JPH08264815A - 非晶質シリコンカーバイド膜及びこれを用いた光起電力素子 - Google Patents

非晶質シリコンカーバイド膜及びこれを用いた光起電力素子

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JPH08264815A
JPH08264815A JP7064171A JP6417195A JPH08264815A JP H08264815 A JPH08264815 A JP H08264815A JP 7064171 A JP7064171 A JP 7064171A JP 6417195 A JP6417195 A JP 6417195A JP H08264815 A JPH08264815 A JP H08264815A
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carbon
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Masaki Shima
正樹 島
Norihiro Terada
典裕 寺田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 膜中の欠陥密度が小さい非晶質シリコンカー
バイド膜を提供することにある。 【構成】 膜の光学的バンドギャップ幅Ｅｇと、膜中の
水素量ＣH及び炭素量ＣCとが、特定の関係を有すること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池や光センサ等
の光起電力素子に用いる非晶質シリコンカーバイド（以
下、ａ−ＳｉＣと称する）膜、及びこれを用いた光起電
力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】太陽電池や光センサに代表されるような
光起電力素子にあっては、光感度を向上させるため、所
望の波長領域の入射光を十分吸収できることが必要であ
る。
【０００３】とりわけ、太陽電池にあっては、入射光に
含まれている波長領域をカバーする光吸収特性を備えて
いる材料を選択することが重要であり、近年この太陽電
池用半導体材料として非晶質半導体材料が多用される理
由も、この非晶質半導体材料が、組成を変化させること
によってその光吸収特性を比較的容易に制御できるため
である。
【０００４】この非晶質半導体材料として最も代表的な
ものに、非晶質シリコン（以下、ａ−Ｓｉと称する）膜
がある。図３は、従来のａ−Ｓｉ膜からなる光起電力素
子の素子構造図である。図中の１はこの光起電力素子の
支持体となる、ガラス等からなる基板、２は基板１を透
過して入射した光を発電部分に導くと共に、光起電力素
子の一方の電極として機能する、ＩＴＯやＳｎＯ2等か
ら成る透明導電膜、ＳＣはｐ型のａ−Ｓｉから成るｐ型
層ｐと真性のａ−Ｓｉから成るｉ型層ｉとｎ型のａ−Ｓ
ｉから成るｎ型層ｎとの積層体から成る、発電部、３は
本光起電力素子の他方の電極となる、アルミニウムやク
ロム等からなる金属電極、である。
【０００５】この光起電力素子によれば、基板から入射
した光は主にｉ型層ｉで吸収されて電子及び正孔が生成
し、ｐ型層ｐとｎ型層ｎによって形成された内部電界に
よって、夫々金属電極３及び透明導電膜２から外部に取
り出されることとなる。
【０００６】図４は、他の従来例光起電力素子の素子構
造図である。この光起電力素子の特徴は、前述した従来
例が１つの発電部によってのみ光を吸収していたのに対
して、本例は３つの発電部を有することに加え、各々の
発電部には互いに異なる光吸収特性を有する真性非晶質
半導体材料を使用し、光を吸収している点である。
【０００７】この構造の光起電力素子に於いては、より
広い波長領域の光を吸収するために、光入射側のｉ型層
ｉ１には光学的バンドギャップ幅の広い材料を用い、光
透過側のそれｉ３には光学的バンドギャップ幅の狭い材
料が用いられる。また、中間に位置するｉ型層ｉ２に
