10 ( 57) 【要約】
【課題】変換効率の低下を抑制
【解決手段】光電変換素子１０１の結晶半導体領域１１ ０は第１表面１１２、第２表面１１１を有する。水素化 アモルファス半導体膜１２０，１３０は第２表面１１１ に接するように配置される。第１仕事関数膜１５０は、 膜１２０に接するように配置され、第１仕事関数を有す る材料で形成される。第２仕事関数膜１６０は、膜１５ ０から離間し、膜１３０に接するように配置され、第２ 仕事関数を有する材料で形成される。水素化アモルファ ス半導体膜１４０は膜１５０，１６０間で第２表面１１ １に接するように配置される。電荷保有絶縁膜１９０は 膜１５０，１６０間で膜１４０に接するように配置され 、結晶半導体領域がｎ形の時、極性が正の電荷、ｐ形の 時、極性が負の電荷を保有する。
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40
50 【 特 許 請 求 の 範 囲 】
【 請 求 項 １ 】
多 結 晶 ま た は 単 結 晶 の 半 導 体 で 形 成 さ れ て 第 １ 導 電 形 を 有 す る 結 晶 半 導 体 領 域 と 、 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 は 対 向 す る ２ つ の 面 を 有 し 、 一 方 の 面 を 第 １ 表 面 と し 他 方 の 面 を 第 ２ 表 面 と し て 、 前 記 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ た 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 第 １ 仕 事 関 数 を 有 す る 材 料 で 形 成 さ れ た 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 、
前 記 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ た 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
前 記 第 １ 仕 事 関 数 膜 か ら 離 間 し 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 第 ２ 仕 事 関 数 を 有 す る 材 料 で 形 成 さ れ た 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と 、
前 記 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 前 記 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と の 間 に お い て 前 記 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ た 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
前 記 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 前 記 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と の 間 に お い て 前 記 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 表 面 お よ び ま た は 内 部 に 電 荷 を 保 有 す る 絶 縁 膜 で あ る 第 １ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 と を 備 え 、
前 記 第 １ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 が 表 面 お よ び ま た は 内 部 に 保 有 す る 電 荷 で あ る 第 １ 保 有 電 荷 の 極 性 は 、 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 の 前 記 第 １ 導 電 形 が ｎ 形 で あ る 場 合 に は 正 で あ り 、 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 の 前 記 第 １ 導 電 形 が ｐ 形 で あ る 場 合 に は 負 で あ る
こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 ２ 】
前 記 第 １ 保 有 電 荷 の 電 荷 密 度 は 、 ｑ を 電 荷 素 量 と し て 、 ４ ｘ １ ０
１ １
［ ｑ ／ ｃ ｍ
２
］ 以 上 で あ る
こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 １ に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 ３ 】
前 記 第 １ 仕 事 関 数 膜 の 第 １ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル と 前 記 第 ２ 仕 事 関 数 膜 の 第 ２ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル と は 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 の エ ネ ル ギ ー バ ン ド の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル に 関 し て 互 い に 逆 方 向 に あ る こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ４ 】
前 記 第 １ 仕 事 関 数 膜 に 接 し て 第 １ 導 電 電 極 を 設 け た こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ５ 】
前 記 第 ２ 仕 事 関 数 膜 に 接 し て 第 ２ 導 電 電 極 を 設 け た こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 １ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ６ 】
