WO2011048866A1 - 非晶質半導体膜用オリゴメチルゲルマン化合物とこれを用いる成膜ガス - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a compound used for forming a pin junction amorphous semiconductor film in a manufacturing process of a photoelectric conversion layer of a photovoltaic device such as a solar cell.
- a solar cell using an amorphous semiconductor has a transparent electrode such as ITO or SnO 2 on a glass substrate, a p-type, i-type, or n-type amorphous silicon (a-Si) film, A back electrode such as Ag and Au is laminated in order.
- a-Si film is produced by a continuous separation method in which p-type, i-type, and n-type layers are sequentially formed in separate plasma CVD apparatuses (for example, Patent Document 1). Yes.
- germanium semiconductor is a semiconductor material that was used when the transistor was invented and is still used for applications such as photodetectors and diodes. Semiconductor became mainstream. However, in recent years, a SiGe semiconductor combining silicon and germanium has been developed as the amorphous semiconductor, and has been found to exhibit excellent semiconductor characteristics.
- the optical band gap is controlled over a wide range from 1.0 eV to 1.8 eV by changing the composition of silicon and germanium in the film.
- Patent Document 2 Therefore, light absorption in a wide range of wavelengths can be performed by laminating with a conventional amorphous silicon film (optical band gap 1.7 to 1.8 eV). Therefore, a highly efficient thin film solar cell can be formed.
- each of these layers can be formed thin. This makes it possible to form a thin film solar cell having durability against photodegradation.
- this amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film is expected as an amorphous solar cell material for forming a thin film solar cell with high efficiency and high photostability.
- efforts have been made to improve the quality of amorphous hydrogenated silicon germanium alloy films.
- germanium (GeH 4 ) is used as the germanium raw material gas.
- GeH 4 is a gas having a boiling point of ⁇ 88.4 ° C.
- high-pressure filling is necessary to transport a large amount.
- handling with high concentration of GeH 4 under high pressure causes a problem in safety, and it is necessary to dilute and fill. Therefore, there is a problem that mass transportation is difficult and transportation cost is increased.
- GeH 4 has extremely low chemical stability such as pyrophoricity and decomposition and explosiveness, so that strict safety measures are indispensable for facilities and handling.
- the present invention is a compound used for an amorphous semiconductor film of a pin junction formed as a photoelectric conversion layer of a photovoltaic device.
- it is a chemical safe alternative to GeH 4 gas and is easily transported in large quantities.
- the object is to provide membrane raw materials.
- an oligomethylgermane compound is a chemically stable and easy-to-transport film source that replaces GeH 4 gas. As a result, the present invention has been achieved.
- the present invention provides an oligomethylgermane compound represented by the general formula (1) used for a pin junction amorphous semiconductor film formed as a photoelectric conversion layer of a photovoltaic device.
- n represents an integer of 1 to 4.
- the present invention also provides a film forming gas for forming a pin junction amorphous semiconductor film as a photoelectric conversion layer of a photovoltaic device, which contains the oligomethylgermane compound represented by the general formula (1). To do.
- the film forming gas is suitably used as a film forming gas for forming an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film that becomes an i-type semiconductor.
- the content of the oligomethylgermane compound represented by the general formula (1) in the film forming gas is preferably in the range of 0.01 to 10% by volume.
- the oligomethylgermane compound of the present invention is represented by the general formula (1) and is used to form a pin junction amorphous semiconductor film as a photoelectric conversion layer of a photovoltaic device. [Wherein n represents an integer of 2 to 4. ]
- oligomethylgermane compound (1) examples include tetramethylgermane (Ge (CH 3 ) 4 ), trimethylgermane. ((CH 3 ) 3 GeH), dimethyl germane ((CH 3 ) 2 GeH 2 ), and methyl germane (CH 3 GeH 3 ).
- CH 3 GeH 3 is a gaseous compound having a boiling point of ⁇ 35 ° C.
- (CH 3 ) 2 GeH 2 is a gaseous compound having a boiling point of 6.5 ° C.
- (CH 3 ) 3 GeH has a boiling point of 26 ° C.
- Ge (CH 3 ) 4 has a boiling point of 44 ° C. For this reason, (CH 3 ) 3 GeH and Ge (CH 3 ) 4 which are liquids at room temperature (25 ° C.) or higher are particularly preferable compounds in terms of safety.
- the method is not limited to the method for obtaining the oligomethylgermane compound (1).
- Ge (CH 3 ) 4 is, for example, Bull. Chem. Soc. Jap. 1985, 58, 3277.
