JP5948148B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換装置に関する。
近年、地球温暖化対策として、発電時に二酸化炭素の排出の無い光電変換装置が注目されている。その代表例としては、単結晶シリコンや多結晶シリコンなどの結晶性シリコン基板を用いた太陽電池が知られている。
結晶性シリコン基板を用いた太陽電池では、結晶性シリコン基板の導電型とは逆の導電型となる層を不純物の拡散によって該結晶性シリコン基板の一方の面側に形成する、所謂ホモ接合を有する構成が広く用いられている。
また、結晶性シリコン基板の一方の面、または両面に、該結晶性シリコン基板とは光学バンドギャップ及び導電型の異なる非晶質シリコンを成膜してヘテロ接合を形成し、界面特性を向上させた太陽電池が特許文献１、及び特許文献２に開示されている。
上述したヘテロ接合を有する太陽電池では、一導電型の単結晶シリコン基板と該単結晶シリコン基板とは逆の導電型を有する非晶質半導体層との間にｉ型の非晶質半導体層を介在したｐ−ｎ接合を形成している。
上記ｐ−ｎ接合領域におけるｉ型の非晶質半導体層の介在は、単結晶シリコン基板の表面欠陥を終端するとともに急峻な接合を形成する効果を奏し、ヘテロ界面でのキャリアの再結合低減に寄与する。
一方、接合を形成するための非晶質半導体層は、不純物を多く含むため局在準位が多く、キャリアの再結合が起こりやすい領域である。また、非晶質であるが故に電気伝導度が小さいこともあり、横方向の伝導特性が十分でないことから、該非晶質半導体層上にはキャリアの移動を助長する透光性導電膜を必要とする。
透光性導電膜には、表面パッシベーション膜、及び反射防止膜としての効果を併せ持たせることができるが、酸化膜や窒化膜などの絶縁膜よりもその効果は劣る。また、透光性導電膜の単結晶半導体の光吸収波長範囲における透過率は９０％前後であり、光吸収損失の要因ともなっている。
以上の問題点を顧み、本発明の一態様では、接合領域においてキャリアの再結合を低減する構造を有するヘテロ接合型の光電変換装置を提供することを目的の一つとする。また、透光性導電膜を用いない構成とすることで電気特性を向上させたヘテロ接合型の光電変換装置を提供することを目的の一つとする。
本明細書で開示する本発明の一態様は、単結晶シリコン基板の表面に形成された凸部の頂部にキャリア濃度の高い接合層が形成され、該接合層上に電流収集電極が設けられた構造の光電変換装置に関する。
本明細書で開示する本発明の一態様は、頂部が平坦な格子状の凸部、及び該凸部間の凹部からなる凹凸を一方の面に有する一導電型の単結晶シリコン基板と、凸部の頂部に形成されたｉ型の第１のシリコン半導体層と、第１のシリコン半導体層上に形成された単結晶シリコン基板とは逆の導電型を有する第２のシリコン半導体層と、第２のシリコン半導体層上に形成された第１の電極と、単結晶シリコン基板の一方の面において、単結晶シリコン基板、第１のシリコン半導体層、第２のシリコン半導体層、及び第１の電極の積層構造の表面を覆うように形成されたｉ型の第３のシリコン半導体層と、第３のシリコン半導体層上に形成された単結晶シリコン基板とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層と、第４のシリコン半導体層上に形成された保護膜と、単結晶シリコン基板の他方の面に形成されたｉ型の第５のシリコン半導体層と、第５のシリコン半導体層上に形成された単結晶シリコン基板と同じ導電型を有する第６のシリコン半導体層と、第６のシリコン半導体層上に形成された第２の電極と、を有することを特徴とする光電変換装置である。
なお、本明細書等における「第１」、「第２」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、順序や数を限定するものではないことを付記する。
上記第１の電極の幅は、第２のシリコン半導体層の幅よりも小さくしても良い。
また、上記保護膜は、透光性を有する絶縁膜であることが好ましい。
また、本明細書で開示する本発明の他の一態様は、頂部が平坦な格子状の凸部、及び該凸部間の凹部からなる凹凸を両面に有する一導電型の単結晶シリコン基板と、単結晶シリコン基板の一方の面における凸部の頂部に形成されたｉ型の第１のシリコン半導体層と、第１のシリコン半導体層上に形成された単結晶シリコン基板とは逆の導電型を有する第２のシリコン半導体層と、第２のシリコン半導体層上に形成された第１の電極と、単結晶シリコン基板の一方の面において、単結晶シリコン基板、第１のシリコン半導体層、第２のシリコン半導体層、及び第１の電極の積層構造の表面を覆うように形成されたｉ型の第３のシリコン半導体層と、第３のシリコン半導体層上に形成された単結晶シリコン基板とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層と、第４のシリコン半導体層上に形成された第１の保護膜と、単結晶シリコン基板の他方の面における凸部の頂部に形成されたｉ型の第５のシリコン半導体層と、第５のシリコン半導体層上に形成された単結晶シリコン基板と同じ導電型を有する第６のシリコン半導体層と、第６のシリコン半導体層上に形成された第２の電極と、単結晶シリコン基板の他方の面において、単結晶シリコン基板、第５のシリコン半導体層、第６のシリコン半導体層、及び第２の電極の積層構造の表面を覆うように形成された第７のシリコン半導体層と、第７のシリコン半導体層上に形成された単結晶シリコン基板と同じ導電型を有する第８のシリコン半導体層と、第８のシリコン半導体層上に形成された第２の保護膜と、を有することを特徴とする光電変換装置である。