多 結 晶 ま た は 単 結 晶 の 半 導 体 で 形 成 さ れ て 第 １ 導 電 形 を 有 す る 結 晶 半 導 体 領 域 と 、 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 は 対 向 す る ２ つ の 面 を 有 し 、 一 方 の 面 を 第 １ 表 面 と し 他 方 の 面 を 第 ２ 表 面 と し て 、 前 記 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ た 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 前 記 第 １ 導 電 形 を 有 す る 半 導 体 で 形 成 さ れ た 第 １ 半 導 体 膜 と 、
前 記 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ た 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
前 記 第 １ 半 導 体 膜 か ら 離 間 し 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 前 記 第 １ 導 電 形 と は 逆 の 導 電 形 で あ る 第 ２ 導 電 形 を 有 す る 半 導 体 で 形 成 さ れ た 第 ２ 半 導 体 膜 と 、
前 記 第 １ 半 導 体 膜 と 前 記 第 ２ 半 導 体 膜 と の 間 に お い て 前 記 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ た 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、
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20
30
40
50 電 荷 保 有 絶 縁 膜 と を 備 え 、
前 記 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 が 表 面 お よ び ま た は 内 部 に 保 有 す る 電 荷 で あ る 第 ２ 保 有 電 荷 の 極 性 は 、 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 の 前 記 第 １ 導 電 形 が ｎ 形 で あ る 場 合 に は 正 で あ り 、 前 記 結 晶 半 導 体 領 域 の 前 記 第 １ 導 電 形 が ｐ 形 で あ る 場 合 に は 負 で あ る
こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 ７ 】
前 記 第 ２ 保 有 電 荷 の 電 荷 密 度 は 、 ｑ を 電 荷 素 量 と し て 、 ４ ｘ １ ０
１ １
［ ｑ ／ ｃ ｍ
２
］ 以 上 で あ る
こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 ６ に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 ８ 】
前 記 第 １ 半 導 体 膜 に 接 し て 第 １ 導 電 電 極 を 設 け 、
前 記 第 ２ 半 導 体 膜 に 接 し て 前 記 第 １ 導 電 電 極 と 離 間 し て 第 ２ 導 電 電 極 を 設 け た こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 ６ 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 ９ 】
前 記 第 １ 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ２ 半 導 体 膜 は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン で あ り 、 １ ０
１ ８
［ 原 子 ／ ｃ ｍ
３
］ 以 上 の 価 電 子 制 御 不 純 物 が 添 加 さ れ て い る
こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 ６ ∼ 請 求 項 ８ の 何 れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 １ ０ 】
前 記 第 １ 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ２ 半 導 体 膜 は 、 微 結 晶 の シ リ コ ン で 形 成 さ れ る と と も に 水 素 化 さ れ た 水 素 化 微 結 晶 シ リ コ ン で あ り 、 １ ０
１ ８
［ 原 子 ／ ｃ ｍ
３
］ 以 上 の 価 電 子 制 御 不 純 物 が 添 加 さ れ て い る
こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 ６ ∼ 請 求 項 ８ の 何 れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 １ １ 】
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ は 、 同 じ 半 導 体 を 材 料 と し て 形 成 さ れ る
こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 １ ∼ 請 求 項 ３ の 何 れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 １ ２ 】
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ は 、 同 じ 半 導 体 を 材 料 と し て 形 成 さ れ る
こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 ６ ∼ 請 求 項 １ ０ の 何 れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 １ ３ 】
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 価 電 子 制 御 不 純 物 が 添 加 さ れ て い な い か 、 添 加 さ れ て い て も そ の 濃 度 は １ ０
１ ８
［ 原 子 ／ ｃ ｍ
３
］ よ り 少 な い こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 １ ∼ 請 求 項 ３ 、 請 求 項 ６ ∼ 請 求 項 １ ０ の 何 れ か １ 項 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。
