実施例6は、水素希釈量が多く、窒素添加された微結晶シリコンn型半導体層となっている点が異なっている。このことは、実施例6および12のn型半導体層単層のラマン散乱スペクトルを測定したところ、実施例6のn型半導体層中には結晶シリコン相の存在を示す520cm-1付近のピークが観測されたが、実施例12のn型半導体層中には該ピークが観測されなかったことから確認できた。
実施例12は表1に示したように形状因子が0.681であるのに対し、実施例6の形状因子は0.720であり、特に形状因子が大きく向上した。したがって、n型半導体層を結晶シリコンを含む層とすることで、電気伝導性が向上し、光電変換装置の直列抵抗損失が低減されることで、開放電圧、短絡電流密度および形状因子が増加し、高い光電変換効率を得ることができたと考えられる。
(Comparison with Example 6 and Example 12)
Next, the comparison results of Examples 6 and 12 will be considered. Example 12 is an amorphous silicon n-type semiconductor layer doped with nitrogen because the amount of hydrogen dilution during the deposition of the n-type semiconductor layer is small, whereas Example 6 has a large amount of hydrogen dilution and nitrogen. The difference is that it is an added microcrystalline silicon n-type semiconductor layer. This indicates that when the Raman scattering spectra of the n-type semiconductor layers of Examples 6 and 12 were measured, a peak near 520 cm −1 indicating the presence of a crystalline silicon phase was found in the n-type semiconductor layer of Example 6. Although observed, it was confirmed that the peak was not observed in the n-type semiconductor layer of Example 12.
As shown in Table 1, the shape factor of Example 12 is 0.681, whereas the shape factor of Example 6 is 0.720, and the shape factor is greatly improved. Therefore, by making the n-type semiconductor layer a layer containing crystalline silicon, the electrical conductivity is improved, and the series resistance loss of the photoelectric conversion device is reduced, so that the open-circuit voltage, the short-circuit current density, and the form factor increase. It is thought that high photoelectric conversion efficiency could be obtained.

(実施例13〜15)
本実施例13〜15では、p型半導体層12以外は全て実施例6と同条件で、以下のようにスーパーストレート型光電変換装置100を作製した。
p型半導体層12は、原料ガスとして、SiH4、H2、B26、N2及びCH4を用い、H2/SiH4ガス流量比は150倍とし、B26/SiH4ガス流量比、CH4/SiH4ガス流量比、N2/SiH4流量比は表2に示したとおりである。それ以外の条件は、全て実施例6と同条件で作製した。よって、実施例13〜15のn型半導体層14の窒素濃度は2原子%である。このときのp型半導体層12の膜中炭素濃度および膜中窒素濃度は表2に示した。
(Examples 13 to 15)
In Examples 13 to 15, a super straight type photoelectric conversion device 100 was manufactured as follows under the same conditions as Example 6 except for the p-type semiconductor layer 12.
The p-type semiconductor layer 12 uses SiH 4 , H 2 , B 2 H 6 , N 2, and CH 4 as source gases, the H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio is 150 times, and B 2 H 6 / SiH 4 The gas flow rate ratio, CH 4 / SiH 4 gas flow rate ratio, and N 2 / SiH 4 flow rate ratio are as shown in Table 2. All other conditions were the same as in Example 6. Therefore, the nitrogen concentration of the n-type semiconductor layer 14 of Examples 13 to 15 is 2 atomic%. The carbon concentration and nitrogen concentration in the film of the p-type semiconductor layer 12 at this time are shown in Table 2.

このようにして得られた実施例13〜15の光電変換装置について、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下におけるセル面積1cm2の電流−電圧特性を測定した。その結果を表2にまとめて示した。 For the photoelectric conversion device of Example 13 to 15 obtained in this manner, AM1.5 (100mW / cm 2) cell area 1 cm 2 of current under the irradiation condition - voltage characteristics were measured. The results are summarized in Table 2.

