JP6206687B2 - 光起電力装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光起電力装置及びその製造方法に関する。

結晶系シリコン基板及びドープされた非晶質シリコン層との間に実質的に真性である非晶質シリコン層を形成した光起電力装置が知られている。

このような構造を有する光起電力装置の出力特性を向上させる手段として、シリコン基板と真性非晶質シリコン層との界面部分の酸素濃度を高くした構造が開示されている（特許文献１参照）。また、真性非晶質シリコン層中において酸素濃度に勾配を設け、ドープされた非晶質シリコン層側の酸素濃度を高くした構造が開示されている（特許文献２参照）。

一方、真性非晶質シリコン層によるシリコン基板の表面の不活性化技術において、真性非晶質シリコン層全体に適切な量の酸素を含有させ、層内に微小な非晶質酸化シリコン領域を形成することにより、不活性化が促進されると報告されている（非特許文献１参照）。さらに、真性非晶質シリコン層全体に適切な量の酸素を含有させると、光起電力装置の出力特性が向上すると報告されている（非特許文献２参照）。

特許第４０７０４８３号公報 特開２００８−２３５４００号公報

J.Appl.Phys. 107,014504(2010) Appl.Phys.Lett. 91,133508(2007)

ところで、非晶質シリコン層に過度な酸素が取り込まれると不純物として作用して欠陥を形成したり、高抵抗領域を形成したりするおそれがあり、含有される酸素濃度を最適化することが望まれる。しかしながら、真性非晶質シリコン層内における最適な酸素濃度プロファイル、特にシリコン基板と真性非晶質シリコン層との界面側における酸素濃度については十分に検討されていない。

また、半導体基板と接合される半導体層の導電型（ｐ型，ｎ型）によって、酸素による欠陥の不活性化の度合いが異なるので、導電型に応じた適切な酸素濃度プロファイルを実現することが望まれる。

本発明は、第一表面及び第二表面を備えた結晶系半導体基板と、前記結晶系半導体基板の前記第一表面上に形成され第１の導電型のドーパントを含む第１の非晶質半導体層と、前記結晶系半導体基板の前記第二表面上に形成され第２の導電型のドーパントを含む第２の非晶質半導体層と、を備える光電変換装置であって、前記結晶系半導体基板と前記第１の非晶質半導体層との界面は、１０ ²¹ ｃｍ ³ オーダーの酸素を含む第１の酸化界面であって、前記結晶系半導体基板と前記第２の非晶質半導体層との界面は、１０ ²¹ ｃｍ ³ オーダーの酸素を含む第２の酸化界面であって、前記第１の非晶質半導体層は、前記第１の酸化界面から膜厚方向に５ｎｍ以下の範囲に、膜厚方向に沿って対数の勾配プロファイルが少なくとも二つのピークを有するように濃度が減少する酸素濃度プロファイルを有し、前記対数の勾配プロファイルの少なくとも二つのピークよりも前記第１の酸化界面に近い第１の高濃度酸素領域を備え、前記第２の非晶質半導体層は、前記第２の酸化界面から膜厚方向に５ｎｍ以下の範囲に前記第１の高濃度酸素領域よりも酸素濃度が低い第２の高濃度酸素領域を備え、る光電変換装置である。
本発明は、上記の光電変換装置の製造方法であって、結晶系シリコンからなる半導体基板の表面にテクスチャ構造を形成する第１の工程と、前記半導体基板の第一表面を酸化処理して第１の酸化界面を形成する第２の工程と、前記第１の酸化界面上に第１の導電型のドーパントを含む第１の非晶質半導体層を形成する第３の工程と、前記半導体基板の第二表面を酸化処理して第２の酸化界面を形成する第４の工程と、前記第２の酸化界面上に第２の導電型のドーパントを含む第２の非晶質半導体層を形成する第５の工程と、を含む光電変換装置の製造方法であって、前記酸化処理は、大気雰囲気中に所定時間放置する方法、オゾン水処理、過酸化水素水処理、オゾナイザー処理から選択されるいずれかの方法を用いて実施される、光電変換装置の製造方法である。