【 請 求 項 １ ４ 】
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 連 続 し た 一 つ の 膜 で あ る
こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 １ ∼ 請 求 項 ３ の 何 れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 １ ５ 】
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 連 続 し た 一 つ の 膜 で あ る
こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 ６ ∼ 請 求 項 １ ０ の 何 れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 １ ６ 】
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ は 、 膜 厚 が 等 し い
10
20
30
40
50 【 請 求 項 １ ７ 】
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ は 、 膜 厚 が 等 し い
こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 ６ ∼ 請 求 項 １ ０ の 何 れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 。 【 請 求 項 １ ８ 】
請 求 項 １ ∼ 請 求 項 ３ の 何 れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 の 製 造 方 法 で あ っ て 、
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ を 、 前 記 第 ２ 表 面 上 に 同 時 に 堆 積 す る
こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 の 製 造 方 法 。 【 請 求 項 １ ９ 】
請 求 項 ６ ∼ 請 求 項 １ ０ の 何 れ か １ 項 に 記 載 の 光 電 変 換 素 子 の 製 造 方 法 で あ っ て 、
前 記 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 前 記 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 前 記 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ を 、 前 記 第 ２ 表 面 上 に 同 時 に 堆 積 す る
こ と を 特 徴 と す る 光 電 変 換 素 子 の 製 造 方 法 。 【 発 明 の 詳 細 な 説 明 】
【 技 術 分 野 】 【 ０ ０ ０ １ 】
本 発 明 は 、 光 を 電 気 に 変 換 す る 光 電 変 換 素 子 お よ び そ の 製 造 方 法 に 関 す る 。 【 背 景 技 術 】
【 ０ ０ ０ ２ 】
光 電 変 換 素 子 に は 、 照 射 光 の 強 度 、 波 長 な ど が 変 化 し た 結 果 、 素 子 抵 抗 が 変 化 す る フ ォ ト レ ジ ス タ 、 素 子 電 流 ま た は 電 圧 が 変 化 す る フ ォ ト ダ イ オ ー ド 、 素 子 電 流 が フ ォ ト ダ イ オ ー ド よ り 増 幅 さ れ て 変 化 す る フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ 、 出 力 電 流 、 電 圧 、 電 力 が 変 化 す る 太 陽 電 池 な ど が あ る 。 フ ォ ト ダ イ オ ー ド 、 太 陽 電 池 を 構 成 す る 電 子 構 造 に は 、 ｐ ｎ 接 合 、 Ｍ Ｉ Ｓ 構 造 な ど が 知 ら れ て い る 。
【 ０ ０ ０ ３ 】
ｐ ｎ 接 合 は 更 に 、 ｐ 形 半 導 体 と ｎ 形 の 半 導 体 と が 同 じ 半 導 体 材 料 で ｐ ｎ 接 合 が 構 成 さ れ る ホ モ 接 合 、 ｐ 形 半 導 体 と ｎ 形 半 導 体 と が 異 な る 半 導 体 材 料 で ｐ ｎ 接 合 が 構 成 さ れ る ヘ テ ロ 接 合 が あ る 。 こ の ヘ テ ロ 接 合 は 短 波 長 感 度 の 良 い フ ォ ト ダ イ オ ー ド 、 高 効 率 の 太 陽 電 池 を 化 合 物 半 導 体 で 実 現 す る 手 段 と し て 使 わ れ て き た 。
【 ０ ０ ０ ４ 】
一 方 、 シ リ コ ン 半 導 体 で フ ォ ト ダ イ オ ー ド 、 フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ を 実 現 す る 場 合 は ホ モ 接 合 を 用 い る 場 合 が 多 い が 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン と 結 晶 シ リ コ ン の ｐ ｎ 接 合 に よ る ヘ テ ロ 接 合 太 陽 電 池 が 高 効 率 を 目 指 し て 開 発 さ れ て き た 。 こ の 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン と 結 晶 シ リ コ ン の ヘ テ ロ 接 合 の ｐ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン と ｎ 形 結 晶 シ リ コ ン の 間 に 、 価 電 子 制 御 不 純 物 を 意 図 的 に 添 加 し な い “ ｉ ” 層 （ ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン ） と 呼 ば れ る 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン を 介 在 さ せ る こ と に よ り 開 放 電 圧 Ｖ ｏ ｃ を 改 善 す る 技 術 が １ ９ ９ ０ 年 代 か ら 開 発 さ れ て き た （ 例 え ば 、 非 特 許 文 献 １ を 参 照 ） 。 更 に ｐ 形 、 ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン を 設 け た 結 晶 シ リ コ ン 基 板 の 裏 側 に ｎ 形 、 ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン を 設 け て 高 効 率 化 が 進 め ら れ て き た 。 な お 、 以 後 こ れ ら ２ 層 の ｐ 形 、 ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン を ｐ ／ ｉ 層 、 お よ び こ れ ら ２ 層 の ｎ 形 、 ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン を ｎ ／ ｉ 層 と 記 す こ と が あ る 。