Figure 0004441377
Figure 0004441377

(実施例6および実施例13〜15についての考察)
実施例6および実施例13〜15の比較結果について考察する。実施例13〜15では実施例6よりも高い開放電圧、短絡電流密度が得られており、このため、より高い光電変換効率が得られている。実施例13および14の通り、p型半導体層12が炭素原子または窒素原子を含有することにより短絡電流が増加する理由としては、p型半導体層12が上記不純物原子を含むことによって、バンドギャップが増大し、光透過率が向上したためと考えられる。
以上より、p型半導体層12に、炭素含有p型半導体層、または窒素含有p型半導体層を用いた場合には、光電変換装置100の光電変換効率がさらに向上するので好ましい。
また、実施例15の通り、p型半導体層12に不純物として炭素原子と窒素原子の両方が含まれている場合には、炭素原子もしくは窒素原子を片方しか含まない場合よりも、さらに開放電圧、短絡電流密度が向上することにより光電変換効率が向上した。
(Consideration about Example 6 and Examples 13-15)
Consider the comparison results of Example 6 and Examples 13-15. In Examples 13 to 15, higher open-circuit voltage and short-circuit current density were obtained than in Example 6, and thus higher photoelectric conversion efficiency was obtained. As in Examples 13 and 14, the reason why the short-circuit current increases when the p-type semiconductor layer 12 contains carbon atoms or nitrogen atoms is that the p-type semiconductor layer 12 contains the impurity atoms, so that the band gap is This is thought to be due to an increase in light transmittance.
From the above, it is preferable to use a carbon-containing p-type semiconductor layer or a nitrogen-containing p-type semiconductor layer for the p-type semiconductor layer 12 because the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device 100 is further improved.
Further, as in Example 15, when both the carbon atom and the nitrogen atom are contained as impurities in the p-type semiconductor layer 12, the open-circuit voltage is further increased as compared with the case where only one of the carbon atom or the nitrogen atom is contained. The photoelectric conversion efficiency was improved by improving the short-circuit current density.

(実施例16)
本実施例16では、図2に示すスーパーストレート型積層型光電変換装置を以下のように作製した。
基板11としては、上記実施例1〜15で使用したものと同一の、表面に透明導電膜が形成された白板ガラスを使用した。この基板11上に、50nmの酸化亜鉛層をマグネトロンスパッタリング法により形成したのち、プラズマCVD法により後述の条件で第1の光電変換層10をp型半導体層12、i型半導体層13、n型半導体層14の順に堆積した。その上にさらに後述の条件で第2の光電変換層20をp型半導体層22、i型半導体層23、n型半導体層24の順に堆積させたのち、マグネトロンスパッタリング法により透明導電層15として膜厚50nmの酸化亜鉛層を、電極16として膜厚500nmの銀層を堆積させて、スーパーストレート型積層型光電変換装置200を得た。
(Example 16)
In Example 16, the super straight stacked photoelectric conversion device shown in FIG. 2 was produced as follows.
As the substrate 11, the same white glass having a transparent conductive film formed on the surface thereof as used in the above Examples 1 to 15 was used. A 50 nm zinc oxide layer is formed on the substrate 11 by a magnetron sputtering method, and then the first photoelectric conversion layer 10 is formed by a plasma CVD method under the conditions described later, the p-type semiconductor layer 12, the i-type semiconductor layer 13, and the n-type semiconductor layer. The semiconductor layers 14 were deposited in this order. A second photoelectric conversion layer 20 is further deposited on the p-type semiconductor layer 22, the i-type semiconductor layer 23, and the n-type semiconductor layer 24 in this order under the conditions described later, and then the film is formed as the transparent conductive layer 15 by magnetron sputtering. A 50 nm thick zinc oxide layer was deposited as an electrode 16 and a 500 nm thick silver layer was deposited to obtain a super straight stacked photoelectric conversion device 200.

