JPH04192373A - Photovoltaic element - Google Patents

Photovoltaic element

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JPH04192373A
JPH04192373A JP2318070A JP31807090A JPH04192373A JP H04192373 A JPH04192373 A JP H04192373A JP 2318070 A JP2318070 A JP 2318070A JP 31807090 A JP31807090 A JP 31807090A JP H04192373 A JPH04192373 A JP H04192373A
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semiconductor layer
layer
gas
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高一 松田
Tsutomu Murakami
勉 村上
Fukateru Matsuyama
深照 松山
Hiroshi Yamamoto
浩史 山本
Toshihiro Yamashita
山下 敏裕
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Abstract

PURPOSE:To manufacture a photoelectric conversion film excellent in quality while minimizing the conductivity to continuous photoirradiation as well as the increase in the defectives in the films by a method wherein the stoichiometric ratio of silicon base gas to germanium base gas used for the film formation step is controlled. CONSTITUTION:An i type semiconductor layer 104 comprising an amorphous semiconductor containing silicon and germanium is structured of a buffer layer 111, a germanium containing layer 112 and a buffer layer 113 successively laminated from the interface side to an n-type semiconductor layer 103. The germanium containing layer 112 comprising silicon and germanium whose content is to be increased in the direction from the n-type semiconductor layer 103 to a p-type semiconductor layer 105. That is, the composition ratio of 0 in the interface to the n-type semiconductor layer 103 side is to be increased in the ratio of about 0.02-0.10%/Angstrom in the film thickness direction toward the p-type semiconductor layer 105 side. In such a constitution, the conversion efficiency of the title photovoltaic element can be improved, further enabling the film thickness of the i type semiconductor layer 104 to be made thinner.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光を照射されることによって起電力を生ずる
光起電力素子に関し、特に非晶質シリコンゲルマニウム
合金を使用した光電変換効率が高く信頼性の高い光起電
力素子に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a photovoltaic element that generates an electromotive force when irradiated with light, and in particular, a photovoltaic element that uses an amorphous silicon germanium alloy and has a high photoelectric conversion efficiency. This invention relates to a highly reliable photovoltaic device.

[従来の技術] 太陽光などの光エネルギーを電気エネルギーに変換する
光起電力素子は、電卓、腕時計など民生用の小電力用電
源として広く応用されており、また、将来、石油、石炭
などのいわゆる化石燃料の代替用電力として実用化する
ことが可能な技術とじて注目されている。光起電力素子
は半導体のpn接合の光起電力を利用したものであり、
シリコン(Si)などの半導体に太陽光を吸収させ電子
と正孔からなる一対の光キャリヤーを生成し、該光キャ
リヤーをpn接合部の内部電界によってドリフトさせ、
外部に電気エネルギーとして取り出すものである。この
ような光起電力素子は、半導体プロセスを用いて作製さ
れる。
[Conventional technology] Photovoltaic elements, which convert light energy such as sunlight into electrical energy, are widely used as small power sources for consumer products such as calculators and wristwatches. It is attracting attention as a technology that can be put into practical use as an alternative to fossil fuel electricity. A photovoltaic element utilizes the photovoltaic force of a semiconductor pn junction.
A semiconductor such as silicon (Si) absorbs sunlight to generate a pair of optical carriers consisting of electrons and holes, and the optical carriers are caused to drift by the internal electric field of the pn junction,
It is extracted externally as electrical energy. Such photovoltaic elements are manufactured using a semiconductor process.

具体的には、チョクラルスキー法(CZ法)などの結晶
成長法によりp型、あるいはn型に価電子制御したシリ
コンの単結晶を作製し、該単結晶をスライスして約30
0μmの厚みのシリコンウェハーを作る。さらに前記ウ
ェハーの導電型とは反対の導電型とする価電子制御剤を
拡散させるなどの適当な手段により、異種の導電型の層
を形成しpn接合を作るものである。
Specifically, a single crystal of silicon whose valence electrons are controlled to be p-type or n-type is produced using a crystal growth method such as the Czochralski method (CZ method), and the single crystal is sliced into approximately 3
A silicon wafer with a thickness of 0 μm is made. Furthermore, layers of different conductivity types are formed to form a pn junction by appropriate means such as diffusing a valence electron control agent that makes the conductivity type opposite to that of the wafer.

ところで、信頼性や変換効率の観点から、現在、主に実
用化されている光起電力素子には、単結晶シリコンが使
われているが、上述のように光起電力素子作製は半導体
プロセスを用いるため生産コストは高いものとなる。ま
た、単結晶シリコンは間接遷移であるため光吸収係数が
小さく、単結晶シリコンの光起電力素子は入射太陽光を
吸収するために少なくとも50μmの厚さにしなけねば
ならないことや、バンドギャップが約11eVであり、
光起電力素子として太陽光を吸収するために好適な1.
5eVよりも狭いため太陽光の短波長成分を有効に利用
できないなどの問題点がある。
By the way, from the viewpoint of reliability and conversion efficiency, single-crystal silicon is mainly used in photovoltaic devices currently in practical use, but as mentioned above, photovoltaic devices are manufactured using semiconductor processes. The production cost is high due to the use of In addition, single crystal silicon has a small optical absorption coefficient due to indirect transition, and a single crystal silicon photovoltaic device must be at least 50 μm thick in order to absorb incident sunlight, and the band gap is approximately 11eV,
1. Suitable for absorbing sunlight as a photovoltaic element.
Since the voltage is narrower than 5 eV, there are problems such as not being able to effectively utilize short wavelength components of sunlight.

また、仮に、多結晶シリコンを用いて生産コストを下げ
たとしても、間接遷移の問題点は残り、光起電力素子の
厚さを減らすことはできない。さらに多結晶シリコンは
粒界その他の問題点を合わせ持っている。
Furthermore, even if polycrystalline silicon were used to reduce production costs, the problem of indirect transition would remain and the thickness of the photovoltaic element could not be reduced. Furthermore, polycrystalline silicon has grain boundaries and other problems.

さらに、結晶質であるがために面積の大きなウェハーは
製造できず、大面積化が困難であり、大きな電力を取り
出す場合には単位素子を直列あるいは並列に接続するた
めの配線を行わなければならないことや、屋外で使用す
る際に光起電力素子を様々な気象条件によりもたらされ
る機械的損傷から保護するための高価な実装が必要にな
ることなどから、単位発電量に対する生産コストが既存
の発電方法に比べて割高になってしまうという問題点が
ある。このような事情から電力用の光起電力素子の実用
化を進めるに当たっては、低コスト化及び大面積化が重
要な技術的課題であるため様様な検討がなされており、
コストの安い材料、変換効率の高い材料などの材料の探
求が行われてきた。
Furthermore, because it is crystalline, it is not possible to manufacture large-area wafers, making it difficult to increase the area, and when extracting large amounts of power, wiring must be done to connect unit elements in series or parallel. The production cost per unit of power is lower than that of existing power generators due to the high cost of production and the need for expensive implementations to protect photovoltaic devices from mechanical damage caused by various weather conditions when used outdoors. The problem is that it is more expensive than other methods. Due to these circumstances, various studies are being carried out as lowering costs and increasing area are important technical issues in promoting the practical application of photovoltaic devices for power use.
The search for materials such as low-cost materials and materials with high conversion efficiency has been carried out.

このような光起電力素子の材料としては、非晶質シリコ
ン、非晶質シリコンゲルマニウム(S i Ge) 、
非晶質炭化ケイ素(SiC)などのテトラヘドラル系の
非晶質半導体や、CdS、Cu2SなどのII−V’l
族やGaAs。
Materials for such photovoltaic elements include amorphous silicon, amorphous silicon germanium (S i Ge),
Tetrahedral amorphous semiconductors such as amorphous silicon carbide (SiC) and II-V'l such as CdS and Cu2S
family and GaAs.

GaAlAsなどのm−v族の化合物半導体などが挙げ
られる。とりわけ、非晶質半導体からなる薄膜光起電力
素子は、単結晶光起電力素子に比較して、大面積の膜が
容易に作製でき、膜厚が薄くてすみ、任意の基板材料に
堆積できるなどの長所があり有望視されている。
Examples include m-v group compound semiconductors such as GaAlAs. In particular, compared to single-crystal photovoltaic devices, thin-film photovoltaic devices made of amorphous semiconductors can be easily formed into large-area films, require thin films, and can be deposited on any substrate material. It has the following advantages and is considered promising.

しかしながら、上記非晶質半導体を用いた光起電力素子
では、電力用素子としての光電変換効率の向上、信頼性
の向上の面で問題点が残っている。
However, in the photovoltaic device using the amorphous semiconductor described above, problems remain in terms of improvement in photoelectric conversion efficiency and reliability as a power device.

非晶質半導体を用いた光起電力素子の光電変換効率の向
上の方法としては、例えば、バンドキャップを狭くして
長波長の光に対する感度を増加することが行われている
。すなわち、非晶質シリコンは、バンドギャップが約1
.7eVであるため700nm以上の長波長の光は吸収
できずこれを有効に利用できないため、長波長光に感度
のあるバンドギャップが狭い材料を用いることが検討さ
れている。このような材料として、成膜時にシリコン原
料ガスとゲルマニウム原料ガスの比を変えることで容易
にバンドギャップを1.3eV位から1.7eV位まで
任意に変化できる非晶質シリコンゲルマニウムが挙げら
れる。
As a method for improving the photoelectric conversion efficiency of a photovoltaic element using an amorphous semiconductor, for example, narrowing the band gap to increase the sensitivity to long wavelength light has been carried out. In other words, amorphous silicon has a band gap of approximately 1
.. Since the voltage is 7 eV, light with a long wavelength of 700 nm or more cannot be absorbed and cannot be used effectively. Therefore, the use of a material with a narrow band gap that is sensitive to long wavelength light is being considered. An example of such a material is amorphous silicon germanium, whose band gap can be easily changed arbitrarily from about 1.3 eV to about 1.7 eV by changing the ratio of silicon source gas and germanium source gas during film formation.

また、光起電力素子の変換効率を向上させる他の方法と
して、単位素子構造の光起電力素子を複数個積層させる
、いわゆるタンデムセルを用いることが、米国特許第2
949498号明細書に開示されている。このタンデム
セルには、pn接合結晶質半導体が用いられているが、
その思想は結晶質、非晶質のいずれにも共通するもので
あり、異なるバンドギャップの素子を積層し、太陽光の
スペクトルの各部分を効率よく吸収することにより、開
放電圧(Voc)を増大させ発電効率を向上させ、すな
わち変換効率を向上させるものである。この場合、積層
された素子の光入射側に位置する贋である、いわゆるト
ップ層のバンドギャップに比べ、該トップ層の下に位置
する層であるいわゆるボトム層のバンドギャップの方が
狭くなるように設計される。
In addition, as another method for improving the conversion efficiency of photovoltaic elements, the use of so-called tandem cells, in which a plurality of photovoltaic elements with a unit element structure are stacked, is disclosed in US Pat.
No. 949498. This tandem cell uses a pn junction crystalline semiconductor,
The idea is common to both crystalline and amorphous materials, and by stacking elements with different band gaps and efficiently absorbing each part of the sunlight spectrum, the open-circuit voltage (Voc) is increased. This is to improve power generation efficiency, that is, to improve conversion efficiency. In this case, the bandgap of the so-called bottom layer, which is a layer located below the top layer, is narrower than the bandgap of the so-called top layer, which is a fake located on the light incident side of the stacked elements. Designed to.

これに対し渋川らは、特公昭63−48197号公報に
おいて、同じバンドギャップの非晶質シリコン材料から
作られる単位素子を、その相互間に絶縁層を設けずに、
多重に積層し、素子全体の開放電圧(V oc)を増加
させる、いわゆるカスケード型電池を報告している。
On the other hand, in Japanese Patent Publication No. 48197/1983, Shibukawa et al.
They have reported a so-called cascade-type battery in which multiple layers are stacked to increase the open-circuit voltage (Voc) of the entire device.

非晶質シリコンゲルマニウムは、バンドギャップが狭く
、長波長の光に対し感度が優れているため、上述したタ
ンデムセルのボトム層として好適な材料として用いられ
る。
Amorphous silicon germanium has a narrow band gap and excellent sensitivity to long wavelength light, so it is used as a suitable material for the bottom layer of the tandem cell described above.

ところで、このように長波長感度を向上させ、また、タ
ンデムセルのボトム層としても応用可能な非晶質シリコ
ンゲルマニウムは、−船間に膜質においては非晶質シリ
コンよりも劣り、光起電力素子を作製した場合も変換効
率が低いという欠点がある。この原因は、バンドギャッ
プ内の局在準位が非晶質シリコンに比べて多いためであ
る。このため、バンドギャップ内局在準位を減らして膜
質を向上させるための研究開発が行われているか、例え
ば、活性化されたフッ素原子を用いて非晶質シリコンゲ
ルマニウム中のタンプリングポンドの補償を行い、局在
準位密度を低減した非晶質シリコンゲルマニウムが知ら
れている。
By the way, amorphous silicon germanium, which improves long-wavelength sensitivity and can be used as the bottom layer of tandem cells, is inferior to amorphous silicon in terms of film quality and is not suitable for photovoltaic elements. Even when fabricated, there is a drawback that the conversion efficiency is low. This is because there are more localized levels within the bandgap than in amorphous silicon. For this reason, research and development efforts are underway to improve film quality by reducing the localized levels within the bandgap, for example by using activated fluorine atoms to compensate for tumpling ponds in amorphous silicon germanium. Amorphous silicon germanium is known to have a reduced localized level density.

一方、上述のような膜質の本質的な向上以外の方法によ
る、非晶質シリコンゲルマニウム光起電力素子の特性の
向上が検討されている。その1例としてp型半導体層及
び/またはn型半導体層と1型半導体層との接合界面に
おいてハンド幅に傾斜を持たせる、いわゆるバッファ層
を用いる方法が米国特許第4.254.429号、同第
4.377、723号の各明細書に開示されている。該
バッファ層の目的は内部電界を向上させ開放電圧(■。
On the other hand, improvements in the characteristics of amorphous silicon germanium photovoltaic elements are being considered by methods other than the essential improvement of film quality as described above. As an example, a method using a so-called buffer layer in which the hand width is sloped at the bonding interface between a p-type semiconductor layer and/or an n-type semiconductor layer and a type 1 semiconductor layer is disclosed in U.S. Pat. No. 4,254,429. It is disclosed in the specifications of the same No. 4.377 and 723. The purpose of the buffer layer is to improve the internal electric field and open circuit voltage (■).

C)を同上させることにある。C) is the same as above.

さらに他の方法として、シリコンとゲルマニウムの組成
比を変化させることにより、イントリンシック層(i型
半導体層)中に組成の分布を設は特性を向上させる、い
わゆる傾斜層を設ける方法が開示されている。例えば米
国特許第4.816.082号明細書によれば、光入射
側の第1の価電子制御された半導体層に接する部分のi
型半導体層のバンドギャップを広くし、中央部に向かう
に従い除徐にバンドギャップを狭くし、さらに、第2の
価電子制御された半導体層に向かうに従い徐々にバンド
ギャップを広くしていく方法が開示されている。該方法
によれば、光により発生したキャリヤは、内部電界の働
きにより効率良く分離でき、膜特性が向上する。
Furthermore, as another method, a method of forming a so-called graded layer in which the composition distribution is set in the intrinsic layer (i-type semiconductor layer) and the characteristics are improved by changing the composition ratio of silicon and germanium has been disclosed. There is. For example, according to US Pat. No. 4,816,082, i
There is a method of widening the band gap of the type semiconductor layer, gradually narrowing the band gap toward the center, and then gradually widening the band gap toward the second valence-electron-controlled semiconductor layer. Disclosed. According to this method, carriers generated by light can be efficiently separated by the action of an internal electric field, and film properties are improved.

ところで、非晶質半導体を用いた光起電力素子の他の問
題点は、光照射、により変換効率か経時的に低下するこ
とである。これは、非晶質シリコン及び非晶質シリコン
ゲルマニウムが光照射により膜質が低下し、このためキ
ャリヤの走行性が悪(なることにより引き起こされるも
のであり、結晶質半導体では見られない非晶質半導体特
有の現象である。そのため電力用途に用いる場合、信頼
性が劣り、実用化の障害となっているのが現状である。
By the way, another problem with photovoltaic elements using amorphous semiconductors is that the conversion efficiency decreases over time due to light irradiation. This is caused by the film quality of amorphous silicon and amorphous silicon germanium being degraded by light irradiation, resulting in poor carrier mobility. This is a phenomenon unique to semiconductors.As a result, when used for power applications, reliability is poor, which is currently an obstacle to practical application.

非晶質半導体の光劣化の改善は鋭意研究がなされている
が、膜質を改善することにより光劣化を防止する検討が
されている一方、セル構造の改良による光劣化の低減も
検討されている。このような方法の具体例として、上述
したタンデムセル構造を用いることは有効な手段であり
、イントリンシック層を薄(しキャリヤの走行距離を短
くすることにより、光照射によるセル特性の低下が少な
くなることが確認されている。
A lot of research is being done to improve the photodegradation of amorphous semiconductors, and while some are looking into preventing photodegradation by improving the film quality, others are also looking into reducing photodegradation by improving the cell structure. . As a specific example of such a method, using the tandem cell structure described above is an effective means, and by making the intrinsic layer thinner (and shortening the travel distance of carriers), the deterioration of cell characteristics due to light irradiation is minimized. It has been confirmed that this will happen.

第11図は、上述した一般的なpin型非晶質光起電力
素子の構造を模式的に示す断面図である。この光起電力
素子300は、図示上方より光が入射するものであって
、基板301の上(二下部電極302、n型半導体層3
03.1型半導体層304、p型半導体m305、透明
電極306、集電電極307が順次積層されている。
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the above-mentioned general pin-type amorphous photovoltaic element. This photovoltaic element 300 is one in which light enters from above in the figure, and above the substrate 301 (two lower electrodes 302, an n-type semiconductor layer 3
A 03.1 type semiconductor layer 304, a p type semiconductor m305, a transparent electrode 306, and a current collecting electrode 307 are laminated in this order.