【 ０ ０ ０ ５ 】
10
20
30
40
50 例 え ば 、 非 特 許 文 献 ２ を 参 照 ） 。
【 ０ ０ ０ ６ 】
図 １ ３ は 、 非 特 許 文 献 ２ の 「 Ｆ ｉ ｇ ｕ ｒ ｅ ３ 」 に お い て 光 電 変 換 素 子 の 各 構 成 要 素 に 符 号 を 追 加 し た 断 面 図 で あ る 。 図 １ ３ に お い て 、 ５ １ ０ は 第 １ 表 面 ５ １ １ と 第 ２ 表 面 （ 裏 面 ） ５ １ ２ を 有 す る ｎ 形 結 晶 Ｓ ｉ 基 板 、 ５ ２ ０ は ｎ 形 結 晶 Ｓ ｉ 基 板 ５ １ ０ の 裏 面 ５ １ ２ に 接 し て 設 け ら れ た ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 、 ５ ３ ０ は ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 ５ ２ ０ に 接 し て 設 け ら れ た 高 不 純 物 濃 度 ｎ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 で あ り 、 ｎ ／ ｉ 層 を 形 成 し て い る 。
【 ０ ０ ０ ７ 】
５ ４ ０ は ｎ 形 結 晶 Ｓ ｉ 基 板 ５ １ ０ の 裏 面 ５ １ ２ に 接 し て 設 け ら れ た ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 、 ５ ５ ０ は ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 ５ ４ ０ に 接 し て 設 け ら れ た 高 不 純 物 濃 度 ｐ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 で あ り 、 ｐ ／ ｉ 層 を 形 成 し て い る 。 ５ ６ ０ は ｎ 形 結 晶 Ｓ ｉ 基 板 ５ １ ０ の 表 面 ５ １ １ に 接 し て 設 け ら れ た ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 、 ５ ７ ０ は ｉ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層 ５ ６ ０ に 接 し て 設 け ら れ た パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 層 で あ り 、 高 不 純 物 濃 度 の ｎ 形 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン で 形 成 さ れ て い る 。 更 に ５ ８ ０ は パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 層 ５ ７ ０ に 接 し て 設 け ら れ た 酸 化 チ タ ン （ Ｔ ｉ Ｏ２ ） か
ら な る 反 射 防 止 膜 で あ る 。 【 ０ ０ ０ ８ 】
こ こ で 裏 面 の ｐ ／ ｉ 層 と ｎ ／ ｉ 層 の 位 置 関 係 に 注 目 す る と 、 ｐ ／ ｉ 層 上 に ｎ ／ ｉ 層 が ５ ５ １ の 部 分 で 重 畳 し て い る 。 ｐ 層 ５ ５ ０ と ｎ 層 ５ ３ ０ と が 接 触 す る と 出 力 電 圧 の 短 絡 が 起 こ る た め 、 ｐ 層 ５ ５ ０ と ｎ 層 ５ ３ ０ と が 離 間 し な け れ ば な ら な い 。 し か し 、 ｐ 層 ５ ５ ０ と ｎ 層 ５ ３ ０ と が 裏 面 ５ １ ２ に 沿 っ て 離 間 す る と そ の ギ ャ ッ プ 部 分 で 電 流 と 電 圧 の 損 失 が 生 ず る 。 こ の た め 、 ５ ５ １ の 部 分 で ｐ ／ ｉ 層 上 に ｉ 層 ５ ２ ０ を 介 し て ｎ 層 ５ ３ ０ を 重 畳 さ せ て い る 。 こ の 重 畳 部 分 ５ ５ １ の 長 さ は 製 造 技 術 の パ タ ー ン 作 成 精 度 、 ｐ ／ ｉ 層 と ｎ ／ ｉ 層 の 位 置 合 わ せ 精 度 で 決 ま る が 、 例 え ば 、 １ ０ ０ μ ｍ 程 度 の 寸 法 が 必 要 で あ る 。
【 ０ ０ ０ ９ 】
こ の パ タ ー ン 作 成 精 度 と 位 置 合 わ せ 精 度 が 関 係 す る ｎ 層 用 導 電 電 極 ５ ９ ０ が ｎ 層 ５ ３ ０ を カ バ ー で き な い 部 分 ５ ３ １ の 寸 法 、 ｐ 層 用 導 電 電 極 ６ ０ ０ が ｐ 層 ５ ５ ０ を カ バ ー で き な い 部 分 ５ ５ ２ の 寸 法 も 同 様 の 寸 法 と な る 。
【 先 行 技 術 文 献 】 【 非 特 許 文 献 】 【 ０ ０ １ ０ 】
【 非 特 許 文 献 １ 】 M. T a g u c h i , M. T a n a k a , T . Ma t s u y a ma , T . Ma t s u o k a , S . T s u d a , S . N a k a n o , Y . K is h i a n d Y . K u wa n o , “ I mp r o v e me n t o f t h e c o n v e r s io n e f f i c ie n c y o f p o l y c r y s t a llin e s ilic o n t h i n f ilms o l a r c e ll” , T e c h n ic a l Dig e s t o f t h e I n t e r n a t io n a l P V S E C- 5 , 論 文 番 号 C- I I I a - 1 , p . 6 8 9 , K y o t o , Ja p a n , 1 9 9 0 .