上記凹部は、逆四角錐の形状とすることが好ましい。または上記凹部には上記凸部よりも高さの低い複数の凸部及び該凸部間の凹部からなる凹凸が形成されていても良い。換言すると、凹部の表面は鋸歯状の形状を有していても良く、鋸歯状の形状の凸部は該格子状の凸部よりも小さい。
第３のシリコン半導体層のうち、第２のシリコン半導体層及び第４のシリコン半導体層で挟まれ、かつ第２のシリコン半導体層及び第４のシリコン半導体層と接触している領域は、第２のシリコン半導体層及び第４のシリコン半導体と同じ導電型であり、その他の領域はｉ型であることが好ましい。
なお、本明細書において、同じ導電型の範囲には、キャリア濃度が異なるものを含める。従って、同じ導電型であっても意図的にキャリア濃度を異ならせた層や領域については、その都度説明を行う。
また、第２のシリコン半導体層は、第４のシリコン半導体層よりもキャリア濃度を高くすることが好ましい。
また、第６のシリコン半導体層は、上記単結晶シリコン基板よりもキャリア濃度を高くすることが好ましい。
また、単結晶シリコン基板の両面に凹凸が形成されている光電変換装置の構成において、第１の電極及び第２の電極の幅は、第２のシリコン半導体層及び第６のシリコン半導体層の幅よりも小さくしても良い。
また、単結晶シリコン基板の両面に凹凸が形成されている光電変換装置の構成において、第７のシリコン半導体層のうち、第６のシリコン半導体層及び第８のシリコン半導体層で挟まれ、かつ第６のシリコン半導体層及び第８のシリコン半導体層と接触している領域は、第６のシリコン半導体層及び第８のシリコン半導体と同じ導電型であり、その他の領域はｉ型であることが好ましい。
また、単結晶シリコン基板の両面に凹凸が形成されている光電変換装置の構成において、第６のシリコン半導体層は、第８のシリコン半導体層よりもキャリア濃度が高いことが好ましい。
また、上記第１の保護膜及び第２の保護膜は、透光性を有する絶縁膜であることが好ましい。
本発明の一態様を用いることにより、接合領域におけるキャリアの再結合の影響を低減することができる。また、透光性導電膜を用いない構成とすることで電気特性を向上させたヘテロ接合型の光電変換装置を提供することができる。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することがある。
本実施の形態では、本発明の一態様における光電変換装置、及びその作製方法について説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一態様における光電変換装置を例示した断面図である。該断面図は、図４に示す本発明の一態様における光電変換装置の一部を例示する平面図の線分Ａ１−Ａ２の断面に相当する。なお、図４は、明瞭化のために第３のシリコン半導体層１３０、第４のシリコン半導体層１４０、及び保護層２３０を省いて図示している。
図１（Ａ）に示す本発明の一態様における光電変換装置は、頂部が平坦な格子状の凸部、及び該凸部間の凹部からなる凹凸が一方の面に形成された一導電型の単結晶シリコン基板１００を有する。単結晶シリコン基板１００の一方の面において、該凸部の頂部には、第１のシリコン半導体層１１０、第２のシリコン半導体層１２０、及び第１の電極２１０が順に積層され、単結晶シリコン基板１００の表面及び該積層構造の表面を覆うように第３のシリコン半導体層１３０、第４のシリコン半導体層１４０、及び保護層２３０が順に積層されている。また、単結晶シリコン基板１００の他方の面においては、該単結晶シリコン基板上に第５のシリコン半導体層１５０、第６のシリコン半導体層１６０、及び第２の電極２２０が順に積層されている。なお、この光電変換装置の構造においては、凹凸がある側が受光面となる。
図１（Ｂ）に示す本発明の一態様における光電変換装置は、頂部が平坦な格子状の凸部、及び該凸部間の凹部からなる凹凸が両面に形成された一導電型の単結晶シリコン基板１００を有する。単結晶シリコン基板１００の一方の面において、該凸部の頂部には、第１のシリコン半導体層１１０、第２のシリコン半導体層１２０、及び第１の電極２１０が順に積層され、単結晶シリコン基板１００表面及び該積層構造の表面を覆うように第３のシリコン半導体層１３０、第４のシリコン半導体層１４０、及び保護層２３０が積層されている。また、単結晶シリコン基板１００の他方の面においては、該凸部の頂部に第５のシリコン半導体層１５０、第６のシリコン半導体層１６０、及び第２の電極２２０が順に積層され、単結晶シリコン基板１００表面及び該積層構造の表面を覆うように第７のシリコン半導体層１７０、第８のシリコン半導体層１８０、及び保護層２３１が順に積層されている。なお、この光電変換装置の構造においては、両面を受光面とすることができる。
図１（Ａ）の構造と図１（Ｂ）の構造は、単結晶シリコン基板１００の表面に形成される凹凸、及びその頂部に積層される半導体層の積層構造が片面のみにあるか、両面にあるかの点で異なる。なお該凹凸の高さ、及び周期は、１μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。ここで、該凹凸の高さとは、単結晶シリコン基板１００の最も厚さの小さい部分の上表面から凸部の頂部までの距離を言う。