- (CH 3 ) 3 GeH, (CH 3 ) 2 GeH 2 , or CH 3 GeH 3 can be obtained by reacting GeCl 4 and methyl Grignard reagent in butyl ether as described in, for example, Inorg. Chem. 1963, 2, 375.
- (CH 3 ) 3 GeBr, (CH 3 ) 2 GeBr 2 , or CH 3 GeBr 3 can be obtained by a known method such as a method of reducing with NaBH 4 in an aqueous solvent.
- Oligomethylgermane compound (1) can be used in a general method for forming a pin-junction amorphous semiconductor film such as plasma CVD, thermal CVD, and photo-CVD.
- Examples of the amorphous semiconductor film formed using the oligomethylgermane compound (1) include an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film, an amorphous germanium film, and a GeO 2 film.
- Examples of the amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film include a-SiGe and a-SiGeC.
- Examples of the Si source include monosilane (SiH 4 ).
- Examples of the a-SiGeC C source include ethane and propane. A lower alkane or the like is used. At this time, monosilane is supplied into the film forming apparatus in a diluted state, and hydrogen, helium, nitrogen, or the like is used as a carrier gas.
- the oligomethyl germane compound (1) is used as a germanium raw material when forming an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film.
- the oligomethyl germane compound (1) is used as a germanium raw material, it is preferable to use a film forming gas in which the oligomethyl germane compound (1) is mixed within a range of 0.01 to 10% by volume. If it is less than 0.01% by volume, the germanium concentration is too low to improve performance such as mobility as a semiconductor, and if it exceeds 10% by volume, it becomes easy to form Ge—Ge bonds with low binding energy in the film. There is a possibility that film quality and durability may be lowered.
- the amorphous semiconductor film formed using the oligomethylgermane compound (1) can be used as an i-type layer, but by mixing with a commonly used doping gas to form a p-type layer, It can also be used as an n-type layer.
- Example 1 A filter paper was placed on the magnetic cup, and 0.5 mL of Gelest (Ge 3 CH 4 ) 4 made by Gelest was dropped with a syringe, and the state was observed. Even after 5 minutes, no evidence of burning or scorching of the filter paper was observed. This experiment was repeated three times with similar results. From this, it was confirmed that there was no spontaneous ignition.
- Example 2 A filter paper was placed on a magnetic cup, 0.5 mL of Gelest (CH 3 ) 3 GeH was dropped with a syringe, and the state was observed. Even after 5 minutes, no evidence of burning or scorching of the filter paper was observed. This experiment was repeated three times with similar results. From this, it was confirmed that there was no spontaneous ignition.
- Example 3 An amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film was formed by the following procedure using the plasma CVD film forming apparatus shown in FIG.
- the film forming apparatus includes a vacuum chamber 1, an upper discharge electrode 2 a, a lower discharge electrode 2 b incorporating an electrode heater 13 having a temperature control means, a high-frequency power source 4, an exhaust system 5, , H 2 cylinder 6, SiH 4 cylinder 7, Ge raw material cylinder 8, mass flow controllers 9 a, 9 b and 9 c, pipe 10, heater 11, and coil heater 12.
- the upper discharge electrode 2a and the lower discharge electrode 2b were disposed in the vacuum chamber 1 so as to face each other, and the glass substrate 3 to be formed was placed on the lower discharge electrode 2b.
- a high frequency power supply 4 and an exhaust system 5 were connected to the vacuum chamber 1.
- the vacuum chamber 1 was connected to the H 2 cylinder 6, the SiH 4 cylinder 7 and the Ge raw material cylinder 8 through the pipe 10.
- the Ge raw material cylinder 8 was filled with Ge (CH 3 ) 4 manufactured by Gelest.
- mass flow controllers 9a, 9b, and 9c were installed in order to control the gas flow rate of H 2 , the gas flow rate of SiH 4 , and the gas amount of Ge (CH 3 ) 4 .
- a heater 11 is installed around the Ge raw material cylinder 8 to heat and vaporize Ge (CH 3 ) 4
- a coil heater 12 is wound around the pipe 10 to heat and maintain the inside. It was.
- the glass substrate 3 was placed on the lower discharge electrode 2 b in the vacuum chamber 1 and heated to 200 ° C. by the electrode heater 13.
- the inside of the vacuum chamber 1 was maintained in a vacuum state of about 1 Pa by the exhaust system 5, and a high frequency voltage of 13.56 MHz was applied with an output of 30 W by the high frequency power source 4.
- Ge (CH 3 ) 4 in the Ge raw material cylinder 8 was heated to 50 ° C. by the heater 11, and the inside of the pipe 10 was heated and maintained at about 50 ° C. by energizing the coil heater 12.
