JP4560245B2 - 光起電力素子 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン系非単結晶半導体材料からなる光起電力素子に係る。より詳細には光電変換効率が高く、かつ信頼性の高い光起電力素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光起電力素子は、太陽光などの光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子である。その半導体材料としては、アモルファスシリコン(a−Si:H)に代表されるアモルファス材料が、安価で、大面積化及び薄膜化が可能であり、組成の自由度が大きく、電気的及び光学的特性を広い範囲で制御できる等の理由から注目され、多くの研究がなされている。
【0003】
上述したアモルファス材料からなる光起電力素子、特にアモルファス太陽電池では、光電変換効率を高めることが重要な課題である。
【0004】
この課題を解決する方法としては、単位素子構造の太陽電池を複数積層するいわゆるタンデムセルを用いることが米国特許2,949,498号明細書に開示されている。このタンデムセルは、異なるバンドギャップの素子を積層し、太陽光線のスペクトルの各部分を効率よく吸収することにより変換効率を向上させるものであり、積層する素子の光入射側に位置するいわゆるトップ層のバンドギャップよりも該トップ層の下に位置するいわゆるボトム層のバンドギャップが狭くなる様に設計される。また、前記トップ層とボトム層との間にいわゆるミドル層を設ける3層タンデムセル(以下トリプルセルと呼ぶ)も検討されている。
【0005】
また、入射した光から生成する電子−正孔対のうち拡散距離の短い正孔を収集し易いように、p層を透明電極側に、すなわち光入射側に配置して、光の総合収集効率を高め、p層とn層の間に実質的に真性な半導体(以後i型層と記す)を介在させたものが多い。
【0006】
さらに、微結晶シリコンの持つ高い導電性と短波長領域での小さな吸収係数という物性を利用して、光入射側のp層に微結晶シリコンを用いることにより、短絡電流(Jsc)が改善される。また、微結晶シリコンはアモルファスシリコンに比べてワイドギャップであるため不純物添加効率が高く、光起電力素子内の内部電界が大きくなる。その結果、開放電圧(Voc)も改善され、光電変換効率が向上することが報告されている(“Enhancement of open circuit voltage in high efficiency amorphous silicon alloy solar cells”S.Guha, J.Yang, P.Nath and M.Hack: Appl. Phys. Lett., 49 (1986) 218)。
【0007】
しかしながら、これらの光起電力素子においては、p層とn層との接合部の界面特性を安定して制御することは難しく、接合状態、不純物量の変化により直列抵抗の増加、それに伴うIV特性の低下等が発生し特性変動の原因となっている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、p層とn層接合部の界面の制御を安定させ、界面特性を向上させることにより、光電変換効率の高い光起電力素子を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の光起電力素子は、シリコン系非単結晶半導体材料からなるpn又はpin構造を有する複数の単位素子同士を、p/n型接合させて積層した光起電力素子において、
前記p/n型接合の接合界面で、窒素濃度が最大となるピークを持ち、且つそのピークにおける窒素濃度(ピーク窒素濃度)が1×1018atoms/cm以上、1×1020atoms/cm以下であることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
図を用いて、本発明について詳細に説明するが、本発明の光起電力素子はこれにより何ら限定されるものではない。
【0011】
図1は、本発明の光起電力素子を応用するに好適なpin型非晶質太陽電池を模式的に表わしたものである。図1は光が図の上部から入射する構造の太陽電池であり、図に於いて100は太陽電池本体、110はボトム層、111はミドル層、112はトップ層、101は基板、102は下部電極、103、113、123はn型半導体層、104、114、124はi型半導体層、105、115、125はp型半導体層、106は上部電極、107は集電電極を表わす。