図１（Ａ）の構造においては、受光面から入射された光は、表面の凹凸によって単結晶シリコン基板１００内に光が斜めに進行することから、光路長の増大とともに光励起キャリアが増大する。また、裏面からの反射光が表面で全反射する、所謂光閉じ込め効果を起こさせることもできる。そして、凹凸が形成されていない裏面側は表面積が小さいため、表面欠陥量が比較的少なく、キャリアの再結合も比較的少なくすることができる。ただし、受光面は凹凸が形成された側に限られる。
一方、図１（Ｂ）の構造においては、単結晶シリコン基板１００内に進行した光は、基板両面の凹凸によって基板内部で反射を繰り返しやすくなり、図１（Ａ）の構造よりも更に光路長を増大させることができる。また、両面を受光面とすることができるため、光源からの直接光だけでなく、他の物体からの反射光などの間接光も光電変換に寄与させることができる。ただし、両面に凹凸のある単結晶シリコン基板は表面積が大きいため、表面欠陥量が比較的多く、図１（Ａ）の構造と比較してキャリアは再結合しやすい構造となる。
従って、図１（Ａ）の構造と図１（Ｂ）の構造は、設置場所等によって優劣が異なるため、実施者が目的に応じて選択すれば良い。
なお、凸部の頂部に形成された第１の電極２１０及び第２の電極２２０上の半導体層及び絶縁膜の一部が取り除かれ、該電極の一部が露出している構造とする（図示せず）。また、該電極が露出した領域に接する取り出し用の電極を設けても良い。このような構造とすることで、該光電変換装置と負荷、または他の光電変換装置との電気的な接続が容易となる。
上記構造において、単結晶シリコン基板１００と接する第１のシリコン半導体層１１０、第３のシリコン半導体層１３０、第５のシリコン半導体層１５０、及び第７のシリコン半導体層１７０は、ｉ型のシリコン半導体で形成されており、単結晶シリコン基板１００の表面欠陥を終端することができる。従って、キャリアの再結合を低減することができ、特に開放電圧（Ｖｏｃ）及び曲線因子（Ｆ．Ｆ．）を向上させる効果を有する。なお、本明細書において、ｉ型の半導体とは、フェルミ準位がバンドギャップの中央近傍に位置する所謂真性半導体の他、半導体に含まれるｐ型若しくはｎ型を付与する不純物が１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度であり、光伝導度が暗伝導度よりも高い半導体を指す。
例えば、第１のシリコン半導体層１１０、第３のシリコン半導体層１３０、第５のシリコン半導体層１５０、及び第７のシリコン半導体層１７０は、非晶質シリコンまたは微結晶シリコンで形成することができる。または、結晶シリコン領域及び非晶質シリコン領域を含んでも良い。
上記結晶シリコン領域は、単結晶シリコン基板１００と接する領域においては、該単結晶シリコン基板の原子配列を受け継いだ、結晶成長領域である。従って、該単結晶シリコン基板と該結晶シリコン領域との間には、明瞭な界面は形成されず、両者は実質的に一体となっている。すなわち、該結晶シリコン領域は、該単結晶シリコン基板と同程度の高い結晶性を有し、極めて不純物や欠陥の少ない領域であるといえる。
なお、ＳＩＭＳ分析における単結晶シリコン基板１００と上記結晶シリコン領域との間の領域における大気成分等の不純物濃度は、酸素を５×１０２０ｃｍ−３以下、炭素を３×１０１９ｃｍ−３以下、窒素を２×１０１８ｃｍ−３以下とすることが好ましい。これらの濃度より多い該不純物が該領域に存在していると、結晶成長を不完全とさせる要因や光電変換装置の電気特性を低下させる要因となる。
また、単結晶シリコン基板１００と接する上記結晶シリコン領域上には、非晶質シリコン領域が形成されている。該非晶質シリコン領域は、該結晶シリコン領域と連続形成された領域である。例えば、該結晶シリコン領域及び該非晶質シリコン領域は、プラズマＣＶＤ法などを用いて該結晶シリコン領域を形成した後に、洗浄や搬送などを含む他の工程を一切介さずに該非晶質シリコン領域を形成する。または、該結晶シリコン領域の形成プロセス終了前に該非晶質シリコン領域の形成プロセスを開始することにより形成する。
このように、他の工程が行われずに連続形成された上記結晶シリコン領域と上記非晶質シリコン領域の間には、不純物濃度の高い領域や酸化層などが生成されることなく、明瞭な界面が形成されない。従って、両者は実質的に連続した構造、または連続的に変化する構造を有しているということができる。
なお、上記結晶シリコン領域及び上記非晶質シリコン領域を含む領域においては、結晶シリコンは水素を含む非晶質シリコンで覆れており、これにより、欠陥の起因となる、結晶シリコンの表面に存在する未結合手が終端される。
上記の説明の通り、単結晶シリコン基板１００と上記結晶シリコン領域、及び上記結晶シリコン領域と上記非晶質シリコン領域との間には明瞭な界面が形成されないため、界面に存在する欠陥や不純物により形成される局在準位の影響を排除することができる。また、該結晶シリコン領域は欠陥が少なく、該結晶シリコン領域及び該非晶質シリコン領域を含む領域全体における欠陥の絶対量を少なくすることができるため、キャリアの再結合を低減させることができる。
また、上記結晶シリコン領域の表面は、高さ及び周期がナノメートルサイズから数百ナノメートルサイズの凹凸形状をしており、この形状も前述した凹凸の光学的効果と同等の作用を有する。従って、図１（Ａ）、（Ｂ）に示す光電変換装置は、マイクロメートルサイズの凹凸の表面にナノメートルサイズの凹凸を有する構造とすることができるため、光学的効果によって電気特性を大きく向上させることができる。