本発明によれば、光起電力装置における光電変換効率を高めることができる。

本発明に係る実施の形態における光起電力装置の断面図である。 本発明に係る実施の形態における光起電力装置の酸素濃度プロファイルを示す図である。 本発明に係る実施の形態における光起電力装置の酸素濃度の対数表示の勾配プロファイルを示す図である。

本発明の実施の形態における光起電力装置１００は、図１の断面図に示すように、半導体基板１０、ｉ型非晶質層１２ｉ、ｐ型非晶質層１２ｐ、透明導電層１４、ｉ型非晶質層１６ｉ、ｎ型非晶質層１６ｎ、透明導電層１８及び集電極２０，２２を含んで構成される。

以下、光起電力装置１００の製造方法を示しつつ、光起電力装置１００の構造を説明する。なお、表１に光起電力装置１００における各非晶質層の形成条件の例を示す。なお、本実施形態に用いた各種成膜条件は一例であり、使用する装置によって適宜変更し、最適化を行うべきものである。

半導体基板１０は、結晶系の半導体材料から構成される。半導体基板１０は、ｎ型又はｐ型の導電型の結晶性半導体基板とすることができる。半導体基板１０は、例えば、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、砒化ガリウム基板（ＧａＡｓ）、インジウム燐基板（ＩｎＰ）等を適用することができる。半導体基板１０は、入射された光を吸収することで、光電変換により電子及び正孔のキャリア対を発生させる。以下では、半導体基板１０としてｎ型のシリコン単結晶基板を用いた例を説明する。

半導体基板１０は、洗浄後に成膜槽内に設置される。半導体基板１０の洗浄は、フッ化水素酸水溶液（ＨＦ水溶液）やＲＣＡ洗浄液を用いて行うことができる。また、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ水溶液）等のアルカリ性エッチング液を用いて、半導体基板１０の表面や裏面にテクスチャ構造を形成することも好適である。この場合、（１００）面を有する半導体基板１０をＫＯＨ水溶液で異方性エッチングすることによって、ピラミッド型の（１１１）面を有するテクスチャ構造を形成することができる。また、ｉ型非晶質層１２ｉの成膜前に所定の酸化処理をして、酸化界面を形成してもよい。所定の酸化処理としては、大気や湿度制御された雰囲気中に所定時間放置するか、オゾン水処理、過酸化水素水処理、オゾナイザー処理などを適宜使用することが出来る。

半導体基板１０の表面上に非晶質の半導体層であるｉ型非晶質層１２ｉが形成される。例えば、ｉ型非晶質層１２ｉは、水素を含むアモルファスの真性シリコン半導体層である。ここで、真性の半導体層とは、含有されるｐ型又はｎ型のドーパントの濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下である、または、ｐ型及びｎ型のドーパントが同時に含まれる場合にはｐ型又はｎ型のドーパント濃度の差が５×１０^１８／ｃｍ^３以下である半導体層をいう。ｉ型非晶質層１２ｉは、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くし、一方で半導体基板１０の表面が十分にパッシベーションされる程度に厚くすることが好適である。ｉ型非晶質層１２ｉの膜厚は、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下とし、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好適である。

ｉ型非晶質層１２ｉは、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、Ｃａｔ−ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法、周波数の高いＶＨＦプラズマＣＶＤ法、さらにはマイクロ波プラズマＣＶＤ法などいずれの手法を用いても良い。本実施例では、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いる場合について説明する。例えば、表１に示すように、シラン（ＳｉＨ_４）等のケイ素含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱された半導体基板１０の成膜面に供給することによって形成することができる。このとき、本実施の形態では、ｉ型非晶質層１２ｉの成膜初期において酸素（Ｏ_２）を含有するガスを同時に導入して、半導体基板１０とｉ型非結晶層１２ｉとの界面付近に酸素を導入する。酸素（Ｏ_２）を含有するガスは、例えば、炭酸（ＣＯ_２）ガスや酸素（Ｏ_２）が挙げられる。成膜時の基板温度は１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ^２以上１０ｍＷ／ｃｍ^２以下とすることができる。