【0012】
(基板)
半導体層は高々1μm程度の薄膜であるため支持体となる適当な基板上に堆積される。このような基板101としては、単結晶質もしくは非単結晶質のものであってもよく、さらにそれらは導電性のものであっても、また電気絶縁性のものであってもよい。さらには、それらは透光性のものであっても、また非透光性のものであってもよいが、変形、歪みが少なく、所望の強度を有するものであることが好ましい。
【0013】
具体的にはFe,Ni,Cr,Al,Mo,Au,Nb,Ta,V,Ti,Pt,Pb等の金属またはこれらの合金、例えば真鍮、ステンレス鋼等の薄板及びその複合体、及びポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネート、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、エポキシ等の耐熱性合成樹脂のフィルムまたはシート又はこれらとガラスファイバー、カーボンファイバー、ホウ素ファイバー、金属繊維等との複合体、及びこれらの金属の薄板、樹脂シート等の表面に異種材質の金属薄膜及び/またはSiO,Si,Al,AlN等の絶縁性薄膜をスパッタ法、蒸着法、鍍金法等により表面コーティング処理を行ったものおよび、ガラス、セラミックスなどが挙げられる。
【0014】
前記基板を太陽電池用の基板として用いる場合には基板として帯状基板を用いることが好ましい。さらに、帯状基板が金属等の電気導電性である場合には、直接電流取り出し用の電極としても良いし、合成樹脂等の電気絶縁性である場合には、堆積膜の形成される側の表面にAl,Ag,Pt,Au,Ni,Ti,Mo,W,Fe,V,Cr,Cu,ステンレス,真ちゅう,ニクロム,SnO,In,ZnO,ITO等のいわゆる金属単体又は合金、及び透明導電性酸化物(TCO)を鍍金、蒸着、スパッタ等の方法であらかじめ表面処理を行って電流取り出し用の電極を形成しておくことが望ましい。勿論、前記帯状基板が金属等の電気導電性のものであっても、長波長光の基板表面上での反射率を向上させたり、基板材質と堆積膜との間での構成元素の相互拡散を防止する等の目的で異種の金属層等を前記基板上の堆積膜が形成される側に設けても良い。
【0015】
また、前記基板の表面性としてはいわゆる平滑面であっても、微小の凹凸面であっても良い。微小の凹凸面とする場合にはその凹凸形状は球状、円錐状、角錐状等であって、且つその最大高さ(Rmax)が好ましくは50nm乃至500nmとすることにより、該表面での光反射が乱反射となり、該表面での反射光の光路長の増大をもたらす。基板の形状は、用途により平滑表面或は凸凹表面の板状、長尺ベルト状、円筒状等であることができ、その厚さは、所望通りの光起電力素子を形成し得るように適宜決定するが、基板の製造上及び取扱い上、機械的強度等の点から、通常は、10μm以上とされる。
【0016】
本発明の光起電力素子においては、当該素子の構成形態により適宜の電極が選択使用される。それらの電極としては、下部電極、上部電極(透明電極)、集電電極を挙げることができる(ただし、ここでいう上部電極とは光の入射側に設けられたものを示し、下部電極とは半導体層を挟んで上部電極に対向して設けられたものを示すこととする。)。これらの電極について以下に詳しく説明する。
【0017】
(下部電極)
本発明において用いられる下部電極102としては、基板101とn型半導体層103との間に設けられる。しかし、基板101が導電性である場合には、該基板が下部電極を兼ねることができる。ただし、基板101が導電性であってもシート抵抗値が高い場合には、電流取り出し用の低抵抗の電極として、あるいは基板面での反射率を高め入射光の有効利用を図る目的で電極102を設置してもよい。
【0018】
電極材料としては、Ag,Au,Pt,Ni,Cr,Cu,Al,Ti,Zn,Mo,W等の金属又はこれらの合金が挙げられ、これ等の金属の薄膜を真空蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング等で形成する。また、形成された金属薄膜は光起電力素子の出力に対して抵抗成分とならぬように配慮されねばならない。
【0019】
