JPH1012908A - Manufacture of semiconductor device and particulate semiconductor film, and photoelectric conversion element - Google Patents
Manufacture of semiconductor device and particulate semiconductor film, and photoelectric conversion elementInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体結晶微粒子
を主成分とする微粒子半導体膜を用いた半導体装置、微
粒子半導体膜の製造方法、更には光電変換素子に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device using a fine particle semiconductor film containing semiconductor crystal fine particles as a main component, a method for manufacturing the fine particle semiconductor film, and a photoelectric conversion element.
【0002】[0002]
【従来の技術】薄膜トランジスタを用いた液晶ディスプ
レイにおいては、高性能且つ低コストなデバイスを実現
するために、低温プロセスを用いて、より高移動度、そ
してより低欠陥密度な薄膜を形成できる技術が切に求め
られている。2. Description of the Related Art In a liquid crystal display using a thin film transistor, a technology capable of forming a thin film having higher mobility and lower defect density by using a low-temperature process has been developed in order to realize a high-performance and low-cost device. It is urgently required.
【0003】従来、上記デバイスの薄膜として、水素化
非晶質シリコン(a−Si:H)膜や、多結晶シリコン
(poly−Si)膜が広く用いられている。a−S
i:H膜に関しては、プラズマCVD法などを用いて約
300℃以下の低基板温度で欠陥密度:1015cm-3以
下の高品質膜を形成することが可能である。しかし、結
晶と異なり、シリコンネットワークに不規則性が有るた
め、2cm2 /Vs以上の高移動度の実現は極めて困難
である。Conventionally, a hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) film or a polycrystalline silicon (poly-Si) film has been widely used as a thin film of the device. a-S
As for the i: H film, a high-quality film having a defect density of 10 15 cm −3 or less can be formed at a low substrate temperature of about 300 ° C. or less by using a plasma CVD method or the like. However, unlike crystals, it is extremely difficult to achieve a high mobility of 2 cm 2 / Vs or more because of irregularities in the silicon network.
【0004】一方、poly−Si膜の場合、約600
℃以上の高温プロセスで熱CVD法によって、数百cm
2 /Vs以上の高移動度を有するpoly−Si膜を形
成することができる。しかし、低コスト基板を使うため
に、450℃以下で形成すると、poly−Si膜を形
成することができなくなってしまう。そこで、450℃
以下の温度でa−Si膜を成膜後、エキシマレーザアニ
ールを用いて再結晶化を行なうa−Si:H膜の再結晶
化法が広く用いられている。この再結晶化法により、高
移動度を有するpoly−Si膜を形成することができ
る。On the other hand, in the case of a poly-Si film, about 600
Several hundred cm by a thermal CVD method in a high temperature process
A poly-Si film having a high mobility of 2 / Vs or more can be formed. However, if the substrate is formed at 450 ° C. or lower in order to use a low-cost substrate, a poly-Si film cannot be formed. So 450 ° C
An a-Si: H film recrystallization method in which an a-Si film is formed at the following temperature and then recrystallized using excimer laser annealing is widely used. By this recrystallization method, a poly-Si film having high mobility can be formed.
【0005】再結晶化法により得られた膜の代表的な断
面を図13に示す。80は基板、81は多結晶核、82
は結晶粒界、83aと83bはレーザの各1ショット幅
を示し、83cはレーザ光の重なり部である。重なり部
83cでは再結晶化がより進むため、周囲より結晶粒が
平均的に大きくなるので、平面的な不均一性が生じる。
そのため、微細化した場合のトランジスタの特性がばら
つくという問題がある。また、再結晶化はレーザ入射側
の膜表面から進むため、基板側の結晶粒小さくなるの
で、深さ方向の不均一が生じる。そのため、膜特性(特
に移動度)の再現性が悪いなどの問題がある。FIG. 13 shows a typical cross section of a film obtained by the recrystallization method. 80 is a substrate, 81 is a polycrystalline nucleus, 82
Denotes a crystal grain boundary, 83a and 83b denote each one-shot width of the laser, and 83c denotes an overlapping portion of the laser light. In the overlapping portion 83c, since recrystallization proceeds further, the crystal grains become larger on average than the surroundings, so that planar unevenness occurs.
Therefore, there is a problem that the characteristics of the transistor when miniaturized vary. In addition, since recrystallization proceeds from the film surface on the laser incident side, the crystal grains on the substrate side become small, so that unevenness in the depth direction occurs. Therefore, there are problems such as poor reproducibility of film characteristics (particularly mobility).
【0006】ところで、a−Si:Hあるいはpoly
−Siを用いた素子として、太陽電池がある。現在、G
aAs等の化合物系では最高25%以上、単結晶Siや
多結晶Si等では23%以上、a−Siでは最高13%
以上の変換効率が報告されている。高変換効率を有する
結晶系のシリコンからなる太陽電池を形成するには、結
晶系のシリコンを450℃以上の温度で形成しなければ
ならない。そのためには、耐熱性のガラス基板を用いな
ければならなかった。耐熱性のガラスは高価なため、製
造コストが高くなるという問題があった。By the way, a-Si: H or poly
As an element using -Si, there is a solar cell. Currently G
25% or more for compound systems such as aAs, 23% or more for single crystal Si and polycrystalline Si, and 13% for a-Si
The above conversion efficiencies have been reported. In order to form a solar cell made of crystalline silicon having high conversion efficiency, crystalline silicon must be formed at a temperature of 450 ° C. or higher. For that purpose, a heat-resistant glass substrate had to be used. Since heat-resistant glass is expensive, there has been a problem that the manufacturing cost is high.
【0007】しかし、発電用や一般家庭用として本格的
に普及させるには、高い変換効率を維持しつつ、抜本的
な低コスト化を図ることが急務となっている。そのた
め、本質的に変換効率が高いGaAsやSi等の結晶系
半導体薄膜を450℃以下のプロセスを用い、任意の低
コスト基板(例えば、低融点ガラス、フレキシブルフィ
ルム、金属)上に形成する低温薄膜形成プロセスが求め
られている。However, for full-scale use for power generation and household use, it is urgently necessary to drastically reduce costs while maintaining high conversion efficiency. Therefore, a low-temperature thin film formed on a low-cost substrate (for example, low-melting glass, flexible film, metal) by using a crystalline semiconductor thin film such as GaAs or Si having a high conversion efficiency by using a process of 450 ° C. or lower. There is a need for a forming process.
【0008】また、さらに高い変換効率が得られる方法
として、タンデム型構造が知られている。これは、バン
ドギャップの異なる異種材料の太陽電池を積み重ねた構
造を有し、太陽光の吸収率を最大化して光効率化を図っ
たものである。この構造の代表例として、GaAs/S
iがあり、30%以上の変換効率が報告されている。し
かし、低コスト基板上にこの種のタンデム型の太陽電池
を形成できた例はまだない。A tandem type structure has been known as a method for obtaining higher conversion efficiency. This has a structure in which solar cells of different materials having different band gaps are stacked, and maximizes the absorptivity of sunlight to improve light efficiency. As a typical example of this structure, GaAs / S
i, and a conversion efficiency of 30% or more is reported. However, there has not yet been any case of forming such a tandem-type solar cell on a low-cost substrate.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】従来、a−Si:H膜
は、低温プロセスでは高移動度を有する膜を形成するこ
とができなかった。また、poly−Si膜において
は、低温で形成することができない、また、低温でa−
Si膜を成長させた後に、レーザアニールを行ってpo
ly−Si膜を形成すると、平面的、深さ方向が均一な
膜を得ることができず、poly−Si膜に形成したト
ランジスタの特性が異なる、また、膜特性の再現性が悪
いという問題があった。また、太陽電池において、低温
プロセスを用いて変換効率の高い結晶性の膜を形成する
ことができなかったので、低コスト化と高変換効率化と
を両立することができなかった。Conventionally, an a-Si: H film cannot be formed with high mobility by a low-temperature process. Further, a poly-Si film cannot be formed at a low temperature, and a-
After growing the Si film, laser annealing is performed to
When a ly-Si film is formed, a film having a uniform planar and depth direction cannot be obtained, and the characteristics of the transistor formed on the poly-Si film are different, and the reproducibility of the film characteristics is poor. there were. Further, in a solar cell, a crystalline film with high conversion efficiency could not be formed using a low-temperature process, so that it was not possible to achieve both low cost and high conversion efficiency.