- Ge (CH 3 ) 4 is a liquid having a vapor pressure of about 380 torr at room temperature, so the pressure inside the cylinder at 50 ° C. was about 0.12 MPa. .
- SiH 4 gas was introduced into the vacuum chamber 1 from the SiH 4 cylinder 7 through the pipe 10. Further, Ge (CH 3 ) 4 in the heated Ge raw material cylinder 8 was introduced into the vacuum chamber 1 through the pipe 10.
- the flow rates of SiH 4 gas and Ge (CH 3 ) 4 gas are 40 sccm for the total gas flow rate using the mass flow controllers 9b and 9c, and the gas mixing ratio of Ge (CH 3 ) 4 gas in the introduced total gas is The volume was adjusted to 1% by volume.
- These mixed gases were simultaneously diluted from the H 2 cylinder 6 with hydrogen gas adjusted to a flow rate of 360 sccm by the mass flow controller 9a and introduced into the chamber. Thereby, the film was formed at a deposition rate of about 0.8 nm / s.
- the inside of the vacuum chamber 1 during film formation was maintained at a pressure of 10 Pa.
- an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film having a thickness of 1000 mm was formed on the glass substrate 3, and dark conductivity measurement was performed.
- the dark conductivity of the obtained film was 1.2 ⁇ 10 ⁇ 8 S / cm.
- Example 4 An amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film having a thickness of 1000 mm was formed on the glass substrate 3 in the same manner as in Example 3 except that the Ge (CH 3 ) 4 gas mixing ratio was 3% by volume. When dark conductivity measurement was performed on the obtained film, the dark conductivity was 2.5 ⁇ 10 ⁇ 8 S / cm.
- Example 5 An amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film having a thickness of 1000 mm was formed on the glass substrate 3 in the same manner as in Example 3 except that the Ge (CH 3 ) 4 gas mixing ratio was 5% by volume. When dark conductivity measurement was performed on the obtained film, the dark conductivity was 1.8 ⁇ 10 ⁇ 8 S / cm.
- Example 6 An amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film having a thickness of 1000 mm was formed on the glass substrate 3 in the same manner as in Example 3 except that the Ge (CH 3 ) 4 gas mixing ratio was 8% by volume. When dark conductivity measurement was performed on the obtained film, the dark conductivity was 1.0 ⁇ 10 ⁇ 8 S / cm.
- Example 7 Example 3 except that Ge (CH 3 ) 4 was replaced with (CH 3 ) 3 GeH manufactured by STREM, the gas mixing ratio was 0.85% by volume, and the temperatures of the heater 10 and the heater 11 were set to 35 ° C.
- an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film having a thickness of 1000 mm was formed on the glass substrate 3.
- the dark conductivity was 1.0 ⁇ 10 ⁇ 8 S / cm.
- Example 8 Ge (CH 3 ) 4 was added to Inorg. Chem. 1963, 2, 375. Instead of (CH 3 ) 2 GeH 2 obtained using the method described in 1 ), the gas mixing rate was 0.7% by volume, and the same procedure as in Example 3 was performed except that the heater 10 and the heater 11 were removed. Then, an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film having a thickness of 1000 mm was formed on the glass substrate 3. When dark conductivity measurement was performed on the obtained film, the dark conductivity was 1.1 ⁇ 10 ⁇ 8 S / cm.
- Example 9 Ge (CH 3 ) 4 was added to Inorg. Chem. 1963, 2, 375. In the same manner as in Example 3 except that the gas mixing ratio was 0.6% by volume and the heater 10 and the heater 11 were removed, instead of CH 3 GeH 3 obtained using the method described in 1). An amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film having a thickness of 1000 mm was formed on the substrate 3. When dark conductivity measurement was performed on the obtained film, the dark conductivity was 1.2 ⁇ 10 ⁇ 8 S / cm.
- Example 10 The photovoltaic device shown in FIG. 2 was created by the following procedure. First, a transparent electrode 22 made of ITO and a p-type layer 23 made of a B (boron) -doped a-Si film constituting a first photovoltaic element are formed on a glass substrate 21 by plasma CVD. Were sequentially formed on the transparent electrode 22. Subsequently, an i-type layer 24 made of an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film having a thickness of 1000 mm was formed on the p-type layer 23 in the same manner as in Example 3.
- an n-type layer 25 made of P (phosphorus) -doped a-Si having a thickness of 100 mm was formed on the i-type layer 24 by plasma CVD.
- a metal electrode 26 made of Ag metal was laminated on the n-type layer 25 to complete the photovoltaic device.
