JPH0394477A - 光起電力素子 - Google Patents

光起電力素子

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光起電力素子及びその形成方法に係り、特に
エネルギー変換効率の良好な積層（ｓｔａｃｋ）型の光
起電力素子に関する。
本発明の光起電力素子は、太陽電池や光センサーや固体
撮像素子等に好適に用いられるものである。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕各種機
器において、駆動エネルギー源として太陽電池や受光素
子として光センサー等の光起電力素子が利用されている
。
太陽電池等の光起電力素子は機能部分にｐｎ接合やｐｉ
ｎ接合を用いており、これらｐｎ接合やｐｉｎ接合を構
成する半導体としては一般にシリコンが用いられている
。光エネルギーを起電力に変換する効率の点からは、単
結晶シリコンを用いるのが好ましいが大面積化及び低コ
スト化の点からはアモルファスシリコンが有利とされて
いる。
近年においては、アモルファスシリコンなみの低コスト
と単結晶シリコンなみの高エネルギー変換効率とを得る
目的で多結晶シリコンの使用が検討されている。ところ
が、従来提案されている方法では形成容易な塊状の多結
晶をスライスして板状体としこれを用いていたために厚
さを０．　３ｍｍ以下にすることは困難であり、光起電
力を取り出す際の電気抵抗を低く抑えることには限界が
あった。
また、塊状の多結晶をスライスした板状体を光起電力素
子に用いるには板状体を精密に研磨する等の処理も必要
であるので板状体はある程度の強度を有していなければ
ならず、十分な光量吸収が可能な必要充分な最少限の厚
さまで薄くすることができず、従って材料の有効利用が
十分ではなかった。
効率のよい光起電力素子を形成するためには、光照射を
受けて光キャリアを発生する半導体層の層厚が光を吸収
するには充分厚いことが望ましいが、発生した光キャリ
アの拡散、素子全体の低抵抗化、及び材料の有効利用の
ためには必要最低限の層厚であることが望ましい。
即ち、効率を高め且つ製造コストを下げるためには十分
な薄型化が必要である． そこで、化学的気相成長法（ＣＶＤ）等の薄膜形成技術
を用いて多結晶シリコンの薄膜を形成する試みがなされ
ているが、結晶粒径がせいぜい百分の数ミクロン程度に
しかならず、塊状多結晶シリコンスライス法の場合に比
べてもエネルギー変換効率が低い。
また、上記ＣＶＤ法により形成した多結晶シリコン薄膜
にレーザ光を照射し溶融再結晶化させて結晶粒径を大き
くするという試みもなされているが、低コスト化が十分
でなく、また安定した製造も困難である。
この様な事情はシリコンのみならず化合物半導体の場合
も同様である。
そこで、薄型で結晶粒径が十分に大きく且つ良好なエネ
ルギー変換効率を有する太陽電池として、本出願人は特
開昭６３−１８２８７２号公報において、「基体表面上
に該基体表面の材料よりも核形成密度が十分に大きく且
つ単一の核だけが成長する程度に十分微細な異種材料に
基づき形成された第１の導電型の半導体の実質的単結晶
層と該単結晶層の上方の第２の導電型の半導体の実質的
単結晶層とを有することを特徴とする、太陽電池」を明
らかにした。
第５図は、前記公報に記載されている太陽電池の模式図
であり、ここで１１は基体であり、１２は異種材料であ
り、ｌ３はたとえばｐ型の単結晶層であり、１４はたと
えばｉ型の単結晶層であり、１５はたとえばｎ型の単結
晶層である。
この太陽電池は、選択的単結晶成長法を用いて製造され
る。選択的単結晶成長法は、表面エネルギー、付着係数
、脱離係数、表面拡散速度等という薄膜形成過程での核
形成を左右する因子の材料間での差を利用して、基体上
に選択的に結晶を成長させる方法である。即ち、非核形
成面（核形成密度の小さい面）に設けられた該非核形成
面よりも核形成密度が十分に大きく且つ結晶成長して単
結晶となる核が唯一形成され得る程度に微小な表面積の
核形成面に基づいて単結晶を成長させる方法で、この方
法では非核形成面からは結晶の成長はおこらず、核形成
面からのみ単結晶の戒長がおこる。
本発明は、前記従来技術を更に発展させたものであって
、特にエネルギー変換効率が良好で大面積化が可能で低
コストの光起電力素子を提供することを目的とするもの
である。