【0010】本発明の目的は、低温プロセスでも高移動
度、低欠陥密度を有し、平面的、深さ方向に均一な半導
体装置及び微粒子半導体膜の製造方法を提供することに
ある。また、450℃以下の低温プロセスで変換効率の
高い結晶性の膜を形成する事が可能な光電変換素子を提
供することにある。An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high mobility and a low defect density even in a low-temperature process, and a method for manufacturing a semiconductor device and a fine particle semiconductor film which are uniform in a planar and depth direction. Another object is to provide a photoelectric conversion element capable of forming a crystalline film with high conversion efficiency by a low-temperature process of 450 ° C. or lower.
【0011】[0011]
(構成) (1) 本発明の半導体装置は、基板上に、微粒子半導
体膜が形成された半導体装置であって、前記微粒子半導
体膜は、前記基板上に離散的に積層された複数の半導体
結晶微粒子核と、これらの半導体結晶微粒子核の少なく
とも一部を取り囲み、隣接する半導体結晶微粒子核を電
気的に接続する多結晶半導体部とからなることを特徴と
する。 (2) 本発明の半導体装置は、基板上に、微粒子半導
体膜が形成された半導体装置であって、前記微粒子半導
体膜は、前記基板上に離散的に積層された複数の半導体
結晶微粒子核と、これらの半導体結晶微粒子核の少なく
とも一部を取り囲み、隣接する半導体結晶微粒子核を電
気的に接続する多結晶半導体部と、前記多結晶半導体部
の少なくとも一部を取り囲む非晶質半導体部とからなる
ことを特徴とする。 (3) 本発明の微粒子半導体膜の製造方法は、微粒子
半導体膜の形成に供される基板の表面上に、半導体結晶
微粒子を供給する工程と、前記基板近傍の上方で、前記
半導体結晶微粒子の表面近傍を溶融する工程とを含むこ
とを特徴とする。 (4) 本発明の光電変換素子は、p型半導体とn型半
導体とのpn接合を有し、光エネルギーを電気エネルギ
ーに変換する光電変換素子において、前記p型半導体、
n型半導体のうち少なくとも一方が微粒子半導体膜から
なることを特徴とする。 (5) (1)に記載の半導体装置中の微粒子半導体膜
は、電子移動度が10cm2 /Vs以上、または正孔移
動度が1cm2 /Vs以上であることが望ましい。 (6) (1)に記載の半導体装置中の微粒子半導体膜
は、前記半導体結晶微粒子核の体積分率が5〜95%の
範囲にあることが望ましい。 (7) (2)に記載の半導体装置中の微粒子半導体膜
は、電子移動度が2cm2 /Vs以上、または正孔移動
度が0.1cm2 /Vs以上であることが望ましい。 (8) (2)に記載の半導体装置中の微粒子半導体膜
は、半導体結晶微粒子核の体積分率が5〜95%の範囲
にあり、非晶質半導体部の体積分率が0〜50%の範囲
にあることが望ましい。 (9) (4)に記載の光電変換素子において、微粒子
半導体膜がバンドギャップの異なる複数の半導体結晶微
粒子から構成されている。 (10) (4)に記載の光電変換素子は、微粒子半導
体膜と微結晶半導体膜あるいは非晶質半導体膜とからな
る接合を有する。 (11) (4)に記載の光電変換素子は、タンデム型
である。(1) A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device in which a fine particle semiconductor film is formed on a substrate, wherein the fine particle semiconductor film includes a plurality of semiconductor crystals discretely stacked on the substrate. It is characterized by comprising a fine particle nucleus and a polycrystalline semiconductor portion surrounding at least a part of these semiconductor crystal fine particle nuclei and electrically connecting adjacent semiconductor crystal fine particle nuclei. (2) The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a fine particle semiconductor film formed on a substrate, wherein the fine particle semiconductor film comprises a plurality of semiconductor crystal fine particle nuclei discretely stacked on the substrate. A polycrystalline semiconductor portion surrounding at least a portion of these semiconductor crystal fine particle nuclei and electrically connecting adjacent semiconductor crystal fine particle nuclei, and an amorphous semiconductor portion surrounding at least a portion of the polycrystalline semiconductor portion. It is characterized by becoming. (3) In the method for producing a fine particle semiconductor film of the present invention, a step of supplying semiconductor crystal fine particles on a surface of a substrate provided for forming the fine particle semiconductor film; Melting the vicinity of the surface. (4) The photoelectric conversion element of the present invention is a photoelectric conversion element that has a pn junction of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor and converts light energy into electric energy.
At least one of the n-type semiconductors is made of a fine particle semiconductor film. (5) The fine particle semiconductor film in the semiconductor device according to (1) preferably has an electron mobility of 10 cm 2 / Vs or more, or a hole mobility of 1 cm 2 / Vs or more. (6) In the fine particle semiconductor film in the semiconductor device according to (1), the volume fraction of the semiconductor crystal fine particle nucleus is desirably in the range of 5 to 95%. (7) The fine particle semiconductor film in the semiconductor device described in (2) preferably has an electron mobility of 2 cm 2 / Vs or more, or a hole mobility of 0.1 cm 2 / Vs or more. (8) In the fine particle semiconductor film in the semiconductor device described in (2), the volume fraction of the semiconductor crystal fine particle nucleus is in the range of 5 to 95%, and the volume fraction of the amorphous semiconductor portion is 0 to 50%. Is desirably within the range. (9) In the photoelectric conversion element according to (4), the fine particle semiconductor film is composed of a plurality of semiconductor crystal fine particles having different band gaps. (10) The photoelectric conversion element according to (4) has a junction including a fine particle semiconductor film and a microcrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film. (11) The photoelectric conversion element according to (4) is of a tandem type.
【0012】本発明の微粒子半導体装置中の微粒子半導
体膜を形成する装置について構成を以下に示す。 (12) 微粒子半導体膜の形成に供される基板が配置
される成膜室と、この成膜室内に前記基板上に堆積すべ
き半導体結晶微粒子を供給する手段と、前記基板近傍の
上方で、前記半導体結晶微粒子の表面近傍を溶融する手
段とを具備してなることを特徴とする。 (13) プラズマ気相反応法によって半導体結晶微粒
子を成長させる成長室と、この成長室と複数のオリフィ
スを介して接続され、微粒子半導体膜の形成に供される
基板が配置される成膜室と、前記基板の上方で、前記半
導体結晶微粒子の表面近傍を溶融する溶融手段を具備し
てなることを特徴とする。 (14) (12),(13)に記載の微粒子半導体膜
製造装置は、前記成膜室内に磁場を印加する手段を有す
る。 (15) (12),(13)に記載の微粒子半導体膜
製造装置は、前記基板にバイアス電圧を印加する手段を
有する。 (16) (12)に記載の微粒子半導体膜製造装置
は、オリフィスと基板との距離間隔を所望の値に調節し
得る手段を有する。 (17) (12)に記載の微粒子半導体膜製造装置
は、成長室内にAr,Kr,Xe等の原子半径の大きい
不活性ガスを導入する手段を有する。 (18) (13)に記載の微粒子半導体膜製造装置の
半導体結晶微粒子を供給する手段は、成膜室内に半導体
微粒子粉末を供給するものである。 (19) (12),(13)に記載の微粒子半導体膜
製造装置の半導体結晶微粒子を溶融する手段は、成膜室
内に外部からレーザ光を導入するものである。 (20) (12),(13)に記載の微粒子半導体膜
製造装置の半導体結晶微粒子を溶融する手段は、熱プラ
ズマを発生させて半導体結晶微粒子を溶融させるもので
ある。The structure of an apparatus for forming a fine particle semiconductor film in the fine particle semiconductor device of the present invention will be described below. (12) a film forming chamber in which a substrate to be used for forming a fine particle semiconductor film is arranged; a means for supplying semiconductor crystal fine particles to be deposited on the substrate into the film forming chamber; Means for melting the vicinity of the surface of the semiconductor crystal fine particles. (13) A growth chamber for growing semiconductor crystal fine particles by a plasma gas phase reaction method, and a film formation chamber connected to the growth chamber via a plurality of orifices and in which a substrate for forming a fine particle semiconductor film is arranged. And melting means for melting the vicinity of the surface of the semiconductor crystal fine particles above the substrate. (14) The apparatus for manufacturing a fine particle semiconductor film according to (12) or (13) has means for applying a magnetic field to the film forming chamber. (15) The apparatus for manufacturing a fine particle semiconductor film according to (12) or (13) has means for applying a bias voltage to the substrate. (16) The apparatus for manufacturing a fine particle semiconductor film according to (12) has means for adjusting the distance between the orifice and the substrate to a desired value. (17) The apparatus for manufacturing a fine particle semiconductor film according to (12) has means for introducing an inert gas having a large atomic radius, such as Ar, Kr, or Xe, into the growth chamber. (18) The means for supplying semiconductor crystal fine particles of the apparatus for manufacturing a fine particle semiconductor film according to (13) supplies the fine semiconductor particle powder into the film forming chamber. (19) The means for melting the semiconductor crystal fine particles of the fine particle semiconductor film manufacturing apparatus according to (12) or (13) is for introducing a laser beam from outside into the film forming chamber. (20) The means for melting the semiconductor crystal fine particles of the apparatus for manufacturing a fine particle semiconductor film according to (12) or (13) generates thermal plasma to melt the semiconductor crystal fine particles.
