JPWO2009144944A1 - Photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
本発明の光電変換装置は、n型半導体層とp型半導体層とを有する第1光電変換層と、n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置である。前記中間層が前記第1光電変換層のn型の半導体層の電子エネルギーレベルと前記第2光電変換層のp型の半導体層の正孔エネルギーレベルとが近づくように、前記第1光電変換層のn型の半導体層の前記中間層との界面近傍の電子エネルギーレベルまたは前記第2光電変換層のp型の半導体層の前記中間層との界面近傍の正孔エネルギーレベルを変化させる金属酸化物材料からなる。このため層間のトンネル伝導が増進され、高効率な光電変換装置を実現することができる。The photoelectric conversion device of the present invention includes a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and the first photoelectric conversion layer and the light absorption wavelength. It is sandwiched between a second photoelectric conversion layer having different characteristics, an n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer, and a p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer. The intermediate layer is a photoelectric conversion device laminated on a substrate. In the first photoelectric conversion layer, the intermediate layer approaches the electron energy level of the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the hole energy level of the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer. Metal oxide that changes the electron energy level of the n-type semiconductor layer in the vicinity of the interface with the intermediate layer or the hole energy level of the second photoelectric conversion layer in the vicinity of the interface with the intermediate layer of the p-type semiconductor layer Made of material. For this reason, tunnel conduction between layers is enhanced, and a highly efficient photoelectric conversion device can be realized.
Description
この発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device that converts light energy into electrical energy.
光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、光吸収波長特性の異なる複数の薄膜光電変換層が積層された積層型薄膜太陽電池が知られている。このような従来の積層型薄膜太陽電池では、例えば透明電極が形成された絶縁性透明基板に薄膜半導体をp型層、i型層、n型層の順に堆積した光電変換層からなる素子を複数積層して形成し、裏面電極として反射導電膜を形成して、絶縁性透明基板側からの光入射により光起電力を発生する。 As a photoelectric conversion device that converts light energy into electric energy, a stacked thin film solar cell in which a plurality of thin film photoelectric conversion layers having different light absorption wavelength characteristics are stacked is known. In such a conventional laminated thin film solar cell, for example, a plurality of elements each including a photoelectric conversion layer in which a thin film semiconductor is deposited in the order of a p-type layer, an i-type layer, and an n-type layer on an insulating transparent substrate on which a transparent electrode is formed. A reflective conductive film is formed as a back electrode, and a photovoltaic power is generated by light incidence from the insulating transparent substrate side.
積層された複数の光電変換素子それぞれの間には、素子間で電荷を滞りなく伝えるために導電性を有する層が挿入される。またこの層では特定の波長領域の光を反射或いは透過させる光学特性を有した材料が用いられている。たとえば、特許文献1には中間層の材料として、ZnO、ITO、あるいはSnO2を用いることが示されている。Between each of the plurality of stacked photoelectric conversion elements, a conductive layer is inserted in order to transfer charges between the elements without delay. In this layer, a material having an optical characteristic of reflecting or transmitting light in a specific wavelength region is used. For example,
従来は透光性とキャリア導電性を両立するためZnO、ITO、あるいはSnO2のような透光性導電膜を用いている。しかしながら、これらの材料の導電膜を用いても光電変換層が発生する電流が高い場合に、流れる電流が中間層の抵抗によって制限されて光電変換装置の光変換効率が低下してしまうことがある。Conventionally, a translucent conductive film such as ZnO, ITO, or SnO 2 is used in order to achieve both translucency and carrier conductivity. However, even when a conductive film made of these materials is used, if the current generated by the photoelectric conversion layer is high, the flowing current is limited by the resistance of the intermediate layer, which may reduce the light conversion efficiency of the photoelectric conversion device. .
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、積層型の光電変換装置において中間層の両側に位置する光電変換層間の導電性を改善し、高効率な光電変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a highly efficient photoelectric conversion device by improving conductivity between photoelectric conversion layers located on both sides of an intermediate layer in a stacked photoelectric conversion device. Objective.
本発明の光電変換装置は、n型半導体層とp型半導体層とを有する第1光電変換層と、n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、前記第2光電変換層のp型半導体層に接する主成分が酸化アルミニウムである透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。 The photoelectric conversion device of the present invention includes a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and the first photoelectric conversion layer and the light absorption wavelength. The second photoelectric conversion layer having different characteristics, the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer, and the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer are sandwiched between the second photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer. A photoelectric conversion device in which a light-transmitting intermediate layer whose main component in contact with the p-type semiconductor layer of the photoelectric conversion layer is aluminum oxide was stacked on a substrate was obtained.