は、ｉ１とｉ３の中間の光学的バンドギャップ幅を有す
る材料が用いられる。なお、同図にあっては、同一の材
料については図３と同一の符号を付している。
【０００８】斯る構成としたことにより、基板から入射
した光は、まず第１の発電部ＳＣ１で吸収された後、斯
る発電部ＳＣ１で吸収されなかった光は、第２の発電部
ＳＣ２で吸収される。さらに、第２の発電部ＳＣ２で吸
収されなかった光は第３の発電部ＳＣ３で吸収される。
この結果、１つの発電部によってのみ光を吸収していた
光起電力素子よりも、広い波長領域の光を吸収でき、光
電変換効率の向上を図ることができる。
【０００９】この様な複数の発電部を積層形成されてな
る光起電力素子は積層型太陽電池と一般に称され、例え
ば特公昭６３−４８１９７号などに詳細に記載されてい
る。
【００１０】この積層型太陽電池に於いては、光入射側
のｉ型層ｉ１に用いられる光学的バンドギャップ幅の広
い真性非晶質半導体材料としては、炭素を添加すること
によって、ａ−Ｓｉよりも光学的バンドギャップ幅を広
げた非晶質シリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ）が用いら
れる。
【００１１】図５は、別の従来例光起電力素子の素子構
造図である。この光起電力素子の特徴は、ｐ型層ｐとｉ
型層ｉとが接する界面に、界面層ｂを設けた点にある。
斯かる構成とすることにより、該界面での電子と正孔と
の再結合を抑制でき、光電変換効率の向上を図ることが
できる。
【００１２】本構造の光起電力素子に於いても、真性の
非晶質シリコンカーバイドが、界面層ｂの材料として用
いられている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】非晶質半導体材料はａ
−Ｓｉ膜に炭素やゲルマニウム等を添加することによ
り、光学的バンドギャップ幅を種々変化させることがで
きるという特徴を備える一方、これら元素を添加するこ
とで、添加されていないａ−Ｓｉ膜と比較してその膜質
が劣化してしまうという欠点を有している。
【００１４】これは、炭素やゲルマニウム等を添加した
ａ−Ｓｉ系の膜に於いては、これら元素を添加すること
により、膜中の水素量、及び水素と他元素との結合状態
が変化するためと考えられている。
【００１５】上記ａ−ＳｉＣ膜にあっては、添加された
炭素が、膜中の水素量、及び水素と他元素との結合状態
に微妙に影響を及ぼすことから、これら元素の制御は複
雑なものとなる。
【００１６】従来の斯る問題を解決するために、例えば
原料ガスとして、ＳｉＨ4をＨ2で数十倍に希釈した原料
ガスを用いた高水素希釈の条件でａ−ＳｉＣ膜の形成を
行うことで、膜質の向上を図る方法が提案されている
（A. Matsuda et al., Journalof Applied Physics, 60
(1986)4025）。
【００１７】然し乍ら、従来の方法によれば、膜形成に
使用する原料ガス中のＨ2量をＳｉＨ4量よりも多くして
膜形成を行うことから、膜の形成速度が遅くなり、生産
性が低下する欠点を有していた。
【００１８】また、添加する炭素の量と独立して、膜中
の水素量、及び水素と他元素との結合状態を制御するこ
とが困難であることから、根本的な解決に至っていなか
った。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の非晶質シリコン
カーバイドは、その光学的バンドギャップ幅Ｅｇ（ｅ
Ｖ）が、膜中の水素量ＣH（ａｔ．％）及び炭素量Ｃ
C（ａｔ．％）と、 Ｅｇ＝ａ＋ｂＣH／１００＋ｃＣC／１００ なる関係を有し、上記ａ，ｂ及びｃが、夫々１．５４≦
ａ≦１．６０，０．５５≦ｂ≦０．６５，及び−０．６
５≦ｃ≦−０．５５の範囲にあることを特徴とする。
【００２０】また、上記膜中の水素量が、１０〜３０ａ
ｔ．％の範囲にあることを特徴としている。
【００２１】さらに本発明の光起電力素子は、上記非晶
質シリコンカーバイド膜を真性非晶質半導体材料として