次に、上述した従来の光起電力素子のバンドギャップの
プロファイルについて、第12図(a)〜(c)を用い
て説明する。図中、下側の実線Evは価電子帯の頂上を
示し、上側の実線Ecは伝導帯の底部を表わす。
Next, the bandgap profile of the above-mentioned conventional photovoltaic device will be explained using FIGS. 12(a) to 12(c). In the figure, the lower solid line Ev represents the top of the valence band, and the upper solid line Ec represents the bottom of the conduction band.

第12図(a)は、第11図に示した光起電力素子30
0のハントプロファイルである。このようなバントプロ
ファイルの場合、開放電圧はi型 ′半導体層304の
バンドギャップにより決定されるため、ここにバンドギ
ャップの狭い材料を用いると開放電圧は小さくなってし
まう。また、n型半導体層305に接する1型半導体層
304て発生した自由電子及び自由正孔は、pi界面に
存在する高濃度の再結合準位により再結合してしまうた
め、有効に取り出されることなく失われてしまう。また
、光の入射側では吸収される光電が大きく、内部に向か
うに従い吸収される光量は指数関数的に減少する。光入
射側で吸収した光のエネルギーはバンドギャップ以上の
エネルギーがあり、この余分なエネルギーを有効利用で
きていないことになる。
FIG. 12(a) shows the photovoltaic element 30 shown in FIG.
0 hunt profile. In the case of such a band profile, the open circuit voltage is determined by the band gap of the i-type semiconductor layer 304, so if a material with a narrow band gap is used here, the open circuit voltage will become small. In addition, free electrons and free holes generated in the type 1 semiconductor layer 304 in contact with the n-type semiconductor layer 305 are recombined by the high concentration recombination level existing at the pi interface, so they cannot be effectively extracted. It will be lost. Furthermore, a large amount of photoelectricity is absorbed on the light incident side, and the amount of absorbed light decreases exponentially toward the inside. The energy of the light absorbed on the light incident side is greater than the band gap, and this means that this extra energy cannot be used effectively.

そこで、上述のように、n型半導体層303とl型半導
体層304との界面及びn型半導体層305とl型半導
体層304との界面の、それぞれl型半導体層304側
に、これら界面付近におけるバンドギャップに傾斜をも
たせるためのハ・ソファ[308,309を設けること
が行われる。
Therefore, as described above, near the interface between the n-type semiconductor layer 303 and the l-type semiconductor layer 304 and the interface between the n-type semiconductor layer 305 and the l-type semiconductor layer 304, on the l-type semiconductor layer 304 side, In order to give a slope to the bandgap in the waveform, a sofa [308, 309] is provided.

バッファ層308,309は、これら両方の界面のそれ
ぞれにおける局在準位の密度を減少させ、l型半導体層
304て発生した自由電子及び自由正孔を有効に取り出
せるようにする。この場合のバンドプロファイルが第1
2図(b)に示されている。
The buffer layers 308 and 309 reduce the density of localized levels at each of these interfaces, allowing free electrons and free holes generated in the l-type semiconductor layer 304 to be taken out effectively. The band profile in this case is the first
This is shown in Figure 2(b).

また、光がn型半導体層305側から入射するものとし
て、上述したように、l型半導体層304のn型及びn
型半導体層303.305との界面付近をそれぞれバン
ドギャップ調整剤を含まずバンドギャップの広いバッフ
ァ層311゜314とし、さらにバッファ層311から
l型半導体層304の中央部分に向けてバンドギャップ
が徐々に狭くなる傾斜層312とし、l型半導体層30
4の中央部分はバンドギャップが他に比べて狭く、ここ
からバッファ層314に向けて徐々にバンドギャップが
広くなる傾斜層313とすることが行われている。バン
ドギャップの調整はバンドギャップ調整剤の含有率を変
化させることによる。非晶質シリコンゲルマニウムの場
合であれば、シリコンに対しゲルマニウムがバンドギャ
ップ調整剤として作用する。この場合のバンドプロファ
イルが第12図(C)に示されている。このようにする
ことによって、光は有効に利用でき、開放電圧が上昇し
、フィルファクタ(FF)も向上する。ここでフィルフ
ァクタ(FF)は、一定の入射光の条件で光起電力素子
から取り出し得る最大の電力をそのときの開放電圧(■
。C)と(■。C)と短絡電流(1,e)の積で除した
ものである。このような方法は、一般に初期効率を向上
させることを主眼として検討されているものであって、
光劣化に関しては特に配慮がなされているわけではない
Furthermore, assuming that light is incident from the n-type semiconductor layer 305 side, as described above, the n-type and n-type semiconductor layers of the l-type semiconductor layer 304
Buffer layers 311 and 314 are formed near the interfaces with the L-type semiconductor layers 303 and 305 and have a wide bandgap without containing a bandgap adjusting agent, and the bandgap gradually increases from the buffer layer 311 to the center of the L-type semiconductor layer 304. The sloped layer 312 becomes narrower, and the l-type semiconductor layer 30
A gradient layer 313 is formed in which the bandgap is narrower in the central portion of 4 than in the other portions, and the bandgap gradually widens from there toward the buffer layer 314. The bandgap is adjusted by changing the content of the bandgap adjusting agent. In the case of amorphous silicon germanium, germanium acts as a band gap adjusting agent for silicon. The band profile in this case is shown in FIG. 12(C). By doing so, light can be used effectively, the open circuit voltage increases, and the fill factor (FF) also improves. Here, the fill factor (FF) is the maximum power that can be extracted from the photovoltaic element under certain incident light conditions at the open circuit voltage (■
. C) and (■.C) divided by the product of short circuit current (1, e). Such methods are generally being studied with a focus on improving initial efficiency.
No particular consideration is given to photodegradation.

〔発明が解決しようとする課題] 上述した従来の非晶質光起電力素子においては、結晶質
シリコン光起電力素子に比べ膜質が劣るため変換効率が
充分ではなく、1ワツト当たりの発電コストは既存の原
子力、火力、水力発電などよりも高いという問題点があ
る。非晶質シリコン系の光起電力素子が既存の発電方法
と伍して電力用途に用いられるためには変換効率をさら
に向上させることが求められている。
[Problems to be solved by the invention] In the conventional amorphous photovoltaic device described above, the conversion efficiency is not sufficient because the film quality is inferior to that of the crystalline silicon photovoltaic device, and the power generation cost per watt is low. The problem is that it is more expensive than existing nuclear power, thermal power, and hydropower. In order for amorphous silicon-based photovoltaic elements to be used for electric power applications along with existing power generation methods, it is required to further improve conversion efficiency.

また、上述したように光劣化のメカニズムの解明及び光
劣化防止の検討が続けられているにもかかわらず光劣化
の問題は完全には解決できておらず、非晶質シリコン系
の光起電力素子はさらに信頼性が求められている。上述
したスタックセルによる劣化防止の方法においては、イ
ントリンシツり層を薄くすることにより光起電力素子の
全体の光吸収量が減少するために、光劣化防止としては
効果的となり得るものの初期光起電力特性は悪化してし
まうため、信頼性が高く、かつ高効率という要求を両立
させることができないといつ問題点がある。
In addition, as mentioned above, despite continued efforts to elucidate the mechanism of photodegradation and to investigate ways to prevent photodegradation, the problem of photodegradation has not been completely resolved, and the photovoltaic power of amorphous silicon Elements are required to be even more reliable. In the method of preventing deterioration using stacked cells described above, the overall amount of light absorbed by the photovoltaic element is reduced by making the intrinsic layer thinner, so although it may be effective in preventing photodeterioration, the initial photovoltaic Since the characteristics deteriorate, a problem arises if the requirements of high reliability and high efficiency cannot be met at the same time.

本発明の目的は、上述した問題点を解決し、信頼性が高
くかつ光電変換効率の高い光起電力素子を提供すること
にある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and provide a photovoltaic element with high reliability and high photoelectric conversion efficiency.

[y題を解決するための手段] 本発明者らは、上述した問題点を解決するため、光劣化
が少なくかつ変換効率の高い光起電力素子について検討
したところ、バンドプロファイルの改善による初期効率
の向上に加え、非晶質シリコンゲルマニウムはゲルマニ
ウムの特定の組成において光劣化が少ないことを見出し
た。すなわち、成膜に用いるシリコン系ガスとゲルマニ
ウム系ガスの化学量論比を制御することにより連続光照
射に対して導電率及び膜中の欠陥の増加が極めて少ない
良質の膜が得られるという知見を得、さらに非晶質シリ
コンゲルマニウム領域中の膜厚方向に対するシリコンと
ゲルマニウムの組成比を制御することにより初期効率の
高い光起電力素子が得られるという知見を得た。本発明
は、該知見に基づいてさらなる研究を行い、光劣化が少
なく変換効率の高い光起電力素子を完成したものである
[Means for Solving Problem y] In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors investigated a photovoltaic element with little photodeterioration and high conversion efficiency, and found that the initial efficiency was improved by improving the band profile. In addition to the improvement, we found that amorphous silicon germanium exhibits less photodegradation in certain germanium compositions. In other words, we found that by controlling the stoichiometric ratio of silicon-based gas and germanium-based gas used for film formation, it is possible to obtain a high-quality film with very little increase in conductivity and defects in the film when exposed to continuous light irradiation. Furthermore, we obtained the knowledge that a photovoltaic device with high initial efficiency can be obtained by controlling the composition ratio of silicon and germanium in the film thickness direction in the amorphous silicon germanium region. The present invention is based on this knowledge and has conducted further research to complete a photovoltaic element with little photodeterioration and high conversion efficiency.

本発明の光起電力素子は、p型半導体層と1型半導体贋
とn型半導体層とが順次積層されたpin接合構造を少
なくとも1組有し、前記】型半導体層はゲルマニウムを
含有する領域であるゲルマニウム含有量を少なくとも有
する光起電力素子において、 前菖己ゲルマニウム含有層におけるゲルマニウムの含有
量は、前記n型半導体層の側の界面においてOであって
、前記p型半導体層の側の界面に向かう膜厚方向に単調
に増加し、ゲルマニウムの含有量の前記膜厚方向に向か
う増加率が、半導体構成元素中のゲルマニウムの組成比
の変化率で表わしたとき、0.02〜0.10原子%/
Åであることを特徴とする。
The photovoltaic device of the present invention has at least one pin junction structure in which a p-type semiconductor layer, a type 1 semiconductor fake, and an n-type semiconductor layer are sequentially laminated, and the ] type semiconductor layer is a germanium-containing region. In a photovoltaic element having at least a germanium content of The germanium content increases monotonically in the film thickness direction toward the interface, and the rate of increase in the germanium content in the film thickness direction is 0.02 to 0.0. 10 atomic%/
Å.

i型半導体層は、ゲルマニウム含有層とゲルマニウムを
含まない領域であるバッファ層とが積層された構造であ
り、前記バッファ層は、前記i型半導体層の、前記n型
半導体層との界面及び/または前記p型半導体層との界
面の部分に設けられるようにするとよい。また、p型半
導体層側の界面近傍におけるゲルマニウム含有層中のゲ
ルマニウムの含有量が、半導体構成元素中のゲルマニウ
ムの組成比で表わしたとき、20〜70原子%であるよ
うにするとよい。
The i-type semiconductor layer has a structure in which a germanium-containing layer and a buffer layer, which is a germanium-free region, are laminated, and the buffer layer is formed at the interface between the i-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer and/or the buffer layer. Alternatively, it may be provided at the interface with the p-type semiconductor layer. Further, the content of germanium in the germanium-containing layer near the interface on the p-type semiconductor layer side is preferably 20 to 70 atomic % when expressed as the composition ratio of germanium in the semiconductor constituent elements.

なお、−ここでいう半導体構成元素とは、■族生導体に
おけるC、Si、Geなど、m−rv族半導体における
AI2.P、Ga、As、In、Sbなど、半導体とし
ての構成に不可欠な元素のことである。従って、非晶質
シリコンに対してダングリングボンドをつぶし膜質を改
善するために加えられる水素(H)やフッ素(F)など
は、ここでいう半導体構成元素には含まれない。また、
価電子制御剤もここでいう半導体構成元素に含まれない
。例えば、リン(P)はIII−V族生導体中において
は半導体構成元素となるが、シリコンに価電子制御剤と
して添加されたときには半導体構成元素とはならない。
Note that the semiconductor constituent elements referred to here include C, Si, Ge, etc. in the ■ group raw conductors, and AI2. in the m-rv group semiconductors. It refers to elements essential to the structure of a semiconductor, such as P, Ga, As, In, and Sb. Therefore, hydrogen (H) and fluorine (F), which are added to amorphous silicon to destroy dangling bonds and improve film quality, are not included in the semiconductor constituent elements referred to here. Also,
A valence electron control agent is also not included in the semiconductor constituent elements referred to here. For example, phosphorus (P) becomes a semiconductor constituent element in III-V group raw conductors, but does not become a semiconductor constituent element when added to silicon as a valence electron control agent.

[作   用] 次に、本発明を完成させるために発明者らが行った参考
実験について説明することにより、本発明の光起電力素
子の作用について述へる。
[Function] Next, the function of the photovoltaic device of the present invention will be described by describing reference experiments conducted by the inventors to complete the present invention.

(参考実験1) 第13図に示す公知の高周波プラズマCVD成膜装置を
用い、ガラス基板701上に以下のようにして非晶質シ
リコンゲルマニウム膜を作製した。
(Reference Experiment 1) An amorphous silicon germanium film was formed on a glass substrate 701 in the following manner using a known high frequency plasma CVD film forming apparatus shown in FIG.

第13図の高周波プラズマCVD成膜装置において、反
応チャンバ700は、排気管708とガス導入管710
が接続され、排気管708の他端に設けられた排気ポン
プ709によって排気されるようになっている。また反
応チャンバ700内には、マツチングボックス706を
介して高周波電源702に接続されたアノード電極70
2と接他用端子705を介して接地されているカソード
電極703とが互いに対向するように設けられている。
In the high frequency plasma CVD film forming apparatus shown in FIG. 13, a reaction chamber 700 includes an exhaust pipe 708 and a gas introduction pipe 71
is connected to the exhaust pipe 708, and the air is exhausted by an exhaust pump 709 provided at the other end of the exhaust pipe 708. Also, inside the reaction chamber 700 is an anode electrode 70 connected to a high frequency power source 702 via a matching box 706.
2 and a cathode electrode 703 which is grounded via a mutual connection terminal 705 are provided so as to face each other.

ガラス基板701はカソード電極703の表面に取り付
けられ、カソード電極703の内部には基板701を加
熱するためのヒータ704が設けられている。ガス導入
管710には、多数のガスボンベ(不図示)が、前記各
ガスボンベごとに設けらtたバルブ711、マスフロー
コントローラー(MFC)712、バルブ713を介し
て、接続されている。
A glass substrate 701 is attached to the surface of a cathode electrode 703, and a heater 704 for heating the substrate 701 is provided inside the cathode electrode 703. A large number of gas cylinders (not shown) are connected to the gas introduction pipe 710 via a valve 711, a mass flow controller (MFC) 712, and a valve 713 provided for each gas cylinder.

まず、5cm角の大きさの無アルカリガラスからなるガ
ラス基板701 (コーニング社7059番ガラス製)
を反応チャンバ700の中のカソード電極703に取り
付け、排気ポンプ709により反応チャンバ700を充
分排気し、不図示のイオンゲージで反応チャンバ700
の中の真空度が10−”Torrとなるようにした。次
に基板加熱用ヒーター704で基板701を30o℃に
加熱した。基板温度が一定になった後、バルブ711゜
713を開け、マスフローコントローラー712を制御
して不図示のS i HaガスボンベからS i Ha
ガス30 accmガスを導入管710を介して反応チ
ャンバ700の中に導入した。同様にしてH2ガス30
0 sccmを供給し、G e H4ガス1 sccm
を導入した。反応チャンバ700の内圧を1.5Tor
rに保つように不図示の圧力コントローラーを調整した
後、高周波電源707から20Wの高周波電力を投入し
、マツチングボックス706を調整することにより反射
波を最小にしながらプラズマ放電を60分間行い、非晶
質シリコンゲルマニウム膜を基板701上に1μm堆積
した。ガス供給をやめ反応チャンバ700から基板70
1を取り出し、試料M、をS−1とした。同様にしてG
 e H4ガス量を5sccm、  10sccm。
First, a glass substrate 701 (made by Corning Co., Ltd. No. 7059 glass) made of alkali-free glass with a size of 5 cm square.
is attached to the cathode electrode 703 in the reaction chamber 700, the reaction chamber 700 is sufficiently evacuated by the exhaust pump 709, and the reaction chamber 700 is evacuated using an ion gauge (not shown).
The degree of vacuum inside was set to 10-'' Torr. Next, the substrate 701 was heated to 30oC using the substrate heating heater 704. After the substrate temperature became constant, the valves 711 and 713 were opened and the mass flow The controller 712 is controlled to supply S i Ha gas from an unillustrated S i Ha gas cylinder.
30 accm of gas was introduced into reaction chamber 700 via inlet tube 710 . Similarly, H2 gas 30
0 sccm and G e H4 gas 1 sccm
introduced. The internal pressure of the reaction chamber 700 is set to 1.5 Torr.
After adjusting a pressure controller (not shown) to keep the temperature at A crystalline silicon germanium film was deposited on the substrate 701 to a thickness of 1 μm. The gas supply is stopped and the substrate 70 is removed from the reaction chamber 700.
Sample M was taken out and designated as S-1. Similarly, G
e H4 gas amount 5 sccm, 10 sccm.

2 Q sccmと変化させて試料を作製しそれぞれS
−2,S−3,S−4とした。なお、sccmは標準状
態(0℃、l気圧)に換算したcm3/sで表わされた
流量である。
Samples were prepared by changing 2 Q sccm and S
-2, S-3, and S-4. Note that sccm is a flow rate expressed in cm3/s converted to standard conditions (0° C., 1 atm).