- the resulting photovoltaic device was irradiated with simulated sunlight according to AM (air mass) 1.5G reference sunlight spectrum generated using a 300 W solar simulator made by Tokyo Instruments at an intensity of 100 mW / cm 2.
- AM air mass
- the short-circuit current density was 18 mA / cm 2
- the open circuit voltage was 0.70 V
- the fill factor was 0.75
- the photoelectric conversion efficiency was 9.45%, which is the same performance as when using an existing monogerman gas. showed that.
- Example 11 A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 10 except that an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film formed by the same method as in Example 4 was used as the i-type layer 25.
- the resulting photovoltaic device was irradiated with simulated sunlight according to AM (air mass) 1.5G reference sunlight spectrum generated using a 300 W solar simulator made by Tokyo Instruments at an intensity of 100 W / cm 2.
- AM air mass
- the short-circuit current density was 19.5 mA / cm 2
- the open-circuit voltage was 0.67 V
- the fill factor was 0.71
- the photoelectric conversion efficiency was 9.28%, which is the same as when using an existing monogerman gas. Showed the performance.
- Example 12 A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 10 except that an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film formed by the same method as in Example 5 was used as the i-type layer 25.
- the resulting photovoltaic device was irradiated with simulated sunlight according to AM (air mass) 1.5G reference sunlight spectrum generated using a 300 W solar simulator made by Tokyo Instruments at an intensity of 100 W / cm 2.
- AM air mass
- the short-circuit current density was 20.3 mA / cm 2
- the open-circuit voltage was 0.65 V
- the fill factor was 0.68
- the photoelectric conversion efficiency was 8.97%, which is the same as when using an existing monogerman gas. Showed the performance.
- Example 13 A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 10 except that an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film formed by the same method as in Example 6 was used as the i-type layer 25.
- the resulting photovoltaic device was irradiated with simulated sunlight according to AM (air mass) 1.5G reference sunlight spectrum generated using a 300 W solar simulator made by Tokyo Instruments at an intensity of 100 W / cm 2.
- AM air mass
- the short-circuit current density was 21.5 mA / cm 2
- the open-circuit voltage was 0.62 V
- the fill factor was 0.67
- the photoelectric conversion efficiency was 8.93%, which was the same as when using an existing monogerman gas. Showed the performance.
- Example 14 A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 10 except that an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film formed by the same method as in Example 7 was used as the i-type layer 25.
- the resulting photovoltaic device was irradiated with simulated sunlight according to AM (air mass) 1.5G reference sunlight spectrum generated using a 300 W solar simulator made by Tokyo Instruments at an intensity of 100 W / cm 2.
- AM air mass
- the short-circuit current density was 18.7 mA / cm 2
- the open-circuit voltage was 0.71 V
- the fill factor was 0.73
- the photoelectric conversion efficiency was 9.69%, which is the same as when using an existing monogerman gas. Showed the performance.
- Example 15 A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 10 except that an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film formed by the same method as in Example 8 was used as the i-type layer 25.
- the resulting photovoltaic device was irradiated with simulated sunlight according to AM (air mass) 1.5G reference sunlight spectrum generated using a 300 W solar simulator made by Tokyo Instruments at an intensity of 100 W / cm 2.
- AM air mass
- the short-circuit current density was 18.5 mA / cm 2
- the open-circuit voltage was 0.70 V
- the fill factor was 0.74
- the photoelectric conversion efficiency was 9.58%, which is the same as when using an existing monogerman gas. Showed the performance.
- Example 16 A photovoltaic device was produced in the same manner as in Example 10 except that an amorphous hydrogenated silicon germanium alloy film formed by the same method as in Example 9 was used as the i-type layer 25.
- the resulting photovoltaic device was irradiated with simulated sunlight according to AM (air mass) 1.5G reference sunlight spectrum generated using a 300 W solar simulator made by Tokyo Instruments at an intensity of 100 W / cm 2.
- AM air mass
- the short-circuit current density was 18.1 mA / cm 2
- the open circuit voltage was 0.72 V
- the fill factor was 0.73
- the photoelectric conversion efficiency was 9.51%, which is the same as when using an existing monogerman gas. Showed the performance.
- the plasma CVD method is used as the film forming method.
- the same effect can be obtained by using a known photo-CVD method or micro-CVD method.
- the oligomethylgermane compound of the present invention a compound used for an amorphous semiconductor film of a pin junction formed as a photoelectric conversion layer of a photovoltaic device, is chemically stable and easily transported in large quantities. It can be said that it is useful as an alternative gas for germane (GeH 4 ), which is a conventional germanium source gas.
