JP5406617B2 - 薄膜光電変換装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
非特許文献1に、光電変換層に弱n型微結晶ゲルマニウムを用いた単接合の薄膜光電変換装置が開示されている。薄膜光電変換装置の構造は、ステンレス基板/n型非晶質シリコン/i型非晶質シリコン/微結晶シリコンゲルマニウムの組成傾斜層/弱n型微結晶ゲルマニウム光電変換層/微結晶シリコンゲルマニウムの組成傾斜層/p型微結晶シリコン層/酸化インジウム錫(ITO)を順次積層した構造である。薄膜光電変換装置の特性は開放電圧Voc=0.22V、短絡電流密度Jsc=25mA/cm2、曲線因子FF=0.36、変換効率Eff=2.0%、長波長側で量子効率が10%となる波長は約1080nm、量子効率が5%となる波長は1130nmである。微結晶ゲルマニウム光電変換層はマイクロ波放電を用いたECRリモートプラズマCVD法で形成している。
非特許文献2に、ゲルマニウム組成が0%から最大35%までの微結晶シリコンゲルマニウムを光電変換層に用いた単接合の薄膜光電変換装置が開示されている。具体的には、薄膜光電変換装置の構造は、ガラス基板/凹凸形状をもつ酸化亜鉛/p型微結晶シリコン/i型微結晶シリコンゲルマニウムの光電変換層/n型微結晶シリコン層/酸化亜鉛/銀を順次積層した構造である。薄膜光電変換装置の特性は、微結晶シリコンゲルマニウムの膜中ゲルマニウム組成が20%の場合Jsc、Effが最大となり、Voc=0.427V、Jsc=24.1mA/cm2、FF=0.616、Eff=6.33%を示す。膜中ゲルマニウム組成を20%以上に増加するとVoc、Jsc、FFがいずれも低下してEffが低下する。特に膜中ゲルマニウム組成を30%以上にするとFFが著しく低下し、膜中ゲルマニウム組成35%ではFFが約0.4となり、Effが約2%と低くなる。また、量子効率が10%となる波長は膜中のゲルマニウム組成が最大の35%の場合でも約1050nmである。
実施例1として、図3に示す構造の単接合の薄膜光電変換装置7を作製した。透明基板1は、厚さ1.8mmのガラス基板を用いた。透明基板1の上に、第一電極層である透明電極層2を形成した。透明電極層2は微小なピラミッド状の表面凹凸を含みかつ平均厚さ700nmのSnO2膜が透明基板1の上に熱CVD法にて形成された。さらにスパッタ法でAlドープされたZnO膜を20nm形成し、SnO2とZnOが積層した透明電極層2を作製した。得られた透明電極層2のシート抵抗は約9Ω/□であった。またC光源で測定したヘイズ率は12%であり、表面凹凸の平均高低差dは約100nmであった。ヘイズ率はJISK7136に基づき測定した。
比較例1として、図4に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置8を作製した。比較例1は、第二界面層である結晶質シリコン層341を取り除いた以外は、実施例1と同様に作製した。
実施例2として、図5に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置9を作製した。実施例2は、第二界面層として、結晶質ゲルマニウム光電変換層33に近い側から実質的に真性な非晶質シリコン層342を10nm配置したことを除いて、実施例1と同様に作製した。
実施例3として、図6に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置10を作製した。実施例3は、第二界面層として、結晶質ゲルマニウム光電変換層33に近い側から実質的に真性な非晶質シリコン層342を10nmと、実質的に真性な結晶質シリコン層341を100nmとを順次積層したことを除いて、実施例1と同様に作製した。
実施例4として、図7に示す実施例1に類似の単接合の薄膜光電変換装置11を作製した。実施例4は、第二界面層として、結晶質ゲルマニウム光電変換層33に近い側から実質的に真性な結晶質シリコン層341を100nmと、実質的に真性な非晶質シリコン層342を10nmとを順次積層したことを除いて、実施例1と同様に作製した。
実施例5として、図8に示す実施例4に類似の単接合の薄膜光電変換装置12を作製した。実施例5は、第一界面層として、結晶質シリコン層321を100nm形成したことを除いて、実施例4と同様に作製した。
実施例6として、図9に示す実施例4に類似の単接合の薄膜光電変換装置13を作製した。実施例6は、第一界面層として、非晶質シリコン層322を10nm形成したことを除いて、実施例4と同様に作製した。