用いたことを特徴としている。
【００２２】
【作用】本発明のａ−ＳｉＣ膜は、その光学的バンドギ
ャップ幅と、膜中の水素量及び炭素量とを一定の関係に
保つことで、膜中の欠陥密度を極めて小さくした膜を得
ることができる。
【００２３】さらに、本発明ａ−ＳｉＣ膜を真性非晶質
半導体材料として用いることで、初期及び長時間の光照
射後のいずれに於いても、光電変換効率が高い光起電力
素子を得ることができる。
【００２４】
【実施例】図１は、本発明のａ−ＳｉＣ膜を説明するた
めの、ａ−ＳｉＣ膜の膜特性図である。同図は、１．６
０ｅＶ，１．６７ｅＶ及び１．７５ｅＶのほぼ同じ光学
的バンドギャップ幅を有する２種類のａ−ＳｉＣ膜の、
膜中の水素量及び炭素量の組み合せを示したものであ
る。同図に於いて、横軸は水素量、縦軸は炭素量を表し
ている。また、１．６０ｅＶの光学的バンドギャップ幅
を有するａ−ＳｉＣ膜は△印で、１．６７ｅＶの光学的
バンドギャップ幅を有するａ−ＳｉＣ膜は○印で、１．
７５ｅＶの光学的バンドギャップ幅を有するａ−ＳｉＣ
膜は□印で夫々表している。
【００２５】ａ−ＳｉＣ膜の形成方法としては、プラズ
マＣＶＤ法を用いた。図１の測定試料であるａ−ＳｉＣ
膜の形成条件を表１に示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】尚、炭素量及び水素量の測定には２次イオ
ン質量分析法及びＸ線光電子分光法を用いた。また、光
学的バンドギャップ幅は、ｈν ｖｓ （αｈν）1/3
の関係から導出した（Y. Hishikawa et al., Japanese
Journal of Applied Physics, 30(1991)1008）。
【００２８】図１に於いて注目すべきことは、光学的バ
ンドギャップ幅は略同じであっても、膜中に含まれる水
素量と炭素量は種々の組み合わせが存在する点である。
例えば光学的バンドギャップ幅が１．６７ｅＶのａ−Ｓ
ｉＣ膜に注目すると、図中に○印で示すように、その水
素量と炭素量は、約１８％と約２％、約２０％と約４
％、約２３％と約５％、…と種々の組み合わせが存在し
ている。
【００２９】このことは、即ち、本発明のａ−ＳｉＣの
光学的バンドギャップ幅Ｅｇ（ｅＶ）が、膜中の水素量
ＣH（ａｔ．％）及び炭素量ＣC（ａｔ．％）を用いて、
図中にハッチングの領域で示すように、次式で表現でき
ることを示している。
【００３０】
【数１】
【００３１】尚、Ｅｇは前述のｈν ｖｓ （αｈν）
1/3の関係から導出した光学的バンドギャップ幅であ
る。
【００３２】同式は、また、本発明のａ−ＳｉＣ膜は、
水素量が一定の時には膜中の炭素量が増加すると、光学
的バンドギャップ幅が狭くなるということを表してい
る。即ち、膜中の水素量が約１８％のａ−ＳｉＣ（同図
中の破線）に着目すると、炭素量が約２％から約５％に
増加することにより光学的バンドギャップ幅は１．６７
ｅＶから１．６０ｅＶと狭くなる。
【００３３】従来、膜中の水素量及び炭素量は、いずれ
も光学的バンドギャップ幅と正の相関を持つと考えられ
てきた。即ち、水素量或いは炭素量のいずれが増加して
も、光学的バンドギャップ幅は広くなると考えられてき
た。
【００３４】これに対し、本発明のａ−ＳｉＣは、水素
量が略一定の場合には、炭素量が増えると逆に光学的バ
ンドギャップ幅が狭くなるという点で、従来の膜と大き
く異なっている。
【００３５】図２は、光学的バンドギャップ幅が１．６
７〜１．７１ｅＶのａ−ＳｉＣ膜の、膜中欠陥密度（Ｎ
d）を測定した結果を示したものである。同図の横軸は
図１と同様の膜中の水素量であり、縦軸は一定光電流法
によって測定した膜中の欠陥密度であり、相対値で示し
ている。
【００３６】同図によれば、水素量が増加する１０〜３
０ａｔ．％までの領域にあっては、欠陥密度は略一定で
あり、水素量が約３０ａｔ．％を越えた領域から急激に
増加することがわかる。
【００３７】従って、光学的バンドギャップ幅が１．６
７〜１．７１ｅＶのａ−ＳｉＣ膜に於いては、水素量を