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Abstract
本発明は、光起電力装置の光電変換層としてpin接合の非晶質半導体膜を成膜する際に用いられる、一般式(1)で表されるオリゴメチルゲルマン化合物を提供する。(CH3)nGeH4-n (1)[式中、nは1~4のいずれか一つの整数を表す。]一般式(1)のオリゴメチルゲルマン化合物は、化学的に安全で、かつ大量輸送しやすい成膜原料として有用である。
Description
本発明は、太陽電池などの光起電力装置の光電変換層の製造プロセスにおいて、pin接合の非晶質半導体膜の成膜に用いる化合物に関する。
近年、クリーンなエネルギーとして、太陽光発電が注目されており、その中でも特に非晶質半導体を用いた太陽電池はコスト面において他の種類の太陽電池よりも有望であり、積極的な研究開発が進められている。
一般的に、非晶質半導体を用いる太陽電池はガラス基板上の上に、ITO、SnO2、などの透明電極、p型、i型、n型の非晶質シリコン(a-Si)膜、Ag、Auなどの裏面電極を順に積層形成して構成されている。例えば、a-Si膜は、p型、i型、n型の各層を別々のプラズマCVD装置内で順次形成する、連続分離式にて作製されること(例えば、特許文献1)が知られている。
ところで、ゲルマニウム半導体はトランジスタが発明されたときに使われていた半導体材料であり、現在でも光検出器やダイオードなどの用途に使用されているが、工業的な処理のしやすさから、シリコンが半導体の主流となった。しかし近年、上記非晶質半導体としてシリコンとゲルマニウムを組み合わせたSiGe半導体が開発され、優れた半導体特性を示すことがわかってきた。
特に水素を含む非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜は、膜中のシリコン及びゲルマニウムの組成を変化させることにより、光学バンドギャップを1.0eVから1.8eVまでの広い範囲に渡って制御することができる(例えば、特許文献2)。そのため、従来の非晶質シリコン膜(光学バンドギャップ1.7~1.8eV)と積層させることにより、幅広い波長での光吸収を行うことができる。従って、高効率の薄膜太陽電池を形成することが可能となる。
また、2層以上の吸収波長域の異なる半導体膜を積層して構成することにより、それらの各層を薄く形成することができる。このことにより、光劣化に対する耐久性をもつ薄膜太陽電池の形成が行えるようになる。
以上のことから、この非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜は、高効率でかつ光安定性の高い薄膜太陽電池を形成するための非晶質太陽電池材料として期待されている。そこで、非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜の品質向上のための努力がなされてきた。
一般的に、プラズマCVDにより非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を得るために、シリコン及びゲルマニウム原料となるガスならびに水素ガスを使用するが、このゲルマニウム原料ガスとして、ゲルマン(GeH4)を用いる。しかし、GeH4は沸点が-88.4℃の気体であるため、大量に輸送をするためには高圧充填を行う必要がある。また、化学的に不安定であるため高濃度のGeH4を高圧充填して扱うことは安全性に問題が生じ、希釈して充填する必要がある。したがって、大量輸送が難しく、輸送コストが大きくなるという問題がある。このため、光起電力装置の光電変換層の製造プロセスのように大量のガス供給が必要なプロセスには不利である。また、GeH4は自然発火性、分解爆発性など化学的安定性が極めて低いことから、設備上および取扱い上厳重な安全対策が必要不可欠となっている。
本発明は、光起電力装置の光電変換層として成膜されるpin接合の非晶質半導体膜に用いられる化合物で、特に、GeH4ガスに代わる化学的に安全で、かつ大量輸送しやすい成膜原料を提供することを目的としている。
このような状況に鑑み、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、オリゴメチルゲルマン化合物が、GeH4ガスに代わる化学的に安定で、かつ大量輸送しやすい成膜原料となることを見出し、本発明に至った。
すなわち本発明は、光起電力装置の光電変換層として成膜されるpin接合の非晶質半導体膜に用いられる、一般式(1)で表されるオリゴメチルゲルマン化合物を提供するものである。
[式中、nは1~4のいずれか一つの整数を表す。]
また、本発明は、上記一般式(1)で表わされるオリゴメチルゲルマン化合物を含む、光起電力装置の光電変換層としてpin接合の非晶質半導体膜を成膜するための成膜ガスを提供するものである。
上記成膜ガスは、i型半導体となる非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を形成するための成膜ガスとして好適に用いられる。この場合、上記一般式(1)で表されるオリゴメチルゲルマン化合物の成膜ガス中の含有量は0.01~10体積%の範囲内であることが好ましい。
以下に本発明を詳細に説明する。
一般式(1)で表されるオリゴメチルゲルマン化合物(以下、単に「オリゴメチルゲルマン化合物(1)」とも称する。)の具体例としては、テトラメチルゲルマン(Ge(CH3)4)、トリメチルゲルマン((CH3)3GeH)、ジメチルゲルマン((CH3)2GeH2)、メチルゲルマン(CH3GeH3)が挙げられる。この中で、CH3GeH3は沸点-35℃のガス状化合物であり、(CH3)2GeH2は沸点6.5℃のガス状化合物であり、(CH3)3GeHは沸点26℃、Ge(CH3)4は沸点44℃である。このため室温(25℃)以上の温度で液体である(CH3)3GeH、Ge(CH3)4が、安全面で特に好ましい化合物である。