また、本発明の光電変換装置は、n型半導体層とp型半導体層とを有する第1光電変換層と、n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層とに接する主成分がハフニウム酸化物である透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。 In addition, the photoelectric conversion device of the present invention includes a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and the first photoelectric conversion layer and the light. The second photoelectric conversion layer having different absorption wavelength characteristics, the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer, and the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer have tunnel conductivity, and A photoelectric conversion in which an n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and a translucent intermediate layer whose main component is hafnium oxide in contact with the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer are stacked on the substrate Device.
本発明の光電変換装置では、前記第2光電変換層のp型半導体層に接する主成分が酸化アルミニウムである透光性の中間層、または前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層とに接する主成分がハフニウム酸化物である透光性の中間層を有するので、中間層との界面における第1光電変換層のn型の半導体層の電子エネルギーレベルと第2光電変換層のp型の半導体層の正孔エネルギーレベルとが近づき、層間のトンネル伝導が増進される。トンネル伝導が増進される結果、第1光電変換層と第2光電変換層の間の導電性が改善され、高効率な光電変換装置を実現することができる。 In the photoelectric conversion device of the present invention, the translucent intermediate layer whose main component in contact with the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer is aluminum oxide, or the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the first Since the main component in contact with the p-type semiconductor layer of the two photoelectric conversion layers has a translucent intermediate layer whose hafnium oxide is the electron energy of the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer at the interface with the intermediate layer The level and the hole energy level of the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer approach each other, and tunnel conduction between layers is enhanced. As a result of the enhancement of tunnel conduction, the conductivity between the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer is improved, and a highly efficient photoelectric conversion device can be realized.
1 光電変換装置、2 基板、3 透明電極、4 非晶質Si光電変換層、4a p型非晶質SiC半導体層、4b i型非晶質Si半導体層、4c n型非晶質Si半導体層、4d n型非晶質Si半導体層、5 中間層、5a 酸化Si層、5b 酸化アルミニウム層、6 微結晶Si光電変換層、6a p型微結晶Si半導体層、6b i型微結晶Si半導体層、6c n型微結晶Si半導体層、6d p型微結晶Si半導体層、7 裏面電極、8 アンダーコート、11 透明導電層、301、304 中間層、302 n型半導体層、303 p型半導体層。
1 photoelectric conversion device, 2 substrate, 3 transparent electrode, 4 amorphous Si photoelectric conversion layer, 4a p-type amorphous SiC semiconductor layer, 4b i-type amorphous Si semiconductor layer, 4c n-type amorphous
<実施の形態1>
図1は本実施の形態1の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。光電変換装置1は絶縁性であり透明な基板2と、その上に微細な凹凸である表面テクスチャ構造を有する透明電極3、非晶質Si光電変換層4、中間層5、微結晶Si光電変換層6、裏面電極7が順に積層された構成を備える。また基板2上には不純物の阻止層として、必要に応じて図示するような酸化Siのアンダーコート8を施しておいてもよい。<