本発明の他の目的は基体上の所望の位置に選択的に積層
型のエネルギー変換効率が良好な光起電力素子及びその
形成方法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の光起電力ー素子は、絶縁性の表面に囲まれた導
電性の表面の複数を有する基体と、前記導電性の表面の
複数を覆って設けた単結晶層領域を有する第１の光起電
力要素の複数と、 前記第１の光起電力要素の複数を覆って設けた第２の光
起電力要素とを有し、 前記第１の光起電力要素が有する単結晶層領域を互いに
隔離して配したことを特徴とする。
本発明の光起電力素子の形成方法は、非核形成面と、こ
の非核形或面よりも核形成密度が高く、結晶成長して単
結晶となる核が唯一形成され得るに充分小さい核形成面
の複数とを有する基体に気相法による結晶成長処理を施
し、 第１の光起電力要素の複数における単結晶領域を互いに
隔離して形成し、 前記第１の起電力要素の複数を覆う第２の光起電力要素
を形成することを特徴とする。
以下、図面を参照しながら本発明を一実施例を基に、具
体的に説明する。
第１図は、本発明の一実施例を説明するための模式的な
概略断面図である。
第１図に示された光起電力素子は、導電性表面を有する
下地材料１上に開口部を有する絶縁層３を有する基体上
に、開口部上に設けられた第１の導電型の単結晶層４と
、該単結晶層４を覆い光照射により光キャリアを効率よ
く発生する単結晶層５と、該単結晶層５を覆う第２の導
電型の層６とを有する第１の光起電力要素、及び第１の
導電型の非晶質層７とｉ型の非晶質層８と第２の導電型
の非晶質層９とを有する第２の光起電力要素、及び透明
導電体層１０とを有している。なお、本願発明は前記構
成に何ら限定されるものではなく、例えば絶縁層の表面
（絶縁性の表面）と導電性表面とは同一平面にあっても
よい。
本発明に使用し得る導電性表面を有する下地材料として
は例えば、ステンレス等の金属材料、又は例えばアルミ
ナ、ガラス等の絶縁性の材料表面に蒸着等の手法により
導電処理を施したものが挙げられる。
本発明に使用し得る絶縁層３としては、例えば酸化ケイ
素（Ｓｉｎ．）、酸化窒化ケイ素（ＳｉＯｘＮｙ）等の
絶縁性材料が挙げられる。
前記絶縁層３が有する開口部の大きさとしては、第ｌ図
に示すように、開口により露出した下地材料１の表面を
核形成面２、絶縁層３の表面を非核形成面とする場合に
は、好ましくは最大径４μｍ以下、より好ましくは２μ
ｍ以下、最適には１μｍ以下とするのが選択性よく単結
晶を得るためには望ましい。
また、本発明の他の実施例を示す第３図に示すように、
開口により露出した下地材料１の表面上に核形成面又は
種子２ａを異種材料で設け、開口により露出した下地材
料ｌの表面と絶縁層３の表面を非核形成面とする場合に
は、開口部の大きさを、好ましくは３０ｕｍ以下、より
好ましくはｌμｍ以上２０ＩＬｍ以下、最適には２μｍ
以上１０μｍ以下とするのが選択性よく単結晶層を形成
するためには望ましい。また、核形成面（又は種子）２
ａとして設ける異種材料の大きさはその径が開口部の大
きさ未満であり、好ましくは４μｍ以下、より好ましく
は２μｍ以下、最適には１μｍ以下とするのが、選択性
よく蛍結晶を形成し、下地材料との良好な電気的接触を
得るためには望ましい。
ここで、開口及び異種材料の形状としては、例えば四角
形、六角形等の多角形状や円、楕円等が好ましい。
また、ここで選択性よく単結晶層を形成するためには、
前記核形成面２，２ａの核形成密度は非核形成面の核形
成密度の１０”倍以上であることが好ましく、１０３倍
以上であることがより好ましい。
該絶縁層３は、たとえばＣＶＤ法やスパッタ法等の堆積
膜形或法を用いて一旦下地材料１の表面に形成した後に
、レジストパターンを形成し反応性イオンエッチング（
Ｒ　Ｉ　Ｅ）等のエッチング処理により微小部分（たと
えば１μｍＸ１μｍ）を除去して適宜の間隔（たとえば
１０ＬＬｍＸ１０μｍ）をおいて下地材料１の表面を露
出させればよい。
第１の導電型を有する単結晶層４は、第１の光起電力要
素から効率よく起電力を取り出すために、ｐ型、ｐ′″
型、ｎ型又はｎ“型とすることが好ましい。また、下地
材料１との良好な電気接合（オーミック接合）を得るた
めにはへビードーブのｐ０型又はｎ３型とすることが望
ましい。
単結晶層４の大きさは、前記開口部の大きさ以上である
ことが好ましく、より好ましくは１μｍ以上５μｍ以下
