JP7524298B2 - 光起電力デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光起電力デバイスの分野に関する。より具体的には、コレクタ材料がパターン化され、デバイスの背面にトンネル接合を含むデバイスをもたらす、交互嵌合型バック・コンタクト（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ Ｂａｃｋ Ｃｏｎｔａｃｔ：ＩＢＣ）タイプのバック・コンタクトを備えた光起電力デバイスに関する。本発明はまた、この光起電力デバイスの製造方法に関する。
本発明の特に有利な用途は、電気エネルギーを生成することを目的とした高効率の太陽電池の製造であるが、本発明は、より一般的には、入射放射線が電気信号に変換される任意の同様のデバイス、例えば、光検出器及び電離放射線検出器にも適用される。
交互嵌合型バック・コンタクト・シリコン・ヘテロ接合太陽電池（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｂａｃｋ－ｃｏｎｔａｃｔ ｓｉｌｉｃｏｎ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ：ＩＢＣ－ＳＨＪ）は、非常に効率的であるが、処理が非常に複雑であるため、問題が発生する。実際、ＩＢＣ－ＳＨＪデバイスを実現するには、後部のａ－Ｓｉ：Ｈ層とＴＣＯ／金属スタックとを非常に高い精度で交互嵌合型コームにパターン化する必要がある。最先端の技術で知られている技術の殆どは、複雑で費用のかかるプロセスの使用に依存している。実例は、例えば非特許文献１、２で説明されている。
特許文献１は、２つのパターン化ステップを必要とするデバイスの典型例を記載しているが、このデバイスは、プロセスを複雑にするｎフィンガとｐフィンガとの間に絶縁層を必要とする。
選択されたパターン化技術に関係なく、従来技術の全てのアプローチは、電子コレクタ構造と正孔コレクタ構造の両方をパターン化する必要がある。これにより、既存の全てのＩＢＣ－ＳＨＪデバイスの実現が時間のかかるものとなり、扱いにくいものとなり、したがってコスト効率が大幅に低下する。
この問題に取り組むために、ｎドープ層又はｐドープ層である第１のシリコン層、即ち電子又は正孔コレクタ構造のみをパターン化することが提案されてきた。これらのデバイスでは、第２のタイプの第２のシリコン層が、パターン化された電荷コレクタ構造の上に堆積される。結果として得られるデバイスは、「トンネル接合ＩＢＣ－ＨＪＴデバイス」と呼ばれる。
デバイスの例示的な実現において、電荷コレクタ構造の第１のタイプは、パターン化されたｎ型のａ－Ｓｉ：Ｈ層であり、その層のパターン化により、電荷コレクタ構造が提供される。
このような実現において、ｐ型のａ－Ｓｉ：Ｈ層は、真性のａ－Ｓｉ：Ｈバッファ層と上記電荷コレクタ構造の両方を覆う。２種類の電荷コレクタをパターン化する必要がある手法と比較して、このようなプロセス・フローは、上記第１のシリコン層のドープされたタイプとは反対のドープされたタイプである第２のシリコン層が自己整合されたコレクタ構造を形成するので、よりシンプルで費用効果の高いプロセスがもたらされる。そのようなデバイスの製造プロセスは、電荷キャリア・コレクタ・フィンガ・タイプの両方が構造化されているものよりも単純であるが、例えば、特許文献２に記載されているデバイスの場合のように、効率はより低い。
特許文献３で説明され、図１に示されているデバイスの設計は、トンネル層が均質であり、真性のバッファ層及びパターン化された正孔コレクタ・フィンガ上に配置されたときに同じ特性を有するという問題の解決策を提案している。特許文献３は、第１のタイプの第１のシリコン層が構造化され、電荷コレクタ「フィンガ」とも呼ばれる電荷コレクタ・アイランド（Ｎ）を形成し、実質的に微結晶構造であるが、バッファ層と接触するアモルファス部分を含む、交互嵌合型バック・コンタクト・シリコン・ヘテロ接合太陽電池について説明している。
特許文献３の装置では、上記電荷コレクタ・アイランド上、及び上記電荷コレクタ・アイランドの間の上記隙間（Ｉ）に単一の層が提供される。層（図１のＰ）は、上記隙間（Ｉ）においてアモルファス真性層５と接触しているアモルファス部分（ＰＡ）を含み、したがって、微結晶構造上に存在する場合、又はこれらの構造の間に位置するアモルファス真性層上に存在する場合で、異なる特性を有する。接触パッド又は接触フィンガのような電極（Ｅ１～Ｅ３）は、トンネル層Ｐの上部に実現される。
最高の性能を達成するために、トンネルＩＢＣ太陽電池は、電子と正孔の両方の接触に対して非常に低い接触抵抗を示す必要がある。特許文献３に示されているように、トンネル接合の概念は、正孔コレクタ（図１の３－５－Ｐ－Ｅ２）と電子コレクタ（図１の３－５－Ｎ－Ｐ－Ｅ１、３－５－Ｎ－Ｐ－Ｅ３）の間のシリコン（ｐ）層の成長の違いに依存している。
通常、シリコン（ｐ）層は、最初は正孔コレクタ上でよりアモルファスに成長するが、電子コレクタ上ではすぐにナノ結晶に成長する。これは、正孔コレクタ領域のゾーンでのシリコン層の初期成長がアモルファス・シリコン層５上で実現される一方、電子コレクタ構造のゾーンでは、すでにナノ結晶シリコン層（図１のＮ）で成長が起こるという事実による。