下部電極102とn型半導体層103との間に、図中には示されていないが、導電性酸化亜鉛等の拡散防止層を設けても良い。該拡散防止層の効果としては、下部電極102を構成する金属元素がn型半導体層中へ拡散するのを防止するのみならず、若干の抵抗値をもたせることで半導体層を挟んで設けられた下部電極102と透明電極106との間にピンホール等の欠陥で発生するショートを防止すること、及び薄膜による多重干渉を発生させ入射された光を光起電力素子内に閉じ込める等の効果を挙げることができる。
【0020】
(上部電極(透明電極))
本発明において用いられる透明電極106としては太陽や白色蛍光灯等からの光を半導体層内に効率良く吸収させるために光の透過率が85%以上であることが望ましく、さらに、電気的には光起電力素子の出力に対して抵抗成分とならぬようにシート抵抗値は300Ω/□以下であることが望ましい。このような特性を備えた材料としてSnO,In,ZnO,CdO,CdSnO,ITO(In+SnO)などの金属酸化物や、Au,Al,Cu等の金属を極めて薄く半透明状に成膜した金属薄膜等が挙げられる。
【0021】
透明電極106は図1においてp型半導体層125層の上に積層されるものであるため、互いの密着性の良いものを選ぶことが好ましい。これらの作製方法としては、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム加熱蒸着法、スパッタリング法、スプレー法等を用いることができ、所望に応じて適宜選択される。
【0022】
(集電電極)
本発明において用いられる集電電極107は、透明電極106の表面抵抗値を低減させる目的で透明電極106上に設けられる。電極材料としてはAg,Cr,Ni,Al,Ag,Au,Ti,Pt,Cu,Mo,W等の金属またはこれらの合金の薄膜が挙げられる。これらの薄膜は積層させて用いることができる。また、半導体層への光入射光量が充分に確保されるよう、その形状及び面積が適宜設計される。
【0023】
たとえば、その形状は光起電力素子の受光面に対して一様に広がり、且つ受光面積に対してその面積は好ましくは15%以下、より好ましくは10%以下であることが望ましい。また、シート抵抗値としては、好ましくは50Ω/□以下、より好ましくは10Ω/□以下であることが望ましい。
【0024】
(半導体層)
半導体層103、104、105、113、114、115、123、124、125は通常の薄膜作製プロセスに依って作製されるもので、蒸着法、スパッタ法、高周波プラズマCVD法、マイクロ波プラズマCVD法、ECR法、熱CVD法、LPCVD法等公知の方法を所望に応じて用いることにより作製できる。工業的に採用されている方法としては、原料ガスをプラズマで分解し、基板上に堆積させるプラズマCVD法が好んで用いられる。
【0025】
また、反応装置としては、バッチ式の装置や連続成膜装置などが所望に応じて使用できる。価電子制御された半導体を作製する場合は、リン、ボロン等を構成原子として含むPH,Bガス等を同時に分解することにより行なわれる。
【0026】
(i型半導体層)
本光起電力素子において、好適に用いられるi型半導体層を構成する半導体材料としては、非晶質シリコンゲルマニュームのi層を作製する場合はa−SiGe:H、a−SiGe:F、a−SiGe:H:F等のいわゆるIV族合金系半導体材料が挙げられる。また、単位素子構成を積層したタンデムセル構造に於て非晶質シリコンゲルマニューム以外のi型半導体層を構成する半導体材料としては、a−Si:H、a−Si:F、a−Si:H:F、a−SiC:H、a−SiC:F、a−SiC:H:F、poly−Si:H、poly−Si:F、poly−Si:H:F等いわゆるIV族及びIV族合金系半導体材料の他、III−V及びII−VI族のいわゆる化合物半導体材料等が挙げられる。
【0027】
CVD法に用いる原料ガスとしては、シリコン元素を含む化合物として鎖状または環状シラン化合物が用いられ、具体的には、例えば、SiH,SiF,(SiF,(SiF,(SiF,Si,Si,SiHF,SiH,Si,Si,SiCl,(SiCl,SiBr,(SiBr,SiCl,SiHCl,SiHBr,SiHCl,SiClなどのガス状態のまたは容易にガス化し得るものが挙げられる。
【0028】