第２のシリコン半導体層１２０は、単結晶シリコン基板１００とは逆の導電型を有する半導体層である。従って、単結晶シリコン基板１００と第２のシリコン半導体層１２０との間には、第１のシリコン半導体層１１０を介してｐ−ｎ接合が形成される。なお、第２のシリコン半導体層１２０は、導電性を付与する不純物を含む非晶質シリコンまたは微結晶シリコンで形成することができる。
第２のシリコン半導体層１２０上に形成される第１の電極２１０は、電流収集電極であり、図４の平面図で示すように格子状に形成される。なお、図４に示すように凸部の一辺を逆四角錐型の底辺の一辺とした凹部を形成するには、単結晶シリコン基板１００として（１００）面を初期表面とし、該一辺が＜１１０＞軸に水平または垂直となるように構成すれば良い。また、図４に示す格子の形状は一例であり、凸部または凹部の幅や形状は限定されない。ただし、図４の平面図において、凹部を開口領域とした場合、その開口率（開口領域と格子の全面積に対する開口領域の面積比）は５０％以上とすることが好ましい。また、同平面図における凹部の一辺は、好ましくは１μｍ以上１００μｍ以下とし、更に好ましくは、１０μｍ以上５０μｍ以下とする。
また、第１の電極２１０が形成された単結晶シリコン基板１００の一方の面においては、該単結晶シリコン基板１００、第１のシリコン半導体層１１０、第２のシリコン半導体層１２０、及び第１の電極２１０の積層構造の表面を覆うように第３のシリコン半導体層１３０、及び第４のシリコン半導体層１４０が順に形成されている。
前述したように、第３のシリコン半導体層１３０はｉ型のシリコン半導体層であり、単結晶シリコン基板１００の一方の表面を覆い、その欠陥を終端するために設けられる。
また、第４のシリコン半導体層１４０は、単結晶シリコン基板１００とは逆の導電型を有する半導体層である。従って、単結晶シリコン基板１００と第４のシリコン半導体層１４０との間には、第３のシリコン半導体層１３０を介してｐ−ｎ接合が形成される。なお、第４のシリコン半導体層１４０は、導電性を付与する不純物を含む非晶質シリコンまたは微結晶シリコンで形成することができる。
なお、第２のシリコン半導体層１２０は、第４のシリコン半導体層１４０よりもキャリア濃度を高く形成することが好ましい。このような構成を明瞭化するため、本明細書においては、第４のシリコン半導体層１４０などの相対的にキャリア濃度の低い半導体層の導電型をｎ型またはｐ型と呼称するのに対し、第２のシリコン半導体層１２０などの相対的にキャリア濃度の高い半導体層の導電型をｐ＋型またはｎ＋型と呼称することがある。
上述した構成によって、単結晶シリコン基板１００の一方の面においては、ほぼ全面にｐ−ｎ接合が形成されるが、第４のシリコン半導体層１４０と第１の電極２１０との間には、抵抗の高いｉ型の第３のシリコン半導体層１３０が介在するため、第４のシリコン半導体層１４０に流入したキャリアは第３のシリコン半導体層１３０を通して直接収集することができない。
しかしながら、第３のシリコン半導体層１３０の一部には、ｐ型またはｎ型の領域２４０が形成されており、該領域がキャリアの収集に寄与する。領域２４０は、導電型を付与する不純物を含む第２のシリコン半導体層１２０及び第４のシリコン半導体層１４０で挟まれる領域であり、該領域が接している該半導体層から膜厚方向に導電型を付与する不純物が拡散することによって形成される。従って、領域２４０は、第２のシリコン半導体層１２０及び第４のシリコン半導体層１４０と同じ導電型を有するため、該領域を介して、第４のシリコン半導体層１４０は、第２のシリコン半導体層１２０と接続することができ、第４のシリコン半導体層１４０に流入したキャリアも有効に収集することができる。
ｐ−ｎ接合が形成されない側の単結晶シリコン基板１００の他方の面においては、図１（Ａ）と図１（Ｂ）では構造が異なるため、それぞれについて説明する。
図１（Ａ）の構造においては、凹凸が形成されない単結晶シリコン基板１００の他方の面に第５のシリコン半導体層１５０、第６のシリコン半導体層１６０、及び第２の電極２２０が順に積層されている。第５のシリコン半導体層１５０は前述したようにｉ型のシリコン半導体層であり、単結晶シリコン基板１００の他方の面の表面を覆い、その欠陥を終端するために設けられる。
第６のシリコン半導体層１６０は、単結晶シリコン基板１００と同じ導電型を有し、該単結晶シリコン基板１００よりもキャリア濃度の高い不純物半導体層である。単結晶シリコン基板１００と第６のシリコン半導体層１６０との間には、第５のシリコン半導体層１５０を介してｐ−ｐ＋接合またはｎ−ｎ＋接合が形成される。つまり、第６のシリコン半導体層１６０は、ＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）層として作用する。ＢＳＦ層を設けることにより、少数キャリアがｐ−ｎ接合側にはね返されることから、第２の電極２２０近傍でのキャリアの再結合を防止することができる。なお、第６のシリコン半導体層１６０は、導電性を付与する不純物を含む非晶質シリコンまたは微結晶シリコンで形成することができる。