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a part of a cross section of the photoelectric conversion device according to the first embodiment. The
非晶質Si光電変換層4と微結晶Si光電変換層6とはともにSiを主成分とするが結晶構造の違いにより異なるバンドギャップを有し、従って異なる光吸収波長特性を有する。本実施の形態1の光電変換装置1は透明の基板2を用いて、主として基板側から入射する光を電気に変換する装置である。非晶質Si光電変換層4の発電素子と微結晶Si光電変換層6の発電素子とが積層方向に直列に接続されて、それぞれの光電変換層で発生した電流が透明電極3と裏面電極7とから取り出される構成である。このような光電変換装置はタンデム型太陽電池として知られている。タンデム型太陽電池では、一般に、光を入射する側に主として短い波長の光を吸収して電気エネルギーに変換するバンドギャップの大きい光電変換層、裏面側に前者よりも長い波長の光を吸収して電気エネルギーに変換するバンドギャップの小さい光電変換層が配置される。光吸収波長特性の異なる光電変換層として、本実施の形態1では非晶質Si層と微結晶Si層と結晶化率の異なる材料を用いたが、元素組成の異なる層としてもよい。たとえば、Si半導体層に添加するGeやCの割合を変化してバンドギャップを調整して積層する光電変換層で光吸収波長特性が異なるように調整してもよい。また、積層される光電変換層は3つ以上としてもよい。その場合、中間層が各光電変換層の間にあるように2つ以上ある構成としてもよい。また、基板からの積層順序を反対として、基板と反対側の膜面側から光を入射する構成としてもよい。膜面側から光を入射する場合、基板は透明でなくてよい。
Both the amorphous Si
非晶質Si光電変換層4は、基板側から順にp型非晶質SiC半導体層4a、i型非晶質Si半導体層4b、n型非晶質Si半導体層4cが積層された層で構成されている。またp型非晶質SiC半導体層4aとi型非晶質Si半導体層4bとの間にi型非晶質SiC半導体層を挿入しても良い。微結晶Si光電変換層6は、基板側から順に、p型微結晶Si半導体層6a、i型微結晶Si半導体層6b、n型微結晶Si半導体層6cが積層された層で構成されている。
The amorphous Si
裏面電極7はたとえばAlやAl合金などの反射率の高い金属を使用する。Alの代わりにAgを用いてもよい。反射性能に優れた裏面電極7を用いると、微結晶Si光電変換層6を透過した光は裏面電極7により再び微結晶Si光電変換層6側に反射されて光電変換されるので変換効率が向上する。光電変換される波長域の光を効果的に反射するために図のように裏面電極7とn型微結晶Si半導体層6cとの間に適当な光学特性を有するZnOなどの透明導電層11を挿入してもよい。
For the
中間層5は非晶質Si光電変換層4と微結晶Si光電変換層6とに挟まれた層である。中間層5は非晶質Si光電変換層4で吸収されなかった光を微結晶Si光電変換層6側に透過すると同時に微結晶Si光電変換層6で発生と微結晶Si光電変換層6との間を電気伝導させる。また、中間層5が微結晶Si光電変換層6で吸収する波長域の光を透過する一方、非晶質Si光電変換層4で吸収する波長域の光を非晶質Si光電変換層4側に反射する光学特性を備えると、非晶質Si光電変換層4を通過した光が再び非晶質Si光電変換層4を通過して光電変換されるので変換効率が向上する。
The
中間層5はその層の両側に接合された光電変換層間のキャリアを滞りなく伝えなければならないため、キャリア伝導性が必須である。光電変換層間でキャリア伝導が妨げられると、実効的な素子間接続抵抗が高くなり、太陽電池の曲線因子(Fill Factor: FF)が低下し、結果として発電効率が低下する。そのため中間層は透過率とキャリア導電率を両立させなければならない。
Since the
本実施の形態1では中間層5の構造を、非晶質Si光電変換層4側に酸化Si層5a、反対側の微結晶Si光電変換層6側をAl2O3などの酸化アルミニウムを主成分に含有する酸化アルミニウム層5bとする2層構造とした。なお、この層5bは、AlOx(X−1〜1.5)のように酸素欠損を有する層であってもよい。酸化Si層5aや酸化アルミニウム層5bはスパッタ法や、CVD法などで形成することができる。酸化Si層5aにはリン、ボロンといった不純物を添加してもよい。また、酸化性の強いオゾンガスや活性酸素の雰囲気にさらすことで非晶質Si光電変換層の表面を酸化してできた層であってもよい。酸化アルミニウム層5bには、金属元素に主としてAlを有していればAl以外の金属が添加されていてもよい。また、Si、リン、ボロンなどの元素が含まれていてもよい。酸化アルミニウム層5bは酸化Si層5a上に一旦金属アルミニウムを成膜後、それを酸化して形成しても良い。また酸化Si層5aのかわりにZnO層や酸化ハフニウム化合物(HfO2)層としても良い。In the first embodiment, the structure of the
中間層5では主としてトンネル伝導とキャリア再結合とによって非晶質Si光電変換層4と微結晶Si光電変換層6との間に電流が流れる。本実施の形態1の中間層5を構成する酸化Si層5a、酸化アルミニウム層5bは基本的に絶縁性の材料であるが、十分に薄くすることによってトンネル電流が流れるようになる。その厚みはたとえば1〜10nm程度とするとよい。また、中間層5を構成する酸化Si層5a、酸化アルミニウム層5bは連続膜となることが望ましいが、それぞれの界面をおおむね覆っていればよく、完全な連続膜とならずに一部に穴を有するような膜であってもよい。
In the