また、ゲルマニューム元素を含む化合物として、鎖状ゲルマンまたはハロゲン化ゲルマニューム、環状ゲルマン、またはハロゲン化ゲルマニューム、鎖状または環状ゲルマニューム化合物及びアルキル基などを有する有機ゲルマニューム化合物、具体的にはGeH,Ge,Ge,n−GeH10,t−Ge10,GeH,Ge10,GeHCl,GeH,Ge(CH,Ge(C,Ge(C,Ge(CH,GeF,GeF,などが挙げられる。
【0029】
(p型半導体層及びn型半導体層)
本光起電力素子において好適に用いられるp型またはn型の半導体層を構成する半導体材料としては、前述したi型半導体層を構成する半導体材料に価電子制御剤をドーピングすることによって得られる。作製方法は、前述したi型半導体層の作製方法と同様の方法が好適に利用できる。また原料としては、周期律表第IV族堆積膜を得る場合、p型半導体を得るための価電子制御剤としては周期律表第III族の元素を含む化合物が用いられる。第III族の元素としては、Bが挙げられ、Bを含む化合物としては、具体的には、BF,B,B10,B,B11,B10,B(CH,B(C,B12等が挙げられる。
【0030】
p型不純物濃度としては、1×1019atoms/cm〜1×1023atoms/cmが好ましい。
【0031】
n型半導体を得るための価電子制御剤としては周期律表第V族の元素を含む化合物が用いられる。第V族の元素としては、P、Nが挙げられ、これらを含む化合物としては、具体的には、N,NH,N,N,NH,PH,P(OCH,P(OC,P(C,P(OC,P(CH,P(C,P(C,P(C,P(OCH,P(OC,P(OC,P(OC,P(SCN),P,PH等が挙げられる。
n型不純物濃度としては1×1019atoms/cm〜1×1023atoms/cmが好ましい。
【0032】
しかし光起電力素子において、このp層とn層の接合部では接合状態、不純物量などの微妙な変化あるいは構造的歪みにより、直列抵抗の増加、それに伴うIV特性の低下が発生し、性能に大きく影響する。
【0033】
本発明ではこのp層、n層の界面接合部に窒素を微量添加することにより、界面制御が容易になり、特性の向上につながることを見出した。
【0034】
p層、n層には従来の不純物であるB、P元素をそれぞれ価電子制御剤として用いるが、それに加えてp/n型接合部界面で窒素濃度がピークを持つように、構成元素として窒素を含むガス(N、NH等)を導入することによりピーク窒素濃度が1×1018atoms/cm以上、1×1020atoms/cm以下となる濃度分布を実現することが可能である。なお、本発明の窒素元素の添加方法はこれ以外の方法であってもよく、本発明は前記の方法によって何等限定されない。
【0035】
なお、ここで記す界面とは、p/n型接合面を中心としてp層側、n層側に±5nmの範囲内のことを示している。
【0036】
濃度分布については、例えば接合面±0の位置にピークを有し左右対称となる分布、p層あるいはn層側にピークを有する分布がある。さらには連続的または段階的に分布させることが考えられる(すなわち、図6のような分布である。)。
【0037】
接合部界面でピーク窒素濃度を持ち、且つ1×1018atoms/cm以上、1×1020atoms/cm以下となるように制御することにより本発明の効果が得られる。すなわちこのような条件に窒素濃度を制御することにより、p/n型接合部界面の光学ギャップを大きくして光吸収ロスを小さくすることによる短絡電流の増大が見込める。また、p層、n層の両層およびp/n型接合部界面に窒素を添加することにより、オーミックなトンネル接合形成が容易になり、逆起電力による直列抵抗成分の増加を防止する効果が大きくなると推測される。さらにP、B元素が多すぎると光導電率の低下による直列抵抗成分が増加するため、窒素添加によりその流量の制御ラチチュードを広げることができる効果も考えられる。
【0038】
さらに界面に所定濃度の窒素を添加することにより、界面部分の構造歪みが緩和され、膜の密着性、安定性も向上する。
【0039】
最大窒素濃度が1×1018atoms/cm未満の場合は本発明の効果を充分得ることができず、1×1020atoms/cmを超える場合は逆に界面の構造が不安定になり、また電気特性、光学特性等に悪影響を与える。
【0040】
また、上記界面の範囲より外側をバルク部と定義すると、そのバルク部での窒素濃度は5×1019atoms/cm以下であり、界面部の窒素濃度より低くすることが好ましい。
【0041】