図１（Ｂ）の構造においては、一方の面と同じように凹凸が形成された単結晶シリコン基板１００の他方の面を有する。従って、第６のシリコン半導体層１６０及び第８のシリコン半導体層１８０以外は、単結晶シリコン基板１００の一方の面に形成した積層構造と同様の構造を他方の面にも形成すれば良い。本実施の形態においては、第１のシリコン半導体層１１０と第５のシリコン半導体層１５０、第３のシリコン半導体層１３０と第７のシリコン半導体層１７０、第１の電極２１０と第２の電極２２０、保護層２３０と保護層２３１のそれぞれは、同じ材料及び膜厚で形成することができる。なお、第６のシリコン半導体層１６０、及び第８のシリコン半導体層１８０の導電型は、単結晶シリコン基板１００と同じ導電型であり、かつ該単結晶シリコン基板よりもキャリア濃度の高いシリコン半導体層とする。また、第１の電極２１０と第２の電極２２０の材料や膜厚は異なっていても良い。第５のシリコン半導体層１５０、及び第７のシリコン半導体層１７０は、前述したようにｉ型のシリコン半導体層であり、単結晶シリコン基板１００の他方の面の表面を覆い、その欠陥を終端するために設けられる。また、第６のシリコン半導体層１６０、及び第８のシリコン半導体層１８０は、ＢＳＦ層として作用する。
まとめると、本発明の一態様における光電変換装置は、一導電型の単結晶シリコン基板１００の少なくとも一方の面上に、格子状のｉ型シリコン半導体層（１１０、１５０）、該単結晶シリコン基板１００と逆の導電型のシリコン半導体層（１２０、１６０）、および電極（２１０、２２０）をこの順で有し、これらで形成された格子の開口領域に凹部が設けられている。そして該凹部、格子状の該ｉ型シリコン半導体層（１１０、１５０）、該シリコン半導体層（１２０、１６０）、及び該電極（２１０、２２０）を覆うように、ｉ型シリコン半導体層（１３０、１７０）、該単結晶シリコン基板と導電型が逆であり、かつ該シリコン半導体層（１２０、１６０）よりもキャリア濃度の小さいシリコン半導体層（１４０、１８０）、および保護層（２３０、２３１）がこの順で設けられている。
なお、第７のシリコン半導体層１７０には、領域２４０と同様に表裏で接する不純物を含む半導体層から膜厚方向全体に不純物が拡散し、導電型が付与された領域２４１が形成されているため、第８のシリコン半導体層１８０は、第６のシリコン半導体層１６０と接続することができ、第８のシリコン半導体層１８０に流入したキャリアも有効に収集することができる。
なお、本発明の一態様における光電変換装置においては、前述した凹凸による光学的効果の他、ｐ−ｎ＋接合またはｐ＋−ｎ接合を凸部の頂部に設けることによって光電変換装置の電気特性を向上させる特徴を有している。
ｐ−ｎ接合による光電変換装置では、ｐ−ｎ接合内の電界を高め、拡散電位を高めることが電気特性を向上させる一つの手段となる。一般的にはキャリア濃度の高いｐ＋型半導体またはｎ＋型半導体を用いて接合を形成することで拡散電位を高めることができるが、ｐ＋型半導体及びｎ＋型半導体は導電型を付与する不純物を多く含み、該不純物は局在準位を増加させてしまう。また、該局在準位によって界面準位の生成が進み、接合部近傍でキャリアの再結合が誘発されてしまう。従って、光電変換装置の電気特性は逆に低下してしまう。
一方、本発明の一態様における光電変換装置では、単結晶シリコン基板１００の一方の面において、キャリア濃度の高いｐ＋型半導体またはｎ＋型半導体を凸部の頂部のみに設けてｐ−ｎ接合を形成し、その他の領域には、相対的にキャリア濃度の低いｐ型半導体及びｎ型半導体を設けてｐ−ｎ接合を形成している。このような構造により、キャリア濃度の高いｐ＋型半導体及びｎ＋型半導体を用いたｐ−ｎ接合領域の占有面積を小さくすることができ、拡散電位を高めながらも界面準位の影響によるキャリアの再結合を極力抑えることができる。従って、特に開放電圧、及び曲線因子を向上させることができる。
また、本発明の一態様における光電変換装置では、例えば数十μｍ間隔で第１の電極２１０を設けているため、凹部のｐ−ｎ接合部から第４のシリコン半導体層１４０に流入したキャリアも効率良く第２のシリコン半導体層１２０を介して第１の電極２１０で収集することができる。
そのため、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透光性導電膜を必要としない構成とすることができる。透光性導電膜を不要とすることで、光電変換に有効な光の透過率の高い材料を保護層２３０、２３１として設けることができ、光吸収損失を低減させることができる。このような材料には、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの絶縁膜がある。該絶縁膜は透光性導電膜よりも半導体層表面のパッシベーション特性及び光の反射防止特性が優れており、特に短絡電流を向上させることができる。従って、本発明の一態様における光電変換装置は、開放電圧、曲線因子、及び短絡電流を向上させることができ、変換効率を高めることができる。
また、本発明の一態様の光電変換装置は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す構造とすることもできる。図２（Ａ）、（Ｂ）に示す構造は、図１（Ａ）、（Ｂ）の構造とは、第２のシリコン半導体層１２０と第１の電極２１０の界面の幅に対して、第１の電極２１０の幅が小さく形成されている点で異なる。また、第２（Ｂ）に示す構造は、図１（Ｂ）の構造とは、第６のシリコン半導体層１６０と第２の電極２２０の界面の幅に対して、第２の電極２２０の幅が小さく形成されている点でも異なる。
図２（Ａ）、（Ｂ）に示す構造では、凸部の頂部において第２のシリコン半導体層１２０の幅よりも第１の電極２１０の幅が小さく形成されている。そのため、第２のシリコン半導体層１２０と第４のシリコン半導体層１４０に挟まれる第３のシリコン半導体層１３０の一部の領域２４０が図１（Ａ）、（Ｂ）の構造よりも拡大され、領域２４０を介した第２のシリコン半導体層１２０と第４のシリコン半導体層１４０のコンタクト特性を改善することができる。また、図２（Ｂ）における領域２４１も図１（Ｂ）の構造よりも拡大され、領域２４１を介した第６のシリコン半導体層１６０と第８のシリコン半導体層１８０のコンタクト特性を改善することができる。