次に、このような中間層5の作用について説明する。上記のように構成された光電変換装置では中間層5の酸化Si層5aには正の電荷が、酸化アルミニウム層5bには負の電荷が保持される。酸化Siなどの酸化膜には正に帯電しやすい傾向があることが知られている。一方、酸化アルミニウムは酸化Siなどの酸化膜とは異なり、負の電荷を保持する傾向を有することが知られている。たとえば文献Journal of Applied Physics、Volume102、054513の(3ページ13行目)にその傾向が述べられている。そのため酸化Si層5aに接している非晶質Si光電変換層4内のn型非晶質Si半導体層4cの酸化Si層5aとの界面付近に電子が、微結晶Si光電変換層6のp型微結晶Si半導体層6aの酸化アルミニウム層5bとの界面付近に正孔が蓄積される。これにより非晶質Si光電変換層内のn型非晶質Si半導体層4cの伝導帯エネルギーと微結晶Si光電変換層内のp型微結晶Si半導体層6aの価電子帯エネルギーの差が小さくなり、これ光電素子間のトンネル伝導、キャリア再結合の効率が向上する。
Next, the operation of such an
図2は中間層5とその両側に接合されたn型半導体層、p型半導体層の伝導帯、価電子帯のエネルギー概念図である。図2の(a)は従来のZnO、ITO、あるいはSnO2のような材料を用いた場合の概念図、(b)は本実施の形態1の場合の概念図を示す。図中の点線はフェルミレベルを示す。従来の(a)の場合は中間層301の両側に位置するn型半導体層302の伝導帯エネルギー(Ec,n)、価電子帯エネルギー(Ev,n)、p型半導体層303の伝導帯エネルギー(Ec,p)、価電子帯エネルギ(Ev,p)のエネルギーレベルは中間層5近傍でも変化しない。一方、本実施の形態1の(b)では、p型微結晶Si半導体層6a側を酸化アルミニウム層5bとして、n型非晶質Si半導体層4cを酸化Si層5aなどの誘電体層としたことにより、それぞれの層の電荷と正孔の蓄積傾向の違いによって、中間層304との界面の近傍ではn型半導体層、p型半導体層のエネルギーレベルの傾きが変化し、n型半導体層302の伝導帯エネルギ(Ec,n)と、p型半導体層303の価電子帯エネルギ(Ev,p)が接近する。つまり、各半導体層の中間層との接合膜界面近傍でn型半導体層の電子エネルギーレベルとp型半導体層の正孔エネルギーレベルが近づくようにそれぞれのエネルギーレベルが変化している。このように、n型伝導帯−p型層価電子帯間のエネルギギャップが小さくと層間のトンネル伝導が増進され、キャリア再結合が増進されて、電流が流れやすくなる。FIG. 2 is an energy conceptual diagram of the conduction band and valence band of the
以上のように、本実施の形態1では中間層5として、p型微結晶Si半導体層6aとの界面に接する側を酸化アルミニウム層5bとして、n型非晶質Si半導体層4cとの界面に接する側を酸化Si層5aなどの誘電体層としたことにより、n型半導体層の電子エネルギーレベルとp型半導体層の正孔エネルギーレベルが近づき、p型微結晶Si半導体層6aとn型非晶質Si半導体層4cとの間でトンネル電流が流れやすくなり、結果として光電変換装置の効率が改善される。
As described above, in the first embodiment, as the
なお、p型微結晶Si半導体層6a側を酸化アルミニウムを主成分に含有する層5bとすれば、n型非晶質Si半導体層4cは酸化Si層5aのかわりにZnO、酸化ハフニウム化合物(HfO2)などの誘電体材料を用いても同様な効果が得られる。また、中間層5は酸化アルミ化合物層5bと酸化Si層5aとの2層としたが、厚み方向に酸化アルミ化合物から酸化Siに組成が順次変化する傾斜組成の構造を有していてもよい。If the p-type microcrystalline
<実施の形態2>
図3は本実施の形態2の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態2の光電変換装置は実施の形態1の光電変換装置の中間層5を酸化アルミニウムを主成分として含有する1層からなる層とした以外は基本的に同じ構造を有するものとした。<
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of a cross section of the photoelectric conversion device according to the second embodiment. The photoelectric conversion device according to the second embodiment basically has the same structure except that the
酸化アルミニウムには負の電荷が保持される傾向があることにより、中間層5を酸化アルミ化合物で構成された1層からなる層とした場合でも、中間層5が接する微結晶Si光電変換層6のp型微結晶Si半導体層6aの界面付近に正孔が蓄積される。これによりp型微結晶Si半導体層6aの中間層5との界面付近の正孔エネルギーレベルの傾きが変化して、非晶質Si光電変換層内のn型非晶質Si半導体層4cの伝導帯エネルギーと微結晶Si光電変換層内のp型微結晶Si半導体層6aの価電子帯エネルギーの差が小さくなる。結果として光電素子間のトンネル伝導、キャリア再結合の効率が向上して、光電変換層間の実効的な接続抵抗が低下し、発電効率の高い光電変換装置が実現できる。光電変換層間のエネルギーを近づける作用の点では2層構成の実施の形態1の方が優れるが、膜構成が1層で良いため製造が容易である。
Since aluminum oxide tends to hold negative charges, the microcrystalline Si
<実施の形態3>
図4は本実施の形態3の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態3光電変換装置は実施の形態2の光電変換装置の中間層5の主成分を酸化アルミニウムのかわりに酸化ハフニウムとした以外は基本的に同じ構造を有するものとした。<
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a part of a cross section of the photoelectric conversion device according to the third embodiment. The photoelectric conversion device of the present third embodiment basically has the same structure except that the main component of the