これらの試料を構成する元素は、シリコンとゲルマニウ
ムと水素である。これらの試料の一部をオージェ電子分
光法により元素分析し、ゲルマニウムとシリコンの和に
対するゲルマニウム元素の割合すなわち組成比を求めた
。ここでは、ゲルマニウムとシリコンは半導体構成元素
である。さらに、試料の一部について、可視分光器を用
いて分光吸収係数を測定することにより、光学的バンド
ギャップEg0ptを測定した。これらの結果を第1表
に示す。さらに、これらの試料の一部及び同様に作製し
た試料について、不図示の電子ビーム真空蒸着装置(U
LBAC社製EBX−6D型)蒸着器に移し、該蒸着器
内を真空に引き、試料表面上にギャップ幅250μmで
長さ1cmのCr電極を1000人堆積した。次に、こ
れらの試料を温度制御可能な試料台の上に設置し、25
℃−定に保ちキセノンランプを光源とした疑似太陽光源
(以下ソーラーシミュレータと呼ぶ)を用いて、AM−
1,5の太陽光スペクトルの光を100 mW/cm”
の強度で連続照射したときの先任導度apの経時的変化
を測定した。先任導度σpは、ヘリウムネオンレーザ−
(波長632.8n m )の光を試料に照射して測定
した。なお、AM値は太陽光の質を太陽の天頂距離に関
連させて表わした指標であり、標準的な大気の下で前記
天頂距離を2としたとき、5ecZで表わされる。この
結果を第14図に示す。図において光伝導度opO値は
、初期値σp(○)で規格化されている。図に示される
ように、ゲルマニウム元素の組成比が多い膜は光劣化が
少ないことが分かる。特に、ゲルマニウムの組成比が2
0atm%以上であるものは、光照射に対して安定であ
る。
The elements that make up these samples are silicon, germanium, and hydrogen. Some of these samples were subjected to elemental analysis using Auger electron spectroscopy to determine the ratio of germanium element to the sum of germanium and silicon, that is, the composition ratio. Here, germanium and silicon are semiconductor constituent elements. Furthermore, the optical bandgap Eg0pt of a part of the sample was measured by measuring the spectral absorption coefficient using a visible spectrometer. These results are shown in Table 1. Furthermore, some of these samples and similarly prepared samples were deposited in an electron beam vacuum evaporation apparatus (U), not shown.
The sample was transferred to an EBX-6D type (manufactured by LBAC) evaporator, the interior of the evaporator was evacuated, and 1,000 Cr electrodes with a gap width of 250 μm and a length of 1 cm were deposited on the sample surface. Next, these samples were placed on a temperature-controllable sample stage and heated for 25 minutes.
AM-
1.5 of the solar spectrum at 100 mW/cm”
The change over time in the prior conductivity ap was measured when continuous irradiation was performed at an intensity of . The conductivity σp of the helium neon laser is
The measurement was performed by irradiating the sample with light (wavelength: 632.8 nm). Note that the AM value is an index expressing the quality of sunlight in relation to the zenith distance of the sun, and is expressed as 5ecZ when the zenith distance is 2 under a standard atmosphere. The results are shown in FIG. In the figure, the photoconductivity opO value is normalized by the initial value σp(○). As shown in the figure, it can be seen that the film with a high composition ratio of germanium element has less photodeterioration. In particular, the composition ratio of germanium is 2.
Those with a content of 0 atm% or more are stable to light irradiation.

(参考実験2) 参考実験1と同様に第13図の装置を用いて、5cm角
の大きさのコーニング社製7059番ガラスによる基板
701を300℃に加熱しておき、S i H4ガス3
0sccmの代わりに5i2Heガス10 sccm、
 H2ガスをl OOsccm、高周波電力をLOWと
した以外は実験lと全く同じ条件で非晶質シリコンゲル
マニウムを基板701上に堆積し試料S−5とした。次
に、前述と同様にG e Haガス量を3 secm 
〜30 secmの範囲で変化させて試料を作製しそれ
ぞれS−6〜5−12とした。
(Reference Experiment 2) As in Reference Experiment 1, using the apparatus shown in FIG. 13, a 5 cm square substrate 701 made of Corning No. 7059 glass was heated to 300° C., and Si H4 gas 3 was heated to 300° C.
5i2He gas 10 sccm instead of 0 sccm,
Amorphous silicon germanium was deposited on the substrate 701 under exactly the same conditions as in Experiment 1, except that the H2 gas was 1 OOsccm and the high frequency power was LOW, and sample S-5 was obtained. Next, the amount of G e Ha gas was increased to 3 sec as described above.
Samples were prepared by varying the length in the range of ~30 sec and named S-6 to S-5-12, respectively.

これらの試料の一部を針ステップ膜厚測定器を用いて各
々膜厚測定し、成膜速度を求め、さらに試料の一部につ
いて、可視分光器を用いて分光吸収係数を測定すること
により、光学的バンドギャップを測定した。
By measuring the film thickness of a portion of these samples using a needle-step film thickness measuring device to determine the film formation rate, and further measuring the spectral absorption coefficient of a portion of the sample using a visible spectrometer, The optical bandgap was measured.

さらに、実験lと同様に試料の一部をオージェ電子分光
法により元素分析し、膜中のゲルマニウム元素のシリコ
ンとゲルマニウムの和に対する比すなわち組成比を求め
た。
Further, as in Experiment 1, a part of the sample was subjected to elemental analysis by Auger electron spectroscopy to determine the ratio of germanium element in the film to the sum of silicon and germanium, that is, the composition ratio.

以上の結果を第2表に示す。表に示されるように成膜速
度、光学バンドギャップ及びゲルマニウム組成比はG 
e Haガス流量に対して、相関関係にあることがわか
る。
The above results are shown in Table 2. As shown in the table, the film formation rate, optical band gap, and germanium composition ratio are G
It can be seen that there is a correlation with e Ha gas flow rate.

第   】   表 第   2   表 従来の素子構成においては、p型半導体層及び/または
n型半導体層とイントリンシック層(1型半導体層)と
の接合界面においてバンド幅の傾斜を持たせて内部電界
を向上させるいわゆるへツファ層を用いることにより光
起電力素子特性の向上を図っているが、このバッファ層
は、シリコンとゲルマニウムの組成比を連続的に変える
ことで、バンドギャップを約17eVから約1.5ev
まで変化させて作製していた。この時のゲルマニウムの
組成比はOから50atm%くらいまで変化している。
Table 2 In conventional device configurations, the internal electric field is created with a band width slope at the junction interface between the p-type semiconductor layer and/or the n-type semiconductor layer and the intrinsic layer (type 1 semiconductor layer). The characteristics of the photovoltaic device are improved by using a so-called Hetufa layer, which improves the band gap from about 17 eV to about 1 eV by continuously changing the composition ratio of silicon and germanium. .5ev
It was made by changing it. The composition ratio of germanium at this time varies from O to about 50 atm%.

また、シリコンとゲルマニウムの組成比を変化させるこ
とにより、イントリンシック層中に組成の分布を設は特
性を向上させるいわゆる傾斜層を設ける場合でも、バン
ドギャップの広い組成を用いる場合には、ゲルマニウム
の組成比が20atm%以下の部分を含んでいた。この
ような光起電力素子においては、上述したバッファ層や
傾斜層の特徴が充分にはいかされず、むしろゲルマニウ
ムが少ないと劣化しやすいという事実により、非晶質シ
リコンゲルマニウム光起電力素子の特性が決められてい
たのが実状である。
Furthermore, even when creating a so-called graded layer that improves properties by changing the composition ratio of silicon and germanium in the intrinsic layer, when using a composition with a wide band gap, germanium It contained a portion with a composition ratio of 20 atm % or less. In such a photovoltaic device, the characteristics of the buffer layer and gradient layer described above are not fully utilized, and in fact, the characteristics of the amorphous silicon germanium photovoltaic device are The reality is that it has been decided.

本発明の素子構造によれば、i型半導体層中のゲルマニ
ウム元素の組成比を調整しバンドプロファイルを目的の
形状にすることにより、光劣化しやすい組成の非晶質シ
リコンゲルマニウムを含む光起電力素子の初期効率を向
上させることも、可能である。
According to the device structure of the present invention, by adjusting the composition ratio of the germanium element in the i-type semiconductor layer and making the band profile into the desired shape, a photovoltaic power source containing amorphous silicon germanium with a composition that is easily photodegradable can be generated. It is also possible to improve the initial efficiency of the device.

[実 施 例] 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
[Example] Next, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例の光起電力素子の構成を、示
す模式断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

この光起電力素子は、非晶質半導体による光起電力素子
であって、基板101の上に、下部電極102、n型半
導体層103、i型半導体層104、p型半導体層10
5、透明電極106が順次積層されたものであり、さら
に透明電極106の上面に集電電極107が設けられて
いる。1型半導体層104を除く各部分の構成は、第1
1図により説明した従来の光起電力素子と同様である。
This photovoltaic element is a photovoltaic element using an amorphous semiconductor, and includes a lower electrode 102, an n-type semiconductor layer 103, an i-type semiconductor layer 104, and a p-type semiconductor layer 10 on a substrate 101.
5. Transparent electrodes 106 are sequentially laminated, and a current collecting electrode 107 is further provided on the top surface of the transparent electrodes 106. The structure of each part except the type 1 semiconductor layer 104 is as follows.
This is the same as the conventional photovoltaic element described with reference to FIG.

まず、基板101について説明する。First, the substrate 101 will be explained.

各半導体層103,104,105は高々1μm程度の
薄膜であるため適当な基板上に堆積される。このような
基板101は、単結晶もしくは単結晶でないものであっ
てもよく、さらにそれらは導電性のものであっても、ま
た電気絶縁性のものであってもよい。さらには、それら
は透光性のものであっても、また非透光性のものであっ
てもよいが、変形、歪みが少なく、所望の強度を有する
ものであることが好ましい。具体的にはFe。
Each of the semiconductor layers 103, 104, and 105 is a thin film of about 1 μm at most, and is therefore deposited on a suitable substrate. Such a substrate 101 may be single crystal or non-single crystal, and may be electrically conductive or electrically insulating. Further, although they may be translucent or non-transparent, it is preferable that they are less deformed and distorted and have desired strength. Specifically, Fe.

Ni、Cr、A1.Mo、Au、Nb、Ta。Ni, Cr, A1. Mo, Au, Nb, Ta.

V、Ti、Pt、Pd、Pbなどの金属またはこれらの
合金、例えば真ちゅう、ステンレス鋼などの薄板及びそ
の複合体、ポリエステル、ポリエチレン、ポリカーボネ
ート、セルロースアセテート、ポリプロピレン、ポリ塩
化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリア
ミド、ポリイミド、エポキシなどの耐熱性合成樹脂のフ
ィルムまたはシートあるいはこれらとグラスファイバー
、カーボンファイバー、ホウ素ファイバー、金属繊維な
どとの複合体などが挙げられる。さらに、これらの金属
の薄板、樹脂シートなどの表面に異種材質の金属薄膜及
び/または5iOz。
Metals such as V, Ti, Pt, Pd, Pb or alloys thereof, such as brass, stainless steel thin plates and composites thereof, polyester, polyethylene, polycarbonate, cellulose acetate, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene Examples include films or sheets of heat-resistant synthetic resins such as polyamide, polyimide, and epoxy, and composites of these with glass fibers, carbon fibers, boron fibers, metal fibers, and the like. Further, a metal thin film of a different material and/or 5iOz is applied to the surface of these metal thin plates, resin sheets, etc.

Si3N4.A1□03.AINなどの絶縁性薄膜をス
パッタ法、蒸着法、メツキ法などにより表面コーティン
グ処理を行ったもの、及びガラス、セラミックスなどが
挙げられる。
Si3N4. A1□03. Examples include those obtained by surface coating an insulating thin film such as AIN by sputtering, vapor deposition, plating, etc., as well as glass and ceramics.

前記基板を光起電力素子用の基板101として用いる場
合には、この帯状の基板が金属などの電気導電性のもの
である場合には直接電流取り出し用の電極としてもよい
し、合成樹脂などの電気絶縁性のものである場合には堆
積膜の形成される側の表面にA1.Ag、Pt、Au、
Ni、Ti。
When the substrate is used as the substrate 101 for a photovoltaic element, if the strip-shaped substrate is made of electrically conductive material such as metal, it may be used as an electrode for direct current extraction, or it may be made of synthetic resin or the like. If the material is electrically insulating, A1. Ag, Pt, Au,
Ni, Ti.

Mo、W、Fe、V、Cr、Cu、ステンレス、真ちゅ
う、ニクロム、SnO211n20s +ZnO,■T
O(I nz Os +5nOz )などのいわゆる金
属単体または合金及び透明導電性酸化物(TCO)をメ
ツキ、蒸着、スパッタなどの方法で予め表面処理を行っ
て電流取り出し用の電極を形成しておくことが望ましい
Mo, W, Fe, V, Cr, Cu, stainless steel, brass, nichrome, SnO211n20s +ZnO, ■T
Surface treatment is performed in advance using a method such as plating, vapor deposition, or sputtering using a so-called metal element or alloy such as O (I nz Os +5nOz ) or a transparent conductive oxide (TCO) to form an electrode for current extraction. is desirable.

もちろん、前記帯状の基板が金属などの電気導電性のも
のであっても、長波長光の基板表面上での反射率を向上
させたり、基板材質と堆積膜との間での構成元素の相互
拡散を防止するなどの目的で異種の金属層などを前記基
板上の堆積膜が形成される側に設けてもよい。また、基
板101が比較的透明であって、基板101の側から光
入射を行う層構成の光起電力素子とする場合には、前記
透明導電性酸化物や金属薄膜などの導電性薄膜を予め堆
積形成しておくことが望ましい。
Of course, even if the strip-shaped substrate is made of electrically conductive material such as metal, it is possible to improve the reflectance of long-wavelength light on the substrate surface, or to improve the interaction of constituent elements between the substrate material and the deposited film. A different metal layer or the like may be provided on the side of the substrate on which the deposited film is formed, for the purpose of preventing diffusion or the like. In addition, when the substrate 101 is relatively transparent and the photovoltaic element has a layered structure in which light is incident from the side of the substrate 101, a conductive thin film such as the transparent conductive oxide or metal thin film is coated in advance. It is desirable to form a deposit.

また、前記基板101の表面はいわゆる平滑面であって
も、微小の凹凸面であってもよい。
Further, the surface of the substrate 101 may be a so-called smooth surface or may be a minutely uneven surface.

微小の凹凸面とする場合にはその凹凸形状は半球状、円
錐状、角錐状などであって、かつその最大高さ(Rma
x)を好ましくは500人ないし5000人とすること
により、該表面での光反射が乱反射となり、該表面での
反射光の実質的な光路長の増大をもたらす。基板101
の形状は、用途により平滑表面あるいは凹凸表面の板状
、長尺ベルト状、円筒状などであることができ、その厚
さは、所望通りの光起電力素子を形成し得るように適宜
決定するが、光起電力素子として可撓性が要求される場
合、または基板101の側より光入射がなされる場合に
は、基板としての機能が充分発揮される範囲内で可能な
限り薄くすることができる。しかしながら、基板の製造
上及び取扱い上、機械的強度などの点から、通常は厚さ
10μm以上とされる。
In the case of a minutely uneven surface, the uneven shape should be hemispherical, conical, pyramidal, etc., and the maximum height (Rma
By setting x) to preferably 500 to 5,000 people, light reflection on the surface becomes diffuse reflection, resulting in a substantial increase in the optical path length of the reflected light on the surface. Substrate 101
Depending on the purpose, the shape can be a plate with a smooth or uneven surface, a long belt, a cylinder, etc., and its thickness is determined as appropriate so as to form the desired photovoltaic element. However, if flexibility is required as a photovoltaic element, or if light is incident from the side of the substrate 101, it is necessary to make it as thin as possible within the range that allows the substrate to fully function. can. However, from the viewpoint of manufacturing and handling of the substrate, mechanical strength, etc., the thickness is usually set to 10 μm or more.

この光起電力素子においては、当該素子の構成形態によ
り適宜の電極が選択使用される。それらの電極としては
、下部電極102、透明電極(上部電極)106、集電
電極107を挙げることができる。(ただし、ここでい
う上部電極とは光の入射側に設けられたものを示し、下
部電極102とは半導体層を挟んで上部電極106に対
向して設けられたものを示すこととする。) これらの電極について以下に詳しく説明する。
In this photovoltaic device, appropriate electrodes are selected and used depending on the configuration of the device. Examples of these electrodes include a lower electrode 102, a transparent electrode (upper electrode) 106, and a current collecting electrode 107. (However, the upper electrode here refers to one provided on the light incident side, and the lower electrode 102 refers to one provided opposite to the upper electrode 106 with the semiconductor layer in between.) These electrodes will be explained in detail below.

下部電極102は、基板101とn型半導体層103と
の間に設けられる。しかし基板101が導電性である場
合には、該基板101が下部電極を兼ねることができる
。ただし、基板101が導電性であってもシート抵抗値
(表面抵抗値)が高い場合には、電流取り出し用の低抵
抗の電極として、あるいは基板面での反射率を高め入射
光の有効利用を図る目的で電極102を設置してもよい
Lower electrode 102 is provided between substrate 101 and n-type semiconductor layer 103. However, if the substrate 101 is conductive, the substrate 101 can also serve as the lower electrode. However, even if the substrate 101 is conductive, if the sheet resistance value (surface resistance value) is high, it may be used as a low resistance electrode for current extraction or by increasing the reflectance on the substrate surface and making effective use of incident light. The electrode 102 may be installed for the purpose of achieving this.

電極材料としては、Ag、Au、Pt、Ni。The electrode materials include Ag, Au, Pt, and Ni.

Cr、Cu、AI、Ti、Zn、Mo、Wなどの金属ま
たはこれらの合金が挙げられ、これらの金属の薄膜を真
空蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリングなどで形成す
る。また、形成された金属薄膜は光起電力素子の出力に
対して抵抗成分とならぬように配慮されねばならず、シ
ート抵抗値として好ましくは50Ω以下、より好ましく
は10Ω以下であることが望ましい。
Examples include metals such as Cr, Cu, AI, Ti, Zn, Mo, and W, or alloys thereof, and thin films of these metals are formed by vacuum evaporation, electron beam evaporation, sputtering, or the like. Further, care must be taken so that the formed metal thin film does not become a resistance component with respect to the output of the photovoltaic element, and it is desirable that the sheet resistance value is preferably 50Ω or less, more preferably 10Ω or less.