実施例7として、図10に示す実施例4に類似の単接合の薄膜光電変換装置14を作製した。実施例7は、第一界面層として、p型半導体層に近い側から非晶質シリコン層322を10nmと結晶質シリコン層321を100nmとを順次積層したことを除いて、実施例4と同様に作製した。
実施例8として、図11に示す実施例4に類似の単接合の薄膜光電変換装置15を作製した。実施例8は、第一界面層として、p型半導体層に近い側から結晶質シリコン層321を100nmと非晶質シリコン層322を10nmとを順次積層したことを除いて、実施例4と同様に作製した。
実施例9として、図12に示す実施例8に類似の単接合の薄膜光電変換装置16を作製した。実施例9は、n型半導体層として、n型非晶質シリコン層351の代わりに、n型結晶質シリコン層352を形成したことを除いて、実施例8と同様に作製した。
実施例10として、図13に示す実施例5に類似の単接合の薄膜光電変換装置17を作製した。実施例10は、第一界面層として、結晶質シリコン層321のかわりに結晶質シリコンゲルマニウム層323を100nm形成したことを除いて、実施例5と同様に作製した。
実施例11として、図14に示す実施例4に類似の単接合の薄膜光電変換装置18を作製した。実施例11は、p型半導体層として、p型微結晶質シリコン層311の代わりに、p型結晶質ゲルマニウム層312を10nm形成したことを除いて、実施例4と同様に作製した。
実施例12として、図15に示す3接合の薄膜光電変換装置19を作製した。実施例12は、(1)実施例8の透明電極層2と結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3の間に非晶質シリコン光電変換ユニット5と結晶質シリコン光電変換ユニット6を順次配置したこと、(2)結晶質ゲルマニウム光電変換層33の膜厚を2.5μmとしたこと、(3)透明電極層2をSnO2だけから構成したことの3点を除いて、実施例1と同様に作製した。
実施例13として、図16に示す構造の単接合の薄膜光電変換装置20を作製した。基板と第一電極層を兼ねるステンレス基板21の上に、13.56MHzの周波数の平行平板電極を備えた容量結合型の高周波プラズマCVD装置を用いて、結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3を作製した。この場合、ステンレス基板の第一電極層は裏面電極層となる。反応ガスとしてSiH4、H2及びPH3を導入しn型非晶質シリコン層351を100nm形成した後、第二界面層として、n型半導体層に近い側から非晶質シリコン層342を10nmと結晶質シリコン層341を100nm順次積層した。さらにGeH4、H2を導入し結晶質ゲルマニウム光電変換層33を2.0μm形成した。このとき、H2/GeH4の流量比は2000倍とし、基板温度300℃、圧力800Pa、高周波パワー密度850mW/cm2とした。反応ガスとしてSiH4、H2を導入し第一界面層として結晶質ゲルマニウム光電変換層に近い側から非晶質シリコン層322を10nmと結晶質シリコン層321を100nmとを順次積層した。さらに引き続いて反応ガスとしてSiH4、H2及びB2H6を導入しp型微結晶シリコン層311を10nm形成することで結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット3を形成した。
比較例2として、図17に示す実施例13に類似の単接合の薄膜光電変換装置22を作製した。比較例2は、第二界面層と第一界面層を取り除いた以外は、実施例13と同様に作製した。
2. 透明電極層
3. 結晶質ゲルマニウム光電変換ユニット
31. p型半導体層
311. p型微結晶シリコン層
312. p型結晶質ゲルマニウム層
32. 第一界面層
321. 実質的に真性な結晶質シリコン層
322. 実質的に真性な非晶質シリコン層
323. 実質的に真性な結晶質シリコンゲルマニウム層
33. 結晶質ゲルマニウム光電変換層
34. 第二界面層
341. 実質的に真性な結晶質シリコン層
342. 実質的に真性な非晶質シリコン層
35. n型半導体層
351. n型非晶質シリコン層
352. n型結晶質シリコン層
4. 裏面電極層
5. 非晶質シリコン光電変換ユニット
51. p型非晶質シリコンカーバイド層
52. 実質的に真性な非晶質シリコン光電変換層
53. n型非晶質シリコン層
6. 結晶質シリコン光電変換ユニット
61. p型微結晶シリコン層
62. 実質的に真性な結晶質シリコン光電変換層
63. n型微結晶シリコン層
7. 実施例1に記載の単接合薄膜光電変換装置
8. 比較例1に記載の単接合薄膜光電変換装置
9. 実施例2に記載の単接合薄膜光電変換装置
10. 実施例3に記載の単接合薄膜光電変換装置
11. 実施例4に記載の単接合薄膜光電変換装置