、最適には１．５μｍ以上４μｍ以下とするのが、リー
ク電流の発生を抑え、且つ下地材料との良好な接触を得
るためには望ましい。
単結晶層５は、第１の光起電力要素に入射した光により
光キャリアを発生し得る単結晶層領域であって、ｐ型、
ｐ一型、ｉ型、ｎ型、ｎ一型とすることが望ましい。
単結晶層５の層厚は、好ましくは１０ｔＬｍ以上５０μ
ｍ以下、より好ましくは２０ｔＬｍ以上５０μｍ以下、
とするのが効率よく光キャリアを発生し、光起電力素子
の光電変換効率を高めるには望ましい。
第２の導電型の層６は、多結晶質、単結晶質、非晶質、
あるいは粒径３０人以上５００人以下の微小な結晶が非
晶質中に分散されたもの（微結晶質）で形成され、第ｌ
の導電型とは反対導電型であるｐ型、ｐ＋型、ｎ型、又
はｎ“型とするのが望ましい。
前記層６により前記単結晶層５が覆われており、第１の
光起電力要素においてキャリアを効率よく発生する役割
の単結晶層５は粒界を持たないためキャリアの再結合が
起こりにくく、発生した光キャリアによって効率よく光
起電力を取り出し得る。
また、層６に多結晶材料を用いる場合、層６の粒界準位
はバンドギャップの多数キャリア側（ｎ型ならフェルミ
レベルより下側、ｐ型ならフエルミレベルより上側）に
形成されるので粒界準位における再結合はほとんどおこ
らない。
加えて、層６に多結晶材料を用いる場合は、特に、第２
の光起電力要素と第１の光起電力要素の単結晶領域との
間に流れる電流の方向には粒界のない多結晶構造（例え
ば柱状構造）とするのが層６の高抵抗化を避けるために
は望ましい。
第２の導電型の層６の層厚としては、好ましくは、０．
１μｍ以上１．０μｍ以下、より好ましくは０．２μｍ
以上０．５μｍ以下とするのが効率よく光起電力を取り
出すためには望ましい。
本実施態様例においては、前記単結晶層４、単結晶層５
及び層６の３層の積層体により第１の光起電力要素が形
成されている。
前記第１の光起電力要素を覆って第２の光起電力要素が
積層される。
該第２の光起電力要素は、ｐ”型、ｐ型、ｐ型、ｎ“型
、ｎ型又はｎ一型等の第ｌの導電型を有する非晶質層７
、ｉ型の非晶質層８及びｎ′″型、ｎ型、ｎ一型、ｐ゛
型、ｐ型又はｐ一型等の前記第１の導電型とは反対の導
電型の第２の導電型を有する非晶質層９を有している。
尚、第２の光起電力要素を形成する材料は非晶質材料の
みに限定されるものではなく、粒径３０人以上５００人
以下の微細な結晶が非晶質相中に分散した微結晶質材料
を用いてもよい。また、第２の光起電力要素の第１，第
２の導電型を有する７，９には多結晶材料を用いてもよ
い。
例えば、短波長光の吸収が少ない微結晶質材料を光入射
側の第２の導電型を有する層９に用いることにより、光
キャリアを発生させるｉ型の非晶質層８中に短波長光を
より強く導入できるため、光エネルギーの利用効率を向
上させることができる。また、電気導電度の大きな微結
晶質材料を光入射側とは反対側の第１の導電型の層に用
いることにより、第２の光起電力要素の内部抵抗を下げ
ることができるため、開放電圧及び短絡電流を大きくす
ることができる。
上記非晶質層７の厚さは、例えば、好ましくは５０人以
上１００人以下、より好ましくは５０人以上７０人以下
であり、上記非晶質層８の厚さは、例えば、好まし＜３
０００人以上６０００入以下、より好ましくは４０００
人以上５０００人以下であり、上記非晶質層９の厚さは
、例えば、好ましくは１００入以上５００入以下、より
好ま？くは２００人以上３００人以下である。
こうして、基体上に第１の光起電力要素と第２の光起電
力要素を積層し、光入射側に光起電力収集用の上部電極
１０を設ける。
前記上部電極１０は，たとえばＩＴＯ，ＳｎＯ■，Ｚｎ
Ｏ等の層厚０．４〜１μｍの透明導電体層等からなる。
該層は上記層９上の光入射側に形成される。
また、前記透明導電体層上に、例えば、くし歯状、網目
状、格子状等の形状の集電電極を更に設けてもよい。本
発明により形成された光起電力素子は自形を有しファセ
ット（ｆａｃｅｔ　）に囲まれた単結晶を光起電力素子
の単結晶領域として使用し得、テクスチャー構造を利用
した照射光の有効利用ができるため変換効率を高めるこ
とができる。
また、基体と反対側の光起電力要素上に設ける上部電極
１０は広い面積で光起電力要素と接しているため上部電
極と光起電力要素との接触抵抗を低くできる。