図１に示されているデバイスは、特許文献３に記載されているデバイスのアモルファスｐ層（ＰＡ）の比較的重要な厚さを示している。ｐ層の非対称性により、電子コレクタ・スタック（図１の３／５／Ｎ／Ｐ／Ｅ１又は３／５／Ｎ／Ｐ／Ｅ３）の非常に低い接触抵抗、通常は２０～５０ｍＯｈｍ．ｃｍ２に達することができ、一方、エミッタ又は正孔コレクタ・スタック（図１の３／５／ＰＡ／Ｐ／Ｅ２）は、部分的に非対称であるため、通常は５０～３００ｍＯｈｍ．ｃｍ２のより高い接触抵抗を示す。アモルファス層とナノ結晶層との間の電気伝導率の大きな違いにより、正孔と電子との接点間の電気的横方向の伝導を無効にするか、大幅に減少させることができ、したがって、両方のタイプの接点間の短絡が防がれる。ｎ型のドープ・アモルファス層の一般的な導電率は、０．００１Ｓ／ｃｍから０．０１Ｓ／ｃｍの範囲である。ｎ型のドープ・ナノ結晶層の一般的な導電率は、１Ｓ／ｃｍから１００Ｓ／ｃｍの範囲である。
特許文献３に記載されているこのような構造の欠点は、横方向のシャントを防ぐために部分的にアモルファスのままである必要があるため、正孔接触抵抗が非常に低い値に達することに限界があることである。特にｐ層と正孔接触用の接触パッドとの界面で低い接触抵抗に到達するには、シリコン（ｐ）層のアモルファス相を低減又は完全に回避するために、より積極的なプラズマ条件を使用する必要がある。この層のより高いナノ結晶化度は、接触パッドへの有利な低い接触抵抗を与えると同時に、より高い横方向の導電率を示す。横方向の導電率が高いと、一方のタイプの接点で収集されるはずの電荷がもう一方のタイプの接点領域に移動し、反対のタイプの電荷と再結合して失われる可能性が高くなる。したがって、太陽電池デバイスは、有利な低い接触抵抗があっても、より低いシャント抵抗及びセル効率を示すであろう。
したがって、両方のタイプの接点についての低い接触抵抗の可能性を最大限に活用しながら、両方の接点間の低いシャント抵抗を防ぐための解決策を見つける必要がある。
トンネル接合は、薄い絶縁層や２つの導電性材料間の電位などの障壁である。電子又は正孔は、障壁を通過する確率を提供する量子トンネリングのプロセスによって障壁を通過する。通常、ＰＶセルのトンネル接合は、電子と正孔のキャリアの直接再結合を促進するために、縮退した高濃度にドープされた半導体を使用する。空乏領域は非常に薄く（ナノメートル範囲）、接合部の一方の側からもう一方の側への輸送が可能である。その結果、特許文献３によって提案されたトンネル接合に基づいてＩＢＣを作成すると、トンネル接合が、実質的に真っ直ぐな側縁を含めて第１のタイプのドープ構造（図１のＮ）の周囲全体に形成され、このことは、前述したように、高度のナノ結晶層の使用を妨げる。
Efficient interdigitated back-contacted silicon heterojunction solar cells, N.Mingirulli et al, Phys.status solidi-Rapid Res.Lett., vol.5, nr.4, pp.159-161, Apr. 2011
The role of back contact patterning on stability and performance of Si IBC heterojunction solar cells, U.K.DAS et al., Proceedings of the 40the IEEE Photovoltaic Specialist Conference, 2014, vol.1
本発明は、従来技術の不利な点を軽減することを可能にする光起電力デバイスに関する。特に、本発明は、従来技術のデバイスとは反対に、構造化電子又は正孔電荷コレクタなどの構造化された第１のタイプのドープされた電荷コレクタ上に堆積された高度にナノ結晶性の層を使用することを可能にする。
したがって、本発明は、交互嵌合型バック・コンタクト（ＩＢＣ）光起電力デバイスである光起電力デバイス光起電力デバイスであって、
－ ｐ型又はｎ型のドーピングであり、Ｘ－Ｙ平面を規定する第１の面を有するシリコン・ベースの基板と、
－ 上記第１の面に位置する真性のアモルファス・シリコン層ａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）と、
－ 上記真性層上に位置する第１のパターン化されたシリコン層であって、上記第１のシリコン層はｐ型又はｎ型のドーピングであり、
－ 上記第１のパターン化されたシリコン層は、上記シリコン・ベースの基板から離れた側に少なくとも部分的にナノ結晶シリコン層の各第２の部分を含む電荷収集部分の間の隙間を含む、第１のパターン化されたシリコン層と、
－ 上記電荷収集部分及び上記隙間に位置し、上記パターン化されたシリコン層のドーピング・タイプとは別のタイプのドーピングを有する第２のナノ結晶シリコン層と、
を備えた、光起電力デバイスに関する。
－ ｐ型又はｎ型のドーピングであり、Ｘ－Ｙ平面を規定する第１の面を有するシリコン・ベースの基板と、
－ 上記第１の面に位置する真性のアモルファス・シリコン層ａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）と、
－ 上記真性層上に位置する第１のパターン化されたシリコン層であって、上記第１のシリコン層はｐ型又はｎ型のドーピングであり、
－ 上記第１のパターン化されたシリコン層は、上記シリコン・ベースの基板から離れた側に少なくとも部分的にナノ結晶シリコン層の各第２の部分を含む電荷収集部分の間の隙間を含む、第１のパターン化されたシリコン層と、
－ 上記電荷収集部分及び上記隙間に位置し、上記パターン化されたシリコン層のドーピング・タイプとは別のタイプのドーピングを有する第２のナノ結晶シリコン層と、
を備えた、光起電力デバイスに関する。
電荷収集部分は、上記真性層と上記第２の部分との間に位置する各アモルファス層部分を含み、上記アモルファス層部分は、上記Ｘ－Ｙ平面に平行であるその断面の少なくとも１つにおいて、及び任意の半径方向において、上記第２の部分の任意の幅よりも大きい最大幅を有し、上記アモルファス層部分及び上記第２の部分（２ｂ）は、基本的に互いに中心に置かれている。