また、本発明の一態様の光電変換装置は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す構造とすることもできる。図３（Ａ）、（Ｂ）に示す構造は、図１（Ａ）、（Ｂ）の構造とは、凹部に複数の凹凸が形成されている点で異なる。換言すると、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す構造は、凹部に鋸歯状の表面を有している。なお、凹部に形成される凹凸の形状や数は図示されたものに限定されない。
図３（Ａ）、（Ｂ）に示す構造では、凹部に微細な複数の凹凸を形成されているため、すなわち鋸歯状の表面を有しているため、単結晶シリコン基板１００内に侵入した光の基板表裏での反射が助長され、光路長を増大することができる。
なお、本発明の一態様は、図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、及び図３（Ｂ）の光電変換装置の構造を相互に取り入れた形状の光電変換装置であっても良い。例えば、ｐ−ｎ接合側を図１の構造とし、ＢＳＦ側を図２（Ｂ）の構造などとしても良い。
次に、図１（Ａ）に示す構造の光電変換装置の作製方法について説明する。また、図２（Ａ）及び図３（Ａ）の構造の光電変換装置の作製方法についても適宜説明する。なお、図１（Ｂ）、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）の構造の光電変換装置については、図１（Ａ）、図２（Ａ）及び図３（Ａ）の作製方法を参照することにより作製することができるため、その詳細は省略する。
本発明の一態様に用いることのできる単結晶シリコン基板１００の導電型、及び製法は限定されず、実施者が適宜選択すれば良い。本実施の形態では、ｎ型の単結晶シリコン基板を用いる例を説明する。
まず、単結晶シリコン基板１００の一方の面上にプラズマＣＶＤ法を用いて第１のシリコン半導体層１１０を形成する。第１のシリコン半導体層１１０の膜厚は３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。ここでは、第１のシリコン半導体層１１０は、ｉ型の非晶質シリコンとし、膜厚は５ｎｍとする。
第１のシリコン半導体層１１０は、例えば、反応室にモノシランを導入し、反応室内の圧力を１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下、電極間隔を１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下、カソード電極の面積を基準とする電力密度を８ｍＷ／ｃｍ２以上５０ｍＷ／ｃｍ２以下、基板温度を１５０℃以上３００℃以下とする条件で形成することができる。
次いで、第１のシリコン半導体層１１０上に第２のシリコン半導体層１２０を形成する。第２のシリコン半導体層１２０の膜厚は３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。ここでは、第２のシリコン半導体層１２０は、ｐ型の非晶質シリコンとし、膜厚は１０ｎｍとする。
第２のシリコン半導体層１２０は、反応室にモノシラン：水素ベースのジボラン（０．１％）＝１：（２〜５０）の流量比率で導入し、反応室内の圧力を１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、電極間隔を１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下とし、カソード電極の面積を基準とする電力密度を８ｍＷ／ｃｍ２以上５０ｍＷ／ｃｍ２以下、基板温度を１５０℃以上３００℃以下とする条件で形成することができる。
次いで、第２のシリコン半導体層１２０上に第１の電極２１０を形成するための導電層２１０ａ（図５（Ａ）参照）。導電層２１０ａには、銀、アルミニウム、銅などの低抵抗金属を用いることができ、スパッタ法や真空蒸着法などで形成することができる。
次いで、単結晶シリコン基板１００の他方の面に、プラズマＣＶＤ法を用いて第５のシリコン半導体層１５０を形成する。第５のシリコン半導体層１５０の厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。ここでは、第５のシリコン半導体層１５０は、ｉ型の非晶質シリコンとし、膜厚は５ｎｍとする。第５のシリコン半導体層１５０は、第１のシリコン半導体層１１０と同様の成膜条件にて形成することができる。
次いで、第５のシリコン半導体層１５０上に第６のシリコン半導体層１６０を形成する。第６のシリコン半導体層１６０の厚さは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。ここでは、第６のシリコン半導体層１６０は、ｎ型の非晶質シリコンであり、膜厚は１０ｎｍとする。
第６のシリコン半導体層１６０は、反応室にモノシラン：水素ベースのホスフィン（０．５％）＝１：（１〜５０）の流量比率で導入し、反応室内の圧力を１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、電極間隔を８ｍｍ以上４０ｍｍ以下とし、カソード電極の面積を基準とする電力密度を８ｍＷ／ｃｍ２以上５０ｍＷ／ｃｍ２以下、基板温度を１５０℃以上３００℃以下とする条件で形成することができる。