本発明の光起電力素子の実施態様例の一例を示？と、第
１図において、下地材料１はステンレス鋼からなる導電
性の材料であり一方の電極（下方電極）の機能も兼ねて
いる、該下地材料１上にはＳｉＯ■層からなる絶縁層３
が形成されている。
第１の導電型の単結晶層４はｐ゛型単結晶Ｓｉ層であり
、単結晶層５はｐ型単結晶Ｓｔ層であり、第２の導電型
の層６はｎ゛型多結晶ＳＬ層である。これら３層の積層
体により第１の光起電力要素が構成される。
上記単結晶ＳＬ層４，５は選択的単結晶成長法により形
成される。即ち、たとえば、上記絶縁層３より露出せし
められた、結晶成長処理により単結晶となる核が唯一形
成され得るに充分小さい下地材料１の表面を核形成面と
し且つＳｉＯａ層３の表面を非核形成面とし、気相法に
よる結晶成長を施すことにより単結晶４，５を形成する
． また、非晶質層７，８．９はそれぞれｐ型非晶質Ｓｉ：
Ｈ層、ｉ型非晶質Ｓｉ：Ｈ層およびｎ型非晶質Ｓｉ：Ｈ
層であり、これらにより第２の光起電力要素が構成され
る。また、これらの非晶質層７，８．９にはハロゲン原
子を含有させてもよい。
非晶質層９上にスズを含有する酸化インジウム（ＩＴＯ
）からなる上部電極１０を設けた。
以上のように本発明の光起電力素子の一実施態様例を示
したが、本発明は前述の実施態様例のみに何等限定され
るものではない。
例えば、本発明における第１の光起電力要素は基体上に
単数設けられても複数設けられてもよい。大面積化を特
に要求される太陽電池等の電力供給手段に本発明の光起
電力素子を適用する場合には、第１の光起電力要素の複
数を設け、大面積化に対応する高効率の光起電力素子を
提供し得る。
尚、太陽電池として第１の光起電力要素の複数を有する
光起電力素子を用いる場合には、光起電力要素の複数の
各々からの電流、及び電圧のばらつきを抑えるため規則
的に第１の光起電力要素を配することが望ましい。規則
的な配置の好ましい例としては、正方格子状（４回対称
位置）や、蜂の巣格子状（６回対称位置）等の対称性の
高い位置に第１の光起電力要素を配する例が挙げられる
。
太陽電池に本発明を用いる場合には、単結晶領域の大き
さは、好ましくは５μｍ以上３００μｍ以下、より好ま
しくは１０μｍ以上１００μｍ以下、単結晶領域間の距
離は、好ましくは０．１μｍ以上１０ＩＬｍ以下、より
好ましくは０．３μｍ以上５μｍ以下、最適には０．５
μｍ以上３μｍ以下とすることが高い変換効率を得るた
めに望ましい。
また、太陽電池の受光面における第１の光起電力要素の
単結晶領域と第２の光起電力要素の光入射面一基体方向
の投影面積比（　Ｓ　．，，．ＪＳ　．．。ｒ）として
は好ましくは０．５以上１．０未満、より好ましくは０
．７以上１．０未満、最適には０．９以上１．０未満が
望ましい。
本発明の光起電力素子を長尺のラインセンサー等のセン
サーの受光部に用いる場合には、所望のセンサー画素間
隔をあけて画素のパターンに合わせて配列すればよい。
この時センサーの受光部に配列する光起電力素子は各画
素に単数の光起電力素子を設けても、複数の光起電力素
子を設けてもよい。
複数の光起電力素子を設ける場合には、単結晶領域の大
きさは、好ましく５μｍ以上１００μｍ以下、単結晶領
域間の距離は０．１μｍ以上１０μｍ以下とするのが１
画素あたりの感度を高め、各センサー画素間のばらつき
を少なくするために望ましい。
本発明の光起電力素子に第１の光起電力要素の複数を設
ける場合には、単結晶領域の配置のピッチは好ましくは
６μｍ以上３１０ＩＬｍ以下、より好ましくは１０Ｉ．
Ｌｍ以上１００μｍ以下が望ましい。
本発明はおいて、第１の光起電力要素の単結晶領域は選
択結晶成長処理により形成するものであり、前述した非
核形戊面と該非核形成面よりも核形成密度が大きく、結
晶成長処理により単結晶となる核が唯一形成され得るに
充分小さな核形成面とを有する基体に、例えば熱ＣＶＤ
法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法等の化学気相堆積（
ＣＶＤ）法や蒸着法、スバッタ法等の物理気相堆積（Ｐ
ＶＤ）法等の気相法を用いることにより結晶成長処理を
施せばよい． 結晶成長処理の例を示すと、前記気相法としては、例え
ばＳｉ（ｈ面を非核形成面としてステンレス面を核形成
面とし、例えば、ＳＬ単結晶を成長させる場合には、基
体温度を７００〜１１００℃程度とし、反応ガスとして