【0013】(作用)本発明の半導体装置は微粒子半導
体膜を含み、この微粒子半導体膜中の半導体結晶微粒子
核が電子や正孔の主たる伝導経路になっており、さらに
半導体結晶微粒子核が多結晶部によって、良好に電気接
続されている。従って、多結晶体や非晶質体のみが主な
伝導経路になっている従来の半導体薄膜に比べて、伝導
キャリアが高い移動度を有することができる。また、欠
陥数が極めて少ない半導体結晶微粒子核を主成分として
いるので、従来の多結晶体や非晶質体のみからからなる
半導体薄膜に比べて欠陥密度が極めて少ない特徴を有す
る。(Operation) The semiconductor device of the present invention includes a fine particle semiconductor film, and the semiconductor crystal fine particle nucleus in the fine particle semiconductor film serves as a main conduction path of electrons and holes. Good electrical connection by the parts. Therefore, the conduction carriers can have higher mobility than a conventional semiconductor thin film in which only a polycrystalline or amorphous body is a main conduction path. In addition, since the semiconductor crystal fine particle nucleus having a very small number of defects is mainly used, the defect density is extremely low as compared with a conventional semiconductor thin film consisting only of a polycrystalline or amorphous body.
【0014】さらに、本発明の微粒子半導体膜の製造方
法は、予め少なくとも表面が溶融した半導体結晶微粒子
を基板上に供給することによって、基板温度が450℃
以下の低温プロセスにおいても、高移動度、低欠陥密度
を有する微粒子半導体膜を得ることができる。また、レ
ーザアニールのような、膜形成後の再結晶化のプロセス
を用いずに形成することができるので、平面方向及び深
さ方向において均一な膜を得ることができる。Further, according to the method for producing a fine particle semiconductor film of the present invention, the temperature of the substrate is set at 450 ° C.
Even in the following low-temperature process, a fine particle semiconductor film having high mobility and low defect density can be obtained. In addition, since the film can be formed without using a recrystallization process after film formation such as laser annealing, a uniform film can be obtained in the plane direction and the depth direction.
【0015】また、基板と半導体結晶微粒子核を溶融す
る位置が離れていると、溶融された微粒子同士が接触し
てくっつくことがあり、膜中の半導体微粒子核の大きさ
が異なって形成されることがある。すると、半導体微粒
子核の大きさが異なるため、膜の特性が異なってしま
う。しかし、本発明のように半導体微粒子核の溶融を、
基板上方近傍で行うことによって、膜中の半導体結晶微
粒子核の大きさが均一になる。Further, if the position where the substrate and the semiconductor crystal fine particle nucleus are melted away from each other, the melted fine particles may come into contact with each other and stick to each other, so that the semiconductor fine particle nuclei in the film are formed with different sizes. Sometimes. Then, since the sizes of the semiconductor fine particle nuclei are different, the characteristics of the film are different. However, as in the present invention, the melting of the semiconductor fine particle nucleus
By performing the process near the upper part of the substrate, the size of the semiconductor crystal fine particle nuclei in the film becomes uniform.
【0016】本発明の光電変換素子は、微粒子半導体膜
を用いることによって、変換効率の高い結晶性の薄膜を
450℃以下の温度で形成することができる。従って、
低い基板温度で形成することが可能なので低価格な基板
を用いることができ、低コストと高変換効率とを同時に
実現することができる。In the photoelectric conversion device of the present invention, a crystalline thin film having high conversion efficiency can be formed at a temperature of 450 ° C. or less by using a fine particle semiconductor film. Therefore,
Since the substrate can be formed at a low substrate temperature, an inexpensive substrate can be used, and low cost and high conversion efficiency can be realized at the same time.
【0017】また、本発明の光電変換素子を太陽電池に
適用すると、450℃以下の低い基板温度で形成するこ
とができるので、微結晶半導体膜または非晶質半導体膜
の上に、結晶系の微粒子半導体膜が形成した形の半導体
接合を容易に形成することができる。Further, when the photoelectric conversion element of the present invention is applied to a solar cell, it can be formed at a low substrate temperature of 450 ° C. or less, so that a crystalline system film is formed on a microcrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film. It is possible to easily form a semiconductor junction in the form of a fine particle semiconductor film.
【0018】また、複数の物質の結晶微粒子を同時に供
給して、基板上に堆積させることによって、複数の物質
の結晶微粒子核が存在する薄膜を形成することができ
る。このような膜をセルとして用いることによって、シ
ングル型セルでありながら、タンデム型セルと同様な性
質を持たせることができる。この素子は、タンデム型セ
ルと同様な性質を有しながら、シングル型セル構造であ
るので、高変換効率で低コストな光電変換素子を製造す
ることができる。Further, by simultaneously supplying crystal fine particles of a plurality of substances and depositing them on a substrate, a thin film having crystal fine particle nuclei of a plurality of substances can be formed. By using such a film as a cell, it is possible to have the same properties as a tandem-type cell while being a single-type cell. This element has the same properties as the tandem cell but has a single cell structure, so that a low-cost photoelectric conversion element with high conversion efficiency can be manufactured.
【0019】微粒子半導体膜は、450℃以下の低温プ
ロセスで形成可能なことから、微粒子半導体膜を含むタ
ンデム型セルにおいて、結晶性の半導体膜と非晶質ある
いは微結晶半導体膜とを混在させることができ、個々の
セルのオーミック接続部に例えばμc−Siやa−Si
を用いて、pn接合を形成することができる。勿論、μ
c−Siやa−Si膜は300℃以下の温度において、
プラズマCVD法等により形成可能なので、微粒子半導
体膜の上に微結晶シリコン(μc−Si)やa−Siを
堆積させるのは容易である。Since a fine particle semiconductor film can be formed by a low-temperature process of 450 ° C. or less, a mixture of a crystalline semiconductor film and an amorphous or microcrystalline semiconductor film in a tandem cell including the fine particle semiconductor film. Can be formed at each ohmic connection of each cell, for example, by μc-Si or a-Si.
Can be used to form a pn junction. Of course, μ
The c-Si and a-Si films are formed at a temperature of 300 ° C. or less.
Since it can be formed by a plasma CVD method or the like, it is easy to deposit microcrystalline silicon (μc-Si) or a-Si on the fine particle semiconductor film.