なお、本実施の形態において、上記シリコン半導体層の形成に用いるプラズマＣＶＤの電源には周波数６０ＭＨｚのＲＦ電源を用いるが、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、または１００ＭＨｚのＲＦ電源を用いても良い。また、連続放電だけでなく、パルス放電にて形成を行っても良い。パルス放電を行うことで、膜質の向上や気相中で発生するパーティクルを低減することができる。
次いで、第６のシリコン半導体層１６０上に第２の電極２２０を形成する（図５（Ｂ）参照）。第２の電極２２０には、銀、アルミニウム、銅などの低抵抗金属を用いることができ、スパッタ法や真空蒸着法などで形成することができる。または、スクリーン印刷法を用いて、銀ペーストや、銅ペーストなどの導電性材料を含有する樹脂を用いて形成しても良い。
次いで、図４の平面図に示すような第１の電極２１０の上面形状を有するレジストマスク３００を導電層２１０ａ上に形成する。また、第２の電極２２０上にも全面にレジストマスク３０１を形成する。該レジストマスクには、公知のフォトリソグラフィ法、スクリーン印刷法、またはディスペンス法などを用いて形成することができる。
次いで、レジストマスク３００で覆われた領域以外の導電層２１０ａをウエットエッチングなどの公知の方法でエッチングし、第１の電極２１０を形成する。
そして、格子状の第１の電極２１０で囲われた領域が凹部となるように、第２のシリコン半導体層１２０、第１のシリコン半導体層１１０、単結晶シリコン基板１００の一部をエッチングする（図５（Ｃ）参照）。
上記凹部は、結晶シリコンのアルカリエッチングにおける面方位に対するエッチングレートの違いを利用して逆四角錐状に形成する。エッチング液には比較的低濃度のアルカリ溶液、例えば、１〜６％の水酸化ナトリウム水溶液、または同濃度の水酸化カリウム水溶液を用いることができる。該エッチング液の温度は７０〜９０℃とし、３０〜６０分間、基板を該エッチング液に浸漬する。この処理により、単結晶シリコン基板１００表面に、第１の電極が頂部に形成された凸部、及び該凸部間に形成される逆四角錐状の凹部を形成することができる。なお、この工程において、レジストマスク３００、３０１が剥離されても、第１の電極２１０及び第２の電極２２０がマスクとなるため問題無い。
次に、上記エッチング工程で形成されたシリコン表層の酸化層を取り除き、該酸化層に残存するアルカリ溶液の成分を取り除く。アルカリ金属、例えばＮａイオンやＫイオンがシリコン中に侵入するとライフタイムが低減し、光電変換装置の電気特性が著しく低下してしまう。なお、この酸化層を除去するには、１〜５％の希フッ酸を用いれば良い。
次に、フッ酸と硝酸を混合した混酸、または、それらに酢酸を混合した混酸を用いて単結晶シリコン基板１００の表面をエッチングし、金属成分などの不純物を除去することが好ましい。酢酸を混合することで、硝酸の酸化力を維持し、エッチング工程を安定にする効果、及びエッチングレートを調整する効果が得られる。例えば、各酸の体積比率は、フッ酸（約５０％）：硝酸（６０％以上）：酢酸（９０％以上）＝１：（１．５〜３）：（２〜４）とすることができる。なお、この混合酸（フッ硝酢酸）を用いたエッチングを行う場合は、上述の希フッ酸を用いた酸化層の除去工程を省くこともできる。
なお、図２（Ａ）の構造の光電変換装置を作製するには、上記凹部の形成後に第１の電極２１０を横方向からエッチングし、第１の電極２１０の幅を小さくすれば良い（図７（Ａ）参照）。ただし、レジストマスク３００のアルカリ耐性が弱い場合には、第１の電極２１０を形成後に第１の電極２１０を覆うレジストマスク３０２を形成し、その後に上記凹部の形成を行えば良い（図７（Ｂ）参照）。
また、図３（Ａ）に示す構造の光電変換装置を作製するには、上記凹部を形成するためのエッチング条件を調整すれば良い。例えば、エッチング時間を短くすることで、該凹部には複数の凹凸（すなわち、鋸歯形状）を形成することができる。また、上記エッチング液にイソプロピルアルコールを添加すると該凹凸のサイズを小さくすることができるため、図３（Ａ）に示す構造を形成しやすくなる。
次いで、レジストマスク３００、３０１を除去し、適切な洗浄の後、露出した単結晶シリコン基板１００の表面、並びに第１のシリコン半導体層１１０、第２のシリコン半導体層１２０、及び第１の電極２１０の積層構造の表面を覆うように第３のシリコン半導体層１３０を形成する（図６（Ａ）参照）。第３のシリコン半導体層１３０は、第１のシリコン半導体層１１０と同様の方法で形成することができる。
次いで、第３のシリコン半導体層１３０上に第４のシリコン半導体層１４０を形成する。第４のシリコン半導体層１４０は、第２のシリコン半導体層１２０と同様の方法で形成することができる。ただし、前述したようにｐ−ｎ接合近傍でのキャリアの再結合を極力抑えるために、第２のシリコン半導体層１２０のキャリア濃度は相対的に高く、第４のシリコン半導体層１４０のキャリア濃度は相対的に低くすることが好ましい。
キャリア濃度を調整して膜を形成するには、プラズマＣＶＤ法による成膜時にドーパントガス（ここでは、ジボラン）の流量比率を変化させれば良い。前述した成膜条件のジボランの流量比率の範囲において、流量比率が高いほどキャリア濃度を高くすることができる。または、成膜圧力、温度、電力密度などを変化させることにより、非晶質シリコンと微結晶シリコンを作り分けてキャリア濃度を調整しても良い。この場合、不純物の含有量が同じであれば、不純物の活性化率の高い微結晶シリコンの方がキャリア濃度を高くしやすい。