さらに、窒素濃度はp層、n層の価電子制御剤であるB、P元素濃度の5%以下となるように制御することによって直列抵抗成分の増加を防止する効果がより大きくなると考えられる。
【0042】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが、以下の実施例で本発明の内容が限定されるものではない。
【0043】
(実施例1)
図5のCVD成膜装置を用いて以下のようにして本発明のトリプルセルを作製した。図5において500は反応チャンバー、101は基板、502はアノード電極、503はカソード電極、504は基板加熱用ヒーター、505は接地用端子、506はマッチングボックス、507はRF電源、508は排気管、509は排気ポンプ、510は成膜ガス導入管、520、530、540、550、560、570、522、532、542、552、562および572はバルブ、521、531、541、551、561および571はマスフローコントローラーを示す。
【0044】
まず、表面を鏡面研磨し0.05μmRmaxとした5cm角の大きさのステンレス製(SUS304)基板101を不図示のスパッタ装置に入れ、該装置内を10−5Pa以下に真空排気した後、Arガスを導入し、内圧を0.6Paとして200WのパワーでDCプラズマ放電を生起し、Agのターゲットによりスパッタを行い、約500nmのAgを堆積した。
【0045】
その後ターゲットをZnOに変えて内圧、パワーとも同じ条件でDCプラズマ放電を生起しスパッタを行い、約500nmのZnOを堆積した。
【0046】
以上の工程で下部電極102を作製した後、基板101を取り出し反応チャンバー500の中のカソードに取り付け排気ポンプ509により充分排気し、不図示のイオンゲージで反応チャンバー500の中の真空度が10−4Paと成るようにした。
【0047】
次に基板加熱用ヒーター504で基板101を300℃に加熱した。基板温度が一定になった後、バルブ520、522を開け、マスフローコントローラー521の流量を制御して不図示のSiHガスボンベからSiHガス30sccmをガス導入管510を介して反応チャンバー500の中に導入した。
【0048】
なお、ここでsccmとは流量の単位で、1sccm=1cm/min(標準状態)であり、以後流量の単位はsccmで表わす。
【0049】
同様にしてバルブ540、542を開けマスフローコントローラー541の流量を制御してHガスを300sccm供給し、バルブ550、552を開け、マスフローコントローラー551の流量を制御してHガスで5%に希釈されたPHガスを10sccm導入した。
【0050】
反応チャンバー500の内圧が200Paとなるように調整した後、マッチングボックス506を介してRF電源507から10Wのパワーを投入し、プラズマ放電を生起してn型非晶質シリコン層103を40nm堆積した。
【0051】
ガス供給をやめた後、反応チャンバー500を再び真空に引き、反応チャンバー500の中の真空度が10−4Pa以下に排気された後、バルブ520、522、530、532、540、542を開けてSiHガス30sccmとHガス300sccmとGeHガス5.0sccmとを反応チャンバー500に導入した。RF電源507から20Wのパワーを投入し、プラズマ放電を生起して約180nmの非晶質シリコンゲルマニュームのi層104を堆積した。
【0052】
次に、マスフローコントローラーの流量設定を0sccmとし、バルブ520、522、530、532、540、542を閉じることによりGeHガス、SiHガスおよびHガスの流量を瞬時に0sccmとした。RFパワーを0Wにしてプラズマ放電を止めてガス供給をやめた後、反応チャンバー500の中の真空度を10−4Pa以下に排気した後、バルブ520、522、540、542、560、562を開けてSiHガス1sccmとHガス300sccmとH ガスで5%に希釈したBFガス10sccmとを反応チャンバー500に導入した。
【0053】
続いてRF電源507から20Wのパワーを投入し、プラズマ放電を生起してp層105を10nm堆積してボトム層を作製した。尚、この条件でp層をガラス基板状に堆積した試料により、粒径2nmから10nmの微結晶であることを透過型電子顕微鏡(TEM)での断面観察により確認した。
【0054】
次にn層113を上述と同様にして堆積した後、i層114をGeHガスの流量を2.5sccmとした以外は上述した方法と同様にして100nm堆積した。