下部電極102とn型半導体層103との間に、図示さ
れていないが、導電性酸化亜鉛(ZnO)などからなる
拡散防止層を設けてもよい。該拡散防止層の効果として
は、下部電極102を構成する金属元素がn型半導体層
103中へ拡散するのを防止するのみならず、若干の抵
抗値をもたせることで、各半導体層を挟んで設けられた
下部電極102と透明電極106との間に発生するピン
ホールなどの欠陥によるショートを防止すること、及び
薄膜による多重干渉を発生させ入射された光を光起電力
素子内に閉じ込めるなどを挙げることができる。
Although not shown, a diffusion prevention layer made of conductive zinc oxide (ZnO) or the like may be provided between the lower electrode 102 and the n-type semiconductor layer 103. The effect of the diffusion prevention layer is not only to prevent the metal element constituting the lower electrode 102 from diffusing into the n-type semiconductor layer 103, but also to provide a slight resistance value so that the metal element constituting the lower electrode 102 can be prevented from diffusing into the n-type semiconductor layer 103. To prevent short circuits due to defects such as pinholes occurring between the lower electrode 102 and the transparent electrode 106 provided, and to generate multiple interference with a thin film to confine incident light within the photovoltaic element. can be mentioned.

透明電極(上部電極)106としては、太陽や白色蛍光
灯などからの光を半導体M内に効率よく吸収させるため
に、光の透過率が85%以上であることが望ましく、さ
らに、電気的には光起電力素子の出力に対して抵抗成分
とならぬようにシート抵抗値は100Ω以下であること
が望ましい。
The transparent electrode (upper electrode) 106 preferably has a light transmittance of 85% or more in order to efficiently absorb light from the sun, a white fluorescent lamp, etc. into the semiconductor M. It is desirable that the sheet resistance value is 100Ω or less so that it does not become a resistance component with respect to the output of the photovoltaic element.

このような特性を備えた材料として、Sn○2゜I n
20s 、ZnO,CaO,CdSn0.。
As a material with such characteristics, Sn○2゜I n
20s, ZnO, CaO, CdSn0. .

IT○(In、03 +5nOz )などの金属酸化物
や、Au、Al、Cuなどの金属を極めて薄く半透明状
に成膜した金属薄膜などが挙げられる。
Examples include metal oxides such as IT◯ (In, 03 +5nOz), and metal thin films made of extremely thin, translucent metals such as Au, Al, and Cu.

透明型ri106はp型半導体層105層の上に積層さ
れるが、この作製方法としては、抵抗加熱蒸着法、電子
ビーム加熱蒸着法、スパッタリング法、スプレー法など
を用いることができ、所望に応じて適宜選択される。
The transparent RI 106 is laminated on the p-type semiconductor layer 105, and as a manufacturing method, a resistance heating evaporation method, an electron beam heating evaporation method, a sputtering method, a spray method, etc. can be used. be selected as appropriate.

集電電極107は、透明電極106の表面抵抗値を低減
させる目的で、透明電極106上に設けられる。電極材
料としては、Ag、Cr、Ni。
The current collecting electrode 107 is provided on the transparent electrode 106 for the purpose of reducing the surface resistance value of the transparent electrode 106. The electrode materials include Ag, Cr, and Ni.

AI、Au、Ti、Pt、Cu、Mo、Wなどの金属ま
たはこれらの合金の薄膜が挙げらねる7これらの薄膜は
積層させて用いることができる。また、半導体層への入
射光量が充分に確保されるよう、その形状及び面積が適
宜設計される。例えば、その形状は光起電力素子の受光
面に対して一様に広がり、かつ受光面積に対してその面
積は好ましくは15%以下、より好ましくは10%以下
であることが望ましい。また、シ・−ト抵抗値としては
、好ましくは50Ω以下、より好まし、くは10Ω以下
であることが望ましい。
Examples include thin films of metals such as AI, Au, Ti, Pt, Cu, Mo, and W, or alloys thereof.7 These thin films can be used in a stacked manner. Further, the shape and area of the semiconductor layer are appropriately designed so that a sufficient amount of light enters the semiconductor layer. For example, it is desirable that the shape spreads uniformly over the light-receiving surface of the photovoltaic element, and that its area is preferably 15% or less, more preferably 10% or less of the light-receiving area. Further, the sheet resistance value is preferably 50Ω or less, more preferably 10Ω or less.

各半導体層103,104,105は通常の薄膜作製プ
ロセスによって作製されるもので、蒸着法、スパッタ法
、高周波プラズマCVD法、マイクロ波プラズマCVD
法、ECR(電子サイクロトロン共鳴)法、熱CVD法
、LPCVD (減圧CVD)法など公知の方法を所望
に応じて用いることにより作製できる。工業的に採用さ
れている方法としては、原料ガスをプラズマで分解し、
基板上に堆積させるプラズマCVD法が好んで用いられ
る。また、反応装置としては、バッチ式の装置や連続成
膜装置などが所望に応じて使用でき □る。価電子制御
された半導体層(n型半導体層103、n型半導体層1
05)を作製する場合は、リン(P)、ボロン(B)な
どを構成原子として含むPH,、B、H6ガスなどを同
時に分解することにより行われる。
Each semiconductor layer 103, 104, 105 is manufactured by a normal thin film manufacturing process, such as a vapor deposition method, a sputtering method, a high frequency plasma CVD method, or a microwave plasma CVD method.
It can be produced by using, as desired, a known method such as the method, ECR (electron cyclotron resonance) method, thermal CVD method, or LPCVD (low pressure CVD) method. The method adopted industrially is to decompose the raw material gas with plasma,
Plasma CVD methods for depositing on a substrate are preferably used. Furthermore, as a reaction device, a batch type device, a continuous film forming device, etc. can be used as desired. Semiconductor layers with valence electrons controlled (n-type semiconductor layer 103, n-type semiconductor layer 1
05) is produced by simultaneously decomposing PH, B, H6 gases, etc. containing phosphorus (P), boron (B), etc. as constituent atoms.

i型半導体層104は、シリコンとゲルマニウムとを含
む非晶質半導体からなり、n型半導体層103との界面
側からバッファ層111、ゲルマニウム含有層112、
バッファ層113とが順次積層された構造となっている
。バッファ層111.113は、i型半導体N104の
それぞれn型半導体層103及びn型半導体層105と
の界面近傍の部分であり、いずれもバンドギャップ調整
剤(すなわちゲルマニウム)を含まない領域である。
The i-type semiconductor layer 104 is made of an amorphous semiconductor containing silicon and germanium, and includes a buffer layer 111, a germanium-containing layer 112, and a germanium-containing layer 112 from the interface side with the n-type semiconductor layer 103.
It has a structure in which buffer layers 113 are sequentially stacked. The buffer layers 111 and 113 are portions of the i-type semiconductor N104 near the interfaces with the n-type semiconductor layer 103 and the n-type semiconductor layer 105, respectively, and are regions that do not contain a band gap adjuster (that is, germanium).

一方、ゲルマニウム含有層112は、シリコンとゲルマ
ニウムとからなる層であり、ゲルマニウム含有量がn型
半導体層103からp型半導体層l○5に向かう方向に
増加するようになっている。このゲルマニウム含有量の
変化を定量的に表わすと、シリコンとゲルマニウムは本
発明でいう半導体構成元素であるから、ゲルマニウム元
素の含有量をゲルマニウムとシリコンとの和に対する比
、すなわち組成比で表わした場合、n型半導体層103
側の界面でこの組成比がOであり、膜厚方向n型半導体
層105側に向かって、組成比が0302〜0.10%
/Å程度の割合で増加するようになっている。このより
な1型半導体層104は、成膜時の原料ガスであるシリ
コン元素を含むガスとゲルマニウム元素を含むガスを分
解させて形成され、上述したゲルマニウム含有層112
におけるゲルマニウム組成比の変化は、前記ガスの流量
比を変化させることによって達成される。もちろん、バ
ッファ層111,11.3を形成するときには、ゲルマ
ニウム元素を含むガスは流さないようにしておく。
On the other hand, the germanium-containing layer 112 is a layer made of silicon and germanium, and the germanium content increases in the direction from the n-type semiconductor layer 103 to the p-type semiconductor layer l○5. Quantitatively expressing this change in germanium content, since silicon and germanium are semiconductor constituent elements as used in the present invention, when the content of germanium element is expressed as a ratio to the sum of germanium and silicon, that is, as a composition ratio. , n-type semiconductor layer 103
The composition ratio is O at the side interface, and the composition ratio is 0302% to 0.10% toward the n-type semiconductor layer 105 side in the film thickness direction.
/Å. This solid type 1 semiconductor layer 104 is formed by decomposing a gas containing a silicon element and a gas containing a germanium element, which are source gases during film formation, and is formed by decomposing a gas containing a silicon element and a gas containing a germanium element.
The change in the germanium composition ratio in is achieved by changing the flow rate ratio of the gas. Of course, when forming the buffer layers 111 and 11.3, the gas containing the germanium element is not allowed to flow.

i型半導体層104を構成する半導体材料として、非晶
質シリコンゲルマニウムのi層を作製する場合はa−3
iGe:H,a−3iGe:F。
When producing an i-layer of amorphous silicon germanium as a semiconductor material constituting the i-type semiconductor layer 104, a-3
iGe:H, a-3iGe:F.

a−3iGe:H:FなどのいわゆるIV族非晶質合金
系半導体材料が挙げられる。また、単位素子構成を積層
したタンデムセル構造において非晶質シリコンゲルマニ
ウム以外のi型半導体層を構成する半導体材料としては
、a−3i:H,a−Si :F、a−Si :H:F
、a−SiC:H。
Examples include so-called group IV amorphous alloy semiconductor materials such as a-3iGe:H:F. In addition, semiconductor materials constituting the i-type semiconductor layer other than amorphous silicon germanium in a tandem cell structure in which unit element configurations are stacked include a-3i:H, a-Si:F, and a-Si:H:F.
, a-SiC:H.

a−3i C: F、 a−S i C: H: F、
 po 1 y−3i :H,poly−8i :F、
poly−3i:H:Fなどの■族及びTV族金合金系
半導体材料他、m−v及びll−Vl族の化合物半導体
材料などが挙げられる。
a-3i C: F, a-S i C: H: F,
po1y-3i:H, poly-8i:F,
Examples include semiconductor materials such as I group and TV group gold alloys such as poly-3i:H:F, as well as m-v and ll-Vl group compound semiconductor materials.

CVD法に用いる原料ガスとしては、シリコン(Si)
元素を含む化合物として鎖状または環状シラン化合物が
用いられ、具体的には、例えば、S  i  H4,S
  i  F4 、 (SiFz  ン s、  (S
  i  F2  )a。
Silicon (Si) is used as a raw material gas for the CVD method.
A chain or cyclic silane compound is used as a compound containing the element, specifically, for example, S i H4,S
i F4 , (SiFz n s, (S
i F2) a.

(SiFz)4.Si□Fa、S :s Fa、S i
 HF3゜S   i  H2F2.S  1.、t 
  H2F4.S   i  2   H3Fs。
(SiFz)4. Si□Fa,S :s Fa,S i
HF3゜S i H2F2. S1. ,t
H2F4. S i 2 H3Fs.

5iC14,(SiC12)s、SiBr4.(SiB
rz )a、Si□C16,5iHC1s、5iH2B
ra、5iH2C12,Siz C13F3などの気体
または容易にガス化し得るものが挙げられる。
5iC14, (SiC12)s, SiBr4. (SiB
rz) a, Si□C16, 5iHC1s, 5iH2B
Examples include gases such as ra, 5iH2C12, and Siz C13F3, or those that can be easily gasified.

また、ゲルマニウム元素を含む化合物として、鎖状のゲ
ルマンまたはハロゲン化ゲルマニウム、環状のゲルマン
またはハロゲン化ゲルマニウム、鎖状または環状のゲル
マニウム化合物及びアルキル基などを有する有機ゲルマ
ニウム化合物、具体的には、QeH4,Ge2Ha、G
ez Ha、n−Gea H+o、t  Ge4 H+
o、Gea H+o。
Compounds containing germanium elements include chain germane or germanium halides, cyclic germane or germanium halides, chain or cyclic germanium compounds, and organic germanium compounds having alkyl groups, specifically QeH4, Ge2Ha,G
ez Ha, n-Gea H+o, t Ge4 H+
o, Gea H+o.

GeHs Cl、GeH4F2.G、e  (CHs)
4゜Ge (Cm H8)4.  G e  (Ce 
 H5)4.G e(CHs )2 F2.GeFnな
どが挙げられる。
GeHsCl, GeH4F2. G, e (CHs)
4°Ge (Cm H8)4. G e (Ce
H5)4. G e(CHs )2 F2. Examples include GeFn.

n型半導体層103またはn型半導体層105を構成す
る半導体材料は、前述したi型半導体層104を構成す
る半導体材料に価電子制御剤をドーピングすることによ
って得られる。作製方法は、前述したi型半導体層10
4の作製方法と同様の方法が好適に利用できる。また原
料としては、周期律表第■族堆積膜を得る場合、n型半
導体層105を得るための価電子制御剤としては周期律
表第m族の元素を含む化合物が用いられる。
The semiconductor material constituting the n-type semiconductor layer 103 or the n-type semiconductor layer 105 is obtained by doping the semiconductor material constituting the i-type semiconductor layer 104 described above with a valence electron control agent. The manufacturing method includes the above-described i-type semiconductor layer 10.
A method similar to the manufacturing method of No. 4 can be suitably used. Further, as a raw material, in the case of obtaining a deposited film of group Ⅰ of the periodic table, a compound containing an element of group m of the periodic table is used as a valence electron control agent for obtaining the n-type semiconductor layer 105.

第■族の元素としては、B、Al、Ga、Inが挙げら
れる。■族元素を含む化合物としては、具体的には、B
F3 、’B2 Ha 、B4HIO,B5He 、 
Bs H++、 Ba J(+o、 B (CH3)3
 、 B(C21(6) s 、  Be He2. 
A1:Xs 、  Al(CHs )2 C1,Al 
 (CHs ) 3.Al(OCHs)2C1,Al 
 (CH3)C12,A1(C2Ha ) ! 、 A
l  (QC2Hs ) s 、 A12(CH3)3
 C13、Al  (i  C4H9)3.AI(C3
H7)s 、 A 1 (QC489)3 、 GaX
5 。
Examples of the Group Ⅰ elements include B, Al, Ga, and In. Specifically, as a compound containing a group element, B
F3, 'B2 Ha, B4HIO, B5He,
Bs H++, Ba J(+o, B (CH3)3
, B(C21(6)s, Be He2.
A1:Xs, Al(CHs)2 C1, Al
(CHs) 3. Al(OCHs)2C1, Al
(CH3)C12,A1(C2Ha)! , A
l (QC2Hs) s, A12(CH3)3
C13, Al (i C4H9)3. AI (C3
H7)s, A1 (QC489)3, GaX
5.

Ga(OCH3) 3.Ga (QC2Ha )s 。Ga (OCH3) 3. Ga (QC2Ha)s.

Ga  (QC3H7)3  、Ga  (CH3) 
 3 、GazH,、GaH(C2Hs  )2  、
Ga  (QC2Ha)(C2HJ2. I n  (
CH3)3.1 n  (C3H7)3  。
Ga (QC3H7)3, Ga (CH3)
3.GazH,,GaH(C2Hs)2,
Ga (QC2Ha) (C2HJ2. I n (
CH3)3.1 n (C3H7)3.

I n (C4He ) 3なとが挙げられる。ただし
Xは任意のハロゲン元素である。
Examples include I n (C4He) 3. However, X is any halogen element.

n型半導体層103を得るための価電子制御剤としては
周期律表第■族の元素を含む化合物が用いられる。第■
族の元素としては、P、N。
As the valence electron control agent for obtaining the n-type semiconductor layer 103, a compound containing an element of Group Ⅰ of the periodic table is used. Part ■
Group elements include P and N.

As、Sbが挙げられる。第■族の元素を含む化合物と
しては、具体的には、NH3HN3 。
Examples include As and Sb. A specific example of a compound containing a Group Ⅰ element is NH3HN3.

N2H51’J3.N2H4,NH4N3.PX3゜P
(OCH3)3.P(○C2H3)3.P(C3H7)
!、P (QC−Ha)s、P(CHs)3. P (
C2Ha)3 、 P (Cs H7)II 。
N2H51'J3. N2H4, NH4N3. PX3゜P
(OCH3)3. P(○C2H3)3. P(C3H7)
! , P (QC-Ha)s, P(CHs)3. P (
C2Ha)3, P(CsH7)II.

P (C4H9)3.P (OCH3)3.P (QC
2Hs)3゜P(○C3H7)s、P(○c−He )
 s 。
P (C4H9)3. P (OCH3)3. P (QC
2Hs) 3゜P(○C3H7)s, P(○c-He)
s.

P (SCN)s 、P2H4,PH3,AsH3゜A
 S XS、A S (OCH3]3.A S (QC
2Ha)3 。
P (SCN)s, P2H4, PH3, AsH3゜A
S XS, A S (OCH3) 3. A S (QC
2Ha)3.

As (QC3H7) 3.、 AS (QC4He 
) 3 。
As (QC3H7) 3. , AS (QC4He
) 3.

A 5(CH3)3.A S (C2H5)3.A S
 (CsHs)3 、 5bX3 、  s−b  (
○ CH3)3. S  b(OC28B  )  3
  、  S b  (QC3H7)  3  、  
Sb(QC4He  )s  、  Sb  (CH3
)  3 、 5b(C3H7) 3.Sb (C4H
e ) 3などが挙げられる。ただしXは任意のハロゲ
ン元素である。
A5(CH3)3. A S (C2H5)3. A.S.
(CsHs)3, 5bX3, s-b (
○ CH3)3. S b (OC28B) 3
, S b (QC3H7) 3 ,
Sb(QC4He)s, Sb(CH3
) 3, 5b(C3H7) 3. Sb (C4H
e) 3 etc. However, X is any halogen element.