ここで、図２に示すように、ｉ型非晶質層１２ｉの膜厚方向へ向けて半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉとの界面近傍から階段状に濃度が減少する酸素濃度プロファイルとする。例えば、ｉ型非晶質層１２ｉの成膜時において、酸素含有ガスの流量を段階的に変化させることにより、半導体基板１０との界面側にのみ酸素を多く含有させた高濃度酸素領域を形成する。高濃度酸素領域における酸素濃度は約２×１０^２０／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下とし、ｉ型非晶質層１２ｉの高濃度酸素領域以外の領域における酸素濃度は約１×１０^２０／ｃｍ^３未満とすることが好適である。また、高濃度酸素領域において、膜厚方向に沿って酸素濃度が少なくとも１段階以上の階段状のプロファイルを有することが好適である。半導体基板１０からこの酸素濃度プロファイルと光起電力装置の特性については後述する。

なお、半導体膜中の各元素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等で測定することができる。半導体基板１０にテクスチャ構造を設けた場合、テクスチャによる膜厚方向への分解能が低下しない方法で膜中の各元素の濃度を測定すればよい。

ｐ型非晶質層１２ｐは、ｐ型の導電型のドーパントを含む非晶質半導体膜からなる層である。例えば、ｐ型非晶質層１２ｐは、水素を含有するアモルファスシリコンから形成される。ｐ型非晶質層１２ｐは、ｉ型非晶質層１２ｉよりも膜中のｐ型のドーパントの濃度が高くされる。例えば、ｐ型非晶質層１２ｐは、ｐ型のドーパントの濃度を１×１０^２０／ｃｍ^３以上とすることが好適である。ｐ型非晶質層１２ｐの膜厚は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くすることが好適である一方、半導体基板１０内で発生したキャリアがｐｎ接合部で効果的に分離され、かつ、発生したキャリアが透明導電層１４まで収集される程度に厚くすることが好適である。例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好適である。

ｐ型非晶質層１２ｐも、ＰＥＣＶＤ、Ｃａｔ−ＣＶＤ、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することができる。例えば、表１に示すように、シラン（ＳｉＨ_４）等のケイ素含有ガス及びジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）等のｐ型ドーパント含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱された半導体基板１０のｉ型非晶質層１２ｉ上に供給することによって形成することができる。なお、表１では、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）は１％の水素希釈とした。成膜時の基板温度は１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ^２以上１０ｍＷ／ｃｍ^２以下とすることができる。

ｉ型非晶質層１６ｉは、半導体基板１０の裏面上に形成される。すなわち、ｉ型非晶質層１２ｉ及びｐ型非晶質層１２ｐを形成後、半導体基板１０の表裏を反転させ、半導体基板１０の裏面上に形成される。例えば、ｉ型非晶質層１６ｉは、水素を含むアモルファスの真性シリコン半導体層とされる。ｉ型非晶質層１６ｉの膜厚は、ｉ型非晶質層１２ｉと同様に、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

ｉ型非晶質層１６ｉは、ＰＥＣＶＤ、Ｃａｔ−ＣＶＤ、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することできる。例えば、表１に示すように、シラン（ＳｉＨ_４）等のケイ素含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱された半導体基板１０の成膜面に供給することによって形成することができる。成膜時の基板温度は、ｉ型非晶質層１２ｉと同様に、１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ^２以上１０ｍＷ／ｃｍ^２以下とすることができる。