例えばＳｉＨｚＣｌｔ，　ｓｉｃＬ．ＳｉＨＣ１ｉ，　
ＳｉＦ４，　ＳｉＨ４等の結晶材料を含むガス状原料物
質、エッチング作用をし得るガスとしては例えばＨＣＩ
等のハロゲン原子含有のガス、及び希釈ガス例えばＨ２
等を適宜組み合わせて用い、反応圧力を例えば０．　Ｉ
Ｔｏｒｒ以上５　０　０　Ｔｏｒｒ以下、より好ましく
は１００Ｔｏｒｒ以上２　０　０　Ｔｏｒｒ以下とする
条件下での熱ＣＶＤ法等が挙げられる。
また、更にドーピングガスとして導電型を制御するため
のＰＨｓ，ＢＪｓ等のドーバントとなり得る原子を含有
するガス状物質を用いることができる。
前述の実施態様例におけるｐ′″型単結晶４、ｐ型単結
晶層５を形成する際の結晶成長処理の例としては、導入
するガスとしてＳｉＨａＣｌ＊＋　ＨＣＩ＋Ｈ！（流量
比１．２：　１．４　：　１００　）及びドーピングガ
スとしてのＢ雪Ｈ●の混合ガスを用いて、温度９００℃
、圧力１５０Ｔｏｒｒの条件下で、上記ドーピングガス
の濃度を適宜変化させて選択的単結晶成長法により連続
して層４．５を形成する。
ところで単結晶領域以外の層の形成方法としては、非晶
質層を形成する場合には、プラズマＣｖＤ法、スバッタ
法等による通常の非晶質光起電力要素の形成方法を用い
ればよい。
また、多結晶半導体層を形或するためには、前記絶縁層
上にも核が発生し、単結晶層５及び絶縁層を覆うよう前
記選択結晶成長処理の条件よりも結晶材料となる原子を
含むガス状物質の混合比を上げる、又はエッチング作用
をし得るガスの混合比を下げる、又は基体温度を下げ吸
着原子の再蒸発及び拡散を抑制するあるいはこれ等を組
み合わせて、単結晶層４，５を有する基体表面に核ので
きやすい条件で結晶成長処理すればよい。
本発明の光起電力素子の形成方法によれば、基体の所望
の位置に光起電力素子を形成し得るため太陽電池やセン
サー等の設計の自由度を拡大すると共に、第１、第２の
光起電力要素が積層され、光電変換の光エネルギーの利
用率が高く、変換効率のよい光起電力素子が提供できる
。
また、前述の実施態様例として示した第１図図示の光起
電力素子は、隣接する第１の光起電力要素の単結晶領域
どうしが接触していないので第１の光起電力要素におけ
るキャリアの発生をになう単結晶層５にはキャリアの再
結合を起こす粒界準位を形成する原因である結晶粒界が
存在せず、従って該第１の光起電力要素自体が高いエネ
ルギー変換効率を示す。また該第１の光起電力要素間の
領域には非晶質半導体層７〜９からなる第２の光起電力
要素が存在するので、この領域においても入射光を光電
変換して電気エネルギーを得ることができる。このため
、前述の実施態様例では総合的に高いエネルギー変換効
率が得られる。
また、前述の実施態様例においては、下地材料１に容易
に入手でき、かつ低コストなステンレス鋼を用いており
、第２の光起電力要素として非晶質半導体層からなるも
のを用いているので、大面積化及び低コスト化が可能で
ある。
第２図は本発明による光起電力素子の第２の実施態様例
を示す概略断面図である。本図において、上記第１図に
おけると同様の部材には同一の符号が付されている。
本実施態様例は、上記第ｌ実施例の層９と電極１０との
間に更にｐ型非晶質ＳｉｘＣ＋−ｘ　：　Ｈ層７′、ｉ
型非晶質ＳｉｘＣ＋−ｘ　：　Ｈ層８′、及びｎ型非晶
質ＳｉｘＣ＋−ｘ：Ｈ層９′が形成されている。ここで
、Ｏ＜ｘ≦１である。また、ここで非晶質層７’　，８
′，９’にハロゲン原子を含有させてもよい。
上記非晶質層７′の厚さは、好ましくは５０人以上１０
０人以下、より好ましくは５０人以上７０人以下であり
、上記非晶質層８′の厚さは例えば好ましくは２０００
人以上４０００人以下、より好ましくは２５００人以上
３５００人以下であり、上記非晶質層９′の厚さは例え
ば好ましくは１００人以上５００人以下、より好ましく
は２００人以上３００人以下が望ましい。
これらの層は、たとえばＲＦプラズマＣＶＤ法、ＤＣプ
ラズマＣＶＤ法又はスバッタ法等の気相法により形成さ
れる。その際、原料ガスとしてはＳｉＨ４，　ＳｉＪａ
等のシリコン含有ガス及びＣＨ４，ＣＪａ等の炭素原子
含有ガスの混合ガスが用いられ、ドーピングガスとして
はそれぞれ周期律表第■族の元素を含む材料としてＢｔ
Ｈｓや周期律表第Ｖ族の元素を含む材料としてＰＨｓを
添加すればよい． 上述の第２の実施態様例によれば、前記第１の実施態様
例の層構成に加えて、より広いバンドギャップを有する