もちろん、これらの原料ガスは1種であってもよいが9
.2種またはそれ以上を併用してもよい。
Of course, these raw material gases may be one type, but 9
.. Two or more types may be used in combination.

前記した原料物質が常温、常圧下で気体状態である場合
にはマスフローコントローラー(以下MFC)などによ
って成膜空間への導入量を制御し、液体状態である場合
には、Ar、Heなとの希ガスまたは水素ガスをキャリ
アガスとして、必要に応じ温度制御が可能なバブラな用
いてガス化し、また固体状態である場合には、Ar、H
eなどの希ガスまたは水素ガスをキャリアガスとして加
熱昇華炉を用いてガス化して、主にキャリアガス流量と
炉温度により導入量を制御する。
When the above-mentioned raw material is in a gaseous state at room temperature and normal pressure, the amount introduced into the film forming space is controlled by a mass flow controller (hereinafter referred to as MFC), and when it is in a liquid state, it is controlled by a gas such as Ar or He. Gasify rare gas or hydrogen gas as a carrier gas using a bubbler that can control the temperature as necessary, and if it is in a solid state, Ar, H
A rare gas such as E or hydrogen gas is gasified as a carrier gas using a heating sublimation furnace, and the amount introduced is controlled mainly by the carrier gas flow rate and furnace temperature.

次に、この光起電力素子のバンドプロファイルについて
説明する。
Next, the band profile of this photovoltaic element will be explained.

第2図(a)はこの光起電力素子のバントプロファイル
を示した図である。光は図示左側から、すなわちn型半
導体層105側から入射するものとする。非晶質シリコ
ンゲルマニウム半導体では、ゲルマニウムの含有量を増
すことによりバンドギャップが狭くなるので、ゲルマニ
ウム含有層112のバッファ層113との界面付近でバ
ンドギャップは約1.30eVてあり、バッファ層11
1.113との界面付近でのバンドギャップは約1.7
0eVである。なお5本発明においては、バッファ層1
11..113は必ずしも必要なものではなく、バッフ
ァ層111..113のいずれか一方もしくは両方を取
り除いた構成とすることができる。このようにバッファ
層111゜113のいずれか一方もしくは両方を取り除
いた場合のバントプロファイルが第2図(b)〜(d)
にそれぞれ示されている。
FIG. 2(a) is a diagram showing the band profile of this photovoltaic device. It is assumed that light enters from the left side in the figure, that is, from the n-type semiconductor layer 105 side. In an amorphous silicon germanium semiconductor, the band gap becomes narrower by increasing the germanium content, so the band gap is approximately 1.30 eV near the interface between the germanium-containing layer 112 and the buffer layer 113.
The bandgap near the interface with 1.113 is approximately 1.7
It is 0eV. 5 In the present invention, the buffer layer 1
11. .. 113 is not necessarily necessary, and the buffer layer 111 . .. 113 may be removed. The bunt profiles obtained when either or both of the buffer layers 111 and 113 are removed are shown in FIGS. 2(b) to 2(d).
are shown respectively.

次に、第2図(a)に示されたバントプロファイルを有
する光起電力素子の機能について説明する。
Next, the function of the photovoltaic element having the band profile shown in FIG. 2(a) will be explained.

照射光はp型半導体層105の側から入射し、バッファ
層113、ゲルマニウム含有層]12、バッファ層1】
1において光キャリヤーが発生する。バッファ層113
はバンドギャップが広いため波長の短い光のみを吸収し
、波長の長い光はここを透過するため、光起電力素子の
内部まで光が到達し、光を有効に利用することができる
。もしここで、i型半導体層104のp型半導体層10
5との界面近傍を非晶質シリコンゲルマニウムの膜で形
成し、たとすると、該膜の本質的な膜質が悪いことや、
9層と非晶質シリコンゲルマニウムとの格子間隔の不整
合などのために再結合準位が多くなり光起電力素子特性
は悪化する。しかし1、p型半導体層105との界面近
傍には、非晶質シリコンからなるバッファ層113が設
けられているので、再結合準位が比較的少なく、pi界
面で発生した高濃度のキャリヤーが再結合しないで有効
に取り出せ、再結合準位が少ないため開放電圧も大きく
なり光電変換効率は向上する。また、バッファ層111
はバッファ層113とばぼ同様の機能を有する層であり
ni界面での格子の不整合などを緩和する。
The irradiation light enters from the side of the p-type semiconductor layer 105, and is applied to the buffer layer 113, germanium-containing layer]12, buffer layer 1]
1, optical carriers are generated. buffer layer 113
Because it has a wide bandgap, it absorbs only short-wavelength light and allows long-wavelength light to pass through it, allowing the light to reach the inside of the photovoltaic element and make effective use of the light. If here, the p-type semiconductor layer 10 of the i-type semiconductor layer 104
If the vicinity of the interface with 5 is formed with an amorphous silicon germanium film, the essential film quality of the film is poor,
Due to the lattice spacing mismatch between the 9th layer and the amorphous silicon germanium, the number of recombination levels increases and the photovoltaic device characteristics deteriorate. However, 1. Since the buffer layer 113 made of amorphous silicon is provided near the interface with the p-type semiconductor layer 105, there are relatively few recombination levels, and the high concentration of carriers generated at the pi interface is It can be effectively taken out without recombination, and since there are few recombination levels, the open circuit voltage increases and the photoelectric conversion efficiency improves. In addition, the buffer layer 111
is a layer having the same function as the buffer layer 113, and alleviates lattice mismatch at the Ni interface.

さらに、このバンドプロファイルが光生成キャリヤーの
収集に対して与える効果については、以下のように説明
される。
Furthermore, the effect that this band profile has on the collection of photogenerated carriers is explained as follows.

i型半導体層104において光学的バンドギャップはp
型半導体層105側が太き(、n型半導体層103側が
小さくなるため大部分の光励起キャリアはpFI側付近
で発生する。この際ゲルマニウム含有層113中のバン
ドギャップの傾きが急峻すぎた場合、自由正孔に対して
電界が大きくなるように働くため、n層側付近で発生し
た自由正孔はp型半導体層105に対して加速され有効
に取り出されるが、伝導帯の底のエネルギーはp層側で
小さくn層側で大きいため自由電子に対し7て電界が小
さくなるように働(。しかもi層中のゲルマニウム量が
増加し膜質が落ちるため、変換効率を向上させるために
は薄膜化する必要があり、シャント(短絡)する確率も
増加する。次にゲルマニウム含有層112中のバンドギ
ャップの傾きが緩やかすぎた場合、i層中の伝導帯の底
のエネルギーの傾斜は緩やかになるため自由電子に対し
ては比較的電界が大きくなるように働くものの、自由正
孔に対してはiM中中型電子帯頂上のエネルギーはp側
とn側で比較的差が少ないため自由正孔に対しては電界
が小さくなるように働き、さらにゲルマニウム量が少な
くなるため、より多い電流量を得ようとする場合には膜
厚はより厚(なり移動度の低い自白正孔に対して不利に
働き、劣化率も太き(なる。
The optical bandgap in the i-type semiconductor layer 104 is p
Since the type semiconductor layer 105 side is thicker (and the n-type semiconductor layer 103 side is smaller, most photoexcited carriers are generated near the pFI side. At this time, if the slope of the band gap in the germanium-containing layer 113 is too steep, free Since the electric field acts to increase the electric field for holes, free holes generated near the n-layer side are accelerated toward the p-type semiconductor layer 105 and effectively extracted, but the energy at the bottom of the conduction band is absorbed by the p-layer. Since it is small on the side and large on the n-layer side, it acts to reduce the electric field for free electrons (7).Furthermore, the amount of germanium in the i-layer increases and the film quality deteriorates, so in order to improve the conversion efficiency, it is necessary to make the film thinner. If the slope of the bandgap in the germanium-containing layer 112 is too gradual, the slope of the energy at the bottom of the conduction band in the i-layer becomes gradual, which increases the probability of a shunt. Although the electric field acts to become relatively large for electrons, for free holes there is a relatively small difference in the energy at the top of the iM medium electron band between the p side and the n side. works to reduce the electric field, and the amount of germanium also decreases, so when trying to obtain a larger amount of current, the film thickness must be thicker (which is disadvantageous for holes with low mobility, The rate of deterioration is also high.

一般に正孔よりも電子の走行性の方がよいため、電界及
び膜厚の影響は自由正孔に対して効果的に働(。一般に
光起電力素子特性は正孔の走行性に律速されるため、正
孔に対して電界が大きくなる構造とすると光起電力素子
特性は向上する。
In general, the mobility of electrons is better than that of holes, so the effects of the electric field and film thickness act effectively on free holes (in general, the characteristics of photovoltaic devices are determined by the mobility of holes). Therefore, if the structure is such that the electric field is large relative to the holes, the characteristics of the photovoltaic device will be improved.

しかし、膜厚や膜質の効果まで考虜にいれた場合、適正
なバンドギャップのプロファイルが存在する。
However, if you take into consideration the effects of film thickness and film quality, there is an appropriate band gap profile.

上述した第2図(a)〜(b)で示されるようなバンド
ファイルの素子構造を用いることにより、高効率で信頼
性の高い光起電力素子が作製できる。
By using the device structure of the band file as shown in FIGS. 2(a) to 2(b) described above, a highly efficient and reliable photovoltaic device can be manufactured.

次に、本発明の光起電力素子の実施例について、さらに
詳しく、具体的数値を挙げて説明する。なお、本発明は
、これらの実施例により、何ら限定されるものではない
Next, examples of the photovoltaic device of the present invention will be described in more detail by citing specific numerical values. Note that the present invention is not limited in any way by these Examples.

(実施例1) 第1図に示すpin型へテロ接合による光起電力素子を
第3図に示す堆積膜形成装置により作製した。
(Example 1) A photovoltaic device using a pin-type heterojunction shown in FIG. 1 was manufactured using a deposited film forming apparatus shown in FIG. 3.

まず、使用した堆積膜形成装置について説明する。First, the deposited film forming apparatus used will be explained.

この堆積膜形成装置は、複数の成膜室が直列に連結され
たものであり、連結された成膜室のうち先頭のものが成
膜室501であって、先頭の成膜室501には、導入用
のロードロック室513が接続され、最後尾のものには
取り圧し用のロードロック室(不図示)が接続されてい
る。各成膜室は同一の構成であって、成膜室501には
成膜室502が隣接している。各成膜室間や、成膜室と
ロードロック室との間は、ゲートバルブ507により開
閉自在に仕切られている。
This deposited film forming apparatus has a plurality of film forming chambers connected in series, and the first one of the connected film forming chambers is a film forming chamber 501; , a load lock chamber 513 for introduction is connected, and the last one is connected to a load lock chamber (not shown) for taking pressure. Each film forming chamber has the same configuration, and a film forming chamber 502 is adjacent to a film forming chamber 501. The film forming chambers and the film forming chamber and the load lock chamber are separated by gate valves 507 that can be opened and closed.

光起電力素子の基板101は、基板搬送用のカセット5
03に下向きに保持されるようになっている。基板搬送
用カセット503は、各成膜室及び各ロードロック室に
設けられた基板搬送手段506によって、基板101を
保持したまま、各成膜室及び各ロードロック室間を移動
できるようになっている。また、基板搬送用カセット5
03は、導電性の部材からなり、成膜室内にあるときに
は接地され、高周波プラズマCVDのための高周波放電
のカソード電極として作動する。
The substrate 101 of the photovoltaic element is placed in a cassette 5 for transporting the substrate.
03 so that it is held downward. The substrate transport cassette 503 can be moved between each film forming chamber and each load lock chamber while holding the substrate 101 by a substrate transport means 506 provided in each film forming chamber and each load lock chamber. There is. In addition, the substrate transport cassette 5
03 is made of a conductive member, is grounded when in the film forming chamber, and operates as a cathode electrode for high frequency discharge for high frequency plasma CVD.

成膜室の構造の詳細について、成膜室501により説明
する。
The details of the structure of the film forming chamber will be explained using the film forming chamber 501.

成膜室501は、排気バルブ514を介して排気ポンプ
515に接続されることによって排気可能であり、また
、ガスボンベなどの図示しないガス供給源に対してマス
フローコントローラ(不図示)を介して接続されたガス
導入管508゜509が接続されている。前記マスフロ
ーコントローラ(不図示)はマイクロコンピュータによ
って制御され、瞬時にガスの流量を変化させ得るもので
ある。典型的には、このマスフローコントローラは、設
定流量の変化に対し、1秒以内で新しい設定流量にオー
バーシュートを伴わずに到達する。設定流量に対する現
実の流量の誤差は±2%以内であった。成膜室501内
の圧力は、成膜室501に取り付けられた圧力計517
によって測定される。
The film forming chamber 501 can be evacuated by being connected to an exhaust pump 515 via an exhaust valve 514, and is also connected to a gas supply source (not shown) such as a gas cylinder via a mass flow controller (not shown). Gas inlet pipes 508 and 509 are connected. The mass flow controller (not shown) is controlled by a microcomputer and can instantaneously change the gas flow rate. Typically, the mass flow controller responds to a change in set flow rate by reaching the new set flow rate within one second without overshoot. The error between the actual flow rate and the set flow rate was within ±2%. The pressure inside the film forming chamber 501 is measured by a pressure gauge 517 attached to the film forming chamber 501.
Measured by

また、成膜室501には、上述のように基板搬送手段5
06が設けられ、基板搬送手段506によって搬送され
て成膜室501内のほぼ中央位置に移動してきた基板搬
送カセット503に対向する位置に、マツチングボック
ス511を介して高周波電源510の一端に接続された
アノード電極512が設けられている。高周波型@1s
1oの他端は接地されている。このとき、上述のように
基板搬送カセット503は接地されてカソード電極とし
て動作するので、成膜室501内を減圧にして所定のガ
スを導入し、高周波型!510を作動させることにより
、成膜室501内で高周波プラズマ放電が発生する。
Further, in the film forming chamber 501, a substrate transport means 5 is provided as described above.
06 is provided and connected to one end of a high frequency power source 510 via a matching box 511 at a position opposite to the substrate transport cassette 503 that has been transported by the substrate transport means 506 and moved to an approximately central position in the film forming chamber 501. An anode electrode 512 is provided. High frequency type @1s
The other end of 1o is grounded. At this time, as described above, the substrate transport cassette 503 is grounded and operates as a cathode electrode, so the pressure inside the film forming chamber 501 is reduced and a predetermined gas is introduced, and a high frequency type! By operating 510, high frequency plasma discharge is generated within the film forming chamber 501.

さらに、成膜室501内の前記はぼ中央位置に移動して
きた基板保持カセット503に保持された基板101を
加熱するため、ヒータ505が設けられ、前記加熱の状
況は熱電対504によってモニタされるようになってい
る。
Further, a heater 505 is provided to heat the substrate 101 held in the substrate holding cassette 503 that has been moved to the center position of the film forming chamber 501, and the heating status is monitored by a thermocouple 504. It looks like this.

次に成膜方法について説明する。Next, a film forming method will be explained.

まず、表面を鏡面研磨し最大表面高さ(Rmax)を0
.05μm以下とした50mmX50mmの大きさのス
テンレス(SUS304)製の基板101を不図示のス
パッタリング装置内に入れ、該装置内を10−IITo
rr以下に真空排気した後、Arをスパッタ用ガスとし
て用い、前記基板101上に下部電極102(第1図)
となる約1000人の厚さのAg薄膜を堆積した。この
基板101を取り出し、ロードロック室513内にある
基板搬送手段506上の基板搬送カセット503上に、
下部電極102の堆積された面を第3図に示すように下
側に向けて固定し、ロードロック室513内を不図示の
排気ポンプで1O−5Torr以下の圧力に真空排気し
た。この間、成膜室501は排気ポンプ515により1
0−’Torr以下の圧力に排気されている。両室に圧
力がほぼ等しくなった時点で両者を仕切るゲートバルブ
507を開け、基板搬送手段506を用いて基板搬送カ
セット503を成膜室501内に移動し再び前記ゲート
バルブ507を閉じた。
First, mirror polish the surface and reduce the maximum surface height (Rmax) to 0.
.. A stainless steel (SUS304) substrate 101 with a size of 50 mm x 50 mm and a size of 0.05 μm or less is placed in a sputtering device (not shown), and the inside of the device is filled with 10-IITo.
After evacuation to below rr, a lower electrode 102 (FIG. 1) is formed on the substrate 101 using Ar as a sputtering gas.
A thin Ag film with a thickness of approximately 1000 nm was deposited. This substrate 101 is taken out and placed on the substrate transfer cassette 503 on the substrate transfer means 506 in the load lock chamber 513.
The surface on which the lower electrode 102 was deposited was fixed facing downward as shown in FIG. 3, and the inside of the load lock chamber 513 was evacuated to a pressure of 10-5 Torr or less using an exhaust pump (not shown). During this time, the film forming chamber 501 is operated by the exhaust pump 515.
It is evacuated to a pressure below 0-'Torr. When the pressures in both chambers became almost equal, the gate valve 507 separating the two chambers was opened, the substrate transport cassette 503 was moved into the film forming chamber 501 using the substrate transport means 506, and the gate valve 507 was closed again.