ｉ型非晶質層１６ｉにおいても、ｉ型非晶質層１２ｉと同様に、成膜初期において酸素（Ｏ_２）を含有するガスを同時に導入して、半導体基板１０とｉ型非結晶層１２ｉとの界面付近に酸素を導入することが好適である。

ここで、図２に示すように、ｉ型非晶質層１６ｉの膜厚方向へ向けて半導体基板１０とｉ型非晶質層１６ｉとの界面近傍から階段状に濃度が減少する酸素濃度プロファイルとする。例えば、ｉ型非晶質層１６ｉの成膜時において、酸素含有ガスの流量を段階的に変化させることにより、半導体基板１０との界面側にのみ酸素を多く含有させた高濃度酸素領域を形成する。

ｉ型非晶質層１６ｉの高濃度酸素領域は、ｉ型非晶質層１２ｉの高濃度酸素領域より酸素濃度を低くする。具体的には、ｉ型非晶質層１６ｉの高濃度酸素領域における酸素濃度は約１×１０^２０／ｃｍ^３以上９×１０^２１／ｃｍ^３以下とする。また、ｉ型非晶質層１６ｉの高濃度酸素領域以外の領域における酸素濃度は約１×１０^２０／ｃｍ^３未満とすることが好適である。また、高濃度酸素領域において、膜厚方向に沿って酸素濃度が少なくとも１段階以上の階段状のプロファイルを有することが好適である。半導体基板１０からこの酸素濃度プロファイルと光起電力装置の特性については後述する。

ｎ型非晶質層１６ｎは、ｎ型の導電型のドーパントを含む非晶質半導体膜からなる層である。例えば、ｎ型非晶質層１６ｎは、水素を含有するアモルファスシリコンから形成される。ｎ型非晶質層１６ｎは、ｉ型非晶質層１６ｉよりも膜中のｎ型のドーパントの濃度が高くされる。例えば、ｎ型非晶質層１６ｎは、ｎ型のドーパントの濃度を１×１０^２０／ｃｍ^３以上とすることが好適である。ｎ型非晶質層１６ｎの膜厚は、光の吸収をできるだけ抑えられるように薄くすることが好適である一方、半導体基板１０内で発生したキャリアをＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）構造により効果的に分離しつつ、発生したキャリアを透明導電層１８で効率よく収集される程度に厚くすることが好適である。例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好適である。

ｎ型非晶質層１６ｎも、ＰＥＣＶＤ、Ｃａｔ−ＣＶＤ、スパッタリング法等により形成することができる。ＰＥＣＶＤは、ＲＦプラズマＣＶＤ法を適用することができる。例えば、表１に示すように、シラン（ＳｉＨ_４）等のケイ素含有ガス及びホスフィン（ＰＨ_３）等のｎ型ドーパント含有ガスを水素で希釈して供給し、平行平板電極等にＲＦ高周波電力を印加してプラズマ化して、加熱された半導体基板１０のｉ型非晶質層１６ｉ上に供給することによって形成することができる。なお、表１では、ホスフィン（ＰＨ_３）は２％の水素希釈とした。成膜時の基板温度は１５０℃以上２５０℃以下、ＲＦ電力密度は１ｍＷ／ｃｍ^２以上１０ｍＷ／ｃｍ^２以下とすることができる。

なお、半導体基板１０の表面側を受光面（主として外部から光を導入する面）とする。また、前述の実施形態では表面側のｉ型非晶質層１２ｉおよびｐ型非晶質層１２ｐを形成した後、半導体基板１０を反転させ、裏面側のｉ型非晶質層１６ｉおよびｎ型非晶質層１６ｎを形成するとしたが、これらの形成順序も任意である。