一実施例では、アモルファス層部分の最大幅は、上記第２の部分の上記任意の幅よりも少なくとも１０％大きい。
一実施例では、上記アモルファス層は、１ｎｍから２５ｎｍの間の高さを有し、上記第１の電荷収集部分の高さは、２５ｎｍから１００ｎｍの間である。
一実施例では、上記第１のパターン化されたシリコン層及び／又は上記第２のナノ結晶シリコン層は、酸素及び／又は炭素を含む。
一実施例では、上記アモルファス層及び／又は上記第２の部分は、酸素（Ｏ）及び／又は炭素（Ｃ）を含む。
一実施例では、上記第２のナノ結晶シリコン層は、５０％を超える結晶相を有する。
本発明はまた、記載されたような光起電力デバイスの製造方法によって達成され、以下のステップ（ａ～ｄ）、即ち、
ａ．ｎ型又はｐ型のドーピングを有し、上記第１の面上に位置する真性のアモルファスａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層を含むシリコン・ベースの基板を提供するステップと、
ｂ．上記真性層の所定の領域上に、ｎ型又はｐ型のアモルファス・シリコン層の第１の堆積を実現して、複数の別個の分離されたアモルファス層アイランドを含むパターン化されたアモルファス層を作成するステップと、
ｃ．上記アモルファス層アイランドのそれぞれにおいて、上記アモルファス層と同じドーピング・タイプを有する第２のナノ結晶層の第２の堆積を実現するステップであって、上記第２の堆積は、上記アモルファス層アイランドのそれぞれの上に作成するために、上記第１の堆積とは異なり、上記第２のナノ結晶層部分は、上記アモルファス層アイランドと共に複数の電荷収集部分を形成し、上記アモルファス層部分は、上記Ｘ－Ｙ平面に平行なその断面のいずれかについて、上記第２のナノ結晶層の上記Ｘ－Ｙ平面上の第２の投影面積よりも大きい上記Ｘ－Ｙ平面上の第１の投影面積を有する、ステップと、
ｄ．上記電荷収集部分上及び上記電荷収集部分間の隙間上に単一のナノ結晶シリコン層を実現するステップであって、上記単一のナノ結晶シリコン層は、上記電荷収集部分のドーピング・タイプとは異なるドーピング・タイプを有する、ステップと、
を含む。
ａ．ｎ型又はｐ型のドーピングを有し、上記第１の面上に位置する真性のアモルファスａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層を含むシリコン・ベースの基板を提供するステップと、
ｂ．上記真性層の所定の領域上に、ｎ型又はｐ型のアモルファス・シリコン層の第１の堆積を実現して、複数の別個の分離されたアモルファス層アイランドを含むパターン化されたアモルファス層を作成するステップと、
ｃ．上記アモルファス層アイランドのそれぞれにおいて、上記アモルファス層と同じドーピング・タイプを有する第２のナノ結晶層の第２の堆積を実現するステップであって、上記第２の堆積は、上記アモルファス層アイランドのそれぞれの上に作成するために、上記第１の堆積とは異なり、上記第２のナノ結晶層部分は、上記アモルファス層アイランドと共に複数の電荷収集部分を形成し、上記アモルファス層部分は、上記Ｘ－Ｙ平面に平行なその断面のいずれかについて、上記第２のナノ結晶層の上記Ｘ－Ｙ平面上の第２の投影面積よりも大きい上記Ｘ－Ｙ平面上の第１の投影面積を有する、ステップと、
ｄ．上記電荷収集部分上及び上記電荷収集部分間の隙間上に単一のナノ結晶シリコン層を実現するステップであって、上記単一のナノ結晶シリコン層は、上記電荷収集部分のドーピング・タイプとは異なるドーピング・タイプを有する、ステップと、
を含む。
一実施例では、上記アモルファス・シリコン層及び上記第２のナノ結晶層は両方とも、同じマスクを使用することによって堆積される。
一実施例では、アモルファス・シリコン層及び上記第２のナノ結晶層の堆積は、２つの異なるマスクを使用することによって行われ、上記第１の堆積は、上記第２の堆積に使用される第２のマスクよりも大きな開口を有する第１のマスクを使用することによって行われる。
一実施例では、上記第１及び第２の堆積ステップは、同じマスクを使用することによって行われ、上記第１の堆積の間、マスクは上記基板と接触しておらず、上記第２の堆積ステップの間、マスクは上記基板と接触しており、上記第２のナノ結晶層部分よりも広いアモルファス層部分を含む第１の電荷収集部分を提供する。
一実施例では、上記アモルファス・シリコン層及び／又は上記第２のナノ結晶層を堆積させるための少なくとも１つのマスクは、ＩＮＶＡＲ又はステンレス鋼で作られた機械的マスクである。
一実施例では、上記第１及び第２の堆積ステップは、実質的に円錐形の開口部を有する単一のマスクを使用して行われ、気相密度、温度、ガス混合物、反応性前駆体の生成、又はそれらの組み合わせなどの様々なタイプの堆積パラメータを使用する場合に、上記アモルファス・シリコン層及び／又は上記第２のナノ結晶層の異なるサイズのパターンを提供する。
次に、本発明は、以下の同封の図面を参照して説明される。
本発明は、特定の実施例に関して、及び特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれに限定されない。記載されている図面は概略的なものであり、限定的なものではない。図面では、いくつかの要素のサイズは、説明の目的で誇張されており、縮尺どおりに描かれていない場合がある。寸法及び相対寸法は、本発明の実施に対する実際の縮小に対応していない。
説明及び特許請求の範囲における「含む」という用語は、その後に記載された手段に限定されると解釈されるべきではなく、即ち、他の要素を除外しないことに留意されたい。