次に、ヒーター505にて基板101の表面温度が20
0℃となるように加熱を行った。基板温度が安定した時
点で、不図示のボンベに貯蔵された5izesガス10
105cとPH3ガス(水素ガスにて1%希釈)12s
ccm及びH2ガス300Sccmを混合しつつ、ガス
導入管508,509より導入した。次いで、排気バル
ブ514の開度を調節し、成膜室501の内圧を1.5
Torrに保った。高周波電源510はマチングボック
ス511を介してアノード電極512に接続されており
、前記高周波電源510より13.56MHzの高周波
電力20Wを直ちに投入することにより、アモルファス
n型S1 H膜からなるn型半導体層103の成膜が開
始される。
Next, the surface temperature of the substrate 101 is raised to 20°C using the heater 505.
Heating was performed to a temperature of 0°C. When the substrate temperature stabilizes, 5izes gas 10 stored in a cylinder (not shown) is added.
105c and PH3 gas (1% diluted with hydrogen gas) 12s
ccm and 300 Sccm of H2 gas were introduced through gas introduction pipes 508 and 509 while being mixed. Next, the opening degree of the exhaust valve 514 is adjusted to reduce the internal pressure of the film forming chamber 501 to 1.5.
It was kept at Torr. A high frequency power source 510 is connected to an anode electrode 512 via a matching box 511, and by immediately applying 20 W of high frequency power of 13.56 MHz from the high frequency power source 510, an n-type semiconductor made of an amorphous n-type S1H film is produced. Deposition of layer 103 is started.

n型半導体層103が厚さ200人にわたって形成され
たら、ガスの導入と高周波電力の供給を停止し、排気ポ
ンプ515により成膜室501内を10−’Torr以
下に排気した。なお、このとき、成膜室501に隣接す
る成膜室502内も1O−5Torr以下に排気してお
いた。
After the n-type semiconductor layer 103 was formed to a thickness of 200 layers, the introduction of gas and the supply of high frequency power were stopped, and the inside of the film forming chamber 501 was evacuated to 10-' Torr or less using the exhaust pump 515. At this time, the inside of the film forming chamber 502 adjacent to the film forming chamber 501 was also evacuated to 10-5 Torr or less.

次に、基板101を基板搬送カセット503ごと基板搬
送手段506により成膜室501から成膜室502に移
動させた。成膜室502は、n型半導体層104を成膜
するためのものである。
Next, the substrate 101 and the substrate transport cassette 503 were moved from the film forming chamber 501 to the film forming chamber 502 by the substrate transport means 506. The film forming chamber 502 is for forming the n-type semiconductor layer 104.

成膜室501と成膜室502とはゲートバルブ507に
よって仕切られ、基板101を搬送するときのみゲート
バルブを開放することにより、n型半導体層104への
n型不純物の混入を防ぐことができる。
The deposition chamber 501 and the deposition chamber 502 are separated by a gate valve 507, and by opening the gate valve only when transporting the substrate 101, it is possible to prevent n-type impurities from entering the n-type semiconductor layer 104. .

上述と同様にに基板101を加熱し、基板温度が安定し
たら、成膜室502内に5izHaガスを10secm
、 H2ガスを100 secm導入し、20秒間にわ
たって12Wの高周波電力(13,56MHz)を投入
して、n型半導体層103の上に厚さ50人のアモルフ
ァスi型Si :Hからなるバッファ層111を形成し
た。
The substrate 101 is heated in the same manner as described above, and once the substrate temperature is stabilized, 5izHa gas is introduced into the film forming chamber 502 for 10 seconds.
, H2 gas was introduced for 100 seconds, and 12 W of high frequency power (13.56 MHz) was applied for 20 seconds to form a buffer layer 111 made of amorphous i-type Si:H with a thickness of 50 nm on the n-type semiconductor layer 103. was formed.

引き続き、Si2H6ガス、H2ガスを導入し、高周波
電力を投入しながら、マスタフローコントローラ(不図
示)を制御することにより成膜室502内にGeHaガ
スを導入して、アモルファスi型5iGe:Hからなる
厚さ1000人のゲルマニウム含有層112を形成した
。この場合、ゲルマニウム含有層112の成膜中、G 
e H4ガスの流量を変化させることにより、ゲルマニ
ウム含有層112中のゲルマニウムの含有量がn型半導
体層103側から後述するn型半導体層105側に向か
う方向に増加するようにした。
Subsequently, Si2H6 gas and H2 gas are introduced, and GeHa gas is introduced into the film forming chamber 502 by controlling a master flow controller (not shown) while supplying high-frequency power to form amorphous i-type 5iGe:H. A germanium-containing layer 112 having a thickness of 1000 layers was formed. In this case, during the formation of the germanium-containing layer 112, G
e By changing the flow rate of H4 gas, the content of germanium in the germanium-containing layer 112 was made to increase in the direction from the n-type semiconductor layer 103 side to the n-type semiconductor layer 105 side, which will be described later.

ゲルマニウム含有層112の成膜についてより詳細に述
べると、ゲルマニウム含有層112の成膜開始時にはG
 e H4ガスの流量を0とし、ゲルマニウム含有層1
12の成膜の進行に伴ってG e H4ガスの流量が増
加するようにマスフローコントローラを制砒した。この
場合、上述の参考実験の結果から、G e H4ガスの
流量と成I莫される膜中のゲルマニウム組成比(シリコ
ンとゲルマニウムの和に対するゲルマニウム元素の含有
量の比)がわかっているから、膜厚方向の組成比が一定
の割合で増加するように、マイクロコンビニーりによっ
てG e H4ガスの流量を制御した。膜厚方向の位置
とゲルマニウム組成比の関係を模式的に示したものが第
4図である。そしてゲルマニウム含有層112の膜厚が
所定の厚さ(ここでは1000人)に達したら、直ちに
G e H4ガスの導入を中止してゲルマニウム含有層
11.2の成膜を終了した。ゲルマニウム含有層112
の膜厚が前記所定の厚さに達した瞬間すなわぢゲルマニ
ウム含有層112の成膜を終了する直前のG e H4
ガスの流量はI 5CCDIであった。また、ゲルマニ
ウム含有層112の成膜時間は 8分であった。また、
G e H4ガスの導入を中止する場合、瞬間的にG 
e )(aガスの流量をOにする必要があるので、マス
フローコントローラ(不図示)に予め電磁弁を直列に接
続しておき、この電磁弁を閉じるようにした。
To describe the formation of the germanium-containing layer 112 in more detail, when starting the formation of the germanium-containing layer 112, G
e With the flow rate of H4 gas set to 0, germanium-containing layer 1
The mass flow controller was controlled so that the flow rate of G e H4 gas increased as the film formation of No. 12 progressed. In this case, from the results of the reference experiment mentioned above, the flow rate of the G e H4 gas and the germanium composition ratio in the film to be formed (the ratio of the germanium element content to the sum of silicon and germanium) are known. The flow rate of the G e H4 gas was controlled by a microcontroller so that the composition ratio in the film thickness direction increased at a constant rate. FIG. 4 schematically shows the relationship between the position in the film thickness direction and the germanium composition ratio. When the film thickness of the germanium-containing layer 112 reached a predetermined thickness (here, 1000 people), the introduction of the G e H4 gas was immediately stopped, and the film formation of the germanium-containing layer 11.2 was completed. Germanium-containing layer 112
At the moment when the film thickness of G e H4 reaches the predetermined thickness, that is, immediately before the film formation of the germanium-containing layer 112 is completed,
The gas flow rate was I 5 CCDI. Further, the film-forming time for the germanium-containing layer 112 was 8 minutes. Also,
G e When stopping the introduction of H4 gas, the G
e) (a) Since it was necessary to set the flow rate of gas to O, a solenoid valve was connected in series to a mass flow controller (not shown) in advance, and this solenoid valve was closed.

ゲルマニウム元素112の成膜が終了したら、引き続き
Si2H6ガス、H2ガスの導入と高周波電力の投入を
20秒間にわたって行い、ゲルマニウム含有層112の
上に厚さ50人のアモルファスi型Si :Hからなる
バッファ層113を形成した。バッファ層113の形成
が終了したらガスと高周波電力の供給を停止し、成膜室
502内をl 0−5Torr以下に排気した。
After the film formation of the germanium element 112 is completed, the introduction of Si2H6 gas and H2 gas and the input of high-frequency power are continued for 20 seconds, and a buffer made of amorphous i-type Si:H with a thickness of 50 μm is formed on the germanium-containing layer 112. Layer 113 was formed. After the formation of the buffer layer 113 was completed, the supply of gas and high frequency power was stopped, and the inside of the film forming chamber 502 was evacuated to below 10-5 Torr.

なお、n型半導体層104すなわちバッファ層111、
ゲルマニウム含有層112、バッファ層113を成膜し
ているとき、成膜室502内の圧力が1.1Torrで
安定するように制御した。
Note that the n-type semiconductor layer 104, that is, the buffer layer 111,
While forming the germanium-containing layer 112 and the buffer layer 113, the pressure inside the film forming chamber 502 was controlled to be stable at 1.1 Torr.

次に、成膜室502に隣接し、かつ予め1O−5Tor
r以下に排気された成膜室(不図示)に、基板101を
基板搬送カセット503に保持したまま基板搬送手段5
06により搬送した。この成膜室はn型半導体層105
を形成するためのものである。基板101を230℃に
加熱し、基板温度が安定したら、S i Haガス5 
sccm、 B F 3ガス(水素ガスにて2%希釈)
 5 secm、 H2ガス300 secmをこの成
膜室に導入して内圧が15Torrに保たれるようにし
、150wの高周波電力を投入して厚さ100人の微結
晶p型Siからなるp型半導体層105をバッファ層1
13の上に形成した。
Next, the film is placed adjacent to the film forming chamber 502 and is heated to 10-5 Torr in advance.
The substrate transport means 5 is placed in a film forming chamber (not shown) that is evacuated to a temperature below r, while the substrate 101 is held in the substrate transport cassette 503.
Transported by 06. This film forming chamber has an n-type semiconductor layer 105.
It is intended to form a After heating the substrate 101 to 230° C. and stabilizing the substrate temperature, the Si Ha gas 5
sccm, B F 3 gas (2% diluted with hydrogen gas)
A p-type semiconductor layer made of microcrystalline p-type Si with a thickness of 100 μm was formed by introducing 5 sec. 105 as buffer layer 1
It was formed on top of 13.

p型半導体層105が形成されたら、不図示の取り出し
用ロードロック室を経て、nip型半型体導体層成され
た基板101を取り出した。
After the p-type semiconductor layer 105 was formed, the substrate 101 on which the nip-type semi-conductor layer was formed was taken out through a load-lock chamber for taking out (not shown).

この基板101をInとSnの金属粒が重量比1・1で
充填された蒸着用ボートがセットされた真空蒸着装置に
装着し、該装置を10 ”@Torr以]に真空排気し
た後、抵抗加熱法により1x10−37’orr程度の
酸素雰囲気中で透明電極106としてITO薄膜(I 
n203−5n02 )を約700人の厚さでp型半導
体層105の上に蒸着した。
This substrate 101 is mounted on a vacuum evaporation apparatus equipped with an evaporation boat filled with metal particles of In and Sn at a weight ratio of 1.1, and after evacuating the apparatus to 10"@Torr or higher, An ITO thin film (I
n203-5n02) was deposited on the p-type semiconductor layer 105 to a thickness of about 700 nm.

このときの基板温度は170”Cとした。冷却後、この
基板101を取り出し、透明電極106の上面に集電電
極パターン形成用パーマロイ製マスクを密着させ、真空
蒸着装置に入れ、10−!ITorr以下に真空排気し
た後、抵抗加熱法によりAgを厚さ約08μm蒸看U3
櫛形状の集電電極107を25個形成し、各々サブセル
として個別に評価できるようにした。
The substrate temperature at this time was 170"C. After cooling, the substrate 101 was taken out, a permalloy mask for forming a current collecting electrode pattern was closely attached to the upper surface of the transparent electrode 106, and the substrate was placed in a vacuum evaporation apparatus at 10-!ITorr. After vacuum evacuation, Ag was evaporated to a thickness of about 08 μm by resistance heating method.
Twenty-five comb-shaped current collecting electrodes 107 were formed so that each could be evaluated individually as a subcell.

以上のようにして作製された光起電力素子を試料Al−
1とした。
The photovoltaic device produced as described above was used as sample Al-
It was set to 1.

次に、ゲルマニウム含有層112の成膜終了直前におけ
るG e H4ガスの流量がそわぞれ3゜4.5,10
,20.25.30sccmとし、他は試料A1−1と
同様にして、試料A1−2〜A】−8までを作製した。
Next, the flow rates of G e H4 gas immediately before the end of film formation of the germanium-containing layer 112 are 3°4.5 and 10°, respectively.
, 20, 25, and 30 sccm, and in the same manner as sample A1-1, samples A1-2 to A]-8 were prepared.

もぢろん、試料Al−2〜A1−8のそれぞれのゲルマ
ニウム含有層112のゲルマニウム組成比の膜厚方向へ
の変化は、試料A1−1と同様に、ゲルマニウム含有層
112のn型半導体層103側の界面からn型半導体層
105側に向かって直線的に増加している。
Of course, the change in the germanium composition ratio of the germanium-containing layer 112 of each of samples Al-2 to A1-8 in the film thickness direction is similar to that of sample A1-1. It increases linearly from the interface on the 103 side toward the n-type semiconductor layer 105 side.

苫式料A1−1〜A1−8に−フいて、ゲルマニウム含
有層112のゲルマニウム元素の分布をオージェ電子分
光法で調べた。その結果を膜厚方向のゲルマニウム組成
比の変化で表わしたものが第5図である。
Regarding Tomoshiki materials A1-1 to A1-8, the distribution of germanium element in the germanium-containing layer 112 was investigated by Auger electron spectroscopy. FIG. 5 shows the results expressed as changes in the germanium composition ratio in the film thickness direction.

次に、光起電力素子の試料Al−1〜A!−8のそれぞ
れについて、透明電極106の側からソーラーシミュレ
ータによりAM値が1.5の太f4光(100mW/c
m”)を照射し、光起電力素子の各々のサブセルについ
て光電変換効率ηと光電流の値を求めた。このときシャ
ント(短絡)しているために光電変換効率が求められな
いサブセルがあればそのサブセルの個数を求めて、11
m1の光起電力素子に含まれるサブセル(25個)のう
ちシャントしているサブセルの割合であるシャント率を
算出した。すなわち、シャント率4%は25個のサブセ
ル91個がシャントしていたことを示す。さらに、照射
光の波長別に光キャリアの収集効率を求め、収集効率曲
線を得た。
Next, photovoltaic element samples Al-1 to A! −8, thick f4 light (100 mW/c
m”), and the photoelectric conversion efficiency η and photocurrent values were determined for each subcell of the photovoltaic element. Find the number of subcells, 11
The shunt rate, which is the ratio of subcells shunting among the subcells (25) included in the photovoltaic element m1, was calculated. That is, a shunt rate of 4% indicates that 91 out of 25 subcells were shunting. Furthermore, the collection efficiency of photocarriers was determined for each wavelength of irradiation light, and a collection efficiency curve was obtained.

変換効率、光電流、シャント率についての結果を第3表
に示す。この表中G e H4流量(seem)はゲル
マニウム倉荷N112の成lla終了直前におけるG 
e Haガスの流量であり、変換効率、光電流は、サブ
セルごとに求めたものの平均(シャントしていたサブセ
ルも含めて算出)を試料Al−1における変換効率、光
電流をl Oどした相対値で表示しである。また、Ge
組成比の変化率の欄は、ゲルマニウム組成比の変化の大
きさを膜厚方向への変化率で表示したものである。参考
のため、後述する比較例による試料C−1でのこれらの
値も合わせて記載じた。
Table 3 shows the results regarding conversion efficiency, photocurrent, and shunt rate. In this table, the G e H4 flow rate (seem) is the G e H4 flow rate (seem) just before the completion of the formation of germanium cargo N112.
e is the flow rate of Ha gas, and the conversion efficiency and photocurrent are the averages of those obtained for each subcell (calculated including the shunted subcells), and the conversion efficiency and photocurrent in sample Al-1 are calculated as the relative It is displayed as a value. Also, Ge
The column for rate of change in composition ratio shows the magnitude of change in the germanium composition ratio in terms of rate of change in the film thickness direction. For reference, these values for sample C-1 according to a comparative example to be described later are also listed.

第   3   表 以上の結果より、ゲルマニウム含有N112中のゲルマ
ニウムの組成比の膜厚方向への変化率が0.02〜0.
10(%/Å)であれば(試料A1−3〜Al−8)、
変換効率、光電流の少なくとも一方が、10以上であり
、光起電力素子として良好なものであることがわかった
。また、第5図と第4表の結果を比較することにより、
ゲルマニウム含有層112のp型半導体N112側の界
面でのゲルマニウムの組成比が20〜70原子%の範囲
であれば、良好な光起電力素子となることもわかった。
From the results shown in Table 3, the rate of change in the composition ratio of germanium in the germanium-containing N112 in the film thickness direction is 0.02 to 0.
If it is 10 (%/Å) (sample A1-3 to Al-8),
It was found that at least one of conversion efficiency and photocurrent was 10 or more, and that the device was good as a photovoltaic device. Also, by comparing the results in Figure 5 and Table 4,
It has also been found that if the composition ratio of germanium at the interface on the p-type semiconductor N112 side of the germanium-containing layer 112 is in the range of 20 to 70 at %, a good photovoltaic element can be obtained.

なお、ゲルマニウム元素が増加すると、光吸収量が増す
ため、膜厚は薄くても充分な特性が漏られると期待され
たものの、シャントが多発し、それに伴い変換効率は悪
化した。
Incidentally, as the germanium element increases, the amount of light absorption increases, so although it was expected that sufficient characteristics would be leaked even if the film thickness was thin, shunts occurred frequently and the conversion efficiency deteriorated accordingly.

(比較例1) 実施例1と同様であるが、実施例1のゲルマニウム含有
層112に相当する層において、ゲルマニウムが均一に
含有された光起電力素子を作成した。
(Comparative Example 1) A photovoltaic element was produced in the same manner as in Example 1, but in which germanium was uniformly contained in the layer corresponding to the germanium-containing layer 112 of Example 1.

まず、この光起電力素子の製造方法について説明する。First, a method for manufacturing this photovoltaic element will be explained.

実施例1と同様に表面を鏡面研磨した。50mmX50
mmの大きさのステンレス(SUS304)製の基板上
に、実施例1と同様に下部電極と、n型半導体層を形成
した。
The surface was mirror polished in the same manner as in Example 1. 50mmX50
As in Example 1, a lower electrode and an n-type semiconductor layer were formed on a substrate made of stainless steel (SUS304) with a size of mm.