透明導電層１４，１８は、それぞれｐ型非晶質層１２ｐ及びｎ型非晶質層１６ｎ上に形成される。透明導電層１４、１８は、例えば、多結晶構造を有する酸化インジウム（In₂O₃）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化錫（SnO₂）、または酸化チタン（TiO₂）などの金属酸化物を少なくとも一つを含んで構成され、これらの金属酸化物に、錫（Sn）、亜鉛（Zn）、タングステン（W）、アンチモン（Sb）、チタン（Ti）、セリウム（Ce）、ガリウム（Ga）などのドーパントがドープされていても良い。透明導電層１４，１８は、蒸着法、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング法等の薄膜形成方法により形成することができる。透明導電層１４，１８の膜厚は、透明導電層１４，１８の屈折率により適宜調整され得るが、本実施形態では７０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とした。

集電極２０，２２は、それぞれ透明導電層１４，１８上に形成される。集電極２０，２２は、櫛状のフィンガー電極構造とすることが好適である。集電極２０，２２は、スクリーン印刷法やメッキ法等により形成することができる。集電極２０，２２は、例えば、銀ペースト等を数１０μｍ程度の厚みに塗布することにより形成される。

＜実施例及び比較例１，２＞
上記形成方法に沿って、表１に示した条件において、膜厚方向へ向けて半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉとの界面近傍から階段状に濃度が減少する酸素濃度プロファイルを有するｉ型非晶質層１２ｉと、膜厚方向へ向けて半導体基板１０とｉ型非晶質層１６ｉとの界面近傍から階段状に濃度が減少する酸素濃度プロファイルを有するｉ型非晶質層１６ｉと、を有する光起電力装置を実施例とした。このとき、ｐ型非晶質層１２ｐ側のｉ型非晶質層１２ｉを形成する際に、ｎ型非晶質層１６ｎ側のｉ型非晶質層１６ｉを形成する際よりも酸素含有ガスの導入量を多くした。

また、ｎ型非晶質層１６ｎ側のｉ型非晶質層１６ｉの形成時に炭酸ガス等の酸素含有ガスを導入しなかったこと以外は、実施例と同様に形成した光起電力装置を比較例１とした。また、ｎ型非晶質層１６ｎ側のｉ型非晶質層１６ｉを形成する際に、ｐ型非晶質層１２ｐ側のｉ型非晶質層１２ｉを形成する際よりも酸素含有ガスの導入量を多くしたこと以外は、実施例と同様に形成した光起電力装置を比較例２とした。

図２は、実施例における半導体基板１０、ｉ型非晶質層１２ｉ及びｐ型非晶質層１２ｐの膜中の酸素原子の濃度プロファイル（以下、ｐ側濃度プロファイルと示す）、及び、実施例及び比較例１，２における半導体基板１０、ｉ型非晶質層１６ｉ及びｎ型非晶質層１６ｎの膜中の酸素原子の濃度プロファイル（以下、ｎ側濃度プロファイルと示す）を示す。図２中において、実施例のｐ側濃度プロファイルを実線で示し、実施例、比較例１，２に対するｎ側濃度プロファイルを破線、一点鎖線及び二点鎖線で示した。また、図３は、図２に示す酸素濃度プロファイルを膜厚方向について微分して得られた酸素濃度プロファイルの勾配を対数表示して示す。

実施例、比較例１及び２のいずれにおいてもｉ型非晶質層１２ｉ，１６ｉと半導体基板１０との界面部にはピーク濃度として、１０^２１／ｃｍ^３オーダーの酸素原子が存在した。これは、洗浄からｉ型非晶質層１２ｉ及び１６ｉの形成工程までの輸送期間や成膜装置内において半導体基板１０の表面が自然酸化されるからである。また、前述の成膜前に所定の酸化処理を施した場合は、この処理にも起因する。このため、ｉ型非晶質層１２ｉ及び１６ｉの酸素濃度は、半導体基板１０との界面においてピークを示し、ｉ型非晶質層１２ｉ及び１６ｉにおいてバックグラウンドレベルまで一度減少し、ｐ型非晶質層１２ｐ，ｎ型非晶質層１６ｎ及び表面に向けて再度上昇するというプロファイルを示した。ｐ型非晶質層１２ｐ及びｎ型非晶質層１６ｎにおいて酸素濃度が上昇するのは、ドーピングガスを導入することの影響及び測定における表面の影響であると考えられる。