本明細書全体での「実施例」への言及は、実施例に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。したがって、説明全体の様々な場所での「実施例における」又は「変形例における」という文言の出現は、必ずしも全てが同じ実施例を指すわけではなく、いくつかを指す。さらに、特定の特徴、構造又は特徴は、１つ又は複数の実施例において、本開示から当業者に明らかであるように、任意の適切な方法で組み合わせることができる。同様に、本発明の様々な特徴は、本開示を読み易くし、様々な発明の態様のうちの１つ又は複数の理解を向上させる目的で、単一の実施例、図又は説明にまとめられることがある。さらに、以下に説明するいくつかの実施例は、他の実施例に含まれる他の特徴ではなくいくつかの特徴を含むが、異なる実施例の特徴の組み合わせは、本発明の範囲内にあり、異なる実施例を形成することを意味する。例えば、特許請求される実施例のいずれも、任意の組み合わせで使用することができる。本発明は、記載された多数の特定の詳細のいくつかなしで実施され得ることも理解される。他の例では、説明及び／又は図の理解を曖昧にしないために、全ての構造が詳細に示されているわけではない。
文書内の断面という文言は、水平断面として規定されており、基板の平面に平行なＸ－Ｙ平面の断面を意味する。垂直という文言は、ここでは基板に垂直であることを意味する。垂直断面は、基板に直交する垂直軸Ｚを含む平面内の断面である。Ｘ－Ｚ及びＹ－Ｚ平面は、基板に直交する垂直面を規定する。水平面は、基板に平行なＸ－Ｙ平面である。半径方向とは、水平断面で規定された方向を意味し、水平面でもそのように規定される。横方向は、水平面のＸ及び／又はＹ方向に規定される。幅は、構造物の幅として規定され、水平断面の仮想線と交差し、この幅は、直径としても規定される。
本明細書では、厚さは、垂直方向、即ちＺ軸方向の厚さとして規定される。
本明細書では、第１の電荷収集構造２’は、デバイスが動作しているときに正又は負の電荷を収集するように構成される構造として規定される。そのような電荷は電子又は正孔であり得る。反対の符号の電荷は、動作中、その間、即ち、上記第１の電荷収集構造２’の隙間２”を介して収集される。
従来技術の部分で説明したような問題を解決するために、他のタイプの接点の電荷収集構造２の形状を変更するとき、第２の層４は依然として高度にナノ結晶性の層として堆積できることが見出された。例えば、ｐ型の高度にナノ結晶性の層４は、ｎ型の電荷収集構造２’の上及び間に堆積され得、又は、ｎ型の完全に高度にナノ結晶性の層４を、ｐ型の電荷収集構造２’の上及び間に堆積させることができる。上記高度にナノ結晶性の層４は、連続層、即ち、開口を有さない層である。電荷収集構造２’の新しい設計は、アモルファス・タイプの組成を有する、アモルファス層部分２ａとしても規定される第１の構造部分２ａを堆積させることによって実現される。その上、これらの第１の構造部分２ａの場合、より小さな第２の構造部分２ｂが堆積され、ナノ結晶タイプの組成を有し、第２のナノ結晶層部分２ｂとしても規定される。したがって、上記第１の構造部分２ａは、上記第２の構造部分２ｂよりも大きい。これらの第２の構造部分２ｂは、好ましくは、上記第１の構造部分２ａの中心に置かれる。
構造２の新しい設計は、接触ゾーン１０及び３０を横方向に分離するのに役立つ新しいいわゆる分離ゾーン２０を与える。これらの分離ゾーン２０は、高度にナノ結晶性の層４を使用する場合でさえ、異なるタイプの接点１０、３０間の高いシャント抵抗を保証する。
次に、異なる実施例について説明する。
本発明の光起電力デバイス１は、交互嵌合型バック・コンタクト（ＩＢＣ）光起電力デバイスであって、
－ ｐ型又はｎ型のドーピングを有し、Ｘ－Ｙ平面及び上記Ｘ－Ｙ平面に直交する垂直Ｚ方向を規定する第１の面３ａを有するシリコン・ベースの基板３と、
－ 図２に示すように、所定の領域５ａを規定する、上記第１の面３ａに位置する真性のアモルファスａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層５と、
－ 上記真性層５上に位置する第１のパターン化されたシリコン層２、真性であって、上記第１のパターン化されたシリコン層２は、上記第１の電荷収集部分２’の間の隙間２’’を含み、上記第１の電荷収集部分２’は、第１の部分層２ａ及び第２の部分層２ｂを含む、第１のパターン化されたシリコン層２と、
－ 上記第１の電荷収集部分２’及び上記隙間２”上に位置する第２のナノ結晶シリコン層４であって、上記第２のシリコン層４は、上記第１のパターン化されたシリコン層２とは別のタイプのドーピングを有する、第２のナノ結晶シリコン層４と、
－ 図には示されていない、上記第２のナノ結晶シリコン層４上に配置された導電性パッドと、
を含む。
－ ｐ型又はｎ型のドーピングを有し、Ｘ－Ｙ平面及び上記Ｘ－Ｙ平面に直交する垂直Ｚ方向を規定する第１の面３ａを有するシリコン・ベースの基板３と、
－ 図２に示すように、所定の領域５ａを規定する、上記第１の面３ａに位置する真性のアモルファスａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層５と、
－ 上記真性層５上に位置する第１のパターン化されたシリコン層２、真性であって、上記第１のパターン化されたシリコン層２は、上記第１の電荷収集部分２’の間の隙間２’’を含み、上記第１の電荷収集部分２’は、第１の部分層２ａ及び第２の部分層２ｂを含む、第１のパターン化されたシリコン層２と、
－ 上記第１の電荷収集部分２’及び上記隙間２”上に位置する第２のナノ結晶シリコン層４であって、上記第２のシリコン層４は、上記第１のパターン化されたシリコン層２とは別のタイプのドーピングを有する、第２のナノ結晶シリコン層４と、