ここで、導電性を付与する不純物を含む第２のシリコン半導体層１２０及び第４のシリコン半導体層１４０に挟まれた第３のシリコン半導体層１３０の一部の領域は、第２のシリコン半導体層１２０及び第４のシリコン半導体層１４０からの不純物の拡散により、導電型がｉ型から変化した領域２４０が形成される。なお、ここでは、第２のシリコン半導体層１２０及び第４のシリコン半導体層１４０に含まれる不純物がホウ素であることから、領域２４０はｐ型となる。
次いで、第４のシリコン半導体層１４０上に保護層２３０を形成する。該保護層には、プラズマＣＶＤ法等で形成することのできる酸化シリコン膜、または窒化シリコン膜などの透光性を有する絶縁膜を用いることが好ましい。なお、該保護層には、物理的な保護の役割だけでなく、第４のシリコン半導体層１４０の表面欠陥を終端するパッシベーション効果、及び光の表面反射を防止し、効率良く単結晶シリコン基板１００内に光を取り入れるための反射防止効果を併せ持つ。
次いで、必要に応じて光電変換装置のいずれかの領域において、第１の電極２１０上に形成された第３のシリコン半導体層１３０、第４のシリコン半導体層１４０、及び保護層２３０のそれぞれの一部を公知の方法で取り除き、第１の電極２１０の一部を露出させた構造とする。また、該電極が露出した領域に接する取り出し用の電極を設けても良い。該電極が露出した領域、または取り出し用電極は、負荷との接続や、同一構造の複数の光電変換装置を電気的に直列、または並列に接続するために用いることができる。
以上により、本発明の一態様における光電変換装置を作製することができる。
１００ 単結晶シリコン基板
１１０ 第１のシリコン半導体層
１２０ 第２のシリコン半導体層
１３０ 第３のシリコン半導体層
１４０ 第４のシリコン半導体層
１５０ 第５のシリコン半導体層
１６０ 第６のシリコン半導体層
１７０ 第７のシリコン半導体層
１８０ 第８のシリコン半導体層
２１０ 第１の電極
２１０ａ 導電層
２２０ 第２の電極
２３０ 保護層
２３１ 保護層
２４０ 領域
２４１ 領域
３００ レジストマスク
３０１ レジストマスク
３０２ レジストマスク
１１０ 第１のシリコン半導体層
１２０ 第２のシリコン半導体層
１３０ 第３のシリコン半導体層
１４０ 第４のシリコン半導体層
１５０ 第５のシリコン半導体層
１６０ 第６のシリコン半導体層
１７０ 第７のシリコン半導体層
１８０ 第８のシリコン半導体層
２１０ 第１の電極
２１０ａ 導電層
２２０ 第２の電極
２３０ 保護層
２３１ 保護層
２４０ 領域
２４１ 領域
３００ レジストマスク
３０１ レジストマスク
３０２ レジストマスク
Claims (7)
- 頂部が平坦な格子状の凸部、及び該凸部間の凹部からなる凹凸を一方の面に有する、一導電型の単結晶シリコン基板と、
前記凸部の頂部に形成されたｉ型の第１のシリコン半導体層と、
前記第１のシリコン半導体層上に形成された、前記単結晶シリコン基板とは逆の導電型を有する第２のシリコン半導体層と、
前記第２のシリコン半導体層上に形成された第１の電極と、
前記単結晶シリコン基板の一方の面において、前記単結晶シリコン基板、前記第１のシリコン半導体層、前記第２のシリコン半導体層、及び前記第１の電極の表面を覆うように形成された、ｉ型の第３のシリコン半導体層と、
前記第３のシリコン半導体層上に形成された、前記単結晶シリコン基板とは逆の導電型を有する第４のシリコン半導体層と、
前記単結晶シリコン基板の他方の面に形成されたｉ型の第５のシリコン半導体層と、
前記第５のシリコン半導体層上に形成された、前記単結晶シリコン基板と同じ導電型を有する第６のシリコン半導体層と、
前記第６のシリコン半導体層上に形成された第２の電極と、を有することを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１において、
前記第１の電極の幅は、前記第２のシリコン半導体層の幅よりも小さいことを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１または請求項２において、
前記凹部は、逆四角錐状の形状であることを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１または請求項２において、
前記凹部は、表面に鋸歯状の形状を有することを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記第３のシリコン半導体層のうち、前記第２のシリコン半導体層及び前記第４のシリコン半導体層で挟まれる領域は、前記第２のシリコン半導体層及び前記第４のシリコン半導体と同じ導電型であり、その他の領域はｉ型であることを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１乃至５のいずれか一項において、
前記第２のシリコン半導体層は、前記第４のシリコン半導体層よりもキャリア濃度が高いことを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１乃至６のいずれか一項において、
前記第６のシリコン半導体層は、前記単結晶シリコン基板よりもキャリア濃度が高いことを特徴とする光電変換装置。
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