JPS632385A - 多層構造ｐ型シリコン膜および太陽電池 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はｐ型シリコン膜およびそれを利用した太陽電池
に係り、特に光学ギャップが広く、光導重度の大きな１
例えば太陽電池用に最適なｐ型シリコン膜およびそれを
有する光電変換効率の高い太陽電池に関する。

〔従来の技術〕

従来、広い光学ギャップと大きな光導重度を有するｐ型
シリコン膜は、第４６回応用物理学会学術講演会（１９
８５年）講演番号１ｐ−ＺＦ−１２（予稿集ｐ　７４５
）の記載のように、アモルファシリコン膜とアモルファ
スシリコンカーバイド膜の多層構造により実現しようと
の試みがなされていた。しかし、該ｐ型シリコン膜は、
ｐ型シリコンカーバイド単層膜に比ベフオトルミネツセ
ンス強度は増しているが、光学ギャップは２．１ｅＶ、
光学重度はｌＸｌ０−’Ω−”ｃｒｍ−”　（ＮＱ　４
１２応用電子物性分科会研究報告（昭和６１年１月１０
日）予稿集　２７頁）であった。

〔従来の技術〕

また、従来、多層超薄膜構造Ｐ型層を太陽電池に適用す
る試みは、Ｎα４１２応用電子物性分科会研究報告（昭
和６１年１月１０日）予稿集第２７頁において論じられ
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は光導重度を高くする点について不充分で
あり、例えばアモルファスシリコン太陽電池に適用した
とき、光電変換効率が期待するほど向上しないとの問題
があった６ 本発明の目的は、広い光学ギャップと高い光導重度を兼
ね備えたｐ型のシリコン膜を提供することにある。

また、太陽電池に関する上記従来技術は、ｐ層の光導重
度を高める点で不充分であり、太陽電池に適用した場合
、光電変換効率があまり高くならないとの問題があった
。

本発明の他の目的は、光学ギャップが広く（あるいは光
透過率が高く）かつ光導重度の高い、ｐ型シリコン膜を
太陽電池に適用し、高い光電変換効率を得ることにある
。

【問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ドーピング効率の高い微結晶シリコン膜を
用い、該微結晶シリコン膜とシリコンカーバイド膜の多
層構造を採用することにより、達成される。特に、微結
晶シリ、コン膜に対するボロンドーピング量を大きくし
、シリコンカーバイド膜へのドーピング量を小さくした
構造、あるいは。

微結晶シリコン膜にのみドーピングした構造の採用によ
り、より効果的に達成される。

さらに上記目的は、ドーピング効率、活性化率ともに高
い微結晶シリコン膜を用い、該微結晶シリコン膜とシリ
コンカーバイド膜の多層構造ｐ層を採用することにより
、達成される。特に、微結晶シリコン膜に対するボロン
ドーピング量を大きくシ、シリコンカーバイド膜へのド
ーピング量を小さくした構造、あるいは、微結晶シリコ
ン膜にのみドーピングした多層構造ｐＪ５の採用により
、より効果的に達成される。

さらに、上記目的は、該ｐＪｔｆｆと１層の間の界面特
性を改善するため、両層の間にバッファー層を導入する
ことにより、より効果的に達成される。

上記バッファー層は、例えば、シリコンカーバイド層で
ｐ層側からｉ層側へ向って光学ギャップが小さくなるよ
うな層である。また、該バッファー層はアモルファスシ
リコン層あるいは微結晶シリコン層とアモルファスシリ
コンカーバイド層の多層構造とし、該複数のアモルファ
スシリコンカーバイド層中のカーボン添加量をより１ｌ
ｉ７側の層はど小さくすることによっても実現できる。

〔作用〕 ボロンのドーピング効率は、微結晶シリコンの方がアモ
ルファスシリコンよりも高いため、微結晶シリコンの採
用は高い光導重度をもたらす。また、活性化率も微結晶
シリコンの方が高いため、不必要に高濃度のボロンを添
加する必要がなく、ボロンによる光透過率の低減が抑制
される。

他方、アモルファスシリコンカーバイドは、光学ギャッ
プの広い材料であるが、ボロンドーピングを行うと光学
ギャップは狭くなる。したがって。

広い光学ギャップの利点を生かすには、該アモルファス
シリコンカーバイド層へのボロンドーピング量はできる
だけ少なくした方がよい。

微結晶シリコンとアモルファスシリコンカーバイドの超
薄膜多層構造では、光学的性質は微結晶シリコンとアモ
ルファスシリコンカーバイドの中間の性質を示す、従っ
て、光学ギャップは中間の値、すなわち、微結晶シリコ
ン（約１．４ｅＶ）より広いが、アモルファスシリコン
カーバイド（２，１〜２．３ｅＶ）より狭くなる。ただ
し、積層する時、アモルファスシリコンカーバイドの厚
さを微結晶シリコンより厚くすれば、アモルファスシリ
コンカーバイドにより近い光学ギャップを得ることがで
きる。