－ 図には示されていない、上記第２のナノ結晶シリコン層４上に配置された導電性パッドと、
を含む。
例えば図２で明らかなように、上記隙間２”は、さらに説明されるように、堆積プロセスによって実現される、第１のパターン化されたシリコン層２の開口である。第１の部分層２ａは、真性層５の上に直接堆積されたアモルファス構造を有し、第２の部分２ｂは、第１の部分層２ａの上に堆積され、ナノ結晶構造を有する。
本発明の本質的な態様は、上記アモルファス層部分２ａが、上記Ｘ－Ｙ平面に平行なその断面の少なくとも１つにおいて、及びその断面における任意の半径方向において、上記ナノ結晶層部分２ｂの寸法Ｌ２ｂよりも大きい寸法Ｌ２ａを有することである。ナノ結晶層部分２ｂは、基本的にアモルファス部分２ａに中心があり、それによって、層２ａの一部は、アモルファス層２ａとナノ結晶層４との間のアモルファス／ナノ結晶界面を規定し、いわゆる分離ゾーン２０につながる第１の電荷収集部分２’の境界に沿って突き出ている。この分離ゾーン２０は、あるタイプの接触ゾーン１０を別のタイプの接触ゾーン３０から分離する。次の組み合わせが可能である。
－ 好ましい実施例である、ｎ型の基板３及びｎ型の第１のパターン化されたシリコン層２及びｐ型の第２のナノ結晶シリコン層４。
－ ｎ型の基板３及びｐ型の第１のパターン化されたシリコン層２及びｎ型の第２のナノ結晶シリコン層４。
－ ｐ型の基板３及びｎ型の第１のパターン化されたシリコン層２及びｐ型の第２のナノ結晶シリコン層４。
－ ｐ型の基板３及びｐ型の第１のパターン化されたシリコン層２及びｎ型の第２のナノ結晶シリコン層４。
－ 好ましい実施例である、ｎ型の基板３及びｎ型の第１のパターン化されたシリコン層２及びｐ型の第２のナノ結晶シリコン層４。
－ ｎ型の基板３及びｐ型の第１のパターン化されたシリコン層２及びｎ型の第２のナノ結晶シリコン層４。
－ ｐ型の基板３及びｎ型の第１のパターン化されたシリコン層２及びｐ型の第２のナノ結晶シリコン層４。
－ ｐ型の基板３及びｐ型の第１のパターン化されたシリコン層２及びｎ型の第２のナノ結晶シリコン層４。
本発明の特定の形状の第１のパターン化されたシリコン層２は、特許文献３に記載されているようなデバイスに関連する問題を解決するための本質である驚くべき効果を提供する。
アモルファス・シリコン層とナノ結晶シリコン層の上記で使用された説明を区別するために、これらの用語がここで規定される。
アモルファス・シリコン層は、隣接するシリコン原子に結合されていない結合が通常水素原子によって飽和されている、不規則でランダムに連結されたシリコン構造として理解されるべきである。アモルファス層という文言は、いくつかの原子の範囲にある近距離の規則正しい構造を持つアモルファス・シリコン・ネットワークも含む必要がある。
ナノ結晶シリコン層は、水素化アモルファス・シリコン・ベースのマトリックスに埋め込まれた、ナノメートル・サイズのシリコン結晶を含む層と見なされる。ナノメートル・サイズの結晶のサイズは、数ｎｍ（＞３ｎｍ）から数１００ｎｍ（＜５００ｎｍ）までである。気相からナノ結晶層を堆積させるとき、それは、より高密度のナノ結晶及び／又はより大きなサイズのナノ結晶のいずれかによって、層の厚さが増すにつれてより結晶性を獲得し始めるアモルファス核形成層を示すことができる。
通常、図２～図８のような実施例である殆どの実際的なケースでは、上記Ｘ－Ｙ平面に平行なその全ての断面において、及びその断面における任意の半径方向において、上記アモルファス層部分２ａは、上記ナノ結晶層部分２ｂの幅よりも大きい幅を有する。殆どの実際的なケースでは、アモルファス層部分２ａの最大幅は、バッファ層５との界面での幅となる。
変形例では、上記第１の電荷収集部分２’は、図３に示されるように、垂直断面を有し得る。そのような場合は、一般に次のように説明することができる。つまり、アモルファス層部分２ａは、上記部分的にナノ結晶層２ｂの最大幅Ｌ２ｂよりも大きい最大幅Ｌ２ａを有する。第１の電荷収集部分２’は、上記Ｘ－Ｙ平面に平行な任意の平面で規定された任意の形状を有し得る。第１の電荷収集部分２’の水平断面は、線形形状又は円形形状を有し得る。
本発明において、電荷収集構造２の特定の構造は、アモルファス部分２ａ及びナノ結晶部分２ｂを含み、より正確には、第１のタイプの接点３０と第２のタイプの接点１０との間に分離ゾーン２０を作成し、高度のナノ結晶第２層４を使用するときに横方向のシャントを防ぐことを可能にする。好ましい実施例では、第１のパターン化されたシリコン層２はｎ型であり、第２のナノ結晶シリコン層４はｐ型である。
拡大図を図１３に示し、接触ゾーン３０と分離ゾーン２０のエネルギー・レベルをそれぞれ図１１と図１２に示す。より幅の狭いｎドープ・ナノ結晶層２ｂを堆積する前に、例えば、ｎドープ・アモルファス・シリコンでできたより幅の広いバッファ層２ａを提供する場合、接触構造２’の周りの分離ゾーン２０には、図１２に示すように、ａ－Ｓｉ：Ｈ（ｎ）層とｎｃ－Ｓｉ：Ｈ（ｐ）層でできた標準のＰ－Ｎ（非トンネル）ダイオードが含まれる。このダイオードは、空乏領域に電界が組み込まれた一般的なＰ－Ｎダイオードのように動作する。この電界効果は、図２に示すように、電子と正孔の電荷が、上記分離ゾーン２０の垂直断面の長さとして規定される所定の長さにわたって指の端で再結合するのを防ぐ。これらの分離ゾーン２０は、高度にナノ結晶性の層４を使用する場合でさえ、異なるタイプの接点１０、３０間の高いシャント抵抗を保証する。方法の部分でさらに説明される本発明のプロセスにより、トンネル・ダイオードを含む接触構造２の接触ゾーン３０は、接触構造２の中心領域に位置するだけである一方で、接触構造２のエッジに沿った電子正孔再結合を防止する分離ゾーン２０が実現され、ナノ結晶層２ｂとナノ結晶層４との間の直接接触もまた、エネルギー準位が概略的に示されている図１１に示されている。