次に、n型半導体層を成膜するための成膜室からi型半
導体層を成膜するための成膜室へ、真空を破らないまま
で、この基板を移動させ、基板表面を200℃に加熱し
ながら、5i2Hsガス10105e、H2ガス100
 sccmを導入し、12Wの高周波電力を投入して2
0秒間成膜を行うことにより、厚さ50人の非晶質i型
Si :Hからなるバッファ層をn型半導体層上に形成
した。
Next, without breaking the vacuum, the substrate was moved from the deposition chamber for depositing the n-type semiconductor layer to the deposition chamber for depositing the i-type semiconductor layer, and the substrate surface was heated to 200°C. While heating to 5i2Hs gas 10105e, H2 gas 100
Introducing sccm and applying 12W of high frequency power to
By performing film formation for 0 seconds, a buffer layer made of amorphous i-type Si 2 :H with a thickness of 50 nm was formed on the n-type semiconductor layer.

引き続き、5izHaガス、H2ガスを導入し、高周波
電力を投入しながら、さらにG e H4ガス1 sc
emを導入して8分間成膜を行い、厚さ1000人の非
晶質i型5iGeからなる層を形成した。この層の成膜
中、G e H4ガスの流量は一定であるので、この層
中のゲルマニウム元素の分布は一様である。この層の成
膜が終了したらG e Haガスの導入を中止し、5i
2HaガスとH2ガスのみを導入して20秒開成膜を行
い、厚さ50人の非晶質i型Si :Hからなるバッフ
ァ層を成膜し、i型半導体層の成膜を終了した。成膜時
の圧力は1.1丁orrであった。
Subsequently, 5izHa gas and H2 gas were introduced, and while applying high frequency power, G e H4 gas 1 sc was added.
EM was introduced and film formation was performed for 8 minutes to form a layer of amorphous i-type 5iGe with a thickness of 1000 nm. During the deposition of this layer, the flow rate of G e H4 gas is constant, so the distribution of germanium elements in this layer is uniform. After the film formation of this layer is completed, the introduction of G e Ha gas is stopped and the 5i
Open film formation was performed for 20 seconds by introducing only 2Ha gas and H2 gas, and a buffer layer made of amorphous i-type Si:H was formed to a thickness of 50 layers, thereby completing the film formation of the i-type semiconductor layer. The pressure during film formation was 1.1 torr.

次に、実施例1と同様に、n型半導体層、透明電極、集
電電極を形成し、光起電力素子を完成させた。この光起
電力素子を試料C−1とする。
Next, in the same manner as in Example 1, an n-type semiconductor layer, a transparent electrode, and a current collecting electrode were formed to complete a photovoltaic device. This photovoltaic device is referred to as sample C-1.

さらにi型半導体M中の非晶質i型5iGeからなる層
を成膜するときのG e H4ガスの流量をそれぞれ3
゜4,5,10,20,25,30sccmとして試料
C−2〜C−8までの各光起電力素子を同様に作製した
Furthermore, the flow rates of G e H4 gas when forming a layer consisting of amorphous i-type 5iGe in the i-type semiconductor M were set to 3, respectively.
Each photovoltaic device of samples C-2 to C-8 was produced in the same manner at 4, 5, 10, 20, 25, and 30 sccm.

試料C−1〜C−8について、実施例1と同様に、変換
効率、シャント率、収集効率を測定した。その結果につ
いて第4表に示す。表中、G e Ha流量は、上述の
非晶質i型5iGeからなる層を成膜したときのG e
 H4ガスの流量であり、収集効率は800nmでの値
である。変換効率と収集効率とは、試料C−1における
値を1.0とした相対値で表示しである。
Conversion efficiency, shunt rate, and collection efficiency were measured for samples C-1 to C-8 in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 4. In the table, the G e Ha flow rate is the G e Ha flow rate when the above-mentioned amorphous i-type 5iGe layer is formed.
The flow rate of H4 gas is the value at 800 nm, and the collection efficiency is the value at 800 nm. Conversion efficiency and collection efficiency are expressed as relative values with the value for sample C-1 being 1.0.

第   4   表 この結果より、G e H4ガスの流量が、5i28e
ガスの流量10105eに対して、4〜20 secm
の範囲にあるとき、変換効率が大きくなることがわかる
。上述の参考実験と非晶質i型5iGeからなる層の成
膜条件は同一であるから、この参考実験と比較すると、
ゲルマニウムの組成比として22〜67原子%の範囲に
あれば変換効率が良好な値を示すことがわかる。
Table 4 From this result, the flow rate of G e H4 gas is 5i28e
4 to 20 sec for gas flow rate 10105e
It can be seen that the conversion efficiency increases when the value is within the range of . Since the deposition conditions for the layer consisting of amorphous i-type 5iGe are the same as in the reference experiment described above, when compared with this reference experiment,
It can be seen that the conversion efficiency exhibits a good value when the composition ratio of germanium is in the range of 22 to 67 atomic %.

また、ゲルマニウムの含有比が太き(なると、光学的バ
ンドギャップが狭くなり、長波長光での収集効率は向上
し、光電流も増加するが、含有比が大きくなりすぎると
、他の因子の影響により光電変換効率は低下する。
In addition, if the content ratio of germanium is large (the optical band gap becomes narrower, the collection efficiency for long wavelength light improves, and the photocurrent increases, but if the content ratio becomes too large, other factors As a result, photoelectric conversion efficiency decreases.

(比較例2) 上述した比較例1では、i型半導体層の成膜にSigH
sガスを使用しているが、5izHsガスの代わりにS
iH4ガスを使用して光起電力素子を作成した。さらに
詳しく述べると、比較例1では、5i2Haガス10 
sccm、 H2ガス1100BCCを導入し、高周波
電力12Wを投入したが、ここでは、S i Haガス
30 Sccm、 H、ガス300 sccmを導入し
、20Wの高周波電力を投入した。他は比較例1と同様
にし、i型半導体層中の非晶質i型5iGeからなる層
の成膜時のG e H4ガスの流量をそれぞれ1,3,
4.5゜10.20,25,30sccmとして、光起
電力素子の試料C−9〜C−16までの作製した。
(Comparative Example 2) In Comparative Example 1 described above, SigH was used to form the i-type semiconductor layer.
S gas is used, but S gas is used instead of 5izHs gas.
A photovoltaic device was created using iH4 gas. To explain in more detail, in Comparative Example 1, 5i2Ha gas 10
1100 sccm of H2 gas and 12 W of high frequency power were introduced, but here, 30 sccm of S i Ha gas and 300 sccm of H2 gas were introduced and 20 W of high frequency power was input. Other conditions were the same as in Comparative Example 1, and the flow rates of G e H4 gas were set to 1, 3,
4.5°10.20, 25, and 30 sccm, photovoltaic device samples C-9 to C-16 were prepared.

これらの試料C−9〜C−16について、比較例1と同
様に、光電変換効率、シャント率、収集効率を測定した
。その結果を第5表に示す。なお、この表中、変換効率
と収集効率とは、試料C−9の値をそれぞれ1.○とし
た相対値によって表示されている。
Regarding these samples C-9 to C-16, the photoelectric conversion efficiency, shunt rate, and collection efficiency were measured in the same manner as in Comparative Example 1. The results are shown in Table 5. Note that in this table, the conversion efficiency and collection efficiency are the values of sample C-9 of 1. It is displayed as a relative value marked with ○.

第   5   表 この結果より、G e H4ガスの流量が4〜20se
cmの範囲にあれば良好な変換効率が得られることがわ
かった。
Table 5 From this result, the flow rate of G e H4 gas is 4 to 20 se
It has been found that good conversion efficiency can be obtained within a range of cm.

つまり、ゲルマニウムの組成比が小さすぎると望む光電
流が得られなくなり、一方、ゲルマニウムの組成比が大
きすぎるとゲルマニウム原子が不純物として働くため、
他の特性決定因子の影響により変換効率が低下する。
In other words, if the germanium composition ratio is too small, it will not be possible to obtain the desired photocurrent; on the other hand, if the germanium composition ratio is too large, germanium atoms will act as impurities.
Conversion efficiency decreases due to the influence of other characteristic determining factors.

(実施例2) 上述した実施例1ではゲルマニウム含有層112の膜厚
は1000人と一定であったが、ここではゲルマニウム
含有層112の膜厚を変えて光起電力素子を作成した。
(Example 2) In Example 1 described above, the film thickness of the germanium-containing layer 112 was constant for 1000 people, but here, the film thickness of the germanium-containing layer 112 was changed to create a photovoltaic element.

まず、この光起電力素子の作成方法について説明する。First, a method for producing this photovoltaic device will be explained.

実施例1と同様に、50mmX50mmの大きさのステ
ンレス製の基板101の上に下部電極102とn型半導
体層103を形成した。次に、n型半導体N103を成
膜するために成膜室からi型半導体層104を成膜する
ための成膜室へ、真空を破らないままで基板101を移
動させ、基板101を加熱した。そして実施例1と同様
にして、5izHsガス10 sccm、 H2ガス1
01005cを導入しなから12Wの高周波電力を投入
し、12秒間成膜を行って厚さ50人の非晶質i型Si
 :HからなるバッファN111をn型半導体層103
の上に形成した。
As in Example 1, a lower electrode 102 and an n-type semiconductor layer 103 were formed on a stainless steel substrate 101 measuring 50 mm x 50 mm. Next, the substrate 101 was moved from the deposition chamber for depositing the n-type semiconductor N103 to the deposition chamber for depositing the i-type semiconductor layer 104 without breaking the vacuum, and the substrate 101 was heated. . Then, in the same manner as in Example 1, 5iz Hs gas 10 sccm, H2 gas 1
01005c was introduced, 12 W of high-frequency power was applied, and the film was formed for 12 seconds to form amorphous i-type Si with a thickness of 50 mm.
:H buffer N111 is connected to the n-type semiconductor layer 103.
formed on top of.

引き続きSi、H,ガス、H2ガスを導入し、高周波電
力を投入しながら、GeH+ガスを導入して、ゲルマニ
ウム含有層112を成膜した。この場合、ゲルマニウム
含有層112の成膜開始時にはG e Haガスの流量
なOとし、ゲルマニウム含有層112の成膜の進行とと
もにG e H4ガスの流量を増加させ、ゲルマニウム
含有層112の成膜終了直前にはG e H4ガスの流
量が1 secmとなるようにした。さらに、ゲルマニ
ウム含有層112中のゲルマニウム組成比が膜厚方向に
直線的に増加するように、マスフローコントローラ(不
図示)によってGeH4ガスの流量を制御した。ゲルマ
ニウム含有層112の膜厚は、作成される光起電力素子
の光電流が上述した実施例】のA1−4の光起電力素子
の光電流とほぼ等しくなるよう、実験によって決定した
。ここでは、膜厚は約1900人である。膜厚の制御は
、成膜時間を変えることによって行った。
Subsequently, Si, H, gas, and H2 gas were introduced, and while high frequency power was being applied, GeH+ gas was introduced to form the germanium-containing layer 112. In this case, when the germanium-containing layer 112 is formed, the flow rate of the G e Ha gas is set to O, and as the germanium-containing layer 112 is formed, the flow rate of the G e H4 gas is increased, and the germanium-containing layer 112 is finished forming. Immediately before, the flow rate of G e H4 gas was set to 1 sec. Further, the flow rate of the GeH4 gas was controlled by a mass flow controller (not shown) so that the germanium composition ratio in the germanium-containing layer 112 increased linearly in the film thickness direction. The thickness of the germanium-containing layer 112 was determined through experiments so that the photocurrent of the photovoltaic device to be produced was approximately equal to the photocurrent of the photovoltaic device A1-4 of the above-mentioned example. Here, the film thickness is about 1900 people. The film thickness was controlled by changing the film formation time.

ゲルマニウム含有層112の成膜終了後、引き続き5i
zHsガス、H2ガスを導入し、高周波電力を投入して
20秒開成膜を行い、厚さ50人に非晶質i型Si :
Hからなるバッファ屡113を形成した。その後、実施
例1と同様にしてp型半導体層105.透明電極106
、集電電極107を形成した。このようにして作成され
た光起電力素子を試料A2−1とする。
After completing the film formation of the germanium-containing layer 112, 5i
Introducing zHs gas and H2 gas, applying high frequency power, and performing open film formation for 20 seconds to form amorphous i-type Si to a thickness of 50 mm.
A buffer layer 113 consisting of H was formed. Thereafter, in the same manner as in Example 1, the p-type semiconductor layer 105. Transparent electrode 106
, a current collecting electrode 107 was formed. The photovoltaic device created in this manner is referred to as sample A2-1.

次に、ゲルマニウム含有層112の成膜終了直前のG 
e H4ガスの流量がそれぞれ3,4.5゜10 、 
20 、 25 、30 sccmであるようにして、
光起電力素子の試料A2−2〜A2−8を作成した。こ
れらの各試料A2−2〜A2−8のゲルマニウム含有層
112の膜厚は、それぞれの試料の光電流の値が試料A
1−4の光電流とほぼ等しくなるように、実験によって
決定した。もちろん、これら試料A2−2〜A2−8の
ゲルマニウム含有11112では、膜厚方向にゲルマニ
ウム組成比は直線的に変化している。
Next, G immediately before the completion of film formation of the germanium-containing layer 112
e The flow rate of H4 gas is 3 and 4.5°10, respectively.
20, 25, 30 sccm,
Samples A2-2 to A2-8 of photovoltaic devices were created. The film thickness of the germanium-containing layer 112 of each of these samples A2-2 to A2-8 is such that the photocurrent value of each sample is the same as that of sample A.
It was experimentally determined to be approximately equal to the photocurrent of No. 1-4. Of course, in the germanium-containing 11112 samples A2-2 to A2-8, the germanium composition ratio changes linearly in the film thickness direction.

次に、実施例1と同様に、オージェ電子分光法により各
試料A2−1〜A2−8のゲルマニウム含有層112の
ゲルマニウム元素の膜厚方向の分布を調べた。その結果
を第6図に示す。なお、図中の白丸は、ゲルマニウム含
有層112のp型半導体層105側の界面を示し、その
位置がゲルマニウム含有層112の膜厚に相当する。
Next, as in Example 1, the distribution of the germanium element in the germanium-containing layer 112 of each sample A2-1 to A2-8 in the film thickness direction was investigated by Auger electron spectroscopy. The results are shown in FIG. Note that the white circle in the figure indicates the interface of the germanium-containing layer 112 on the p-type semiconductor layer 105 side, and its position corresponds to the film thickness of the germanium-containing layer 112.

また、実施例1と同様に、光電変換効率、シャント率、
光電流を測定した。その結果を第6表に示す。なお、表
中、変換効率と光電流とは、試料A2−1の値を1.0
とする相対値で表わしである。また、参考のため、実施
例1の試料A1−4の値も記載した。
In addition, as in Example 1, photoelectric conversion efficiency, shunt rate,
Photocurrent was measured. The results are shown in Table 6. In addition, in the table, the conversion efficiency and photocurrent are calculated by setting the value of sample A2-1 to 1.0.
It is expressed as a relative value. Further, for reference, the values of sample A1-4 of Example 1 are also listed.

(実施例3) 実施例2では、i型半導体層104の成膜に、Si2H
6ガス、H2ガス、それにゲルマニウム含有層112に
ゲルマニウムを含ませるためにQ e Haガスを使用
しているが、ここではS s Haガス、H2ガス、G
 e Haガスを使用し、さらにn型半導体層103側
のバッファ層111を設けない構成の光起電力素子を構
成した。つまり、実施例2のものと比へ5izHsの代
わりにS i H4を使用し、バッファ層111が欠け
ている構成である。
(Example 3) In Example 2, Si2H was used to form the i-type semiconductor layer 104.
6 gas, H2 gas, and Q e Ha gas is used to contain germanium in the germanium-containing layer 112, but here S s Ha gas, H2 gas, G
A photovoltaic element was constructed using e Ha gas and without providing the buffer layer 111 on the n-type semiconductor layer 103 side. That is, compared to the second embodiment, S i H4 is used instead of 5izHs, and the buffer layer 111 is missing.

まず、この光起電力素子の作成方法について説明する。First, a method for producing this photovoltaic device will be explained.

基板101上にn型半導体層103を形成するところま
では、実施例1,2と同様である。次に、i型半導体層
104形成用の成膜室に基板101を移動させ、SiH
4ガス30 sccm、 H2ガス300 sccmを
導入し、20Wの高周波電力を投入し、さらにG e 
H4ガスを導入してゲルマニウム含有層112の成膜を
開始した。G e H4ガスの流量は、ゲルマニウム含
有層112の成膜開始時にはOであり、成膜の進行とと
もに増加させ、ゲルマニウム含有層112の成膜終了直
前のG e H4ガスの流量を1 secmとした。ゲ
ルマニウム含有層112において、ゲルマニウム組成比
は膜厚方向の直線的に変化するようになっており、また
その膜厚は、得られる光電流が実施例1の試料A1−4
の光電流とほぼ同じになるように、実験により決定した
。その後、5iHiガスとH2ガスを導入したまま高周
波電力を引き続き投入し、20秒間にわたって成膜を行
い、厚さ50人の非晶質i型Si :Hからなるバッフ
ァ層113を形成した。
The process up to the formation of the n-type semiconductor layer 103 on the substrate 101 is the same as in Examples 1 and 2. Next, the substrate 101 is moved to a film formation chamber for forming the i-type semiconductor layer 104, and the SiH
4 gas at 30 sccm, H2 gas at 300 sccm, 20 W of high frequency power, and G e
Formation of the germanium-containing layer 112 was started by introducing H4 gas. The flow rate of the G e H4 gas was O at the start of the film formation of the germanium-containing layer 112, and was increased as the film formation progressed, and the flow rate of the G e H4 gas immediately before the end of the film formation of the germanium-containing layer 112 was set to 1 sec. . In the germanium-containing layer 112, the germanium composition ratio changes linearly in the film thickness direction, and the film thickness is such that the obtained photocurrent is equal to that of sample A1-4 of Example 1.
The photocurrent was determined experimentally to be approximately the same as the photocurrent of . Thereafter, high frequency power was continuously applied while the 5iHi gas and H2 gas were being introduced, and film formation was performed for 20 seconds to form a buffer layer 113 made of amorphous i-type Si:H with a thickness of 50 μm.