ここで、実施例におけるｐ側濃度プロファイルでは、半導体基板１０との界面付近に酸素を多く含有させた領域（高濃度酸素領域）が半導体基板１０との界面から５ｎｍ以内の範囲に観測された。高濃度酸素領域における酸素濃度は約１×１０^２０／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下であった。また、ｉ型非晶質層１２ｉにおいて、高濃度酸素領域以外の領域における酸素濃度は約１×１０^２０／ｃｍ^３未満であった。

さらに、高濃度酸素領域において、膜厚方向に沿って酸素濃度が１段階以上の階段状のプロファイルを有していた。換言すると、ｉ型非晶質層１２ｉ中の半導体基板１０の界面付近における酸素濃度プロファイルが１つ以上の変曲点をもち、傾き（スロープ）が異なる領域を有していた。より具体的には、半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉとの界面であって１０^２１／ｃｍ^３のオーダーの酸素濃度を有するＡ点、ｉ型非晶質層１２ｉ内であって半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉとの界面から１ｎｍ程度までの約１×１０^２０／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下の酸素濃度を有するＢ点、ｉ型非晶質層１２ｉ内であって半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉとの界面から１ｎｍ以上５ｎｍ以下程度までの約１×１０^２０／ｃｍ^３以上１×１０^２１／ｃｍ^３以下の酸素濃度を有するＣ点、及びｉ型非晶質層１２ｉ内であって半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉとの界面から５ｎｍ程度離れた約１×１０^２０／ｃｍ^３以下の酸素濃度を有するＤ点が変曲点として確認された。なお、このような酸素濃度プロファイルは、濃度軸を対数表示した場合により顕著に確認された。

また、図３の酸素濃度プロファイルの対数の勾配では、表面側から半導体基板１０へ近づくにつれて、ｉ型非晶質層１２ｉ内の浅い位置から勾配が増加してピークを示し、再び勾配がなだからになって０に近づいた後、半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉとの界面から数ｎｍ離れた点から勾配が増した。このように、酸素濃度の勾配のプロファイルにおいて、ｉ型非晶質層１２ｉ内にて少なくとも２つのピークを有するものとなった。

このような、酸素濃度プロファイルは、実施例、比較例１，２におけるｐ側濃度プロファイル及び実施例、比較例２におけるｎ側濃度プロファイルにおいて同様に得られた。

なお、約１×１０^２０／ｃｍ^３の酸素濃度は、以下のように技術的な臨界的意義を有する。すなわち、ｉ型非晶質層１２ｉ，１６ｉにおけるシリコン原子の密度は約５×１０^２２／ｃｍ^３程度であるので、酸素濃度が約１×１０^２０／ｃｍ^３である場合にはシリコン原子に対する酸素原子の濃度比が０．００２になる。この値近傍を境として、０．００２よりも酸素濃度が低い場合には酸素原子はシリコン中で不純物として振る舞い、０．００２よりも高い場合には酸素とシリコンが合金化して酸素とシリコンとの化合物としての性質を有するようになると考えられる。したがって、酸素濃度が約１×１０^２０／ｃｍ^３を境として、ｉ型非晶質層１２ｉ，１６ｉの性質が変化するものと考えられる。なお、酸素原子は本実施形態の半導体層中において非常にキャリア活性率が低いため、本実施形態の濃度の酸素を含む非晶質層１２i，１６ｉは、実質的に真性である。

表２に、実施例及び比較例１，２の光起電力装置の出力特性を示す。測定データは、開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流（Ｉｓｃ）、曲線因子（ＦＦ）及び出力電圧（Ｐｍａｘ）であり、表２では比較例１の各値を１として規格化した値を示す。