本発明の驚くべき利点を実証するために、本発明の広いａ－Ｓｉ（ｎ）バッファ層２ａがある場合とない場合で測定された少数キャリア寿命は、以下のように要約される。
－ ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファ２ａの有無にかかわらず、ａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層を使用した両面パッシベーション後の少数キャリアの寿命は８０００μｓである。
－ ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファ２ａなしでマスクを通して堆積されたナノ結晶（ｎ）層２ｂ後の少数キャリア寿命は６６５０μｓであり、ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファありで８２００μｓである。
－ ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファ２ａなしのナノ結晶（ｐ）層４ａの堆積後の少数キャリア寿命は４００μｓであり、ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファありの場合は７４６０μｓである。
－ ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファ２ａの有無にかかわらず、ａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層を使用した両面パッシベーション後の少数キャリアの寿命は８０００μｓである。
－ ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファ２ａなしでマスクを通して堆積されたナノ結晶（ｎ）層２ｂ後の少数キャリア寿命は６６５０μｓであり、ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファありで８２００μｓである。
－ ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファ２ａなしのナノ結晶（ｐ）層４ａの堆積後の少数キャリア寿命は４００μｓであり、ａ－Ｓｉ（ｎ）バッファありの場合は７４６０μｓである。
太陽電池前駆体は、両面ａ－ｓｉ：Ｈ（ｉ）層を堆積した後、さらにパターン化されたより広いアモルファス層構造２ａがある場合とない場合のナノ結晶パターン化層２ｂを堆積した後に測定され、個々のより小さな構造２ｂの下に配置された個々のより広いアモルファス構造２ａは、互いに中心に置かれている。少数キャリア寿命の第３の測定は、第２のナノ結晶層４の堆積後に行われる。より広い層の構造２ａを除去すると、構造２のエッジに沿ったキャリアの内部再結合により、少数キャリアの寿命（つまり、４００μｓ）が大幅に低下し、ＩＢＣ ＨＪＴデバイスが高効率に達することができなくなる一方、より広いアモルファス層構造２ａを挿入すると、不働態化が優れたレベル（つまり、７４６０μｓ）に維持される。
したがって、本発明は、驚くべき効果、つまり、接触構造２の縁に沿って横方向分離ゾーン２０が（横方向に）電気的障壁を示し、電子正孔キャリアの再結合を防ぐ分離ゾーンのように機能する間、接触構造２の中央部分にのみ接触接合を提供する電子フィンガの特定の形態を提示する。分離ゾーンの長さ（通常５～１００μｍ）は、以下に説明する様々な方法で変更され得る。
特許文献３に記載されている従来技術の構造と本発明の電荷収集フィンガとの違いは、図１５（特許文献３の構造）及び図１６（本発明の構造）に示されている。
図１５において、電子接触構造は、「ｎ型のアモルファス・シリコン若しくは原結晶シリコン若しくはナノ結晶シリコン若しくは微結晶シリコン、又はこれらの層の任意の組み合わせ又はスタック、又はこれらの層で作られた任意の合金（酸素又は炭素合金など）」で作られた層材料で、その厚さに沿って同じ幅を有する。図１５の従来技術のデバイスと比較した場合、本発明（図１６）は、上に配置されたナノ結晶ｎドープ層よりも大きい専用のｎドープ・アモルファス層を挿入することによって異なる。層２ｂから突き出ている層２ａの部分は、従来技術には存在しない接触構造２の縁に沿って電気的に絶縁ゾーンとして機能する分離ゾーン２０を作成する。この分離ゾーンは、前に示したように、接触構造２のエッジでの電子キャリアと正孔キャリアの再結合を防ぐ（表１）。
一実施例では、上記アモルファス層２ａは、上記真性のアモルファスａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層５と直接接触している。変形例では、図示されていないさらなる層が、層５とアモルファス層２ａとの間に堆積され得る。
図３に示される一実施例では、上記アモルファス層部分２ａの上記幅Ｌ２ａは、上記ナノ結晶層２ｂの上記幅Ｌ２ｂよりも、好ましくは１０％大きく、さらにより好ましくは、２０％大きい。変形例では、上記アモルファス層部分２ａのＸ－Ｙ平面における仮想投影面積は、上記少なくとも部分的なナノ結晶層２ｂのＸ－Ｙ平面における仮想投影面積よりも５％大きく、好ましくは１０％大きく、さらにより好ましくは２０％大きくてもよい。
一実施例では、上記アモルファス層２ａは、１ｎｍから４５ｎｍの間、好ましくは３ｎｍから２５ｎｍの間の高さＨａを有する。上記第１の電荷収集部分２’の高さＨは、通常、２５ｎｍから１００ｎｍの間である。
変形例では、アモルファス層２ａは、好ましくは、８０％を超えるアモルファスであり、ナノ結晶を含み得る。