中間層5の酸化ハフニウムはスパッタ法や、CVD法などで形成することができる。酸化ハフニウムには、ハフニウム以外の金属を添加してもよい。またハフニウムの酸化物を主成分として含有すればよく、たとえば窒素添加ハフニウムシリケート(HfSiON)などの材料であってもよい。また、その中間層5の膜厚はトンネル伝導を引き起こすために、十分薄い方が望ましい。
The hafnium oxide of the
このようなハフニウム酸化物はSi半導体との界面にフェルミレベルピニングの現象を生じる物質として知られている。フェルミレベルは、通常、n型多結晶Siでは伝導帯の近く、p型多結晶Siでは価電子帯の近くに位置する。フェルミレベルピニングは、ハフニウム酸化物の薄膜がn型多結晶Siとp型多結晶Siとの間に挟まれそれぞれの界面に接する構造を有する場合に、ハフニウム酸化物の薄膜との界面のn型多結晶Siおよびp型多結晶Siフェルミレベルがピニングされたかのようにほぼ同じ位置に引き寄せられる現象である。本実施の形態3の場合には、非晶質Si光電変換層4内のn型非晶質Si半導体層4cのフェルミレベルと、微結晶Si光電変換層6内のp型微結晶Si半導体層6aのフェルミレベルのエネルギー差がおよそ0.2eVに接近する。これにより非晶質Si光電変換層内のn型非晶質Si半導体層4cと微結晶Si光電変換層内のp型微結晶Si半導体層6aの伝導、キャリア再結合の効率が向上する。その結果光電素子間の実効的な接続抵抗が低下し、発電効率の高い光電変換装置が実現できる。
Such a hafnium oxide is known as a substance that causes the phenomenon of Fermi level pinning at the interface with the Si semiconductor. The Fermi level is usually located near the conduction band in n-type polycrystalline Si and near the valence band in p-type polycrystalline Si. Fermi level pinning is a method in which a hafnium oxide thin film is sandwiched between n-type polycrystalline Si and p-type polycrystalline Si and has a structure in contact with each interface. This is a phenomenon in which polycrystalline Si and p-type polycrystalline Si Fermi levels are attracted to almost the same position as if they were pinned. In the case of the third embodiment, the Fermi level of the n-type amorphous
<実施の形態4>
図5は本実施の形態4の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態4の光電変換装置は実施の形態1の光電変換装置の中間層5とn型非晶質Si半導体層4cとの間に前記n型非晶質Si半導体層4cよりキャリア密度が高いn型非晶質Si半導体層4dを挿入して、中間層5とp型微結晶Si半導体層6aとの間に前記p型微結晶Si半導体層6aよりキャリア密度が高いp型微結晶Si半導体層6dを挿入した以外は基本的に同じ構造を有するものとした。<
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of the cross section of the photoelectric conversion device according to the fourth embodiment. The photoelectric conversion device according to the fourth embodiment has a carrier density higher than that of the n-type amorphous
中間層5に接した半導体層は中間層界面付近は中間層ポテンシャルの影響により空乏化する。空乏化した領域(以下空乏層とする)は伝導に寄与するキャリアが低減するため、抵抗が高くなる。したがって実行的な接続抵抗の増加を招く可能性がある。空乏層膜厚は半導体層のキャリア濃度が増加すると低減する。したがって空乏層膜厚を低減するためにはキャリア密度が高いことが望ましい。
The semiconductor layer in contact with the
しかし半導体層のキャリア密度が高いと、半導体層での光吸収が増加する。光電素子ではn型半導体層とp型半導体層で吸収された光は電流発生に寄与しない。したがって光吸収の観点からはn型、p型半導体層のキャリア密度は低いほうが望ましい。 However, when the carrier density of the semiconductor layer is high, light absorption in the semiconductor layer increases. In the photoelectric element, light absorbed by the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer does not contribute to current generation. Therefore, from the viewpoint of light absorption, it is desirable that the n-type and p-type semiconductor layers have a low carrier density.