１０〜３０ａｔ．％の範囲とすることで、膜中の欠陥密
度を極めて小さくすることができる。また、この時の炭
素量は１〜７ａｔ．％の範囲であった。
【００３８】尚、これ以外の他の光学的バンドギャップ
幅を有するａ−ＳｉＣ膜についても同様に、膜中の欠陥
密度と水素量との関係を調べた結果、欠陥密度の低減に
有効な水素量の範囲は、上述した結果と略同じであっ
た。
【００３９】以上述べたように、光学ギャップＥｇと、
膜中の水素量ＣH及び炭素量ＣCとを一定の関係に保つこ
とで、欠陥密度の小さいａ−ＳｉＣ膜を得ることができ
る。
【００４０】また、本発明の、光学的バンドギャップ幅
が１．６７ｅＶのａ−ＳｉＣ膜を、前述の図３に示した
光起電力素子のｉ型層ｉ用の非晶質半導体材料として使
用し、初期及び光照射後の光電変換効率を測定した。表
２はその結果である。尚、ここで用いたａ−ＳｉＣ膜の
膜中の水素量及び炭素量は、夫々約２０ａｔ．％及び約
５ａｔ．％である。
【００４１】
【表２】
【００４２】同表に示すように、本発明のａ−ＳｉＣ膜
をｉ型層に用いた光起電力素子の光電変換効率は、初期
に於いては７．４％と、同層に光学的バンドギャップ幅
が１．６７ｅＶのａ−Ｓｉ膜を用いた従来構造の光起電
力素子の効率と同程度であったが、長時間の光照射後に
於いては６．３％と、従来構造のものよりも高い光電変
換効率が得られた。
【００４３】さらに、本発明のａ−ＳｉＣ膜を、前述し
た図４の光起電力素子の光入射側のｉ型層に用いた場合
にも同様に、従来よりも初期及び長時間の光照射後のい
ずれに於いても、高い光電変換効率が得られた。
【００４４】加えて、本発明のａ−ＳｉＣ膜を、前述し
た図５の光起電力素子の界面層ｂに用いた場合にも、同
様の効果が得られた。
【００４５】
【発明の効果】本発明によれば、光学ギャップと、膜中
の水素量及び炭素量とを一定の関係に保つことで、膜中
の欠陥密度を極めて小さくし得たａ−ＳｉＣ膜を得るこ
とができる。
【００４６】加えて、本発明ａ−ＳｉＣ膜を真性非晶質
半導体材料として用いることで、初期及び長時間の光照
射後のいずれに於いても、高い光電変換効率を有する光
起電力素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明ａ−ＳｉＣ膜の、膜中の水素量及び炭
素量を示す特性図である。
【図２】 本発明ａ−ＳｉＣ膜の、膜中の水素量に対す
る、欠陥密度を示す特性図である。
【図３】 従来の光起電力素子の素子構造断面図であ
る。
【図４】 他の従来の光起電力素子の素子構造断面図で
ある。
【図５】 別の従来の光起電力素子の素子構造断面図で
ある。
【符号の説明】
ｐ…ｐ型層、ｉ…ｉ型層、ｎ…ｎ型層、ＳＣ…発電部、
ｂ…界面層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光学的バンドギャップ幅Ｅｇ（ｅＶ）
    が、膜中の水素量ＣH（ａｔ．％）及び炭素量ＣC（ａ
    ｔ．％）と、 Ｅｇ＝ａ＋ｂＣH／１００＋ｃＣC／１００ なる関係を有し、上記ａ，ｂ及びｃが、夫々１．５４≦
    ａ≦１．６０，０．５５≦ｂ≦０．６５及び−０．６５
    ≦ｃ≦−０．５５の範囲にあることを特徴とする非晶質
    シリコンカーバイド膜。
  2. 【請求項２】 上記膜中の水素量ＣHが、１０〜３０ａ
    ｔ．％の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の非
    晶質シリコンカーバイド膜。
  3. 【請求項３】上記非晶質シリコンカーバイド膜を真性非
    晶質半導体材料として用いたことを特徴とする光起電力
    素子。
JP7064171A 1995-03-23 1995-03-23 非晶質シリコンカーバイド膜及びこれを用いた光起電力素子 Pending JPH08264815A (ja)

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