本発明のさらなる変形例では、第１のタイプのパターン化された層２ａは、酸素、窒素、又は炭素を含み得る。
さらなる変形例では、第２のタイプのパターン化された層２ｂは、酸素、窒素、又は炭素を含み得る。
実行の変形例では、アモルファス層２ａ及び／又は上記第２の部分２ｂは、酸素（Ｏ）及び／又は炭素（Ｃ）を含み得る。
さらなる変形例では、酸素又は炭素の密度は、層２ａの外面で増強され得る。
本発明はまた、記載されたような光起電力デバイス１の製造方法によって達成され、以下のステップ（ａ～ｄ）、即ち、
ａ．ｎ型のドーピングを有し、上記少なくとも第１の面３ａ上に位置する真性のアモルファスａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層５を含むシリコン・ベースの基板３を提供するステップと、
ｂ．所定の領域５ａ上で、ｎ型のドープされたアモルファス・シリコン層２ａの第１の堆積を実現するステップと、
ｃ．上記アモルファス層アイランド２ａのそれぞれにおいて、上記アモルファス層２ａと同じドーピング・タイプを有する第２のナノ結晶層２ｂの第２の堆積を実現するステップであって、上記第２の堆積は、上記アモルファス層アイランド２ａのそれぞれの上に作成するために、上記第１の堆積とは異なり、上記第２のナノ結晶層部分２ｂは、上記アモルファス層アイランド２ａと共に複数の電荷収集部分２’を形成し、上記アモルファス層部分２ａは、上記Ｘ－Ｙ平面に平行なその断面のいずれかについて、上記第２のナノ結晶層２ｂの上記Ｘ－Ｙ平面上の第２の投影面積よりも大きい上記Ｘ－Ｙ平面上の第１の投影面積を有する、ステップと、
ｄ．上記電荷収集部分２’上及び上記電荷収集部分２’の間の隙間２”上に単一のナノ結晶シリコン層４を実現するステップであって、上記単一のナノ結晶シリコン層４は、上記電荷収集部分２’のドーピング・タイプとは異なるドーピング・タイプを有する、ステップと、
を含む。
ａ．ｎ型のドーピングを有し、上記少なくとも第１の面３ａ上に位置する真性のアモルファスａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層５を含むシリコン・ベースの基板３を提供するステップと、
ｂ．所定の領域５ａ上で、ｎ型のドープされたアモルファス・シリコン層２ａの第１の堆積を実現するステップと、
ｃ．上記アモルファス層アイランド２ａのそれぞれにおいて、上記アモルファス層２ａと同じドーピング・タイプを有する第２のナノ結晶層２ｂの第２の堆積を実現するステップであって、上記第２の堆積は、上記アモルファス層アイランド２ａのそれぞれの上に作成するために、上記第１の堆積とは異なり、上記第２のナノ結晶層部分２ｂは、上記アモルファス層アイランド２ａと共に複数の電荷収集部分２’を形成し、上記アモルファス層部分２ａは、上記Ｘ－Ｙ平面に平行なその断面のいずれかについて、上記第２のナノ結晶層２ｂの上記Ｘ－Ｙ平面上の第２の投影面積よりも大きい上記Ｘ－Ｙ平面上の第１の投影面積を有する、ステップと、
ｄ．上記電荷収集部分２’上及び上記電荷収集部分２’の間の隙間２”上に単一のナノ結晶シリコン層４を実現するステップであって、上記単一のナノ結晶シリコン層４は、上記電荷収集部分２’のドーピング・タイプとは異なるドーピング・タイプを有する、ステップと、
を含む。
「より広い」という用語は、上記のように定義され、即ち、アモルファス層部分２ａの少なくとも１つの幅は、ナノ結晶層部分２ｂの最大幅よりも広い。実際の状況では、図２から図９に示されるように、アモルファス層部分２ａの最大幅は、緩衝層５との接触における幅である。
一実施例では、上記アモルファス・シリコン層２ａ及び上記ｎ型のナノ結晶層２ｂは、同じマスクを使用することによって堆積される。
一実施例では、上記アモルファス・シリコン層２ａ及び上記ｎ型のナノ結晶層２ｂは、機械的マスクを使用することによって堆積される。
一実施例では、上記アモルファス・シリコン層２ａ及び上記ｎ型又はｐ型のナノ結晶層２ｂは、ＩＮＶＡＲ又はステンレス鋼で作られた機械的マスクを使用することによって堆積される。
一実施例では、アモルファス・シリコン層２ａ及び上記ナノ結晶層２ｂの堆積は、２つの異なるマスクを使用することによって行われ、上記第１の堆積は、上記第２の堆積に使用される第２のマスクよりも大きな開口を有する第１のマスクを使用することによって行われる。
一実施例では、上記第１及び第２の堆積ステップは、同じマスクを使用することによって行われ、上記第１の堆積の間、マスクは基板３と接触しておらず、上記第２の堆積ステップの間、マスクは上記基板と接触し、上記アモルファス層部分２ａの上部にあるナノ結晶層部分２ｂよりも広いアモルファス層部分２ａを含む第１の電荷収集部分２’につながる。
一実施例では、上記第１及び第２の堆積ステップは、異なるタイプの堆積パラメータを使用するときに異なるサイズのパターンを与える設計を有する開口部を有する単一のマスクを使用して行われる。ウェーハ接触面の開口部が広く、堆積ゾーンに面する表面の開口部が狭いマスク設計は、堆積プロセスで選択されたプラズマ・パラメータに強く依存するパターン・サイズにつながり得る。堆積パラメータは、例えば、気相密度、温度、ガス混合物、多かれ少なかれ方向付けられた前駆体生成、又はそれらの組み合わせにおいて変化し得る。
Claims (12)
- 交互嵌合型バック・コンタクト（ＩＢＣ）光起電力デバイスである光起電力デバイス（１）であって、
－ ｐ型又はｎ型のドーピングであり、Ｘ－Ｙ平面を規定する第１の面（３ａ）を有するシリコン・ベースの基板（３）と、
－ 前記第１の面（３ａ）上に位置する真性のアモルファス・シリコン層ａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）（５）と、