ｎ側のｉ型非晶質層１６ｉに意図的な酸素導入を行わなかった比較例１の光起電力装置に対して、実施例及び比較例２では開放電圧の改善が確認できる。これは、比較例１に対して実施例及び比較例２ではｉ型非晶質層１２ｉ，１６ｉにおける半導体基板１０との界面近傍における酸素濃度が高いため、半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉ，１６ｉとの界面における欠陥が効果的に不活性化（終端）され、欠陥を再結合中心とするキャリアの再結合が抑制されるためと考えられる。

また、短絡電流Ｉｓｃは、実施例、比較例１，２で大きな差は見られなかった。

曲線因子ＦＦは、実施例と比較例１とにおいて顕著な差はみられなかった。しかしながら、比較例２では実施例及び比較例１に対して曲線因子ＦＦの低下がみられた。曲線因子ＦＦは、主に抵抗及び表面の不活性化に依存する特性である。実施例では、半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉ，１６ｉとの界面から５ｎｍまでの範囲に酸素を含有させたことによる不活性化による曲線因子ＦＦの向上と、酸素導入による抵抗の増加による曲線因子ＦＦの低下とが打ち消し合って、比較例１と同等の値となったと考えられる。一方、比較例２では、ｎ側のｉ型非晶質層１６ｉに適量以上の酸素が導入されたため、ｉ型非晶質層１６ｉの高抵抗化が進むと共に、酸素による欠陥の不活性化の効果は飽和しており、曲線因子ＦＦが悪化したものと考えられる。

ｐ側のｉ型非晶質層１２ｉ及びｎ側のｉ型非晶質層１６ｉの酸素濃度が同じであれば、半導体基板１０とｐ側のｉ型非晶質層１２ｉとのヘテロ界面の不活性化度より半導体基板１０とｎ側のｉ型非晶質層１６ｉとのヘテロ界面の不活性化度が高くなる。また、光起電力装置の特性は、ヘテロ界面の不活性化度が低い方の膜が支配的となるので、ｐ側のｉ型非晶質層１２ｉの酸素濃度をｎ側のｉ型非晶質層１６ｉの酸素濃度より高くして、半導体基板１０とｉ型非晶質層１２ｉとのヘテロ界面及び半導体基板１０とｉ型非晶質層１６ｉとのヘテロ界面の不活性化度を同等程度にすることが好適となる。一方、ｉ型非晶質層１６ｉの酸素濃度がｉ型非晶質層１２ｉの酸素濃度より高くなり過ぎると、半導体基板１０とｎ側のｉ型非晶質層１６ｉとのヘテロ界面の不活性化度の改善は光起電力装置１００の特性にほとんど影響を及ぼさなくなる。しかし、膜の抵抗は高くなるため、光起電力装置の特性が低下する。すなわち、実施例のように、最適の酸素濃度の範囲内において、ｐ側のｉ型非晶質層１２ｉの半導体基板１０との界面近傍（高濃度酸素領域）の酸素濃度は、ｎ側のｉ型非晶質層１６ｉの半導体基板１０との界面近傍（高濃度酸素領域）の酸素濃度より高くすることが好ましい。言い換えると、図３の酸素濃度プロファイルの勾配における２つのピーク間の位置Ｘにおける酸素濃度がｎ側のｉ型非晶質層１６ｉよりｐ側のｉ型非晶質層１２ｉで高くなるようにすることが好適である。

これらの結果として、出力電力Ｐｍａｘは実施例において最大を示した。具体的には、比較例１を基準とすると、実施例の出力Ｐｍａｘは１．００４となった。これは、半導体基板１０との界面付近の欠陥低減、半導体基板１０への効果的な光の取り込みによって開放電圧Ｖｏｃと短絡電流Ｉｓｃを向上させ、一方で曲線因子ＦＦの低下を抑制することによって発電効率が向上したものと考えられる。