【 非 特 許 文 献 ２ 】 K . S a i t o , H. No g e , A. S a t o , T . K a n e k o , a n d M. K o n d o , “ F a b r i c a t i o n o f in t e r d i g it a t e d b a c k c o n t a c t s ilic o n h e t e r o ju nc t i o n s o la r c e l ls b y in k j e t p a t t e r n in g ” , 2 9 t h E u r o p e a n P h o t o v o lt a ic S o l a r E n e r g y Co n f e r e n c e a n d E x h ib it io n , E UP V S E C2 0 1 4 , 講 演 番 号 2 BV .8 .4 7 , Ams t e r d a m, Ne t h e r la n d , S e p t e mb e r , 2 0 1 4 .
【 発 明 の 概 要 】
【 発 明 が 解 決 し よ う と す る 課 題 】 【 ０ ０ １ １ 】
10
20
30
40
50 、 変 換 効 率 の 低 下 が 少 な い 光 電 変 換 素 子 の 提 供 が 望 ま れ る 。
【 ０ ０ １ ２ 】
本 発 明 は 、 こ う し た 問 題 に 鑑 み て な さ れ た も の で あ り 、 変 換 効 率 の 低 下 を 抑 制 す る 技 術 を 提 供 す る こ と を 目 的 と す る 。
【 課 題 を 解 決 す る た め の 手 段 】 【 ０ ０ １ ３ 】
上 記 目 的 を 達 成 す る た め に な さ れ た 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 と 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と 、 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 第 １ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 と を 備 え る 。
【 ０ ０ １ ４ 】
結 晶 半 導 体 領 域 は 、 多 結 晶 ま た は 単 結 晶 の 半 導 体 で 形 成 さ れ て 第 １ 導 電 形 を 有 し 、 対 向 す る 第 １ 表 面 と 第 ２ 表 面 を 有 す る 。 こ の 結 晶 半 導 体 領 域 は 、 目 的 、 原 材 料 に よ り 、 層 状 、 シ ー ト 状 、 基 板 状 、 基 板 内 ま た は 基 板 上 に 分 離 さ れ た 立 方 体 等 任 意 形 状 、 基 板 内 ま た は 基 板 上 に 集 積 さ れ た 複 数 の 形 状 、 円 筒 形 等 任 意 の 形 状 を 取 る こ と が で き る 。 第 １ 導 電 形 は ｐ 形 で も ｎ 形 で も よ い 。
【 ０ ０ １ ５ 】
第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 非 晶 質 の 半 導 体 で 形 成 さ れ る と と も に 水 素 化 さ れ て い る 。
第 １ 仕 事 関 数 膜 は 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 第 １ 仕 事 関 数 を 有 す る 材 料 で 形 成 さ れ て い る 。
【 ０ ０ １ ６ 】
第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 非 晶 質 の 半 導 体 で 形 成 さ れ る と と も に 水 素 化 さ れ て い る 。
第 ２ 仕 事 関 数 膜 は 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 か ら 離 間 し 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 第 ２ 仕 事 関 数 を 有 す る 材 料 で 形 成 さ れ て い る 。
【 ０ ０ １ ７ 】
第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と の 間 に お い て 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 非 晶 質 の 半 導 体 で 形 成 さ れ る と と も に 水 素 化 さ れ て い る 。
【 ０ ０ １ ８ 】
第 １ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 は 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と の 間 に お い て 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 表 面 お よ び ま た は 内 部 に 電 荷 を 保 有 す る 絶 縁 膜 で あ る 。
【 ０ ０ １ ９ 】