【0055】
次に上述した方法でp層115を堆積したが、その際成膜途中からバルブ570、572を開けマスフローコントローラー571の流量を制御してNガスを導入し、次に成膜するn層との界面に向かって徐々に窒素濃度が増加するように制御し、ミドル層を作製した。
【0056】
さらに、n層123を堆積する際、上述した条件に加えてバルブ570、572を開けマスフローコントローラー571の流量を制御してNガスを導入した。
【0057】
その際、窒素濃度がミドルp層と連続するように制御し、且つ界面付近でピークを持ち、その後徐々に減少するようにNガス流量制御をおこなった。
【0058】
その後SiHガス30sccmとHガス300sccmを導入し、20Wのパワーを投入して非晶質シリコンのi層124を70nm堆積した後、p層125を堆積し、トップ層を形成した。
【0059】
次に、基板101を冷却後、反応チャンバー500から取り出し、不図示の抵抗加熱の蒸着装置に入れて、該装置内を10−5Pa以下に真空排気した後、酸素ガスを導入し、内圧を50Paとした後、InとSnの合金を抵抗加熱により蒸着し、反射防止効果を兼ねた機能を有する透明導電膜(ITO膜)を70nm堆積し、上部電極106とした。
【0060】
蒸着終了後、試料を取り出し不図示のドライエッチング装置により1cm×1cmの大きさのサブセルに分離した後、別の蒸着装置に移し、電子ビーム蒸着法によりアルミの集電電極107を形成した。得られた太陽電池をNo.1−1とした。
【0061】
次にミドルp層およびトップn層のNガス流量を変えた以外は上述した方法と同様にして成膜をおこない試料を作製した。試料をNo.1−2、1−3、1−4、1−5とした。
【0062】
これらの試料をソーラーシミュレータを用いてAM−1.5の太陽光スペクトルの光を100mW/cmの強度で照射し、電圧電流曲線を求めることにより太陽電池の初期変換効率を測定した。
【0063】
得られた結果を図2、3に示した。図2は各試料のトップn層、ミドルp層での窒素濃度を表わしており、トップn層のp/n接合面近くで窒素濃度が最大ピークを持っていることが確認される。図3では各試料のトップn層での最大窒素濃度を横軸として初期変換効率ηを表わした。ここで初期変換効率η(normalized)は、試料1−1の変換効率を1として規格化して表わした。
【0064】
この結果から、p/n型接合部界面での最適な窒素濃度は、1×1018atoms/cm以上、1×1020atoms/cm以下であることがわかる。
【0065】
(実施例2)
図5の成膜装置を用いて、実施例1と同様にトリプルセルを作製した。ただし本例ではミドルp層およびトップn層でのNガス供給を、実施例1よりも少ない範囲で変化させて、試料2−1、2−2、2−3、2−4、2−5を作製した。
いずれの試料もピーク窒素濃度はp/n型接合部界面にあり、1×1018atoms/cm以上、1×1020atoms/cm以下であった。
【0066】
これらの試料を実施例1と同様の方法で初期変換効率を測定し、得られた結果を図4に示した。これは各試料のトップn層のP濃度に対するピーク窒素濃度を%で横軸として、それらの初期変換効率ηを縦軸として表わした。なお、横軸はピーク窒素濃度のP濃度に対する割合を表わしている。ここで初期変換効率η(normalized)は、試料2−1の変換効率を1として規格化して表わした。
【0067】
この結果から、窒素濃度がP濃度の3〜5%付近で初期変換効率が最大ピークを持つことがわかり、且つ5%以下で作製することが適していると考えられる。
【0068】
(実施例3)
次に、ピーク窒素濃度がp/n接合部界面におけるミドルp層側に存在するように試料を作製し、実施例2と同様に窒素濃度を変化させて、B濃度に対する窒素濃度と初期変換効率との関係を調べた(不図示)。
【0069】
その結果、実施例2の結果とほぼ同様の効果が見られ、窒素濃度がB濃度の3〜5%付近で初期変換効率が最大ピークを持つことがわかり、且つ5%以下で作製することが適していると考えられる。
【0070】
【発明の効果】
本発明によれば以下の効果が得られる。
【0071】