非晶質半導体層７’　，８’９′からなる第３の光起電
力要素を有するため短波長光を効率よくエネルギー変換
でき、総合的エネルギー変換効率を更に向上させること
ができる。
？、この第３の光起電力要素の非晶質層７′９′は微結
晶質材料で形成してもよい。また、第２、第３の光起電
力要素の材料はＳｉ系、ＳＬ−Ｃ系に限定されるもので
はなく、Ｓｉ−Ｇｅ，　ＳＬ−Ｎ等の他の半導体材料も
使用可能である。また第１の光起電力要素の単結晶領域
を形成する材料もＳＬ系に限定されるものではなく、Ｇ
ｅ，ＩｎＰ，　ＧａＡｓ等の他の半導体結晶材料も使用
可能である。
第３図は本発明による光起電力素子の第３の実施態様例
を示す概略断面図である。本図において、上記第１図に
おけると同様の部材には同一の符号が付されている． 本実施態様例は、下地材料１の表面上にＳｉＯ■からな
る絶縁層３を形成する際の該層を形成しない部分をかな
り大きく形成した例であり、該部分の中心に微小な単結
晶ＳＬ層２ａが形成されており、単結晶ＳＬ層４が下地
材料１に対し大きな面積を介して接触している点が上記
第１実施態様例と異なる。
ここで前記単結晶層２ａを形成するには、下地？料１の
核形成密度より核形成密度の高い材料（例えばシリコン
イオン打込みにより組成変化した窒化ケイ素等）を核形
成面とし前述の結晶或長処理を施して単結晶を形成する
方法や、熱処理により単一体に凝集し得るに充分小さい
多結晶又は非晶質の半導体材料（原種子）を開口内の下
地材料上に配し、原種子の融点以下の温度で熱処理し、
前記原種子を単結晶化する方法等が用いられる。
該単結晶層４及び単結晶層５の形成の際の選択的単結晶
成長は、微小ＳＬ層２ａの露出面を核形成面とし且つ前
記微小ＳｉＯ■層よりも核形成密度の小さい下地材料１
の露出面及びＳｉＯ■層３の表面を非核形成面として行
なわれ、層４は下地材料１の露出面を覆う様に形成され
る。また、前記層４は前記下地材料１の露出面を越えて
前記ＳｉＯ■層３上にまで形成してもよい。尚、層５の
形成以後の工程は上記第１実施態様例と同様にして行な
われる。
本実施態様例は、層４が下地材料ｌと広い面積にわたっ
て接触しているので、直列抵抗及びキャ？ア再結晶が減
少し、エネルギー変換効率を増大させることができる。
（実施例ｌ） 第１図において、１はステンレス鋼からなる導電性の下
地材料であり、該下地材料上にはＳｉＯ■層３が層厚１
　５００人で形成されている。該ＳｉＯ■層は、ＣＶＤ
法を用いて一旦下地材料１の全面に形成した後に、レジ
ストパターンを形成し反応性イオンエッチング（Ｒ　Ｉ
　Ｅ）により微小部分（１μｍＸ１μｍ）を除去して間
隔（１０μｍＸｌｏμｍ）をおいて下地材料１の表面を
露出させることにより形或した． 単結晶Ｓｉ層４．５は選択的単結晶成長法により形成さ
れる。即ち、上記ＳｉＯ■Ｈ３の形成により露出せしめ
られた下地材料１の表面を核形成面とし且つＳｉＯ■層
３の露出面を前記核形成面よりも核形或密度の低い非核
形成面とし、以下の様な気相法による結晶成長処理を行
なう。ＳｉＨｉＣ１ｉ　＋　ＨＣＩ　＋Ｈ．　（流量比
１．２：　１．４　：　１００）及びドーピングガスと
してのＢａＨａの混合ガスを用いて、温度９００？、圧
力１５０Ｔｏｒｒの条件下で、上記ドーピングガスの濃
度を変化させて選択的単結晶成長法により連続して層４
，５を形成した。層５の径は８μｍであった。また、上
記多結晶ＳＬ層６は、前述した結晶成長処理からＨＣＩ
の導入をやめドーパントをＰＨ．とした以外は同じ条件
のＣＶＤ法により上記層５の露出面及び上記ＳｉＯ■層
３の表面を覆う様に形成される。
また、７，８．９はそれぞれｐ型非晶質Ｓｉ：Ｈ層、ｉ
型非晶質Ｓｉ：Ｈ層及びｎ型非晶質Ｓｉ：Ｈ層であり、
これらにより第２の光起電力要素が構成される。これら
の層は以下に述べる条件にてＲＦプラズマＣＶＤ法によ
り上記層６上に形威した。
具体的には、ＲＦプラズマＣＶＤ装置に、ＳｉＨ４（１
　０ｓｅｃｍ）　，　Ｈ２　（１　０ｓｅｃｍ）　．水
素ガスで１％に希釈したジボラン（１％ＢＪｓ／　Ｈｚ
）　　（　１　ｓｅｃｍ）を導入し、反応室内の圧力を
０．　５Ｔｏｒｒに保った。
ここで、下地材料温度を２５０℃とし、１３．　５６Ｍ
Ｈｚの高周波電力によりプラズマを生成せしめｐ型非晶
質Ｓｉ：Ｈ層７を３００人厚に形成した。その後、１％
Ｂ．Ｈ．／Ｈ．の導入のみを止め、ｉ型非晶質Ｓｉ：Ｈ