第1の光電変換層10はn型半導体層14の形成時にN2ガスを使用せず、第2の光電変換層20はn型半導体層24の形成時にN2ガスを使用した。p型半導体層12は、原料ガスとしてSiH4、H2、およびB26を使用し、H2/SiH4ガス流量比は5倍とし、B26/SiH4ガス流量比は膜中ホウ素濃度が0.1原子%となるように調節した。p型半導体層12の膜厚は15nmとした。
i型半導体層13は、原料ガスとしてSiH4およびH2を用いた。H2/SiH4ガス流量比は20倍、膜厚300nmとなるように形成した。
n型半導体層14は、原料ガスとしてSiH4、H2、およびPH3を用いた。H2/SiH4ガス流量比は5倍とし、PH3/SiH4ガス流量比は、膜中リン濃度が0.01原子%となるように調節した。n型半導体層14の膜厚は20nmとした。
なお、各半導体層12、13、14のプラズマCVDによる形成時において、製膜時の基板温度を全て200℃とした。
第2の光電変換層20のp型半導体層22、i型半導体層23およびn型半導体層24の製膜条件および膜厚は、それぞれ実施例6のp型半導体層12、i型半導体層13およびn型半導体層14と同一とした。したがって、n型半導体層24の膜中窒素濃度は2原子%である。
このようにして得られた実施例16の光電変換装置について、上記実施例と同様に、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下におけるセル面積1cm2の電流−電圧特性を測定し、結果を表3に示した。
The first photoelectric conversion layer 10 did not use N 2 gas when the n-type semiconductor layer 14 was formed, and the second photoelectric conversion layer 20 used N 2 gas when the n-type semiconductor layer 24 was formed. The p-type semiconductor layer 12 uses SiH 4 , H 2 , and B 2 H 6 as source gases, the H 2 / SiH 4 gas flow ratio is 5 times, and the B 2 H 6 / SiH 4 gas flow ratio is a film. The medium boron concentration was adjusted to 0.1 atomic%. The film thickness of the p-type semiconductor layer 12 was 15 nm.
The i-type semiconductor layer 13 uses SiH 4 and H 2 as source gases. The H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio was 20 times and the film thickness was 300 nm.
The n-type semiconductor layer 14 used SiH 4 , H 2 , and PH 3 as source gases. The H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio was 5 times, and the PH 3 / SiH 4 gas flow rate ratio was adjusted so that the phosphorus concentration in the film was 0.01 atomic%. The film thickness of the n-type semiconductor layer 14 was 20 nm.
In addition, when forming each semiconductor layer 12, 13, and 14 by plasma CVD, all the substrate temperatures at the time of film-forming were 200 degreeC.
The film forming conditions and film thicknesses of the p-type semiconductor layer 22, the i-type semiconductor layer 23, and the n-type semiconductor layer 24 of the second photoelectric conversion layer 20 are respectively the p-type semiconductor layer 12 and the i-type semiconductor layer 13 of Example 6. And the same as the n-type semiconductor layer 14. Therefore, the nitrogen concentration in the n-type semiconductor layer 24 is 2 atomic%.
For the photoelectric conversion device of Example 16 obtained in this manner, the current-voltage characteristics of a cell area of 1 cm 2 under AM1.5 (100 mW / cm 2 ) irradiation conditions were measured in the same manner as in the above example. Are shown in Table 3.

(実施例17)
n型半導体層14以外は全て実施例16と同条件で、スーパーストレート型積層型光電変換装置200を作製した。本実施例においては、第1、第2の光電変換層10、20の各n型半導体層14、24の形成時にN2ガスを使用した。n型半導体層14の形成時のH2/SiH4ガス流量比は5倍、PH3/SiH4ガス流量比は膜中リン濃度が0.01原子%となるように調節し、N2/SiH4ガス流量比は、膜中窒素濃度が2原子%となるように調節した。
このようにして得られた実施例17の光電変換装置について、上記実施例と同様に、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下におけるセル面積1cm2の電流−電圧特性を測定し、結果を表3に示した。
(Example 17)
A super straight stacked photoelectric conversion device 200 was manufactured under the same conditions as in Example 16 except for the n-type semiconductor layer 14. In this example, N 2 gas was used when the n-type semiconductor layers 14 and 24 of the first and second photoelectric conversion layers 10 and 20 were formed. The H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio at the time of forming the n-type semiconductor layer 14 is adjusted to 5 times, and the PH 3 / SiH 4 gas flow rate ratio is adjusted so that the phosphorus concentration in the film is 0.01 atomic%, and N 2 / The SiH 4 gas flow rate ratio was adjusted so that the nitrogen concentration in the film was 2 atomic%.
For the photoelectric conversion device of Example 17 obtained in this way, the current-voltage characteristics of a cell area of 1 cm 2 under AM1.5 (100 mW / cm 2 ) irradiation conditions were measured in the same manner as in the above example. Are shown in Table 3.