シリコン系非単結晶半導体材料からなるpn又はpin構造を有する複数の単位素子同士を、p/n型接合させて積層した光起電力素子において、前記p/n型接合の接合界面で、窒素濃度が最大となるピークを持つようにし、且つそのピークにおける窒素濃度(ピーク窒素濃度)が1×10 18 atoms/cm 以上、1×10 20 atoms/cm 以下とすることにより、界面特性を向上させることができ、光電変換効率の高い光起電力素子が得られる。さらに界面の整合性に優れ、構造安定性(膜の密着性)の高い光起電力素子が得られる。
【0072】
前記p/n型接合におけるn層がn型不純物を含み、前記ピーク窒素濃度がそのn型不純物濃度の5%以下であるようにすることにより、p/n型接合部界面の光学ギャップ大きくなり光吸収ロス小さくなることによる短絡電流の増大が見込める。
【0073】
前記p/n型接合におけるp層がp型不純物を含み、前記ピーク窒素濃度がそのp型不純物濃度の5%以下であるようにすることにより、p/n型接合部界面の光学ギャップが大きくなり光吸収ロスが小さくなることによる短絡電流の増大が見込める。
【0074】
前記p/n型接合におけるp層を水素化微結晶シリコンからならしめることにより、短絡電流(Jsc)が改善され、また、微結晶シリコンはアモルファスシリコンに比べてワイドギャップであるため不純物添加効率が高く、光起電力素子内の内部電界が大きくなる。その結果、開放電圧(Voc)も改善され、光電変換効率が向上する。
【0076】
光入射側に位置する単位素子のバンドギャップよりその下に位置する単位素子のバンドギャップが狭くなるように、異なるバンドギャップの素子を積層することにより、太陽光線のスペクトルの各部分を効率よく吸収することができ、変換効率を向上させることができる
【0077】
p/n型接合を2つ以上を有する光起電力素子において、少なくとも光入射側のp/n型接合の接合界面で、窒素濃度が最大となるピークを持ち、且つそのピークにおける窒素濃度(ピーク窒素濃度)が1×10 18 atoms/cm 以上、1×10 20 atoms/cm 以下であるようにすることによって、より一層光電変換効率の高い光起電力素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光起電力素子の構成の一例を模式的に示す図である。
【図2】トリプルセルにおけるトップn層、ミドルp層の窒素濃度を表わす図である。
【図3】トリプルセルにおけるトップn層の最大窒素濃度と初期変換効率の関係を表わす図である。
【図4】トリプルセルにおけるトップn層のP濃度に対する窒素濃度と初期変換効率の関係を表わす図である。
【図5】本発明の光起電力素子を作製するのに好適な成膜装置を示す模式図である。
【図6】 本発明の光起電力素子に用いられるp型半導体層とn型半導体層の接合面における窒素濃度の分布の例を表す図である。
【符号の説明】
100 太陽電池本体、
110 ボトム層、
111 ミドル層、
112 トップ層、
101 基板、
102 下部電極、
103・113・123 n型半導体層、
104・114・124 i型半導体層、
105・115・125 p型半導体層、
106 上部電極、
107 集電電極
500 反応チャンバー、
502 アノード電極、
503 カソード電極、
504 基板加熱用ヒーター、
505 接地用端子、
506 マッチングボックス、
507 RF電源、
508 排気管、
509 排気ポンプ、
510 成膜ガス導入管、
520・530・540・550・560・570・522・532・542・552・562・572 バルブ、521・531・541・551・561・571 マスフローコントローラー

Claims (1)

  1. シリコン系非単結晶半導体材料からなるpn又はpin構造を有する複数の単位素子同士を、p/n型接合させて積層した光起電力素子において、
    前記pn又はpin構造を構成するp層は、p型不純物元素としてBを1×10 19 atoms/cm 〜1×10 23 atoms/cm の濃度で含み、
    前記pn又はpin構造を構成するn層は、n型不純物元素としてPを1×10 19 atoms/cm 〜1×10 23 atoms/cm の濃度で含み、
    前記p/n型接合面を中心としてp層側、n層側に±5nmの範囲内に窒素濃度が最大となるピークを持ち、且つそのピークにおける窒素濃度(ピーク窒素濃度)が1×1018atoms/cm以上、1×1020atoms/cm以下であることを特徴とする光起電力素子。
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