【0020】[0020]
(第1実施形態)図1は本発明の第1実施形態に係わる
微粒子半導体膜製造装置の概略を示す模式図である。半
導体結晶微粒子を生成する半導体結晶微粒子成長室10
が設けられている。半導体結晶微粒子をプラズマCVD
法によって形成するための原料ガスを貯蔵する原料ガス
供給室11が、成長室10の外部に設置されている。原
料ガス供給室11内の原料ガスは、バルブ12を介して
成長室10内に導入される。また、成長室10内に、半
導体結晶微粒子を生成するために必要なプラズマ電力を
供給する放電板13が設けられている。放電板13に電
力を供給するための高周波電源14(例えば144MH
zのVHF帯電源)が、成長室10の外部に設けられ、
放電板13に接続されている。(First Embodiment) FIG. 1 is a schematic view schematically showing an apparatus for manufacturing a fine particle semiconductor film according to a first embodiment of the present invention. Semiconductor crystal fine particle growth chamber 10 for producing semiconductor crystal fine particles
Is provided. Plasma CVD of semiconductor crystal particles
A source gas supply chamber 11 for storing a source gas to be formed by a method is provided outside the growth chamber 10. The source gas in the source gas supply chamber 11 is introduced into the growth chamber 10 via the valve 12. Further, in the growth chamber 10, a discharge plate 13 for supplying plasma power required for generating semiconductor crystal fine particles is provided. A high-frequency power supply 14 (for example, 144 MH) for supplying power to the discharge plate 13
z VHF band power supply) is provided outside the growth chamber 10,
It is connected to the discharge plate 13.
【0021】成長室10に、成膜室15が接続されてい
る。成長室10と成膜室15との間には、成長室10で
生成された半導体結晶微粒子を含むガスを均一に導入す
るためにオリフィス16が複数設けられている。成膜室
15の外部に、半導体結晶微粒子を閉じこめるための磁
場を発生させる電磁石17が設けられている。電磁石1
7の下方に、半導体結晶微粒子の表面近傍を溶融させる
レーザ光源18が設けられている。そして、レーザ光源
18から照射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズ
19によって、光路や強度が調節されて成膜室15内に
導入される。A film forming chamber 15 is connected to the growth chamber 10. A plurality of orifices 16 are provided between the growth chamber 10 and the film formation chamber 15 to uniformly introduce a gas containing semiconductor crystal fine particles generated in the growth chamber 10. An electromagnet 17 for generating a magnetic field for confining the semiconductor crystal fine particles is provided outside the film forming chamber 15. Electromagnet 1
Below 7, a laser light source 18 for melting the vicinity of the surface of the semiconductor crystal fine particles is provided. Then, the laser light emitted from the laser light source 18 is introduced into the film forming chamber 15 by adjusting the optical path and intensity by the cylindrical lens 19.
【0022】導入されるレーザ光の光路の下方近傍に、
ヒーター20により所定温度に加熱されたサセプタ21
上に基板22が保持されている。サセプタ21に、直流
または交流のバイアス電圧を印加するバイアス電源23
が設けられている。また、サセプタ21は可動機構24
によって上下、回転運動が可能になっており、オリフィ
ス16と基板22との距離間隔が調節可能になってい
る。また、必要に応じて、原料ガス供給室11から成膜
室15へ原料ガスが導入されるよう、原料ガス供給室1
1と成膜室15との間にバルブ26が設けられている。Near the lower part of the optical path of the laser light to be introduced,
Susceptor 21 heated to a predetermined temperature by heater 20
The substrate 22 is held thereon. A bias power supply 23 for applying a DC or AC bias voltage to the susceptor 21
Is provided. The susceptor 21 is provided with a movable mechanism 24.
This enables vertical and rotational movements, and the distance between the orifice 16 and the substrate 22 can be adjusted. In addition, the source gas supply chamber 1 is introduced so that the source gas is introduced from the source gas supply chamber 11 to the film formation chamber 15 as necessary.
A valve 26 is provided between 1 and the film forming chamber 15.
【0023】次に、上記構成の装置を用いた、シリコン
結晶微粒子半導体膜の形成を一例として説明する。成長
室10及び成膜室15内を十分に真空排気した後、原料
ガス供給室11からシランとアルゴンガスとの混合ガス
を成長室10に導入する。成長室10内の圧力を0.0
1〜5Torr、成膜室15の圧力を10-5〜1Tor
rの範囲に設定した後、放電板13に、高周波電源14
からラジカルの発生効率の高いVHF電力を印加し、プ
ラズマを生成する。Next, the formation of a silicon crystal fine particle semiconductor film using the apparatus having the above configuration will be described as an example. After sufficiently evacuating the inside of the growth chamber 10 and the film formation chamber 15, a mixed gas of silane and argon gas is introduced into the growth chamber 10 from the source gas supply chamber 11. The pressure in the growth chamber 10 is set to 0.0
1 to 5 Torr, and the pressure of the film forming chamber 15 is set to 10 -5 to 1 Torr.
r, the discharge plate 13 is connected to the high-frequency power source 14.
, A VHF power with high radical generation efficiency is applied to generate plasma.
【0024】すると、プラズマ中に小粒径のシリコン結
晶微粒子(直径:数nm〜数10nm)が生成される。
生成されたシリコン結晶微粒子は負に帯電するが、正イ
オン流に押されて負電位の放電板13のシース側に滞留
する。また、大きい粘性を有するAr正イオン流が負電
位の放電板13に向かうため、シリコン結晶微粒子は放
電板13近傍から脱出しにくくなり、放電板13近傍で
の滞留時間が長くなる。その結果、比較的大きな粒径の
シリコン結晶微粒子(数10nm〜最大数μm、平均的
には100〜1000nm程度)を放電板13近傍で成
長させることができる。Then, silicon crystal fine particles having a small particle diameter (diameter: several nm to several tens nm) are generated in the plasma.
Although the generated silicon crystal fine particles are negatively charged, they are pushed by the positive ion flow and stay on the sheath side of the discharge plate 13 having a negative potential. In addition, since the Ar positive ion flow having a large viscosity is directed toward the discharge plate 13 having a negative potential, the silicon crystal fine particles are less likely to escape from the vicinity of the discharge plate 13 and the residence time in the vicinity of the discharge plate 13 is prolonged. As a result, silicon crystal fine particles (several tens nm to a maximum of several μm, on average about 100 to 1000 nm) having a relatively large particle size can be grown near the discharge plate 13.
【0025】ある滞留時間を過ぎると、シリコン結晶微
粒子は成長室10に設けられている複数のオリフィス1
6を通り、成膜室15に飛び出す。帯電しているシリコ
ン結晶微粒子は、電磁石17によって与えられる磁場に
よって、成膜室15の内壁方向に飛散せず、効率的に基
板22上方の成膜室15空間内に閉じこめられるので、
成膜速度が早くなる。After a certain residence time, the silicon crystal fine particles move to the plurality of orifices 1 provided in the growth chamber 10.
6 and jumps out to the film forming chamber 15. The charged silicon crystal fine particles are not scattered in the direction of the inner wall of the film forming chamber 15 by the magnetic field given by the electromagnet 17 and are efficiently confined in the space of the film forming chamber 15 above the substrate 22.
The film forming speed increases.
【0026】そして、シリコン結晶微粒子は、レーザ光
源18から発せられたレーザ光の光路上を通過する際、
表面近傍が溶融される。レーザ光源18として、エキシ
マレーザ、CO2 レーザ、YAGレーザ等があるが、融
点1410℃のSiを溶かし得るものであればどのよう
なものでも良い。そして、表面近傍が溶融されたシリコ
ン結晶微粒子は、基板22上に電気的に接続された状態
で凝集し、基板22上に薄膜を形成する。この時、基板
温度は450℃以下の低温でも、高移動度且つ低欠陥密
度を有する薄膜が均一に形成することができる。また、
サセプタ21にバイアス電源23によってバイアス電圧
を印加すれば、帯電したシリコン結晶微粒子を更に効率
的に基板上に集められるので、成膜速度を向上させるこ
とができる。When the silicon crystal fine particles pass on the optical path of the laser light emitted from the laser light source 18,
The vicinity of the surface is melted. Examples of the laser light source 18 include an excimer laser, a CO 2 laser, a YAG laser, and the like, but any laser light source that can melt Si having a melting point of 1410 ° C. may be used. Then, the silicon crystal microparticles whose surface vicinity has been melted aggregate while being electrically connected to the substrate 22, and form a thin film on the substrate 22. At this time, even when the substrate temperature is as low as 450 ° C. or less, a thin film having high mobility and low defect density can be uniformly formed. Also,
When a bias voltage is applied to the susceptor 21 by the bias power supply 23, the charged silicon crystal fine particles can be more efficiently collected on the substrate, so that the film forming speed can be improved.