そ し て 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 で は 、 第 １ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 が 表 面 お よ び ま た は 内 部 に 保 有 す る 電 荷 で あ る 第 １ 保 有 電 荷 の 極 性 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 導 電 形 が ｎ 形 で あ る 場 合 に は 正 で あ り 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 導 電 形 が ｐ 形 で あ る 場 合 に は 負 で あ る 。 第 １ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 お よ び 後 述 の 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 が 保 有 す る 電 荷 は 該 絶 縁 膜 の 表 面 に あ っ て も 内 部 に あ っ て も 機 能 す る 。
【 ０ ０ ２ ０ 】
こ の よ う に 構 成 さ れ た 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 で は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 表 面 側 か ら 光 を 入 射 す る こ と に よ り 光 電 変 換 素 子 の 内 部 で 発 生 し た 光 発 生 電 流 を 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に そ れ ぞ れ 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 介 し て 設 け ら れ た 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と の 間 に 取 り 出 す こ と が で き る 。 【 ０ ０ ２ １ 】
10
20
30
40
50 プ の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル に 関 し て 結 晶 半 導 体 領 域 の フ ェ ル ミ レ ベ ル と 逆 側 に あ る 場 合 は 、 少
数 キ ャ リ ア と 同 符 号 の 光 電 流 を 第 １ 仕 事 関 数 膜 か ら 取 り 出 す こ と が で き る 。 【 ０ ０ ２ ２ 】
ま た 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 で は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 表 面 側 か ら 光 を 入 射 す る こ と に よ り 、 第 ２ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル が 結 晶 半 導 体 領 域 の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル に 関 し て 結 晶 半 導 体 領 域 の フ ェ ル ミ レ ベ ル 側 に あ る 場 合 は 、 多 数 キ ャ リ ア と 同 符 号 の 光 発 生 電 流 を 、 第 ２ 仕 事 関 数 膜 か ら と り 出 す こ と が で き る 。 ま た 、 第 ２ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル が 結 晶 半 導 体 領 域 の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル に 関 し て 結 晶 半 導 体 領 域 の フ ェ ル ミ レ ベ ル と 逆 側 に あ る 場 合 は 、 少 数 キ ャ リ ア と 同 符 号 の 光 電 流 を 第 ２ 仕 事 関 数 膜 か ら 取 り 出 す こ と が で き る 。
【 ０ ０ ２ ３ 】
第 １ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル と 第 ２ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル と が 結 晶 半 導 体 領 域 の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ エ ネ ル ギ ー レ ベ ル に 関 し て 同 じ 側 に あ る 場 合 は 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は フ ォ ト レ ジ ス タ ー 、 光 ― 電 流 変 換 素 子 と し て 機 能 す る 。
【 ０ ０ ２ ４ 】
第 １ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル と 第 ２ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル と が 結 晶 半 導 体 領 域 の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ エ ネ ル ギ ー レ ベ ル に 関 し て 互 い に （ 上 下 ） 逆 方 向 に あ る 場 合 は 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 第 ２ 仕 事 関 数 膜 の 間 に 、 光 電 変 換 素 子 の 内 部 で 発 生 し た 光 起 電 圧 と 光 発 生 電 流 と を 、 取 り 出 す こ と が で き る 。 こ の 場 合 は 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は フ ォ ト ダ イ オ ー ド 、 太 陽 電 池 と し て 機 能 す る 。
【 ０ ０ ２ ５ 】