本実施の形態4では中間層付近のみn型、p型半導体層のキャリア密度を増加させるため、空乏層の延長を抑えながら、n型、p型半導体層での光吸収を極力抑制することが可能となる。例えばSiではキャリア密度が1E19/cm3程度の場合、空乏層膜厚は1nm程度となるので、n型半導体層4d、p型半導体層6dのキャリア密度は1E19/cm3以上が望ましいと考えられる。これにより、光電素子間の実効的な接続抵抗が低下し、且つ発生電流を低下させない光電変換装置が実現できる。In the fourth embodiment, since the carrier density of the n-type and p-type semiconductor layers is increased only in the vicinity of the intermediate layer, light absorption in the n-type and p-type semiconductor layers can be suppressed as much as possible while suppressing the extension of the depletion layer. It becomes possible. For example, in Si, when the carrier density is about 1E19 / cm 3 , the depletion layer thickness is about 1 nm. Therefore, it is considered that the carrier density of the n-
<実施の形態5>
図6は本実施の形態5の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態5の光電変換装置は実施の形態2の光電変換装置の中間層5とn型非晶質Si半導体層4cとの間に前記n型非晶質Si半導体層4cよりキャリア密度が高いn型非晶質Si半導体層4dを挿入して、中間層5とp型微結晶Si半導体層6aとの間に前記p型微結晶Si半導体層6aよりキャリア密度が高いp型微結晶Si半導体層6dを挿入した以外は基本的に同じ構造を有するものとした。中間層5は酸化アルミニウムを主成分として含有する1層からなる層である。<
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a part of the cross section of the photoelectric conversion device of the fifth embodiment. The photoelectric conversion device of the fifth embodiment has a carrier density higher than that of the n-type amorphous
実施の形態4と同様に本実施の形態5では中間層付近のみn型、p型半導体層のキャリア密度を増加させるため、空乏層の延長を抑えながら、n型、p型半導体層での光吸収を極力抑制することが可能となる。これにより、光電素子間の実効的な接続抵抗が低下し、且つ発生電流を低下させない光電変換装置が実現できる。 As in the fourth embodiment, in the fifth embodiment, the carrier density of the n-type and p-type semiconductor layers is increased only in the vicinity of the intermediate layer, so that light in the n-type and p-type semiconductor layers is suppressed while suppressing the extension of the depletion layer. It is possible to suppress absorption as much as possible. Thereby, an effective connection resistance between the photoelectric elements can be reduced, and a photoelectric conversion device that does not reduce the generated current can be realized.
<実施の形態6>
図7は本実施の形態6の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態6の光電変換装置は実施の形態3の光電変換装置の中間層5とn型非晶質Si半導体層4cとの間に前記n型非晶質Si半導体層4cよりキャリア密度が高いn型非晶質Si半導体層4dを挿入して、中間層5とp型微結晶Si半導体層6aとの間に前記p型微結晶Si半導体層6aよりキャリア密度が高いp型微結晶Si半導体層6dを挿入した以外は基本的に同じ構造を有するものとした。中間層5はハフニウムの酸化物を主成分とする層である。<
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a part of a cross section of the photoelectric conversion device according to the sixth embodiment. The photoelectric conversion device of the sixth embodiment has a carrier density higher than that of the n-type amorphous
実施の形態4と同様に本実施の形態6でも中間層付近のみn型、p型半導体層のキャリア密度を増加させるため、空乏層の延長を抑えながら、n型、p型半導体層での光吸収を極力抑制することが可能となる。これにより、光電素子間の実効的な接続抵抗が低下し、且つ発生電流を低下させない光電変換装置が実現できる。 As in the fourth embodiment, in the sixth embodiment as well, the carrier density of the n-type and p-type semiconductor layers is increased only in the vicinity of the intermediate layer. It is possible to suppress absorption as much as possible. Thereby, an effective connection resistance between the photoelectric elements can be reduced, and a photoelectric conversion device that does not reduce the generated current can be realized.