(比較例3)
n型半導体層24以外は全て実施例16と同条件で、スーパーストレート型積層型光電変換装置200を作製した。本比較例3においては、第1、第2の光電変換層10、22の各n型半導体層14、24の形成時にはN2ガスを使用しなかった。n型半導体層24の形成時のH2/SiH4ガス流量比は20倍、PH3/SiH4ガス流量比は膜中リン濃度が0.01原子%となるように調節した。
上記実施例と同様に、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下におけるセル面積1cm2の電流−電圧特性を測定し、結果を表3に示した。
(Comparative Example 3)
A super straight stacked photoelectric conversion device 200 was manufactured under the same conditions as in Example 16 except for the n-type semiconductor layer 24. In Comparative Example 3, N 2 gas was not used when the n-type semiconductor layers 14 and 24 of the first and second photoelectric conversion layers 10 and 22 were formed. The H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio during the formation of the n-type semiconductor layer 24 was adjusted to 20 times, and the PH 3 / SiH 4 gas flow rate ratio was adjusted so that the phosphorus concentration in the film was 0.01 atomic%.
Similarly to the above example, the current-voltage characteristics of a cell area of 1 cm 2 under AM1.5 (100 mW / cm 2 ) irradiation conditions were measured, and the results are shown in Table 3.

Figure 0004441377
Figure 0004441377

(実施例16と、17および比較例3に関する考察)
以下、実施例16、17および比較例3の比較結果に関して、表3に基づいて考察する。
第1、第2の光電変換層のn型半導体層がともに窒素原子をほとんど含有しない比較例3と比べて、第2の光電変換層のn型半導体層が2原子%の窒素原子を含有する実施例16は、開放電圧および短絡電流密度が大きく、高い変換効率が得られた。これは、第2の光電変換層20において、実施例2〜8と同様の開放電圧向上効果および、実施例3〜8と同様の短絡電流密度向上効果が得られたためであると考えられる。
さらに、第1、第2の光電変換層のn型半導体層がともに2原子%の窒素原子を含有する実施例17は、第2の光電変換層に加えて第1の光電変換層も開放電圧および短絡電流密度向上効果が得られるため、実施例16より高い変換効率が得られた。
以上の考察によれば、積層型光電変換装置において少なくとも一つのn型半導体層に本発明を適用すれば、上記単層型光電変換装置と同様に開放電圧および短絡電流密度の増加により光電変換効率が向上させることができる。
(Consideration on Examples 16 and 17 and Comparative Example 3)
Hereinafter, the comparison results of Examples 16 and 17 and Comparative Example 3 will be considered based on Table 3.
Compared with Comparative Example 3 in which the n-type semiconductor layers of the first and second photoelectric conversion layers hardly contain nitrogen atoms, the n-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer contains 2 atom% of nitrogen atoms. In Example 16, the open circuit voltage and the short circuit current density were large, and high conversion efficiency was obtained. This is considered to be because in the second photoelectric conversion layer 20, the same open-circuit voltage improvement effect as in Examples 2 to 8 and the same short-circuit current density improvement effect as in Examples 3 to 8 were obtained.
Furthermore, in Example 17 in which the n-type semiconductor layers of the first and second photoelectric conversion layers both contain 2 atomic% of nitrogen atoms, the first photoelectric conversion layer is also open-circuited in addition to the second photoelectric conversion layer. Since the effect of improving the short circuit current density was obtained, a higher conversion efficiency than that of Example 16 was obtained.
According to the above consideration, if the present invention is applied to at least one n-type semiconductor layer in a stacked photoelectric conversion device, the photoelectric conversion efficiency is increased by increasing the open-circuit voltage and the short-circuit current density as in the single-layer photoelectric conversion device. Can be improved.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、光電変換装置における各種パラメータ、例えば、p型半導体層、i型半導体層、n型半導体層(または第1、第2の光電変換層)、透明導電層および電極の膜厚、p型半導体層、n型半導体層(または第1、第2の光電変換層)中の窒素濃度および/または不純物濃度等は適宜変更可能であり、また、光電変換装置の製造時における各種パラメータ、例えば、N2/SiH4流量比、B26/SiH4流量比、CH4/SiH4流量比、PH3/SiH4流量比、H2/SiH4流量比、各層の成膜方法、成膜温度等は適宜変更可能である。 In addition, this invention is not limited to the said Example, Various parameters in a photoelectric conversion apparatus, for example, a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer (or 1st, 2nd photoelectric conversion layer) ), The film thickness of the transparent conductive layer and the electrode, the nitrogen concentration and / or the impurity concentration in the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer (or the first and second photoelectric conversion layers) can be appropriately changed, and Various parameters at the time of manufacturing the photoelectric conversion device, for example, N 2 / SiH 4 flow rate ratio, B 2 H 6 / SiH 4 flow rate ratio, CH 4 / SiH 4 flow rate ratio, PH 3 / SiH 4 flow rate ratio, H 2 / The SiH 4 flow rate ratio, the film formation method of each layer, the film formation temperature, and the like can be changed as appropriate.