１０ 半導体基板、１２ｉ ｉ型非晶質層、１２ｐ ｐ型非晶質層、１４ 透明導電層、１６ｉ ｉ型非晶質層、１６ｎ ｎ型非晶質層、１８ 透明導電層、２０，２２ 集電極、１００ 光起電力装置。

Claims (8)

1. 第一表面及び第二表面を備えた結晶系半導体基板と、
   前記結晶系半導体基板の前記第一表面上に形成され第１の導電型のドーパントを含む第１の非晶質半導体層と、
   前記結晶系半導体基板の前記第二表面上に形成され第２の導電型のドーパントを含む第２の非晶質半導体層と、
   を備える光電変換装置であって、
   前記結晶系半導体基板と前記第１の非晶質半導体層との界面は、１０ ²¹ ｃｍ ³ オーダーの酸素を含む第１の酸化界面であって、
   前記結晶系半導体基板と前記第２の非晶質半導体層との界面は、１０ ²¹ ｃｍ ³ オーダーの酸素を含む第２の酸化界面であって、
   前記第１の非晶質半導体層は、前記第１の酸化界面から膜厚方向に５ｎｍ以下の範囲に、膜厚方向に沿って対数の勾配プロファイルが少なくとも二つのピークを有するように濃度が減少する酸素濃度プロファイルを有し、前記対数の勾配プロファイルの少なくとも二つのピークよりも前記第１の酸化界面に近い第１の高濃度酸素領域を備え、
   前記第２の非晶質半導体層は、前記第２の酸化界面から膜厚方向に５ｎｍ以下の範囲に前記第１の高濃度酸素領域よりも酸素濃度が低い第２の高濃度酸素領域を備える、光電変換装置。
2. 前記第２の高濃度酸素領域において、前記第２の酸化界面から膜厚方向に沿って、対数の勾配プロファイルが少なくとも二つのピークを有するように濃度が減少する酸素濃度プロファイルを有する、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記第１の高濃度酸素領域は、前記第１の酸化界面から１ｎｍ以下の領域にあり、
   前記第２の高濃度酸素領域は、前記第２の酸化界面から１ｎｍ以下の領域にある、請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記第１の非晶質半導体層上に集電極が形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電変換装置の製造方法であって、
   結晶系シリコンからなる半導体基板の表面にテクスチャ構造を形成する第１の工程と、
   前記半導体基板の第一表面を酸化処理して第１の酸化界面を形成する第２の工程と、
   前記第１の酸化界面上に第１の導電型のドーパントを含む第１の非晶質半導体層を形成する第３の工程と、
   前記半導体基板の第二表面を酸化処理して第２の酸化界面を形成する第４の工程と、
   前記第２の酸化界面上に第２の導電型のドーパントを含む第２の非晶質半導体層を形成する第５の工程と、
   を含む光電変換装置の製造方法であって、
   前記酸化処理は、大気雰囲気中に所定時間放置する方法、オゾン水処理、過酸化水素水処理、オゾナイザー処理から選択されるいずれかの方法を用いて実施される、光電変換装置の製造方法。
6. 前記非晶質半導体層は、ケイ素含有ガスと、炭酸ガス又は酸素ガスとを導入して形成される、請求項５に記載の光電変化装置の製造方法。
7. 前記第１の導電型はp型であって、前記第２の導電型はｎ型であって、
   前記第３の工程は、ケイ素含有ガスにp型のドーパントを導入してp型の非晶質半導体層を形成し、
   前記第５の工程は、ケイ素含有ガスにｎ型のドーパントを導入してｎ型の非晶質半導体層を形成する、請求項６に記載の光電変換装置の製造方法。
8. 前記第１の導電方はn型であって、前記第２の導電型はp型であって、
   前記第３の工程は、ケイ素含有ガスにn型のドーパントを導入してn型の非晶質半導体層を形成し、
   前記第５の工程は、ケイ素含有ガスにp型のドーパントを導入してp型の非晶質半導体層を形成する、請求項６に記載の光電変換装置の製造方法。

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