－ 前記真性層（５）上に位置する第１のパターン化されたシリコン層（２）であって、前記第１のパターン化されたシリコン層（２）は、ｐ型又はｎ型のドーピングであり、
前記第１のパターン化されたシリコン層（２）は、電荷収集部分（２’）間の隙間（２’’）を含み、前記電荷収集部分（２’）は、前記シリコン・ベースの基板（３）から離れた側に、少なくとも部分的にナノ結晶シリコン層の第２の部分（２ｂ）を含む、第１のパターン化されたシリコン層（２）と、
－ 前記電荷収集部分（２’）及び前記隙間（２”）上に位置し、前記第１のパターン化されたシリコン層（２）のドーピング・タイプとは別のタイプのドーピングを有する第２のナノ結晶シリコン層（４）と
を備え、
－ 前記電荷収集部分（２’）は、それぞれ、前記真性層（５）と前記第２の部分（２ｂ）との間に位置するアモルファス層部分（２ａ）を含み、前記アモルファス層部分（２ａ）は、前記Ｘ－Ｙ平面に平行であるその断面のいずれかについて、前記第２の部分（２ｂ）の前記Ｘ－Ｙ平面上の第２の投影面積よりも大きい前記Ｘ－Ｙ平面上の第１の投影面積を有する、光起電力デバイス（１）。 - 前記アモルファス層部分（２ａ）の前記第１の投影面積の最大幅（Ｌ２ａ）が、前記第２の部分（２ｂ）の前記第２の投影面積の任意の幅（Ｌ２ｂ）よりも少なくとも１０％大きい、請求項１に記載の光起電力デバイス（１）。
- 前記アモルファス層部分（２ａ）が１ｎｍから２５ｎｍの間の高さ（Ｈａ）を有し、前記電荷収集部分（２’）の高さ（Ｈ）が２５ｎｍから１００ｎｍの間である、請求項１又は２に記載の光起電力デバイス（１）。
- 前記第１のパターン化されたシリコン層（２）及び／又は前記第２のナノ結晶シリコン層（４）が酸素及び／又は炭素を含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の光起電力デバイス（１）。
- 前記アモルファス層部分（２ａ）及び／又は前記第２の部分（２ｂ）が、酸素（Ｏ）及び／又は炭素（Ｃ）を含む、請求項１から４までのいずれか一項に記載の光起電力デバイス（１）。
- 前記第２のナノ結晶シリコン層（４）が５０％を超える結晶相を有する、請求項１から５までのいずれか一項に記載の光起電力デバイス（１）。
- 請求項１から６までのいずれか一項に記載の光起電力デバイス（１）の製造方法であって、
ａ）ｎ型又はｐ型のドーピングを有し、前記第１の面（３ａ）上に位置する真性のアモルファスａ－Ｓｉ：Ｈ（ｉ）層（５）を含むシリコン・ベースの基板（３）を提供するステップと、
ｂ）前記真性層（５）の所定の領域上に、ｎ型又はｐ型のアモルファス・シリコン層（２ａ）の第１の堆積を実現して、複数の別個の分離されたアモルファス層アイランド（２ａ）を含むパターン化されたアモルファス層を作成するステップと、
ｃ）前記アモルファス層アイランド（２ａ）のそれぞれにおいて、前記アモルファス・シリコン層（２ａ）と同じドーピング・タイプを有する第２のナノ結晶層（２ｂ）の第２の堆積を実現するステップであって、前記第２の堆積は、前記アモルファス層アイランド（２ａ）のそれぞれの上に作成するために、前記第１の堆積とは異なり、前記第２のナノ結晶層（２ｂ）は、前記アモルファス層アイランド（２ａ）と共に複数の電荷収集部分（２’）を形成し、前記アモルファス層アイランド（２ａ）は、前記Ｘ－Ｙ平面に平行なその断面のいずれかについて、前記第２のナノ結晶層（２ｂ）の前記Ｘ－Ｙ平面上の第２の投影面積よりも大きい前記Ｘ－Ｙ平面上の第１の投影面積を有する、ステップと、
ｄ）前記電荷収集部分（２’）上及び前記電荷収集部分（２’）間の隙間（２”）上に単一のナノ結晶シリコン層（４）を実現するステップであって、前記単一のナノ結晶シリコン層（４）は、前記電荷収集部分（２’）のドーピング・タイプとは異なるドーピング・タイプを有する、ステップと
を含む、方法。 - 前記アモルファス・シリコン層（２ａ）及び前記第２のナノ結晶層（２ｂ）の両方が、同じマスクを使用して堆積される、請求項７に記載の方法。
- 前記アモルファス・シリコン層（２ａ）及び前記第２のナノ結晶層（２ｂ）の前記堆積が、２つの異なるマスクを使用することによって行われ、前記第１の堆積は、前記第２の堆積に使用される第２のマスクよりも大きな開口を有する第１のマスクを使用することによって行われる、請求項７に記載の方法。
- 前記第１及び第２の堆積を実現するステップは、同じマスクを使用することによって行われ、前記第１の堆積を実現するステップの間、前記マスクは前記基板（３）と接触しておらず、前記第２の堆積を実現するステップの間、前記マスクは前記基板（３）と接触し、前記第２のナノ結晶層（２ｂ）よりも広い前記アモルファス・シリコン層（２ａ）を含む前記電荷収集部分（２’）を提供する、請求項７又は８に記載の方法。
- 前記アモルファス・シリコン層（２ａ）及び／又は前記第２のナノ結晶層（２ｂ）を堆積させるための少なくとも１つのマスクが、ＩＮＶＡＲ又はステンレス鋼で作られた機械的マスクである、請求項７から１０までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記第１及び第２の堆積を実現するステップは、円錐形の開口部を有する単一のマスクを使用して行われ、気相密度、温度、ガス混合物、反応性前駆体の生成、又はそれらの組み合わせを含む堆積パラメータを使用する場合に、前記アモルファス・シリコン層（２ａ）及び／又は前記第２のナノ結晶層（２ｂ）の異なるサイズのパターンを提供する、請求項７に記載の方法。
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