こ の 第 １ 仕 事 関 数 膜 、 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と し て 使 用 す る に 望 ま し い 材 料 の 内 、 結 晶 半 導 体 領 域 が 結 晶 シ リ コ ン で あ り 、 結 晶 シ リ コ ン と 組 み 合 わ せ て 光 起 電 圧 を 取 り 出 す の に 望 ま し い 材 料 の 組 み 合 わ せ 例 を 挙 げ る 。 結 晶 シ リ コ ン の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ エ ネ ル ギ ー か ら 結 晶 シ リ コ ン の 電 導 帯 側 に 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル が あ る 材 料 を 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 第 ２ 仕 事 関 数 膜 の う ち の 一 方 の 材 料 と し 、 結 晶 シ リ コ ン の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ エ ネ ル ギ ー か ら 結 晶 シ リ コ ン の 荷 電 子 帯 側 に 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル が あ る 材 料 を 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 第 ２ 仕 事 関 数 膜 の う ち の 他 方 の 材 料 と す る 組 み 合 わ せ 、 す な わ ち 、 第 １ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル と 第 ２ 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル と が 結 晶 半 導 体 領 域 の エ ネ ル ギ ー バ ン ド の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ エ ネ ル ギ ー レ ベ ル に 関 し て 互 い に （ 上 下 ） 逆 方 向 に あ る 場 合 の 組 み 合 わ せ で あ る 。 【 ０ ０ ２ ６ 】
結 晶 半 シ リ コ ン の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ エ ネ ル ギ ー よ り 結 晶 シ リ コ ン の 電 導 帯 側 に 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル が あ る る 材 料 と し て は 、 ア ル ミ ニ ュ ウ ム 、 マ グ ネ シ ュ ウ ム （ 化 学 的 に 安 定 な 材 料 に よ る コ ー テ ィ ン グ が 必 要 ） n 形 酸 化 亜 鉛 （ T iド ー プ Z n O等 ） 等 が あ る 。 更 に 結 晶 シ リ コ ン の 電 導 帯 を 真 空 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル に 近 い 方 向 へ 超 え た エ ネ ル ギ ー レ ベ ル の 仕 事 関 数 を 有 す る 材 料 を 選 択 す る こ と 時 よ り 変 換 効 率 を 上 げ る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ２ ７ 】
結 晶 半 シ リ コ ン の ミ ッ ド ギ ャ ッ プ エ ネ ル ギ ー よ り 結 晶 シ リ コ ン の 価 電 子 帯 側 に 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル が あ る 材 料 と し て は 、 ニ ッ ケ ル 、 白 金 、 酸 化 タ ン グ ス テ ン 等 が あ る 。 更 に 結 晶 シ リ コ ン の 荷 電 子 帯 を 真 空 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル か ら 遠 い 方 向 へ 超 え た エ ネ ル ギ ー レ ベ ル の 仕 事 関 数 を 有 す る 酸 化 モ リ ブ デ ン 等 の 材 料 を 選 択 す る こ と に よ り 変 換 効 率 を あ げ る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ２ ８ 】
な お 、 ミ ッ ド ギ ャ ッ プ と は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 禁 制 帯 の 中 央 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル を 示 す 。 ま た 、 仕 事 関 数 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル と は 、 真 空 の エ ネ ル ギ ー レ ベ ル （ 真 空 準 位 ） か ら 仕 事 関 数 の 値 だ け 低 い エ ネ ル ギ ー レ ベ ル で あ る 。
【 ０ ０ ２ ９ 】
10
20
30
40
50 な わ ち 、 多 数 キ ャ リ ア が 平 衡 状 態 よ り 多 く 集 ま っ た 状 態 と な る 。 こ の 部 分 の 電 界 は 少 数 キ