層８を４０００人厚に形成した。しかる後、今度は水素
ガスで１％に希釈したホスフィン（ｌ％ＰＨｓ／Ｈａ）
　（　１　ｓｃｃｍ）をＳｉＨ４（　１　０　ｓｅｃｍ
）、Ｈ＊　（　１　０　ｓｅｃｍ）とともに導入し、反
応室内の圧力を０．　５Ｔｏｒｒとして、ｎ型非晶質Ｓ
Ｌ：Ｈ層９を５０人厚に形成する． １０は上部電極であり、ＩＴＯの厚さ１μｍの透明導電
体層からなる。該層は上記層９上の光入射側に形成した
。
本実施例では、上記下地材料１が一方の電極として機能
している。
以上の様な本実施例に光起電力素子は、隣接する第１の
光起電力要素の単結晶層どうしが接触していないので結
晶粒界が存在せず、従って該第１の光起電力要素自体は
高いエネルギー変換効率を示し、また該第１の光起電力
要素間の領域には非晶質半導体層７〜９からなる第２の
光起電力要素が存在するので、この領域においても入射
光を光電変換して電気エネルギーを得ることができる。
このため、本実施例では総合的に高いエネルギー変換効
率が得られる。また、下地材料ｌにステンレス鋼を用い
ており、第２の光起電力要素として非晶質半導体層から
なるものを用いているので、大面積化及び低コスト化が
可能である。
（実施例２） 第２図を参照し本実施例を説明する。
本実施例は、上記第１実施例の層９と電極１０との間に
ｐ型非晶質ＳＬｘＣ＋−ｘ　：　Ｈ層７′ｉ型非晶質Ｓ
ｉｘＣ＋−ｘ　：　Ｈ層８′及びｎ型非晶質ＳｉｘＣ＋
−ｘ：Ｈ層９′が形成されている。ここで、０＜ｘ≦１
である。
これらの層は、ＲＦプラズマＣＶＤ法、ＤＣプラズマＣ
ＶＤ法等により形成される。その際、原料ガスとしては
ＳｉＨ４のシリコン原子含有ガス及びＣＨ４の炭素原子
含有ガスの混合ガスが用いられ、ｐ型半導体層やｎ型半
導体層を形成するためのドーピングガスとしてはそれぞ
れ周期律表第■族の元素を含む材料としてＢＪａや周期
律表第Ｖ族の元素を含む材料としてＰＨ．を添加すれば
よい．ＲＦプラズマＣＶＤ装置に、ＳｉＨ４（　７　ｓ
ｃｃｍ）、ＣＨ４（３　ｓｅｃｍ）．Ｈｚ　（　１　０
　ｓｅｃｍ）　　、　１％Ｂ　２　Ｈ　６／　Ｈ　２（
　１　ｓｃｃｍ）を導入し、反応室内の圧力を０．　５
Ｔｏｒｒに保った。更に、下地材料温度を３００℃とし
、１３．　５６ＭＨｚの高周波電力によりプラズマを生
成せしめ、ｐ型非晶質ＳｉｘＣ＋−ｘ　：　Ｈ層７′を
３００人厚に形成する．その後、１％Ｂ　２　Ｈ　６　
／　Ｈ　ｆのみを止め、ｉ型非晶質ＳｉｘＣ＋−ｘ　：
　Ｈ層８′を４０００人厚に形成する．しかる後、今度
は１％ＰＨｓ／Ｈ２（　１　ｓｅｃｍｌをＳｉＨ４（　
７　ｓｅｃｍ）　、ＣＨ４（３　ｓｃｃｍ）　，　Ｈ２
（　１　０　ｓｅｃｍ）とともに導入し、反応室内の圧
力を０．　５Ｔｏｒｒとして、ｎ型非晶質ＳｉｘＣ＋−
ｘＣＨ層９′を５０人厚に形成する。
本実施例によれば、上記第１実施例において非晶質半導
体層７〜９では効率良くエネルギー変換できにくい短波
長光を、大きなエネルギーギャップを有する非晶質半導
体層７′〜９′で効率良くエネルギー変換でき、総合的
エネルギー変換効率を更に向上させることができる。
（実施例３） ？３図を参照し説明する。
本実施例は、下地材料ｌの表面上にＳｉｎｓ層３を形成
する際の該層を形成しない部分が大きく、該分の中心に
原種子を凝集させて単結晶化した微小な単結晶Ｓｉ層２
ａが形成されており、単結晶ＳＬ層４が下地材料１に対
し大きな面積を介して接触している。該層４及び層５の
形成の際の選択的単結晶成長は、微小ＳＬ層２ａを種子
とし且つ下地材料１の露出面及びＳｉＯ■層３の露出面
を非核形成面として行なわれ、層４は下地材料１の露出
面を完全に覆う様に形成される。尚、層５の形成以後の
工程は上記第１実施例と同様にして行なわれる。
本実施例は、層４が下地材料１と広い面積にわたって接
触しているので、直列抵抗及びキャリア再結合が減少し
、エネルギー変換効率を増大させることができる。
（実施例４） 第１図に示す第１の光起電力要素のｎ０型の多結晶層６
を単結晶層４，５の形成にひき続き、単結晶材料で形成
した以外は実施例１と同様にして第４図に示す光起電力
素子を形成した。
第４図中の単結晶層６の形成は以下の条件にて行った。
ＳｉＨ２Ｃ１！　＋ＨＣｌ　＋Ｈｚ　（流量比１．２　
：　１．４：１００）及び１％ＰＨ．　／ｏｘをＳｉＨ
＊Ｃｌｚに対して流量比０．２で導入し、温度９００℃