また微結晶シリコン膜は１０〜１００人と極めて薄いた
め、量子効果のため実効的に光学ギャップが増大する効
果も得られる。

他方、電気的性質は、超格子構造の特長により、光導電
度の高い微結晶シリコンに支配される。すなわち、アモ
ルファスシリコンカーバイドの光導電度は炭素とボロン
添加量に依存し、光学ギャップの広い、炭素添加量大の
領域では、１０−８〜１０−７８−ｃｍ−”が最高値で
あるが、微結晶シリコンの光導電度はボロン添加により
１０″″２〜１００Ｓ−ｃ■−工まで高くなるため、両
者から成る多層構造膜の光導電度は微結晶シリコンの値
に近くなる。

また、微結晶シリコンとアモルファスシリコンカーバイ
ドの超薄膜多層構造では、光学的性質は微結晶シリコン
とアモルファスシリコンカーバイドの中間の性質を示す
、従って、光学ギャップは中間の値、すなわち、微結晶
シリコン（約１．４ｅＶ）より広いが、アモルファスシ
リコンカーバイド（２，１〜２．３ｅＶ）より狭くなる
。ただし。

積層する時、アモルファスシリコンカーバイドの厚さを
微結晶シリコンより厚くすれば、アモルファスシリコン
カーバイドにより近い光学ギャップを得ることができる
。

また微結晶シリコン膜は１０〜１００人と極めて薄いた
め、量子効果のため実効的に光学ギャップが増大する効
果も得られる。

他方、電気的性質は、超格子構造の特長により。

光導電度の高い微結晶シリコンに支配される。すなわち
、アモルファスシリコンカーバイドの光導電度は炭素と
ボロン添加量に依存し、光学ギャップの広い、炭素添加
量大の領域では、１０−８〜１０′″７５−ｃｍ″″裏
が最高値であるが、微結晶シリコンの光導電度はボロン
添加により１０′″２〜１００１００Ｓ−’まで高くな
るため１両者から成る多層構造膜の光導電度は微結晶シ
リコンの値に近くなる。

以上の結果、微結晶シリコンとアモルファスシリコンカ
ーバイドの薄層を多層化することにより。

超格子構造の特長によって、両方の利点を兼ね備えた即
ち、広光学ギャップで高光萎電度の多層構造ｐ型シリコ
ン膜を実現できる。

本特許は該多層構造ｐ型シリコン膜を太陽電池のｐ層に
使用するもので、光学ギャップが広く、光導電度が高い
という特長から、太陽電池の開放電圧と短絡電流密度が
高くなる。すなわち、高尚導電度のためｐ層全体の膜厚
を直列抵抗が大きくならない程度まで薄くできることと
、広光学ギャップの性質から光キャリアがほとんど発生
しないｐ層での光吸収が小さくなるため短絡電流密度は
高くなり、さらに、ｐ層全体の活性化エネルギーが微結
晶シリコンの値近くまで小さくなることと、広光学ギャ
ップの性質からｂｕｉｌｔｉｎ　ｖｏｌｔａｇｅが高く
なり、したがって開放電圧も高くなる。

さらに、ｐ層とｉ層の間にバッファー層を導入すること
により、開放電圧と曲線因子が向上する。

午れは、該バッファ層がｐ層とｉ層の格子不整を緩和し
ｐ／ｉ界面におけるキャリア再結合を減少させる効果と
、該バッファ層がｐｍとｉ層の光学ギャップを連続的に
−っなぐため障壁が緩和される効果によっている。該バ
ッファー層をアモルファスシリコン層あるいは微結晶シ
リコン層と、アモルファスシリコンカーバイド層の多層
構造とした場合も同様の効果が得られる。該バッファー
層の効果は、ｐ型層とｉ型層の光学ギャップの差が大き
いほど、大であり、広光学ギャップの利点を充分にひき
だすために有効な働きをしている。

〔実施例〕

第１図を用いて説明する。

以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１ ガラス基板１０上にモノシラン（ＳｉＨ４）ガス、メタ
ン（ＣＨａ）ガスおよびジボラン（ＢｚＨｅ）ガスの混
合ガスの高周波プラズマ分ｍ法により膜厚４０人のアモ
ルファスシリコンカーバイド（ａ−３ｉＣ）膜１１を形
成し、この上に、モノシランとジボランの混合ガスを使
用し、膜厚２０人の微結晶シリコン（μｃ−８ｉ）膜１
２を形成した。