12. 実施例5に記載の単接合薄膜光電変換装置
13. 実施例6に記載の単接合薄膜光電変換装置
14. 実施例7に記載の単接合薄膜光電変換装置
15. 実施例8に記載の単接合薄膜光電変換装置
16. 実施例9に記載の単接合薄膜光電変換装置
17. 実施例10に記載の単接合薄膜光電変換装置
18. 実施例11に記載の3接合薄膜光電変換装置
19. 実施例12に記載の単接合薄膜光電変換装置
20. 実施例13に記載の単接合薄膜光電変換装置
21. ステンレス基板
22. 比較例2に記載の単接合薄膜光電変換装置
Claims (11)
- 基板上に、第一電極層、p型半導体層とn型半導体層の間に光電変換層を備えた一以上の光電変換ユニット、第二電極層を順次配置した薄膜光電変換装置であって、
少なくとも一つの光電変換ユニットの光電変換層が、実質的に真性または弱n型でシリコン原子の含有量が1%以下である結晶質ゲルマニウム半導体からなる結晶質ゲルマニウム光電変換層であり、
前記結晶質ゲルマニウム光電変換層を含む光電変換ユニットにおいて、p型半導体層と結晶質ゲルマニウム光電変換層との間またはn型半導体層と前記結晶質ゲルマニウム光電変換層との間の界面のうち、前記結晶質ゲルマニウム光電変換層からみて前記基板から遠い側の界面に、実質的に真性な非単結晶シリコン半導体層からなる第二界面層を配置したことを特徴とする薄膜光電変換装置。 - 請求項1に記載の薄膜光電変換装置であって、前記p型半導体層と前記結晶質ゲルマニウム光電変換層との間または前記n型半導体層と前記結晶質ゲルマニウム光電変換層との間の界面のうち、前記結晶質ゲルマニウム光電変換層からみて前記基板に近い側の界面に、実質的に真性な非単結晶シリコン半導体層または実質的に真性な非単結晶シリコンゲルマニウム半導体層からなる第一界面層を配置したことを特徴とする薄膜光電変換装置。
- 請求項1または2に記載の薄膜光電変換装置であって、前記第二界面層が、実質的に真性な結晶質シリコン層と実質的に真性な非晶質シリコン層を積層した構造をもつこと特徴とする薄膜光電変換装置。
- 請求項3に記載の薄膜光電変換装置であって、前記第二界面層が、前記p型半導体層に近い側から順に、実質的に真性な結晶質シリコン層、実質的に真性な非晶質シリコン層を配置した層であることを特徴とする薄膜光電変換装置。
- 請求項2に記載の薄膜光電変換装置であって前記第一界面層が、実質的に真性な結晶質シリコン層と実質的に真性な非晶質シリコン層を積層した構造をもつこと特徴とする薄膜光電変換装置。
- 請求項5に記載の薄膜光電変換装置であって前記第一界面層が、前記p型半導体層に近い側から順に、実質的に真性な結晶質シリコン層、実質的に真性な非晶質シリコン層を配置した層であることを特徴とする薄膜光電変換装置。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の薄膜光電変換装置であって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換層を含む光電変換ユニットの前記p型半導体層が、結晶質シリコン、非晶質シリコン、結晶質シリコンゲルマニウム、非晶質シリコンゲルマニウム、結晶質ゲルマニウム、非晶質ゲルマニウムのうち少なくとも一つ以上からなることを特徴とする薄膜光電変換装置。
- 請求項7に記載の薄膜光電変換装置であって、前記p型半導体層が結晶質ゲルマニウムからなることを特徴とする薄膜光電変換装置。
- 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の薄膜光電変換装置であって、前記結晶質ゲルマニウム光電変換層を含む光電変換ユニットの前記n型半導体層が、結晶質シリコン、非晶質シリコン、結晶質シリコンゲルマニウム、非晶質シリコンゲルマニウム、結晶質ゲルマニウム、非晶質ゲルマニウムのうち少なくとも一つ以上からなることを特徴とする薄膜光電変換装置。
- 請求項9に記載の薄膜光電変換装置であって、前記n型半導体層が非晶質シリコンからなることを特徴とする薄膜光電変換装置。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の薄膜光電変換装置を製造する方法であって、
前記結晶質ゲルマニウム光電変換層が、反応ガスとしてGeH 4 およびH 2 を用い、その導入量の比H 2 /GeH 4 が200〜5000の範囲の高周波プラズマCVD法によって形成され、前記結晶質ゲルマニウム光電変換層上に前記第二界面層が形成されることを特徴とする、薄膜光電変換装置の製造方法。
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