【0027】また、可動機構24により、オリフィス1
6と基板との距離間隔を所定値より長くすれば、シリコ
ン結晶微粒子に比べて寿命の短いラジカル(SiH3,
SiH2,SiH,H等)が基板22上に余り到達しな
くなるので、シリコン結晶微粒子主体の薄膜が形成され
る。この薄膜の断面を図2に示す。基板22上に溶融さ
れなかったシリコン結晶微粒子核30と、レーザによっ
て溶融され、再結晶化した多結晶部31とから構成され
ている。ここで、32は基板22に付着したシリコン結
晶微粒子の境界である。しかし、実際の境界32は隣接
する微粒子の多結晶部31によって共有されているため
に、明確に観察されるとは限らない。The orifice 1 is moved by the movable mechanism 24.
If the distance between the substrate 6 and the substrate is longer than a predetermined value, radicals (SiH3,
(SiH2, SiH, H, etc.) hardly reach the substrate 22, so that a thin film mainly composed of silicon crystal fine particles is formed. FIG. 2 shows a cross section of this thin film. It comprises a silicon crystal fine particle nucleus 30 not melted on the substrate 22 and a polycrystalline portion 31 melted and recrystallized by a laser. Here, 32 is a boundary of the silicon crystal fine particles attached to the substrate 22. However, since the actual boundary 32 is shared by the polycrystalline portions 31 of the adjacent fine particles, it is not always clearly observed.
【0028】次に、この薄膜の電子移動度、あるいは正
孔移動度と結晶微粒子核30の体積分率の依存性を図
3,4に示す。ここで、電子移動度、正孔移動度は共に
共通した体積分率依存性を示している。体積分率が5%
〜95%の間は、体積分率が上昇するにしたがい、電子
移動度及び正孔移動度が上昇している。しかし、体積分
率が5%以下,95%以上になると、電子移動度及び正
孔移動度は急激に減少していることがわかる。そのた
め、シリコン結晶微粒子核30の体積分率は5%〜95
%の間にあることが望ましいといえる。Next, FIGS. 3 and 4 show the dependence of the electron mobility or hole mobility of the thin film on the volume fraction of the crystal fine particle nucleus 30. FIG. Here, both the electron mobility and the hole mobility show a common volume fraction dependency. 5% volume fraction
Between 95% and 95%, the electron mobility and the hole mobility increase as the volume fraction increases. However, when the volume fraction becomes 5% or less and 95% or more, it is understood that the electron mobility and the hole mobility sharply decrease. Therefore, the volume fraction of the silicon crystal fine particle nucleus 30 is 5% to 95%.
% Is desirable.
【0029】また、基板22とオリフィス16との距離
を所定値より短くすれば、ラジカルの到達数が増加する
ので、電気的に接続されたシリコン結晶微粒子核の回り
を非晶質シリコンが取り囲んだ膜を形成することができ
る。この薄膜の断面を図5に示す。図3と同一なものに
は、同一符号を付し、その説明を省略する。この薄膜の
特徴は、Si−H,Si−H2 ,Si−H3 などのシリ
コン−水素結合を含む非晶質シリコン部33が膜中に形
成され、境界32を非晶質シリコン部33が取り囲んだ
ような膜が形成されていることである。この薄膜は、図
2の薄膜に比べて、表面の平坦性が改善されるという特
徴がある。Further, if the distance between the substrate 22 and the orifice 16 is shorter than a predetermined value, the number of arrivals of radicals increases, so that amorphous silicon surrounds the electrically connected silicon crystal fine particle nuclei. A film can be formed. FIG. 5 shows a cross section of this thin film. The same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The feature of this thin film is that an amorphous silicon portion 33 containing a silicon-hydrogen bond such as Si—H, Si—H 2 , or Si—H 3 is formed in the film, and a boundary 32 is formed by the amorphous silicon portion 33. That is, a film as if surrounded is formed. This thin film is characterized in that the surface flatness is improved as compared with the thin film of FIG.
【0030】また、この薄膜の電子移動度、あるいは正
孔移動度の非晶質シリコン部33の体積分率依存性を図
6,7に示す。電子移動度、正孔移動度は共通した体積
分率依存を示している。0〜50%の間では、電子移動
度及び正孔移動度は穏やかに減少している。しかし、体
積分率が50%以上になると、電子移動度及び正孔移動
度は急激に減少する特性を示す。従って、非晶質シリコ
ン部33の体積分率は0〜50%の間が望ましいといえ
る。また同時に、図3,4から、結晶微粒子核の体積分
率が5〜95%の間にあることが望ましいといえる。FIGS. 6 and 7 show the dependence of the electron mobility or the hole mobility of the thin film on the volume fraction of the amorphous silicon portion 33. FIG. The electron mobility and the hole mobility show common volume fraction dependency. Between 0 and 50%, the electron and hole mobilities gently decrease. However, when the volume fraction becomes 50% or more, the electron mobility and the hole mobility show a characteristic of sharply decreasing. Therefore, it can be said that the volume fraction of the amorphous silicon portion 33 is desirably between 0 and 50%. At the same time, it can be said from FIGS. 3 and 4 that the volume fraction of crystal fine particle nuclei is desirably between 5 and 95%.
【0031】(第2実施形態)また、第1実施形態の微
粒子半導体膜製造装置と異なる装置を図8に示す。微粒
子粉末供給室40内に収められたシリコン微粒子粉末
は、キャリアガスと一緒に、粉末供給ノズル41を通し
て、プラズマ溶融室42に供給される。Si微粒子の大
きさは、10nmから100μmのサイズのものを選択
すれば良い。また、キャリアガスとしては、He,N
e,Ar,Kr,Xe等の不活性ガスを用いることがで
きる。Second Embodiment FIG. 8 shows an apparatus different from the apparatus for manufacturing a fine particle semiconductor film of the first embodiment. The silicon fine-particle powder contained in the fine-particle powder supply chamber 40 is supplied to a plasma melting chamber 42 through a powder supply nozzle 41 together with a carrier gas. The size of the Si fine particles may be selected from a size of 10 nm to 100 μm. He, N is used as a carrier gas.
An inert gas such as e, Ar, Kr, and Xe can be used.
【0032】また、ガス供給部43よりプラズマ発生用
ガス及び原料ガスがガス供給ノズル44を通して、プラ
ズマ溶融室42に導入される。プラズマ発生用ガスとし
ては、He,Ne,Ar,Kr,Xeなどの不活性ガス
を用いることができる。また、膜中に非晶質Si部を含
ませる場合には、原料ガスとして、シランやシジラン等
の珪素化合物ガスを用い、必要に応じて水素ガスを混合
すれば良い。A gas for plasma generation and a source gas are introduced from a gas supply unit 43 into a plasma melting chamber 42 through a gas supply nozzle 44. As the plasma generating gas, an inert gas such as He, Ne, Ar, Kr, and Xe can be used. In the case where an amorphous Si portion is contained in the film, a silicon compound gas such as silane or sidilan may be used as a source gas, and a hydrogen gas may be mixed as necessary.
【0033】また、プラズマ溶融室42の周囲に高周波
を発生する高周波コイル45が設置されている。そして
プラズマ溶融室42の下方に成膜室15が接続されてい
る。そして、成膜室15内には、サセプタ21上に基板
22が配置されている。また、成膜室15の外部に、電
磁石17が設置されている。A high frequency coil 45 for generating a high frequency is provided around the plasma melting chamber 42. The film forming chamber 15 is connected below the plasma melting chamber 42. The substrate 22 is disposed on the susceptor 21 in the film forming chamber 15. An electromagnet 17 is provided outside the film forming chamber 15.