、圧力１５０Ｔｏｒｒであった． 本実施例により形成された光起電力素子は、単結晶領域
が大きいため実施例１にも増して高い効率であって、か
つ多結晶粒界の影響により生じることがあった第１の光
起電力要素の特性のばらつきが抑えられ、入射光強度に
対して忠実な出力を得ることができた。
〔発明の効果］ 以上説明したように、本発明の光起電力素子は、隣接す
る第１の光起電力要素の単結晶領域どうしが接触してい
ないので第ｌの光起電力要素におけるキャリアの発生を
になう単結晶領域にはキャリアの再結合を起こす粒界準
位を形成する原因である結晶粒界が存在せず、従って該
第１の光起電力要素自体が高いエネルギー変換効率を示
す効果がある。また、該第１の光起電力要素間の領域に
は、第２の光起電力要素が存在するので、この領域にお
いても入射光を光電変換して電気エネルギーを得ること
ができ、総合的に高いエネルギー変換効率が得られる。
また、本発明においては、下地材料に、容易に入手でき
、かつ低コストな材料、例えば、ステンレス鋼を用いる
ことができ、第２の光起電力要素として非晶質半導体層
からなるものを用いることができるので、大面積化及び
低コスト化が可能である。
本発明の光起電力素子の形或方法によれば、基体の所望
の位置に光起電力素子を形成し得るため太陽電池やセン
サー等の設計の自由度を拡大すると共に、第１、第２の
光起電力要素が積層され、光電変換の光エネルギーの利
用率が高く、変換効率のよい光起電力素子を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第１図〜第４図は、本発明による光起電力素子の模式的
説明図である。 第５図は、太陽電池の従来例を説明するための模式的説
明図である。 １：下地材料、３：絶縁層、４：第１の導電型の単結晶
層、５：単結晶層、６：第２の導電型の層、７：第１の
導電型の非晶質層、８：ｉ型の非晶質層、９：第２の導
電型の非晶質層、１０：透明導電体層。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）絶縁性の表面に囲まれた導電性の表面の複数を有
    する基体と、前記導電性の表面の複数を覆って設けた単
    結晶層領域を有する第１の光起電力要素の複数と、 前記第１の光起電力要素の複数を覆って設けた第２の光
    起電力要素とを有し、 前記第１の光起電力要素が有する単結晶層領域を互いに
    隔離して配したことを特徴とする光起電力素子。
  2. （２）請求項１記載の光起電力素子において、第２の光
    起電力要素は非晶質材料からなる光起電力素子。
  3. （３）請求項１記載の光起電力素子において、第２の光
    起電力要素は微結晶質材料からなる光起電力素子。
  4. （４）請求項１記載の光起電力素子において、前記導電
    性の表面の核形成密度は、前記絶縁性の表面の核形成密
    度より大きく、且つ前記導電性の表面の大きさは４μｍ
    以下である光起電力素子。
  5. （５）請求項１記載の光起電力素子において、前記導電
    性の表面上に、前記導電性の表面及び前記絶縁性の表面
    よりも核形成密度が高く、４μｍ以下の核形成面を設け
    た光起電力素子。
  6. （６）非核形成面と、この非核形成面よりも核形成密度
    が高く、結晶成長して単結晶となる核が唯一形成され得
    るに充分小さい核形成面の複数とを有する基体に気相法
    による結晶成長処理を施し、第１の光起電力要素の複数
    における単結晶領域を互いに隔離して形成し、 前記第１の起電力要素の複数を覆う第２の光起電力要素
    を形成することを特徴とする光起電力素子の形成方法。
  7. （７）請求項６記載の光起電力素子の形成方法において
    、前記核形成面は下地材料の表面であり、前記非核形成
    面は絶縁層の表面である光起電力素子の形成方法。
  8. （８）請求項６記載の光起電力素子の形成方法において
    、前記非核形成面は下地材料の表面及び絶縁層の表面で
    あり、前記核形成面は前記非核形成面よりも核形成密度
    が高い材料の表面である光起電力素子の形成方法。
  9. （９）請求項６記載の光起電力素子の形成方法を用いて
    形成された光起電力素子。
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