さらに、該ａ　−Ｓ　ｉ　Ｃ／μｃ−８ｉを繰り返し重
ね多層薄膜構造のｐ型シリコン膜１１〜１８を形成した
。ａ−５ｉＣ膜形成時のＢｚＨｓ添加量は０　、　Ｉ　
ＰＰｌ１９　ｕ　ｃ　　Ｓ　ｘ膜形成時には０　、５　
ｐｐｍとした。１３．１５および１７のａ−８ｉＣ膜の
膜厚は１１と同じく４０人、１２，１４および１６のμ
ｃ−８ｉ膜乃膜厚は１２と同じ２０人とした。

該多層構造ｐ型シリコン膜は、全体として光学ギャップ
２．１ｅＶ、光導重度５Ｘ１０−２Ω″″ｌ　ｃｍ−１
を示した。

実施例２ 第２図を用いて説明する。

ガラス基板２０上に、低圧水銀ランプを用いたＣＶＤ法
により多層構造シリコン膜２１〜２８を形成した。２１
，２３，２５および２７は、膜厚３５人のアモルファス
シリコンカーバイド膜であり、ジシラン（ＳｉｚＨｓ）
ガス、アセチレン（ＣｚＨｚ）ガスおよびジボラン（８
２Ｈ８）ガスの混合ガスを用い形成された。また、２２
，２４゜２６および２８は、膜厚２０人の微結晶シリコ
ン膜であり、ジシラン（ＳｉｚＨｓ）ガス、水素（Ｈ２
）ガス、ジボラン（ＢｘＨｓ）ガスの混合ガスを用い形
成された。アモルファスシリコンカーバイド膜形成時の
ＢｘＨｓ量はＢ２Ｈ８／５ｉ２Ｈ８：６００ｐｐ＋＊、
微結晶シリコン膜形成時には、Ｂ２Ｈ６／ＳｉｚＨａ＝
１０００ｐｐｍ、Ｈｚ／Ｓ　１ｚＨａ＝７０とした。ま
たはジシランガスはＨｅ稀釈１０％のものを用いた。該
多層構造ｐ型シリコン膜は、光学ギャップ２．ＯｅＶ、
光導重度２Ｘ１０−１Ω−”ｅｌｍ−’を示した。

実施例３ 第３図を用いて説明する。

ガラス基板ｌｏ上に５ｎＯｚ透明電極１１を熱分解法に
より形成後、モノシラン（ＳｉＨａ）ガス、メタン（Ｃ
Ｈ４）ガスおよびジボラン（ＢｚＨｅ）ガスの混合ガス
の高周波プラズマ分解法により膜厚３０人のアモルファ
スシリコンカーバイド（ａ−８ｉＣ）膜１２を形成し、
この上に、モノシランとジボランの混合ガスを使用し、
膜厚２ｏ人の微結晶シリコン（μｃ　−Ｓ　ｉ　）膜１
３を形成した。

さらに該ａ−８ｉＣ／μｃ−８ｉを繰り返し重ね多層構
造のｐ型シリコン膜１２〜１７を形成した。

ａ　−Ｓ　ｉ　Ｃ膜形成時（７）ＢｚＨｓｍ加量Ｌｔ　
０　、１　ｐｐｍ。

ｔｔ　ｃ　−Ｓ　ｉ膜形成時には０　、５　ｐｐｍとし
た。１４および１６のａ　−Ｓ　ｉ　Ｃ膜の膜厚は１２
と同じく３０人、１５および１７のμｃ−８ｉ膜の膜厚
は１３と同じ２０人とした。該多層構造ｐ型シリコン膜
の上に、モノシランとメタンの混合ガスを用い、かつメ
タンガス流量を次第に減少させながらシリコンカーバイ
ド層からなる７０人厚のバッファー層１８を形成した。

さらにこの上に、モノシランガスを用い厚さ０．６μｍ
のｉ型層１９を形成し、次いでフォスフイン（ＰＨａ）
ガスを添加しｎ型微結晶２０を設け、裏面電極２１を形
成した。

該太陽電池の短絡電流密度と開放電圧はそれぞれ、１９
．０ｍＡ／ｃｏ”、０．８９５ＶｏＱｔで光電変換効率
は１１．９％であった。

実施例４ 第４図を用いて説明する。

ガラス基板３０上にＳｎ○２透明電極３１を熱分解法に
より形成後、該透明電極上に、低圧水銀ランプを用いた
光ＣＶＤ法により多層構造シリコン膜３２〜３７を形成
した。３２．３４および３６は、膜厚２５人のアモルフ
ァスシリコンカーバイド層であり、ジシラン（ＳｉｚＨ
ｓ）ガス、アセチレン（ＣｚＨｚ）ガスおよびジボラン
（Ｂ２Ｈ８）ガスの混合ガスを用い形成された。また、
３３゜３５および３７は、膜厚１８人の微結晶シリコン
層であり、ジシラン（ＳｉｚＨｓ）ガス、水素（：Ｈｚ
）ガス、ジボラン（ＢｚＨｓ）ガスの混合ガスを用い形
成された。アモルファスシリコンカーバイド層形成時の
８２Ｈｓ量はＢｘＨｓ／ＳｉｚＨｓ＝４００ｐｐｍｅ微
結晶シリコン層形成時には。