本発明の光電変換装置は、スーパーストレート型あるいはサブストレート型の薄膜太陽電池として好適である。   The photoelectric conversion device of the present invention is suitable as a super straight type or substrate type thin film solar cell.

本発明の実施の形態1のスーパーストレート型光電変換装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the super straight type photoelectric conversion apparatus of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2のスーパーストレート型積層型光電変換装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the super straight type | mold laminated photoelectric conversion apparatus of Embodiment 2 of this invention. 実施例1〜12および比較例1における開放電圧のn型半導体層膜中窒素濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the nitrogen concentration dependence in the n-type semiconductor layer film of the open circuit voltage in Examples 1-12 and Comparative Example 1. 実施例1〜12および比較例1における短絡電流密度のn型半導体層膜中窒素濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the nitrogen concentration dependence in the n-type semiconductor layer film of the short circuit current density in Examples 1-12 and Comparative Example 1. 実施例1〜12および比較例1における光電変換効率のn型半導体層膜中窒素濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the nitrogen concentration dependence in the n-type semiconductor layer film of the photoelectric conversion efficiency in Examples 1-12 and Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

10、20 光電変換層
11 基板
11a 透光性基板
11b 透明導電層
12、22 p型半導体層
13、23 i型半導体層
14、24 n型半導体層
15 透明導電層
16 電極
100 スーパーストレート型光電変換装置
200 スーパーストレート型積層型光電変換装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 Photoelectric conversion layer 11 Substrate 11a Translucent substrate 11b Transparent conductive layer 12, 22 p-type semiconductor layer 13, 23 i-type semiconductor layer 14, 24 n-type semiconductor layer 15 Transparent conductive layer 16 Electrode 100 Super straight type photoelectric conversion Device 200 Super straight type stacked photoelectric conversion device