オリゴメチルゲルマン化合物(1)を得る方法に限定されない。オリゴメチルゲルマン化合物(1)のうち、Ge(CH3)4は、例えばBull.Chem.Soc.Jap.1985,58,3277.に記載されるようにGeCl4とメチルグリニャール試薬をブチルエーテル中で反応させる方法で、(CH3)3GeH、(CH3)2GeH2、或いはCH3GeH3は、例えばInorg.Chem.1963,2,375.に記載されるように(CH3)3GeBr、(CH3)2GeBr2、或いはCH3GeBr3を水溶媒中においてNaBH4で還元する方法など、公知の方法で得ることができる。
オリゴメチルゲルマン化合物(1)は、プラズマCVD、熱CVD、光CVDなどpin接合の非晶質半導体膜を成膜する一般的な方法に用いることができる。
オリゴメチルゲルマン化合物(1)を用いて成膜される非晶質半導体膜としては、非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜、非晶質ゲルマニウム膜、GeO2膜、などがある。非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜としては、a-SiGe、a-SiGeCなどが挙げられ、Si源としては、モノシラン(SiH4)など、a-SiGeCのC源としては、エタン、プロパンなどの低級アルカンなどが用いられる。またこの際、モノシランは希釈された状態で成膜装置内に供給され、キャリアガスとして水素、ヘリウム、窒素などが用いられる。
特に、オリゴメチルゲルマン化合物(1)は、非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜の成膜時のゲルマニウム原料として用いることが有効である。オリゴメチルゲルマン化合物(1)をゲルマニウム原料として用いる場合、オリゴメチルゲルマン化合物(1)を0.01~10体積%の範囲内で混合させた成膜ガスを用いることが好ましい。0.01体積%未満ではゲルマニウム濃度が低濃度すぎて半導体として移動度等の性能向上が見込めず、10体積%超では、膜中に結合エネルギーの低いGe-Ge結合を形成しやすくなるため、膜質の低下ならびに耐久性の低下をもたらす虞がある。
オリゴメチルゲルマン化合物(1)を用いて成形される非晶質半導体膜はi型層として用いることができるが、一般的に用いられるドーピングガスと混合して成膜することにより、p型層、n型層として用いることも可能である。
以下、実施例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
磁製カップの上にろ紙を置き、Gelest社製Ge(CH3)4を注射器で0.5mL滴下し、その様子を観察した。5分後においても、ろ紙が燃えた形跡も焦げた形跡も観測されなかった。この実験を繰り返し3回実施したが同様の結果となった。このことから、自然発火性はないと確認された。
磁製カップの上にろ紙を置き、Gelest社製Ge(CH3)4を注射器で0.5mL滴下し、その様子を観察した。5分後においても、ろ紙が燃えた形跡も焦げた形跡も観測されなかった。この実験を繰り返し3回実施したが同様の結果となった。このことから、自然発火性はないと確認された。
[実施例2]
磁製カップの上にろ紙を置き、Gelest社製(CH3)3GeHを注射器で0.5mL滴下し、その様子を観察した。5分後においても、ろ紙が燃えた形跡も焦げた形跡も観測されなかった。この実験を繰り返し3回実施したが同様の結果となった。このことから、自然発火性はないと確認された。
磁製カップの上にろ紙を置き、Gelest社製(CH3)3GeHを注射器で0.5mL滴下し、その様子を観察した。5分後においても、ろ紙が燃えた形跡も焦げた形跡も観測されなかった。この実験を繰り返し3回実施したが同様の結果となった。このことから、自然発火性はないと確認された。
[実施例3]
図1に示すプラズマCVD成膜装置を用いて、下記の手順により、非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。
図1に示すプラズマCVD成膜装置を用いて、下記の手順により、非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。
図1に示すように、成膜装置は、真空チャンバ1と、上部放電電極2aと、温度制御手段を備えた電極ヒータ13を内蔵した下部放電電極2bと、高周波電源4と、排気システム5と、H2ボンベ6と、SiH4ボンベ7と、Ge原料ボンベ8、マスフローコントローラ9a、9b及び9cと、配管10と、ヒータ11と、コイルヒータ12で構成されていた。上部放電電極2a及び下部放電電極2bは対向して真空チャンバ1内に配置され、成膜対象のガラス基板3は下部放電電極2bに載置された。真空チャンバ1には高周波電源4、排気システム5が接続されていた。そして、排気システム5により真空チャンバ1内が真空状態に維持された状態で高周波電源4により真空チャンバ1に高周波電圧が印加されると、上部放電電極2a、下部放電電極2b間に真空放電が生じてプラズマが発生するようになっていた。また、真空チャンバ1は、配管10を介して、H2ボンベ6、SiH4ボンベ7及びGe原料ボンベ8に連結されていた。本実施例では、Ge原料ボンベ8には、Gelest社製Ge(CH3)4が充填されていた。配管10の中途には、H2のガス流量、SiH4のガス流量とGe(CH3)4のガス量を制御するため、マスフローコントローラ9a、9b、9cが設置された。Ge原料ボンベ8の周囲には、Ge(CH3)4を加温気化するためにヒータ11が設置され、配管10には、その内部を加温・維持するためにコイルヒータ12が巻きつけられた。
真空チャンバ1内の下部放電電極2b上にガラス基板3を載置し、電極ヒータ13により200℃に加熱した。排気システム5により真空チャンバ1内を略1Paの真空状態に維持し、高周波電源4により13.56MHzの高周波電圧を出力30Wで印加した。一方、Ge原料ボンベ8内のGe(CH3)4をヒータ11により50℃に加温気化し、コイルヒータ12への通電により配管10の内部を50℃程度に加温・維持した。なお、10MPa以上の高圧充填されたGeH4とは異なり、Ge(CH3)4は室温で380torr程度の蒸気圧をもつ液体であるため、50℃におけるボンベ内圧力は略0.12MPaであった。