ＢｚＨｅ／　Ｓ　ｉ　ｚＨｔａ＝　９０００ｐｐ＋ｍ、
　Ｈａ／　Ｓ　ｉ　１ＬＨ１１＝２５０とした。また、
ジシランガスはＨｅ稀釈１０％のものを用いた。該多層
構造ｐ型シリコン膜上に、同じく光ＣＶＤ法により多層
構造バッファー層３８〜４２を形成した。３８．４０お
よび４２は、膜厚２５Ａのアモルファスシリコンカーバ
イト層であり、ジシランガスとアセチレンガスの混合ガ
スを用い形成された。３８から４２へ、次第にアセチレ
ンガスの流量を多くした。また、３９および４１は、膜
厚２０人の微結晶シリコン膜であり、ジシランガス、水
素ガスとジボランガスの混合ガスを用い形成された。３
９と４１のＢｚＨｅ／　５ｉｚＨＢ比は、それぞれ６０
００ｐｐｍ＊２０００ｐｐｍとした０次に、該多層構造
バッファー層上にＨｅ稀釈のジシランガスのみを用いた
ｉ型［４３を、さらに、ジシランガス、水素ガスとフォ
スフインガスの混合ガスを用い、微結晶ｎ型層を形成し
た。該ｎ型層４４に裏面電極Ａｇ４５を設は太陽電池と
した。該太陽電池の光電変換効率は１１．８％であった
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、微結晶シリコン膜とアモルファスシリ
コン膜を、膜厚１０〜１００人にて積層することにより
多層薄膜構造（超格子構造）の特長を生かすことができ
るので、光学ギャップが広く、光導重度の高い、性能の
秀れたｐ型シリコン膜が得られる効果がある。さらに本
発明によれば。

多層薄膜構造（超格子構造の特長を生かした広光学ギャ
ップで直光導電度のｐ型シリコン膜を用いることができ
るので、光電変換効率の高い太陽電池が得られるとの効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はガラス基板上の多層薄膜構造のシ
リコン膜の断面図である。 第３図および第４図はガラス基板上のアモルファスシリ
コン系太陽電池の断面図である。 １０．２０・・・ガラス基板、１１，１３，１５゜１７
・・・アモルファスシリコンカーバイド層、１２゜１４
．１６．１８・・・微結晶シリコン層、２１゜２３．２
５，２７・・・アモルファスシリコンカーバイド層、２
２，２４，２６，２８・・・微結晶シリコｖＪｌ困 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１０〜１００Åの厚さの膜を２層以上重ねたシリコ
   ン多層薄膜において、該シリコン多層薄膜が微結晶シリ
   コン膜とアモルファスシリコンカーバイド膜を交互に重
   ねたことを特徴とする多層構造ｐ型シリコン膜。 ２、上記微結晶シリコン膜にボロンドーピングを行うこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の多層構造ｐ
   型シリコン膜。 ３、アモルファスシリコン系材料からなり、導電型がｐ
   型である薄膜を、少なくとも１以上含む太陽電池におい
   て、該薄膜が、少なくとも１以上の、厚さが１０〜１０
   ０Åである微結晶シリコン系材料層と、少なくとも１以
   上の、厚さが１０〜１００Åであるシリコンカーバイド
   層で多層に構成されることを特徴とする太陽電池。 ４、上記微結晶シリコン系材料層にボロンをドーピング
   することを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の太
   陽電池。 ５、上記微結晶シリコン系材料層にボロンをドーピング
   し、シリコンカーバイド層にボロンをドーピングしない
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の太陽電
   池。 ６、上記ｐ型多層構造薄膜とｉ型層の間に、アモルファ
   スシリコンカーバイド層と、上記微結晶あるいはアモル
   ファスシリコン層からなる多層膜（バッファー層）を有
   することを特徴とし、該バッファ層は２層以上のアモル
   ファスシリコンカーバイド層がその間に上記微結晶ある
   いはアモルファスシリコン層をはさみ、さらに該複数の
   アモルファスシリコンカーバイド層のうち、よりｉ層側
   に近いほど、カーボン添加量を小さくした層であること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の太陽電池。 ７、上記バッファー層において、微結晶あるいはアモル
   ファスシリコン層が複数で、かつ、よりｉ層側に近いほ
   どボロンドーピング量を小さくした層であることを特徴
   とする特許請求の範囲第５項記載の太陽電池。