Claims (11)

p型半導体層、i型半導体層およびシリコン原子を少なくとも含有するn型半導体層を積層して構成される1つ以上のpin型光電変換層を有し、かつ、前記1つ以上のpin型光電変換層における少なくとも1つの前記n型半導体層が窒素原子を含有し、
窒素原子を含有するn型半導体層は、その中に含まれる窒素原子の濃度が0.001〜10原子%であり、結晶シリコン相を有することを特徴とする光電変換装置。
a p-type semiconductor layer; an i-type semiconductor layer; and an n-type semiconductor layer containing at least silicon atoms, the at least one pin-type photoelectric conversion layer, and the one or more pin-type photoelectric layers At least one of the n-type semiconductor layers in the conversion layer contains nitrogen atoms ;
The n-type semiconductor layer containing a nitrogen atom has a concentration of nitrogen atoms contained in the n-type semiconductor layer of 0.001 to 10 atom% and has a crystalline silicon phase .
窒素原子を含有するn型半導体層は、その中に含まれる窒素原子の濃度が0.01〜10原子%である請求項に記載の光電変換装置。 2. The photoelectric conversion device according to claim 1 , wherein the n-type semiconductor layer containing nitrogen atoms has a concentration of nitrogen atoms contained in the n-type semiconductor layer of 0.01 to 10 atomic%. 窒素原子を含有するn型半導体層において、結晶化率が3以上である請求項1または2に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to claim 1 or 2 , wherein the n-type semiconductor layer containing a nitrogen atom has a crystallization ratio of 3 or more. i型半導体層が、シリコン原子を結晶シリコン相として含有する請求項1〜の何れか1つに記載の光電変換装置。 i-type semiconductor layer, the photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3 containing silicon atoms as the crystalline silicon phase. p型半導体層は、炭素原子および/または窒素原子を含有する請求項1〜の何れか1つに記載の光電変換装置。 p-type semiconductor layer, the photoelectric conversion device according to any one of claims 1-4 containing carbon atoms and / or nitrogen atoms. pin型光電変換層が2つ以上備えられた請求項1〜の何れか1つに記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 5 , wherein two or more pin-type photoelectric conversion layers are provided. 2つ以上のpin型光電変換層の間に透光性導電膜を有する請求項に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion apparatus of Claim 6 which has a translucent electrically conductive film between two or more pin type photoelectric conversion layers. 基板上に導電膜を介してp型半導体層、i型半導体層およびn型半導体層を備えた光電変換層を1つ以上形成する工程を有し、
前記光電変換層のn型半導体層を形成する工程において、シリコン原子、n型導電性元素および窒素原子を含む原料ガスを用いて、シリコン原子濃度に対する窒素原子濃度が0.001〜10原子%で窒素原子を含有するように、かつ窒素原子を含有するn型半導体層が結晶シリコン相を有するように形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
Forming one or more photoelectric conversion layers including a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer via a conductive film on a substrate;
In the step of forming the n-type semiconductor layer of the photoelectric conversion layer, a nitrogen atom concentration with respect to the silicon atom concentration is 0.001 to 10 atomic% using a source gas containing silicon atoms, an n-type conductive element, and nitrogen atoms. A method for manufacturing a photoelectric conversion device , comprising forming a nitrogen atom so that an n-type semiconductor layer containing a nitrogen atom has a crystalline silicon phase .
窒素原子を含有するn型半導体層を形成するための原料ガスがNThe source gas for forming the n-type semiconductor layer containing nitrogen atoms is N 22 を含む請求項8に記載の光電変換装置の製造方法。The manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus of Claim 8 containing this. 窒素原子を含有するn型半導体層を形成するための原料ガスがN2及びSiH4を含み、N2/SiH4のガス流量比を0.0002〜2の範囲に制御する請求項8または9に記載の光電変換装置の製造方法。 Raw material gas for forming the n-type semiconductor layer containing nitrogen atoms comprises N 2 and SiH 4, N 2 / claim 8 or 9, the gas flow ratio of SiH 4 is controlled to a range of 0.0002 to 2 The manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus of description. 窒素原子を含有するn型半導体層を形成するための原料ガスがPH3をさらに含み、PH3/SiH4のガス流量比を0.0125〜0.025の範囲に制御する請求項10に記載の光電変換装置の製造方法。 Raw material gas for forming the n-type semiconductor layer containing nitrogen atoms further comprises a PH 3, claim 10 for controlling the gas flow rate ratio of PH 3 / SiH 4 in the range of 0.0125 to 0.025 Method for manufacturing a photoelectric conversion device.
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