【0034】この装置における微粒子半導体膜の製造に
ついて説明する。キャリアガスと一緒に流れるSi微粒
子と、プラズマ発生用ガスとをプラズマ溶融室42内に
導入する。そして、所定の圧力(例えば、10〜760
Torr)に調圧した後、高周波コイル45に高周波電
力(周波数:1〜200MHz,電力:1〜100k
W)を加えて、熱プラズマを発生させる。この熱プラズ
マによって、Si微粒子粉末の表面が溶融される。この
時、周波数や電力の調整によって、微粒子粉末を全て溶
融させることもできるし、表面付近のみを溶融させるこ
ともできる。溶融された微粒子粉末は、ガスの流れに沿
って基板22に向かい、基板22上に堆積される。The production of the fine particle semiconductor film in this apparatus will be described. The Si fine particles flowing together with the carrier gas and the plasma generating gas are introduced into the plasma melting chamber 42. Then, a predetermined pressure (for example, 10 to 760)
After adjusting the pressure to Torr, high frequency power (frequency: 1 to 200 MHz, power: 1 to 100 k) is applied to the high frequency coil 45.
W) to generate thermal plasma. The surface of the Si fine particle powder is melted by this thermal plasma. At this time, by adjusting the frequency and electric power, all of the fine particle powder can be melted, or only the vicinity of the surface can be melted. The melted fine particle powder travels toward the substrate 22 along the gas flow and is deposited on the substrate 22.
【0035】なお、電磁石17によって、基板22上の
成膜室15内に磁場を与えれば、電荷を帯びたSi微粒
子粉末を基板上の空間内に閉じこめることができるの
で、成膜速度の向上が図れる。When a magnetic field is applied to the film-forming chamber 15 on the substrate 22 by the electromagnet 17, the charged Si fine particles can be confined in the space on the substrate, so that the film-forming speed can be improved. I can do it.
【0036】また、Si微粒子を成膜室に供給し、レー
ザでSi微粒子表面を溶融させる構成の装置も可能であ
る。また、図9に示すように、第1実施形態のように、
Si微粒子をCVD法によって形成し、成膜室内に供給
しても微粒子半導体膜を形成することができる。ここで
図1,8と同一な部分には同一符号を付し、その説明を
省略する。この装置は、Si微粒子を供給する方法に比
べて、均一な大きさの微結晶を提供することができる。It is also possible to use a device in which Si fine particles are supplied to a film forming chamber and the surface of the Si fine particles is melted by a laser. Further, as shown in FIG. 9, as in the first embodiment,
Even if Si fine particles are formed by a CVD method and supplied into a film formation chamber, a fine particle semiconductor film can be formed. Here, the same portions as those in FIGS. 1 and 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. This apparatus can provide microcrystals of a uniform size as compared with a method of supplying Si fine particles.
【0037】(第3実施形態)本発明の第3実施形態に
係わるシングル型セルの太陽電池の断面図を図10に示
す。450℃以下の低温において、変形や含有不純物拡
散の恐れがない低融点ガラス基板50上に、Ti,M
o,Cr,Al等からなる裏面電極51が形成されてい
る。裏面電極51上に、5〜1000μm程度の膜厚の
p型微粒子シリコン(Si)膜52が形成されている。
このp型微粒子Si膜52は、第1実施形態に記載の微
粒子半導体膜である。p型微粒子Si膜52上に、10
〜50nm程度の膜厚のn型微結晶シリコン(μc−S
i)膜またはn型非晶質カーバイト膜(a−Si)のn
型層53を介して、ITO等の透明電極54が形成され
ている。そして、透明電極54上の一部に、集電電極5
5が形成されている。そして、透明電極54及び集電電
極55上に反射防止膜56が形成されている。(Third Embodiment) FIG. 10 is a sectional view of a single cell solar cell according to a third embodiment of the present invention. At a low temperature of 450 ° C. or less, Ti, M
A back electrode 51 made of o, Cr, Al or the like is formed. On the back electrode 51, a p-type fine particle silicon (Si) film 52 having a thickness of about 5 to 1000 μm is formed.
The p-type fine particle Si film 52 is the fine particle semiconductor film described in the first embodiment. On the p-type fine particle Si film 52, 10
N-type microcrystalline silicon (μc-S
i) n of film or n-type amorphous carbide film (a-Si)
A transparent electrode 54 such as ITO is formed via the mold layer 53. The current collecting electrode 5 is partially provided on the transparent electrode 54.
5 are formed. Then, an antireflection film 56 is formed on the transparent electrode 54 and the current collecting electrode 55.
【0038】なお、本実施形態の太陽電池の形成におい
て、p型微粒子Si膜52形成後、適当な段階で、p型
微粒子Si膜52と裏面電極51とのオーミック接触を
良好にするため、400℃〜450℃の温度範囲でシン
ター処理を約15分間行なうことが望ましい。In the formation of the solar cell according to the present embodiment, after forming the p-type fine particle Si film 52, at an appropriate stage, in order to improve the ohmic contact between the p-type fine particle Si film 52 and the back electrode 51, 400 It is desirable that the sintering be performed at a temperature in the range of C to 450C for about 15 minutes.
【0039】透明電極54側から入射した光によってp
型微粒子Si膜52で発生した電子は、n型層53との
接合界面に拡散しpn接合電界に押し流されて、集電電
極55から取り出される。一方、同様に発生した正孔は
裏面電極51に拡散し、電流として取り出される。The light incident from the transparent electrode 54 side causes p
The electrons generated in the type fine particle Si film 52 are diffused to the junction interface with the n-type layer 53, are pushed away by the pn junction electric field, and are extracted from the current collecting electrode 55. On the other hand, the holes generated in the same manner diffuse to the back surface electrode 51 and are taken out as a current.
【0040】本実施形態の太陽電池の特性を計測したと
ころ、AM−1.5、100mW/cm2 の太陽光照射
下の変換効率は14%以上の良好な値が得られた。ま
た、面積1m2 以上の大面積素子においても、12%以
上の高い変換効率を得ることが可能であった。When the characteristics of the solar cell of this embodiment were measured, a good conversion efficiency of 14% or more was obtained under irradiation with sunlight of AM-1.5 and 100 mW / cm 2 . Further, even in a large-area element having an area of 1 m 2 or more, a high conversion efficiency of 12% or more could be obtained.
【0041】さらに、本実施形態の太陽電池は、主に結
晶系半導体からなるため、非晶質シリコン太陽電池に見
られていた光劣化がなく、信頼性が高くなるという性質
を有する。Further, since the solar cell of the present embodiment is mainly made of a crystalline semiconductor, it does not suffer from light deterioration which has been observed in an amorphous silicon solar cell, and has a property of increasing reliability.
【0042】(第4実施形態)図11は、本発明の第4
実施形態に係わる太陽電池の断面図である。ここで図1
0と同一な部分には同一符号を付し、その説明を省略す
る。本実施形態の特徴は、p型層が、p型シリコン(S
i)結晶微粒子61と、p型ゲルマニウム(Ge)結晶
微粒子62とからなるp型微粒子Si・Ge膜63で構
成されていることである。つまり、バンドギャップ及び
光吸収波長領域が異なる物質が、一つのセル中に形成さ
れている。また、基板として、低コストで得られる金属
基板を用い、例えば、ステンレス基板60を用いてい
る。(Fourth Embodiment) FIG. 11 shows a fourth embodiment of the present invention.
It is sectional drawing of the solar cell concerning embodiment. Here, FIG.
The same reference numerals are given to the same portions as 0, and the description thereof will be omitted. The feature of this embodiment is that the p-type layer is made of p-type silicon (S
i) A p-type fine particle Si / Ge film 63 composed of crystal fine particles 61 and p-type germanium (Ge) crystal fine particles 62. That is, substances having different band gaps and light absorption wavelength regions are formed in one cell. Further, a metal substrate obtained at low cost is used as the substrate, for example, a stainless steel substrate 60 is used.