以上の実施の形態で述べたように本発明の光電変換装置では、それぞれn型の半導体層とp型の半導体層とを有するとともに互いに光吸収波長特性の異なる第1光電変換層および第2光電変換層が積層され、第1光電変換層のn型の半導体層と第2光電変換層のp型の半導体層との間に透光性の中間層を有し、中間層との界面における第1光電変換層のn型の半導体層の電子エネルギーレベルと第2光電変換層のp型の半導体層の正孔エネルギーレベルとが近づくように、第1光電変換層のn型の半導体層の中間層との界面近傍の電子エネルギーレベルまたは第2光電変換層のp型の半導体層の中間層との界面近傍の正孔エネルギーレベルが変化する。このため中間層を挟む第1光電変換層のn型の半導体層と第2光電変換層のp型の半導体層との間での実効的な接続抵抗が低下し、発電効率の高い光電変換装置が実現できる。以上の実施の形態の構成は特にSiを主成分とする半導体層からなる光電変換層の変換効率向上に適する。 As described in the above embodiments, in the photoelectric conversion device of the present invention, the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer each having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer and having different light absorption wavelength characteristics from each other. The conversion layer is stacked, and has a light-transmitting intermediate layer between the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer, and the conversion layer is formed at the interface with the intermediate layer. The middle of the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer so that the electron energy level of the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the hole energy level of the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer are close to each other. The electron energy level in the vicinity of the interface with the layer or the hole energy level in the vicinity of the interface with the intermediate layer of the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer changes. For this reason, the effective connection resistance between the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer sandwiching the intermediate layer is reduced, and the photoelectric conversion device having high power generation efficiency Can be realized. The configuration of the above embodiment is particularly suitable for improving the conversion efficiency of a photoelectric conversion layer made of a semiconductor layer containing Si as a main component.
光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置において、中間層の両側に位置する光電変換層間の導電性を改善し、高効率な光電変換装置を提供することができるようになる。 In a photoelectric conversion device that converts light energy into electrical energy, the conductivity between the photoelectric conversion layers located on both sides of the intermediate layer can be improved, and a highly efficient photoelectric conversion device can be provided.
本発明の光電変換装置は、n型半導体層とp型半導体層とを有する第1光電変換層と、n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれて厚みが1〜10nmでトンネル伝導性を有するとともに、前記第2光電変換層のp型半導体層に接する主成分が負の電荷を保持する酸化アルミニウムである透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。 The photoelectric conversion device of the present invention includes a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and the first photoelectric conversion layer and the light absorption wavelength. Tunnel conductivity with a thickness of 1 to 10 nm sandwiched between a second photoelectric conversion layer having different characteristics, an n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer, and a p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer And a photoelectric conversion device in which a translucent intermediate layer in which the main component in contact with the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer is aluminum oxide holding negative charges is laminated on a substrate. .
また、本発明の光電変換装置は、n型半導体層とp型半導体層とを有する第1光電変換層と、n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれて厚みが1〜10nmでトンネル伝導性を有するとともに、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層とに接する主成分がハフニウム酸化物である透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。
また、本発明の光電変換装置は、n型半導体層とp型半導体層とを有する第1光電変換層と、n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれて厚みが1〜10nmでトンネル伝導性を有するとともに、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層とに接する主成分が前記n型半導体層のフェルミレベルと前記p型半導体層とフェルミレベルとをほぼ同じ位置に引き寄せるフェルミレベルピニングの現象を有する透光性の材料からなる中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。
In addition, the photoelectric conversion device of the present invention includes a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and the first photoelectric conversion layer and the light. Tunnel conduction with a thickness of 1 to 10 nm sandwiched between a second photoelectric conversion layer having different absorption wavelength characteristics, an n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer, and a p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer And a translucent intermediate layer whose main component contacting the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer is hafnium oxide. And a photoelectric conversion device stacked on each other.
In addition, the photoelectric conversion device of the present invention includes a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and the first photoelectric conversion layer and the light. Tunnel conduction with a thickness of 1 to 10 nm sandwiched between a second photoelectric conversion layer having different absorption wavelength characteristics, an n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer, and a p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer And the main components in contact with the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer are Fermi levels of the n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, and Fermi A photoelectric conversion device in which an intermediate layer made of a light-transmitting material having a Fermi level pinning phenomenon that draws the level to substantially the same position is laminated on the substrate.