この状態において、SiH4ボンベ7から配管10を介してSiH4ガスを真空チャンバ1内に導入した。また、加温気化させたGe原料ボンベ8内のGe(CH3)4を配管10を介して真空チャンバ1内に導入した。SiH4ガスとGe(CH3)4ガスの流量は、各マスフローコントローラ9bおよび9cを用いて、トータルガス流量が40sccm、導入されるトータルガス中のGe(CH3)4ガスのガス混合率が1体積%となるように調節した。これらの混合ガスは、同時にH2ボンベ6からマスフローコントローラ9aにて流量360sccmに調節された水素ガスによって希釈され、チャンバ内に導入された。これにより、0.8nm/s程度の蒸着速度にて成膜を行った。成膜時の真空チャンバ1内は圧力10Paに維持した。
このようにしてガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜し、暗導電率測定を行った。得られた膜の暗導電率は1.2×10-8S/cmであった。
[実施例4]
Ge(CH3)4ガス混合率を3体積%としたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は2.5×10-8S/cmであった。
Ge(CH3)4ガス混合率を3体積%としたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は2.5×10-8S/cmであった。
[実施例5]
Ge(CH3)4ガス混合率を5体積%としたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.8×10-8S/cmであった。
Ge(CH3)4ガス混合率を5体積%としたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.8×10-8S/cmであった。
[実施例6]
Ge(CH3)4ガス混合率を8体積%としたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.0×10-8S/cmであった。
Ge(CH3)4ガス混合率を8体積%としたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.0×10-8S/cmであった。
[実施例7]
Ge(CH3)4を、STREM社製(CH3)3GeHに代え、ガス混合率を0.85体積%とし、ヒータ10およびヒータ11の温度を35℃に設定したこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜た。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.0×10-8S/cmであった。
Ge(CH3)4を、STREM社製(CH3)3GeHに代え、ガス混合率を0.85体積%とし、ヒータ10およびヒータ11の温度を35℃に設定したこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜た。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.0×10-8S/cmであった。
[実施例8]
Ge(CH3)4を、Inorg.Chem.1963,2,375.に記載されている方法を用いて得られた(CH3)2GeH2に代え、ガス混合率を0.7体積%とし、ヒータ10およびヒータ11をはずしたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.1×10-8S/cmであった。
Ge(CH3)4を、Inorg.Chem.1963,2,375.に記載されている方法を用いて得られた(CH3)2GeH2に代え、ガス混合率を0.7体積%とし、ヒータ10およびヒータ11をはずしたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.1×10-8S/cmであった。
[実施例9]
Ge(CH3)4を、Inorg.Chem.1963,2,375.に記載されている方法を用いて得られたCH3GeH3に代え、ガス混合率を0.6体積%とし、ヒータ10およびヒータ11をはずしたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.2×10-8S/cmであった。
Ge(CH3)4を、Inorg.Chem.1963,2,375.に記載されている方法を用いて得られたCH3GeH3に代え、ガス混合率を0.6体積%とし、ヒータ10およびヒータ11をはずしたこと以外は実施例3と同様にして、ガラス基板3上に膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜を成膜した。得られた膜について暗導電率測定を行ったところ、暗導電率は1.2×10-8S/cmであった。
[実施例10]
以下の手順により、図2に示す光起電力装置を作成した。まず、ガラス基板21上に、ITOからなる透明電極22、1層目の光起電力素子を構成する膜厚100ÅのB(ボロン)ドープのa-Si膜からなるp型層23をプラズマCVD法により透明電極22上に順次形成した。続いて、実施例3と同様の手法により膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜からなるi型層24をp型層23に形成した。その後、膜厚100ÅのP(リン)ドープのa-Siからなるn型層25をプラズマCVD法によりi型層24上に形成した。引き続きAgの金属から成る金属電極26をn型層25上に積層して、光起電力装置を完成した。
以下の手順により、図2に示す光起電力装置を作成した。まず、ガラス基板21上に、ITOからなる透明電極22、1層目の光起電力素子を構成する膜厚100ÅのB(ボロン)ドープのa-Si膜からなるp型層23をプラズマCVD法により透明電極22上に順次形成した。続いて、実施例3と同様の手法により膜厚1000Åの非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜からなるi型層24をp型層23に形成した。その後、膜厚100ÅのP(リン)ドープのa-Siからなるn型層25をプラズマCVD法によりi型層24上に形成した。引き続きAgの金属から成る金属電極26をn型層25上に積層して、光起電力装置を完成した。