【0043】SiとGeのバンドギャップは、それぞれ
1.1eV、0.67eVである。従来のGe素子は、
約1.8μm以下というSi素子よりも広い波長領域に
おいて光電変換を行なうもの、表面吸収によるキャリア
の再結合損失が大きくなるので、短波長側(約1μm以
下)の感度が悪くなるという欠点があった。一方、本実
施形態の構造では、Si微粒子が短波長光(波長1.1
μm以下)を効率よく光電変換することができるので、
短波長側の感度を大きく改善することができる。従っ
て、従来のGe素子あるいはSi素子単体からなる構造
に比べて、短絡光電流を大幅に増大させることができ
る。また、従来のGe素子ではバンドギャップが狭いた
め、0.3〜0.35Vの小さい開放電圧しか得ること
ができなかった。しかし、本実施形態ではGe微粒子よ
りもバンドギャップの大きいSi微粒子の存在によっ
て、Si素子なみの約0.5Vまで開放電圧が高くな
る。The band gaps of Si and Ge are 1.1 eV and 0.67 eV, respectively. Conventional Ge elements are:
Although photoelectric conversion is performed in a wavelength region of about 1.8 μm or less, which is wider than that of the Si element, the recombination loss of carriers due to surface absorption increases, and thus the sensitivity on the short wavelength side (about 1 μm or less) deteriorates. Was. On the other hand, in the structure of this embodiment, the Si fine particles emit short-wavelength light (wavelength
μm or less) can be efficiently photoelectrically converted.
The sensitivity on the short wavelength side can be greatly improved. Therefore, the short-circuit photocurrent can be significantly increased as compared with a conventional structure composed of a single Ge element or Si element. Further, the conventional Ge element has a narrow band gap, so that only a small open-circuit voltage of 0.3 to 0.35 V can be obtained. However, in the present embodiment, the open-circuit voltage increases to about 0.5 V, which is equivalent to that of a Si element, due to the presence of Si fine particles having a band gap larger than that of Ge fine particles.
【0044】本実施形態の太陽電池は、大きな開放電圧
と、大きな短絡光電流が得られるので、変換効率16%
以上(AM−1.5、100mW/cm2 )の高性能素
子を低コストで製造することができる。In the solar cell of this embodiment, a large open-circuit voltage and a large short-circuit photocurrent can be obtained.
A high-performance device having the above (AM-1.5, 100 mW / cm 2 ) can be manufactured at low cost.
【0045】(第5実施形態)図12は、本発明の第5
実施形態に係わる太陽電池の断面図である。ここで図1
0,11と同一な部分には同一符号を付し、その説明を
省略する。本実施形態の太陽電池の特徴は、3種類のシ
ングルセルが積層されたタンデム型セルで構成されてい
ることである。(Fifth Embodiment) FIG. 12 shows a fifth embodiment of the present invention.
It is sectional drawing of the solar cell concerning embodiment. Here, FIG.
The same reference numerals are given to the same parts as 0 and 11, and the description thereof is omitted. The feature of the solar cell of the present embodiment is that the solar cell is constituted by a tandem cell in which three types of single cells are stacked.
【0046】ステンレス基板60上に、裏面電極51を
介して、SiとGeからなるp型微粒子Si・Ge膜6
3が形成されている。p型微粒子Si・Ge膜63上
に、n型のμc−Siあるいはa−Siからなるn型層
53が形成されて、第1のシングルセル70が形成され
ている。そして、上部にp型のμc−Siあるいはa−
Siからなるオーミック接続層71と、p型Si微結晶
膜52と、n型層53とが積層された第2のシングルセ
ル72が形成されている。そして、この上部にp型のオ
ーミック接続層71と、i型のアモルファスシリコン層
73と、n型層53と、透明電極54と、集電電極55
と、反射防止膜56が積層された第3のシングルセル7
4が形成されている。A p-type fine particle Si / Ge film 6 made of Si and Ge is formed on a stainless steel substrate 60 via a back electrode 51.
3 are formed. An n-type layer 53 made of n-type μc-Si or a-Si is formed on a p-type fine particle Si / Ge film 63 to form a first single cell 70. The p-type μc-Si or a-
A second single cell 72 in which an ohmic connection layer 71 made of Si, a p-type Si microcrystalline film 52, and an n-type layer 53 are stacked is formed. On top of this, a p-type ohmic connection layer 71, an i-type amorphous silicon layer 73, an n-type layer 53, a transparent electrode 54, and a current collecting electrode 55
And the third single cell 7 on which the antireflection film 56 is laminated
4 are formed.
【0047】最上層の第3のシングルセル74で波長が
約700nm以下の光(a−Siのバンドギャップは約
1.7eV)が、第2のシングルセル72で波長が約
1.1μm以下の光が、再下層の第1のシングルセル7
0で約1.8μm以下の光が吸収されるように構成され
ている。各層の膜厚は、各シングルセルの短絡電流が等
しく、かつ最大になるように決定される。3つのセルの
開放電圧の和が、このタンデム型セルの開放電圧にな
る。AM−1.5、100mW/cm2 照射下での変換
効率は、開放電圧1.8V以上と短絡光電流15mW/
cm2 、18%以上の高い値を示す。Light having a wavelength of about 700 nm or less (a-Si band gap of about 1.7 eV) is emitted from the third single cell 74 in the uppermost layer, and light having a wavelength of about 1.1 μm or less is emitted from the second single cell 72. The light is again applied to the lower first single cell 7.
At 0, light of about 1.8 μm or less is absorbed. The thickness of each layer is determined so that the short-circuit current of each single cell is equal and maximum. The sum of the open voltages of the three cells is the open voltage of this tandem cell. AM-1.5, the conversion efficiency under irradiation of 100 mW / cm 2 was an open circuit voltage of 1.8 V or more and a short-circuit photocurrent of 15 mW / cm 2.
cm 2 , indicating a high value of 18% or more.
【0048】以上説明したように、本発明の光電変換素
子は任意の低コスト基板上に結晶系の微粒子半導体膜が
低温で堆積形成されたものなので、高光電変換効率、か
つ低コスト化が同時に実現することができる。As described above, since the photoelectric conversion element of the present invention is formed by depositing a crystalline particulate semiconductor film on an arbitrary low-cost substrate at a low temperature, high photoelectric conversion efficiency and low cost can be simultaneously achieved. Can be realized.
【0049】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではない。太陽電池以外にも、光電変換部を含む素
子について適用することができる。本発明の半導体装置
中の微粒子半導体膜は、太陽電池以外にも、薄膜トラン
ジスタを用いた液晶ディスプレイにも適用することがで
きる。The present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be applied to an element including a photoelectric conversion unit other than the solar cell. The fine particle semiconductor film in the semiconductor device of the present invention can be applied to a liquid crystal display using a thin film transistor in addition to a solar cell.
【0050】Si及びGeの微粒子半導体膜について示
したが、その他、GaAs,AlGaAs,GaSb,
InP,CdTe,ZnO,CuInSe2 等からなる
微粒子半導体膜でも良い。Although the fine particle semiconductor films of Si and Ge have been described, GaAs, AlGaAs, GaSb,
A fine particle semiconductor film made of InP, CdTe, ZnO, CuInSe 2 or the like may be used.
【0051】第3,4,5実施形態の太陽電池中の微粒
子半導体膜は、膜中に非晶質半導体部を含んでいても良
い。また、n型層が微粒子半導体膜からなっていても良
い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することが可能である。The fine particle semiconductor film in the solar cells according to the third, fourth and fifth embodiments may include an amorphous semiconductor portion in the film. Further, the n-type layer may be made of a fine particle semiconductor film. In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
【0052】[0052]
【発明の効果】本発明の半導体装置は、装置中の微粒子
半導体膜内が微粒子結晶核が電気的に接続されることに
よって高移動度、且つ低欠陥密度な膜を提供することが
できる。As described above, the semiconductor device of the present invention can provide a high mobility and low defect density film by electrically connecting fine particle crystal nuclei in the fine particle semiconductor film in the device.
【0053】本発明の微粒子半導体膜の製造方法は、半
導体微粒子を供給し、該微粒子の表面を溶融させて基板
上に堆積させることによって、450℃以下プロセスで
微粒子半導体膜を形成することができる。According to the method for producing a fine particle semiconductor film of the present invention, a fine particle semiconductor film can be formed by a process at 450 ° C. or lower by supplying semiconductor fine particles, melting the surfaces of the fine particles, and depositing them on a substrate. .