中間層5は非晶質Si光電変換層4と微結晶Si光電変換層6とに挟まれた層である。中間層5は非晶質Si光電変換層4で吸収されなかった光を微結晶Si光電変換層6側に透過すると同時に微結晶Si光電変換層6と微結晶Si光電変換層6との間を電気伝導させる。また、中間層5が微結晶Si光電変換層6で吸収する波長域の光を透過する一方、非晶質Si光電変換層4で吸収する波長域の光を非晶質Si光電変換層4側に反射する光学特性を備えると、非晶質Si光電変換層4を通過した光が再び非晶質Si光電変換層4を通過して光電変換されるので変換効率が向上する。
The
本発明の光電変換装置は、n型半導体層とp型半導体層とを有する第1光電変換層と、n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれて厚みが1〜10nmでトンネル伝導性を有するとともに、前記第2光電変換層のp型半導体層に接する主成分が負の電荷を保持する酸化アルミニウムである透光性の中間層と、が基板上に積層され、前記中間層の前記第1光電変換層のn型半導体層に接する主成分が正の電荷を保持する酸化Si、ZnO、酸化ハフニウムのいずれかである、光電変換装置、とした。 The photoelectric conversion device of the present invention includes a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, and the first photoelectric conversion layer and the light absorption wavelength. Tunnel conductivity with a thickness of 1 to 10 nm sandwiched between a second photoelectric conversion layer having different characteristics, an n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer, and a p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer which has the second principal component in contact with the p-type semiconductor layer of the photoelectric conversion layer is an oxide of aluminum that holds the negative charges transparent intermediate layer, but is deposited on a substrate, wherein said intermediate layer first A photoelectric conversion device in which the main component in contact with the n-type semiconductor layer of one photoelectric conversion layer is any one of Si oxide, ZnO, and hafnium oxide that holds a positive charge .
なお、p型微結晶Si半導体層6a側を酸化アルミニウムを主成分に含有する層5bとすれば、n型非晶質Si半導体層4c側は酸化Si層5aのかわりにZnO、酸化ハフニウム化合物(HfO2)などの誘電体材料を用いても同様な効果が得られる。また、中間層5は酸化アルミ化合物層5bと酸化Si層5aとの2層としたが、厚み方向に酸化アルミ化合物から酸化Siに組成が順次変化する傾斜組成の構造を有していてもよい。
If the p-type microcrystalline
Claims (7)
n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、
前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、前記第2光電変換層のp型半導体層に接する主成分が酸化アルミニウムである透光性の中間層と、
が基板上に積層された光電変換装置。a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer;
a second photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer and having a light absorption wavelength characteristic different from that of the first photoelectric conversion layer;
It is sandwiched between the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer, has tunnel conductivity, and is in contact with the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer. A light-transmitting intermediate layer whose main component is aluminum oxide;
Is a photoelectric conversion device laminated on a substrate.
n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、
前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層とに接する主成分がハフニウム酸化物である透光性の中間層と、
が基板上に積層された光電変換装置。a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer;
a second photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer and having a light absorption wavelength characteristic different from that of the first photoelectric conversion layer;
Between the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer and having tunnel conductivity, the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the A translucent intermediate layer whose main component in contact with the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer is hafnium oxide;
Is a photoelectric conversion device laminated on a substrate.
n型半導体層とp型半導体層とを有するとともに前記第1光電変換層と光吸収波長特性が異なる第2光電変換層と、
前記第1光電変換層のn型半導体層と前記第2光電変換層のp型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、金属酸化物材料からなる透光性の中間層と、
が基板上に積層され、
前記中間層の金属酸化物材料は前記第1光電変換層のn型の半導体層の電子エネルギーレベルと前記第2光電変換層のp型の半導体層の正孔エネルギーレベルとが近づくように、前記第1光電変換層のn型の半導体層の前記中間層との界面近傍の電子エネルギーレベルまたは前記第2光電変換層のp型の半導体層の前記中間層との界面近傍の正孔エネルギーレベルを変化させる材料であることを特徴とする光電変換装置。a first photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer;
a second photoelectric conversion layer having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer and having a light absorption wavelength characteristic different from that of the first photoelectric conversion layer;
A light-transmitting intermediate layer made of a metal oxide material having tunnel conductivity sandwiched between an n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and a p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer; ,
Are stacked on the substrate,
The intermediate layer metal oxide material is arranged so that the electron energy level of the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer approaches the hole energy level of the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer. The electron energy level in the vicinity of the interface between the n-type semiconductor layer of the first photoelectric conversion layer and the intermediate layer or the hole energy level in the vicinity of the interface between the p-type semiconductor layer of the second photoelectric conversion layer and the intermediate layer. A photoelectric conversion device which is a material to be changed.
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