得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100mW/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度18mA/cm2、開放電圧0.70V、フィルファクター0.75、光電変換効率9.45%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
[実施例11]
実施例4と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度19.5mA/cm2、開放電圧0.67V、フィルファクター0.71、光電変換効率9.28%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
実施例4と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度19.5mA/cm2、開放電圧0.67V、フィルファクター0.71、光電変換効率9.28%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
[実施例12]
実施例5と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度20.3mA/cm2、開放電圧0.65V、フィルファクター0.68、光電変換効率8.97%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
実施例5と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度20.3mA/cm2、開放電圧0.65V、フィルファクター0.68、光電変換効率8.97%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
[実施例13]
実施例6と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いた以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度21.5mA/cm2、開放電圧0.62V、フィルファクター0.67、光電変換効率8.93%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
実施例6と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いた以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度21.5mA/cm2、開放電圧0.62V、フィルファクター0.67、光電変換効率8.93%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
[実施例14]
実施例7と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度18.7mA/cm2、開放電圧0.71V、フィルファクター0.73、光電変換効率9.69%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
実施例7と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度18.7mA/cm2、開放電圧0.71V、フィルファクター0.73、光電変換効率9.69%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
[実施例15]
実施例8と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度18.5mA/cm2、開放電圧0.70V、フィルファクター0.74、光電変換効率9.58%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
実施例8と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度18.5mA/cm2、開放電圧0.70V、フィルファクター0.74、光電変換効率9.58%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
[実施例16]
実施例9と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度18.1mA/cm2、開放電圧0.72V、フィルファクター0.73、光電変換効率9.51%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
実施例9と同じ手法で成膜した非晶質水素化シリコンゲルマニウム合金膜をi型層25として用いたこと以外は実施例10と同様に光起電力装置を作製した。得られた光起電力装置に東京インスツルメンツ製300Wソーラーシミュレータを用い発生させたAM(エアマス)1.5Gの基準太陽光のスペクトルに準じた擬似太陽光を、強度100W/cm2で照射し、その光電変換特性を測定したところ、短絡電流密度18.1mA/cm2、開放電圧0.72V、フィルファクター0.73、光電変換効率9.51%となり、既存のモノゲルマンガスを用いた場合と同等の性能を示した。
なお、上述の実施例では、成膜方法としてプラズマCVD法を用いたが、公知の光CVD法またはマイクロCVD法等を用いても同様の効果が得られた。
上述の通り、本発明のオリゴメチルゲルマン化合物、光起電力装置の光電変換層として成膜されるpin接合の非晶質半導体膜に用いられる化合物として、化学的に安定であり、大量輸送しやすく、従来のゲルマニウム原料ガスであるゲルマン(GeH4)の代替ガスとして有用であると言える。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し適宜変更、改良可能であることはいうまでもない。
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