【0054】本発明の光電変換素子は、上記微粒子半導
体膜を用いることによって、低温プロセスで結晶性の膜
を形成することができるので、低コスト化と高効率化を
両立することができる。In the photoelectric conversion element of the present invention, a crystalline film can be formed by a low-temperature process by using the above-mentioned fine particle semiconductor film, so that both cost reduction and high efficiency can be achieved.
【図1】第1実施形態に係わる微粒子半導体膜製造装置
の概念を示す模式図。FIG. 1 is a schematic view showing the concept of a fine particle semiconductor film manufacturing apparatus according to a first embodiment.
【図2】第1実施形態に係わる微粒子半導体膜の断面
図。FIG. 2 is a cross-sectional view of the fine particle semiconductor film according to the first embodiment.
【図3】図2の微粒子半導体膜の電子移動度の体積分率
依存性を示す特性図。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a volume fraction dependency of electron mobility of the fine particle semiconductor film of FIG. 2;
【図4】図2の微粒子半導体膜の正孔移動度の体積分率
依存性を示す特性図。FIG. 4 is a characteristic diagram showing a volume fraction dependency of hole mobility of the fine particle semiconductor film of FIG. 2;
【図5】第1実施形態に係わる微粒子半導体膜の断面
図。FIG. 5 is a sectional view of the particulate semiconductor film according to the first embodiment.
【図6】図5の微粒子半導体膜の電子移動度の非晶質シ
リコン部体積分率依存性を示す特性図。6 is a characteristic diagram showing the dependence of the electron mobility of the fine particle semiconductor film of FIG. 5 on the volume fraction of an amorphous silicon part.
【図7】図5の微粒子半導体膜の正孔移動度の非晶質シ
リコン体積分率依存性を示す特性図。FIG. 7 is a characteristic diagram showing the amorphous silicon volume fraction dependency of the hole mobility of the fine particle semiconductor film of FIG. 5;
【図8】第2実施形態に係わる微粒子半導体膜製造装置
の概念を示す模式図。FIG. 8 is a schematic view showing the concept of a fine particle semiconductor film manufacturing apparatus according to a second embodiment.
【図9】第2実施形態に係わる微粒子半導体膜製造装置
の概念を示す模式図。FIG. 9 is a schematic view showing the concept of a fine particle semiconductor film manufacturing apparatus according to a second embodiment.
【図10】第3実施形態に係わるシングル型セルの太陽
電池を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a single-cell solar cell according to a third embodiment.
【図11】第4実施形態に係わるシングル型セルの太陽
電池を示す断面図。FIG. 11 is a sectional view showing a single-cell solar cell according to a fourth embodiment.
【図12】第5実施形態に係わるタンデム型セルの太陽
電池を示す断面図。FIG. 12 is a sectional view showing a tandem-type solar cell according to a fifth embodiment.
【図13】従来のレーザアニールによる多結晶膜を示す
断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a polycrystalline film formed by conventional laser annealing.
10…成長室 11…原料ガス供給室 12…バルブ 13…放電板 14…高周波電源 15…成膜室 16…オリフィス 17…電磁石 18…レーザ光源 19…シリンドリカルレンズ 20…ヒーター 21…バイアス電源 22…基板 23…バイアス電源 24…可動機構 26…バルブ 30…シリコン結晶微粒子核 31…多結晶シリコン部 32…境界 33…アモルファスシリコン部 40…微粒子粉末供給室 41…粉末供給ノズル 42…プラズマ溶融室 43…ガス供給部 44…ガス供給ノズル 45…高周波コイル 50…ガラス基板 51…裏面電極 52…p型微粒子シリコン膜 53…n型層 54…透明電極 55…集電電極 56…反射防止膜 60…ステンレス基板 61…p型シリコン結晶微粒子 62…p型ゲルマニウム結晶微粒子 63…p型微粒子シリコン・ゲルマニウム膜 70…第1のシングルセル 71…オーミック接続層 72…第2のシングルセル 73…i型アモルファスシリコン層 74…第3のシングルセル DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Growth chamber 11 ... Source gas supply chamber 12 ... Valve 13 ... Discharge plate 14 ... High frequency power supply 15 ... Film formation chamber 16 ... Orifice 17 ... Electromagnet 18 ... Laser light source 19 ... Cylindrical lens 20 ... Heater 21 ... Bias power supply 22 ... Substrate Reference Signs List 23 bias power supply 24 movable mechanism 26 valve 30 silicon crystal fine particle nucleus 31 polycrystalline silicon part 32 boundary 33 amorphous silicon part 40 fine particle powder supply chamber 41 powder supply nozzle 42 plasma melting chamber 43 gas Supply part 44 ... Gas supply nozzle 45 ... High frequency coil 50 ... Glass substrate 51 ... Back electrode 52 ... P-type fine particle silicon film 53 ... N-type layer 54 ... Transparent electrode 55 ... Current collecting electrode 56 ... Anti-reflection film 60 ... Stainless steel substrate 61 ... p-type silicon crystal fine particles 62 ... p-type germanium crystal fine particles 63 ... p Particulate silicon-germanium film 70 ... first single cell 71 ... ohmic contact layer 72: second single cell 73 ... i-type amorphous silicon layer 74 ... third single-cell
Claims (4)
導体装置であって、前記微粒子半導体膜は、前記基板上
に離散的に積層された複数の半導体結晶微粒子核と、こ
れらの半導体結晶微粒子核の少なくとも一部を取り囲
み、隣接する半導体結晶微粒子核を電気的に接続する多
結晶半導体部とからなることを特徴とする半導体装置。1. A semiconductor device having a fine particle semiconductor film formed on a substrate, wherein the fine particle semiconductor film comprises a plurality of semiconductor crystal fine particle nuclei discretely laminated on the substrate; A semiconductor device, comprising: a polycrystalline semiconductor portion surrounding at least a part of the fine particle nucleus and electrically connecting an adjacent semiconductor crystal fine particle nucleus.
導体装置であって、前記微粒子半導体膜は、前記基板上
に離散的に積層された複数の半導体結晶微粒子核と、こ
れらの半導体結晶微粒子核の少なくとも一部を取り囲
み、隣接する半導体結晶微粒子核を電気的に接続する多
結晶半導体部と、前記多結晶半導体部の少なくとも一部
を取り囲む非晶質半導体部とからなることを特徴とする
半導体装置。2. A semiconductor device in which a fine particle semiconductor film is formed on a substrate, wherein the fine particle semiconductor film includes a plurality of semiconductor crystal fine particle nuclei discretely stacked on the substrate; A polycrystalline semiconductor portion surrounding at least a part of the fine particle nucleus and electrically connecting adjacent semiconductor crystal fine particle nuclei; and an amorphous semiconductor portion surrounding at least a part of the polycrystalline semiconductor portion. Semiconductor device.
面上に、半導体結晶微粒子を供給する工程と、前記基板
近傍の上方で、前記半導体結晶微粒子の表面近傍を溶融
する工程とを含むことを特徴とする微粒子半導体膜の製
造方法。3. A step of supplying semiconductor crystal fine particles on a surface of a substrate provided for forming a fine particle semiconductor film, and a step of melting the vicinity of the surface of the semiconductor crystal fine particles above the vicinity of the substrate. A method for producing a fine particle semiconductor film, characterized in that:
し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換
素子において、 前記p型半導体、n型半導体のうち少なくとも一方が微
粒子半導体膜からなることを特徴とする光電変換素子。4. A photoelectric conversion element having a pn junction of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor and converting light energy into electric energy, wherein at least one of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor is formed of a fine particle semiconductor film. A photoelectric conversion element, comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16177996A JPH1012908A (en) | 1996-06-21 | 1996-06-21 | Manufacture of semiconductor device and particulate semiconductor film, and photoelectric conversion element |
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-
1996
- 1996-06-21 JP JP16177996A patent/JPH1012908A/en active Pending
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