次に、実施例1.2と同様にp型半導体105、透明電
極106、集電電極107を形成して、光起電力素子を
作成した。これを試料A3−1とする。他に、ゲルマニ
ウム含有層の成膜終了直前のG e H4ガスの流量を
それぞれ3,4゜5.10,20,25.30secm
とした光起電力素子を作成し、これをそれぞれ試料A3
−2〜A3−8とした。
Next, a p-type semiconductor 105, a transparent electrode 106, and a current collecting electrode 107 were formed in the same manner as in Example 1.2 to create a photovoltaic device. This is designated as sample A3-1. In addition, the flow rates of G e H4 gas immediately before the end of film formation of the germanium-containing layer were set to 3, 4°, 5.10, 20, and 25.30 sec, respectively.
A photovoltaic device was prepared as sample A3.
-2 to A3-8.

試料A3−1〜A3−8について、実施例2と同様にゲ
ルマニウム含有層112中のゲルマニウムの分布を調べ
た結果を第7図に示す。また試料A3−1〜A3−8に
ついて変換効率、シャント率、光電流を測定した結果を
第7表に示す。なお、表中、変換効率、光電流は、試料
A3−1の値を1.0とした相対値であり、また参考の
ため試料Al−4の値も示した。
FIG. 7 shows the results of examining the distribution of germanium in the germanium-containing layer 112 for samples A3-1 to A3-8 in the same manner as in Example 2. Furthermore, Table 7 shows the results of measuring the conversion efficiency, shunt rate, and photocurrent for samples A3-1 to A3-8. In addition, in the table, the conversion efficiency and photocurrent are relative values with the value of sample A3-1 being 1.0, and the value of sample Al-4 is also shown for reference.

(実施例4) 実施例3においてはi型半導体層112の成膜にS I
 H4ガスを用いているのに対し、SiH4の代わりに
SiF4ガス50 sccmを導入し、さらにH2ガス
の導入量を500 secm、投入する高周波電力を5
0Wとして、他は実施例3と同様にして光起電力素子の
試料A4−1〜A4−8を作製した。ただし、これら試
料A4−1〜A4−8のゲルマニウム含有層112の膜
厚は、実施例3では光電流が実施例1の試料A1−4の
光電流とほぼ同じになるように選択されているのに対し
、ここでは、作成される光起電力素子の光電流が実施例
1の試料A1−3の光電流とほぼ等しくなるように、実
験によって決定されている。
(Example 4) In Example 3, S I was used to form the i-type semiconductor layer 112.
While using H4 gas, 50 sccm of SiF4 gas was introduced instead of SiH4, the amount of H2 gas introduced was 500 sec, and the high frequency power input was 50 sccm.
Samples A4-1 to A4-8 of photovoltaic devices were prepared in the same manner as in Example 3 except that the power was set to 0W. However, the film thickness of the germanium-containing layer 112 of these samples A4-1 to A4-8 is selected in Example 3 so that the photocurrent is approximately the same as that of Sample A1-4 of Example 1. On the other hand, here, the photocurrent of the photovoltaic element to be created is determined by experiment so as to be approximately equal to the photocurrent of sample A1-3 of Example 1.

そして、実施例3と同様にゲルマニウム含有層112中
のゲルマニウムの分布を求めた。その結果を第8図に示
す。また、変換効率、シャント率、光電流を測定した。
Then, as in Example 3, the distribution of germanium in the germanium-containing layer 112 was determined. The results are shown in FIG. We also measured conversion efficiency, shunt rate, and photocurrent.

その結果を第8表に示す。表中、変換効率と光電流とは
、試料A4−1の値を1.0とする相対値で示し、また
参考のため試料A1−3の数値も記載した。
The results are shown in Table 8. In the table, the conversion efficiency and photocurrent are expressed as relative values, with the value of sample A4-1 being 1.0, and the values of sample A1-3 are also listed for reference.

(実施例5) 実施例3においてはi型半導体層104の成膜にS I
 H4ガスを用いているのに対し、SiH4の代わりに
81□F、ガス25secmを導入し、さらにH2ガス
の導入量を300 secm、投入する高周波電力を3
0Wとして、他は実施例3と同様にして、光起電力素子
の試料A3−1〜A3−8を作製した。ただし、これら
試料A3−1〜A3−8のゲルマニウム含有層112の
膜厚は、実施例3では光電流が実施例1の試料A1−4
の光電流とほぼ同じになるように選択されているのに対
し、ここでは、作成される光起電力素子の光電流が実施
例1の試料A1−2の光電流とほぼ等しくなるように、
実験によって決定されている。
(Example 5) In Example 3, S I was used to form the i-type semiconductor layer 104.
In contrast to using H4 gas, 81□F gas was introduced instead of SiH4 at a rate of 25 sec, the amount of H2 gas introduced was 300 sec, and the high frequency power input was 300 sec.
Samples A3-1 to A3-8 of photovoltaic devices were prepared in the same manner as in Example 3 except that the power was set to 0W. However, the film thickness of the germanium-containing layer 112 of these samples A3-1 to A3-8 is as follows.
Here, the photocurrent of the photovoltaic element to be created is selected to be approximately equal to the photocurrent of sample A1-2 of Example 1.
Determined by experiment.

そして、実施例3と同様にゲルマニウム含有層112中
のゲルマニウムの分布を求めた。その結果を第9図に示
す。また、変換効率、シャント率、光電流を測定した。
Then, as in Example 3, the distribution of germanium in the germanium-containing layer 112 was determined. The results are shown in FIG. We also measured conversion efficiency, shunt rate, and photocurrent.

その結果を第9表に示す。表中、変換効率と光電流とは
、試料A3−1の値を1.0とする相対値で示し、また
参考のため試料A1−2の数値も記載した。
The results are shown in Table 9. In the table, the conversion efficiency and photocurrent are shown as relative values, with the value of sample A3-1 being 1.0, and the values of sample A1-2 are also listed for reference.

(実施例6) 実施例3においては、ゲルマニウム含有層112にゲル
マニウムを含有させるのにG e Haガスを用いてい
たが、ここではG e H4ガスの代わりにG e F
 4ガスを使用し、さらに、i型半導体層104の成膜
のためのガスの流量をSiH。
(Example 6) In Example 3, G e Ha gas was used to contain germanium in the germanium-containing layer 112, but here G e F gas was used instead of G e H4 gas.
4 gases were used, and the flow rate of the gas for forming the i-type semiconductor layer 104 was set to SiH.

ガスを20 sccm、 H2ガス200 secmに
変更し、投入する高周波電力を30Wとして、他は実施
例3と同様にして光起電力素子の試料へ6−1〜八6−
8を作製した。ただし、これら試料A6−1〜A6−8
のゲルマニウム含有層112の膜厚は、実施例3では光
電流が実施例1の試料Al−4の光電流とほぼ同じにな
るように選択されているのに対し、ここでは、作成され
る光起電力素子の光電流が実施例1の試料Al−1の光
電流とほぼ等しくなるように、実験によって決定されて
いる。
6-1 to 86- were applied to the photovoltaic element samples in the same manner as in Example 3, except that the gas was changed to 20 sccm, the H2 gas was changed to 200 sec, and the high-frequency power input was 30 W.
8 was produced. However, these samples A6-1 to A6-8
The thickness of the germanium-containing layer 112 in Example 3 is selected so that the photocurrent is approximately the same as that of sample Al-4 in Example 1, whereas here, the thickness of the created light It has been experimentally determined that the photocurrent of the electromotive force element is approximately equal to the photocurrent of sample Al-1 of Example 1.

そして、実施例3と同様にゲルマニウム含有層112中
のゲルマニウムの分布を求めた。その結果を第10図に
示す。また、変換効率、シャント率、光電流を測定した
。その結果を第9表に示す。表中、変換効率と光電流と
は、試料へ6−1の値を1.0とする相対値で示し、ま
た参考のため試料A1−1の数値も記載した。
Then, as in Example 3, the distribution of germanium in the germanium-containing layer 112 was determined. The results are shown in FIG. We also measured conversion efficiency, shunt rate, and photocurrent. The results are shown in Table 9. In the table, the conversion efficiency and photocurrent are shown as relative values, with the value of sample A1-1 being 1.0, and the values of sample A1-1 are also listed for reference.

第   6   表 第   7   表 第   8   表 第   9   表 第  1 0  表 以上の各実施例において、i型半導体層104の構成、
原料ガス、成膜条件やゲルマニウム含有層112の膜厚
を種々に変化させた場合であっても、ゲルマニウム含有
層112中のゲルマニウムの組成比が、n型半導体層1
03からn型半導体層105に向かう膜厚方向に、0.
02〜0、10原子%/Åの剖合で増力口しているもの
は、交換効率、光電流とも優れ、良好な光起電力素子と
なることがわかった。従来例と実施例を比較すると、上
述の実施例では、変換効率の高いゲルマニウム組成比の
領域で、同じ光電流を得るのに必要なi型半導体層の膜
厚を薄くすることができ、光劣化の影響が少なくなって
光起電力素子としての信頼性が向上することになる。
Table 6 Table 7 Table 8 Table 9 Table 1 0 In each of the above embodiments, the structure of the i-type semiconductor layer 104,
Even when the raw material gas, film formation conditions, and film thickness of the germanium-containing layer 112 are varied, the composition ratio of germanium in the germanium-containing layer 112 remains the same as that of the n-type semiconductor layer 1.
0.03 in the film thickness direction toward the n-type semiconductor layer 105.
It was found that the photovoltaic device having an intensifier with a ratio of 0.02 to 0.0 and 10 at. Comparing the conventional example and the example, in the above-mentioned example, the thickness of the i-type semiconductor layer required to obtain the same photocurrent can be reduced in the germanium composition ratio region where the conversion efficiency is high. The influence of deterioration is reduced and reliability as a photovoltaic element is improved.

さらに、ゲルマニウム含有層112のn型半導体層10
5側の界面近傍でのゲルマニウムの組成比が20〜70
原子%であれば、より良好な光起電力素子が得られるこ
とがわかった。ゲルマニウム含有層112中のゲルマニ
ウムの含有量が増加すると、光吸収量が増すため、膜厚
が薄(でも充分な特性が得られると期待されるが、含有
量を多くしすぎ、ると、実際には上述の各実施例からも
明らかなようにシャントが多発し、それに伴い変換効率
が低下した。このため、ゲルマニウム含有層112のp
型半導体層105例の界面近傍(この部分でゲルマニウ
ム組成比が最大となる)のゲルマニウム組成比を70原
子%以下にすることが望ましいということになる。
Furthermore, the n-type semiconductor layer 10 of the germanium-containing layer 112
The composition ratio of germanium near the interface on the 5th side is 20 to 70.
It has been found that a better photovoltaic device can be obtained if the amount is atomic %. As the content of germanium in the germanium-containing layer 112 increases, the amount of light absorption increases, so it is expected that sufficient characteristics can be obtained even if the film thickness is thin, but if the content is too high, the actual As is clear from the above-mentioned examples, shunts occurred frequently and the conversion efficiency decreased accordingly.For this reason, the p of the germanium-containing layer 112
This means that it is desirable that the germanium composition ratio near the interface of the type semiconductor layer 105 (where the germanium composition ratio is maximum) is 70 atomic % or less.

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上
記の実施例に限定されるものではない。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments.

例えば、いわゆるタンデムセルのように、複数のpin
接合を垂直に並べた構成の光起電力素子にも本発明を適
用することができる。
For example, multiple pins, such as a so-called tandem cell.
The present invention can also be applied to a photovoltaic element in which junctions are arranged vertically.

[発明の効果1 以上説明したように本発明は、pin接合構造の光起電
力素子において、i型半導体層にゲルマニウム含有層を
設け、ゲルマニウム含有層におけるゲルマニウムの組成
比が、n型半導体層側の界面で0であり、n型半導体層
側の界面に向かう膜厚方向に0.02〜O,1,0原子
%/入で増加するようにしたことにより、変換効率が向
上し、さらに、i型半導体層の膜厚を薄くすることがで
きて信頼性が向上するという効果がある。さらに、ゲル
マニウム含有層のn型半導体層側の界面近傍におけるゲ
ルマニウムの組成比を20〜70原子%とすることによ
り、変換効率が高く、シャント率の低い、より優れた光
起電力素子が得られるという効果がある。
[Effect of the Invention 1 As explained above, the present invention provides a photovoltaic element with a pin junction structure, in which a germanium-containing layer is provided in an i-type semiconductor layer, and the composition ratio of germanium in the germanium-containing layer is on the n-type semiconductor layer side. By increasing O at 0.02 to 1.0 atomic %/in in the film thickness direction toward the interface on the n-type semiconductor layer side, the conversion efficiency is improved. This has the effect that the thickness of the i-type semiconductor layer can be reduced and reliability is improved. Furthermore, by setting the composition ratio of germanium in the vicinity of the interface on the n-type semiconductor layer side of the germanium-containing layer to 20 to 70 atomic %, a superior photovoltaic device with high conversion efficiency and low shunt rate can be obtained. There is an effect.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例の光起電力素子の構成を示す
模式断面図、第2図(a)〜(d)はそれぞれ本発明に
よる光起電力素子のバンドプロファイルを例示する説明
図、第3図は本発明の光起電力素子の成膜を用いられる
装置の構成を示す要部概略断面図、第4図はゲルマニウ
ム含有層中のゲルマニウムの分布を示す説明図、第5図
〜第10図はそれぞれ実施例1〜6により作成された光
起電力素子の各試料のゲルマニウム含有層におけるゲル
マニウム組成比の変化を示す特性図、第11図は従来の
光起電力素子の一例の構成を示す模式断面図、第12図
(a)〜(C)は従来の光起電力素子のバンドプロファ
イルを例示する説明図、第13図は従来の光起電力素子
の成膜に用いられる成膜装置の構成を示す概略断面図、
第14図はゲルマニウム組成比と先任導度の比との相関
を示す特性図である。 101・・・基板、     102・・・下部電極、
103・・・n型半導体層、104・・・i型半導体層
、105・・・p型半導体層、106・・・透明電極、
  107・・・集電電極、111.113・・・バッ
ファ層112・・・ゲルマニウム含有層、 501.502・・・成膜室、 503・・・基板搬送カセット、504・・・熱電対、
505・・・ヒータ、    506・・・基板搬送手
段、507・・・ゲートバルブ、 508.509・・・ガス導入管、 510・・・高周波電源、 511・・・マツチングボックス、 512・・・アノード電極、513・・・ロードロック
室514・・・排気バルブ、  515・・・排気ポン
プ、517・・・圧力計。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2(a) to (d) are explanatory diagrams illustrating band profiles of the photovoltaic device according to the present invention, respectively. , FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a main part showing the configuration of an apparatus used for film formation of a photovoltaic element of the present invention, FIG. 4 is an explanatory diagram showing the distribution of germanium in a germanium-containing layer, and FIGS. FIG. 10 is a characteristic diagram showing changes in the germanium composition ratio in the germanium-containing layer of each sample of the photovoltaic devices prepared in Examples 1 to 6, respectively, and FIG. 11 is a configuration of an example of a conventional photovoltaic device. 12(a) to (C) are explanatory diagrams illustrating the band profile of a conventional photovoltaic device, and FIG. 13 is a film forming method used for forming a film of a conventional photovoltaic device. A schematic sectional view showing the configuration of the device,
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the correlation between the germanium composition ratio and the prior conductivity ratio. 101... Substrate, 102... Lower electrode,
103... N-type semiconductor layer, 104... I-type semiconductor layer, 105... P-type semiconductor layer, 106... Transparent electrode,
107... Current collecting electrode, 111.113... Buffer layer 112... Germanium-containing layer, 501.502... Film forming chamber, 503... Substrate transport cassette, 504... Thermocouple,
505... Heater, 506... Substrate transport means, 507... Gate valve, 508.509... Gas introduction pipe, 510... High frequency power supply, 511... Matching box, 512... Anode electrode, 513...Load lock chamber 514...Exhaust valve, 515...Exhaust pump, 517...Pressure gauge.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、p型半導体層とi型半導体層とn型半導体層とが順
次積層されたpin接合構造を少なくとも1組有し、前
記i型半導体層はゲルマニウムを含有する領域であるゲ
ルマニウム含有層を少なくとも有する光起電力素子にお
いて、 前記ゲルマニウム含有層におけるゲルマニウムの含有量
は、前記n型半導体層の側の界面においてOであって、
前記p型半導体層の側の界面に向かう膜厚方向に単調に
増加し、ゲルマニウムの含有量の前記膜厚方向に向かう
増加率が、半導体構成元素中のゲルマニウムの組成比の
変化率で表わしたとき、0.02〜0.10原子%/Å
であることを特徴とする光起電力素子。 2、i型半導体層は、ゲルマニウム含有層とゲルマニウ
ムを含まない領域であるバッファ層とが積層された構造
であり、前記バッファ層は、前記i型半導体層の、前記
n型半導体層との界面及び/または前記p型半導体層と
の界面の部分に設けられている請求項1記載の光起電力
素子。 3、p型半導体層の側の界面近傍におけるゲルマニウム
含有層中のゲルマニウムの含有量が、半導体構成元素中
のゲルマニウムの組成比で表わしたとき、20〜70原
子%である請求項1または2記載の光起電力素子。
[Claims] 1. At least one set of pin junction structure in which a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer are sequentially stacked, and the i-type semiconductor layer is a region containing germanium. In a photovoltaic element having at least a germanium-containing layer, the germanium content in the germanium-containing layer is O at the interface on the n-type semiconductor layer side,
The germanium content increases monotonically in the film thickness direction toward the interface on the side of the p-type semiconductor layer, and the rate of increase in the germanium content in the film thickness direction is expressed as the rate of change in the composition ratio of germanium in the semiconductor constituent elements. When, 0.02 to 0.10 atomic%/Å
A photovoltaic element characterized by: 2. The i-type semiconductor layer has a structure in which a germanium-containing layer and a buffer layer, which is a germanium-free region, are laminated, and the buffer layer is located at the interface between the i-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. The photovoltaic element according to claim 1, wherein the photovoltaic element is provided at an interface with the p-type semiconductor layer. 3. The content of germanium in the germanium-containing layer near the interface on the side of the p-type semiconductor layer is 20 to 70 atomic % when expressed as the composition ratio of germanium in the semiconductor constituent elements. photovoltaic device.
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