ャ リ ア を 第 ２ 表 面 か ら 追 い 返 す 極 性 の 電 界 と な る の で 、 光 発 生 し た 少 数 キ ャ リ ア が 第 ２ 表 面 で 再 結 合 を し て 失 わ れ る 機 会 を 阻 止 す る 。 し た が っ て 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 光 電 流 出 力 を 向 上 さ せ る こ と が で き 、 出 力 電 圧 も 向 上 さ せ る こ と が で き る 。 ま た 、 多 数 キ ャ リ ア は 平 衡 状 態 よ り 多 く 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に 集 ま っ て い る た め 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と の 間 に お け る 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 の 表 面 抵 抗 が 小 さ く な り 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 フ ィ ル フ ァ ク タ ー も 向 上 さ せ る こ と が で き る 。 こ の た め 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 と 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と の 間 隔 が 大 き く な っ て も 、 変 換 効 率 の 低 下 を 抑 制 す る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ３ ０ 】
こ の 時 、 第 １ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 が 該 第 １ 仕 事 関 数 膜 、 お よ び 該 第 ２ 仕 事 関 数 膜 へ 重 畳 し て も 絶 縁 膜 で あ る た め 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 ・ 第 ２ 仕 事 関 数 膜 間 は 電 気 的 に 短 絡 さ れ な い 。 し た が っ て 、 該 第 １ 仕 事 関 数 膜 、 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と 該 電 荷 保 有 絶 縁 膜 の 位 置 合 わ せ 精 度 は 厳 し く 要 求 さ れ な い の で 製 造 技 術 上 の 観 点 か ら こ の 構 造 は 作 り や す い 。
【 ０ ０ ３ １ 】
正 電 荷 を 有 す る 絶 縁 膜 と し て は シ リ コ ン 窒 化 膜 、 負 電 荷 を 有 す る 絶 縁 膜 と し て は 酸 化 ア ル ミ ニ ュ ウ ム 膜 が 知 ら れ て い る 。 酸 化 ア ル ミ ニ ュ ウ ム 膜 は 原 子 層 堆 積 法 ( a t o mic la y e r d e p o s i t io n 、 AL D) に よ り 2 5 0 ℃ 以 下 の 低 温 で 堆 積 す る こ と が 可 能 で あ り 、 シ リ コ ン 窒 化 膜 は １ ０ ０ ℃ 程 度 の 低 温 プ ラ ズ マ CV D、 室 温 を 含 む 低 温 の 触 媒 CV D（ c a t CV D） で 堆 積 可 能 で あ る 。
【 ０ ０ ３ ２ 】
ま た 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 で は 、 第 １ 保 有 電 荷 の 電 荷 密 度 は 、 ｑ を 電 荷 素 量 と し て 、 ４ ｘ １ ０
１ １
［ ｑ ／ ｃ ｍ
２
］ 以 上 で あ る よ う に す る と よ い 。 な お ｑ ＝ １ ． ６ ｘ １ ０
− １ ９
ク ー ロ ン で あ る 。 【 ０ ０ ３ ３ 】
な お 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 か ら 取 り 出 す 電 流 値 が 大 き く 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 を 介 し て 取 り 出 す 時 の 第 １ 仕 事 関 数 膜 の 抵 抗 に よ る 電 圧 降 下 が 大 き い と き は 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 に 接 し て 低 抵 抗 の 第 １ 導 電 電 極 を 設 け る 。
【 ０ ０ ３ ４ 】
な お 、 第 ２ 仕 事 関 数 膜 か ら 取 り 出 す 電 流 値 が 大 き く 、 第 ２ 仕 事 関 数 膜 を 介 し て 取 り 出 す 時 の 第 ２ 仕 事 関 数 膜 の 抵 抗 に よ る 電 圧 降 下 が 大 き い と き は 、 第 ２ 仕 事 関 数 膜 に 接 し て 低 抵 抗 の 第 １ 導 電 電 極 を 設 け る 。 こ こ で 、 第 １ 導 電 電 極 と 第 ２ 導 電 電 極 は 互 い に 離 間 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ３ ５ 】
上 記 第 １ 、 第 ２ 導 電 電 極 は 金 属 薄 膜 、 金 属 印 刷 膜 （ 金 属 ペ ー ス ト 塗 布 、 乾 燥 ま た は 焼 成 し た も の ） グ ラ フ ェ ン 等 の ナ ノ カ ー ボ ン な ど で 構 成 さ れ る 。 更 に 、 光 の 反 射 を 確 保 す る た め 、 ま た は 第 １ 、 第 ２ 導 電 電 極 用 金 属 と 第 １ 、 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と の 間 の 反 応 を 防 ぐ た め に 、 透 明 導 電 膜 を 金 属 薄 膜 、 金 属 印 刷 膜 、 ナ ノ カ ー ボ ン と 第 １ 、 第 ２ 仕 事 関 数 膜 と の 間 に 設 け た ２ 層 構 造 を と る 場 合 も あ る 。 な お 、 透 明 導 電 膜 と し て は 酸 化 イ ン ジ ュ ウ ム （ I n Ox ） 、 水 素 化 酸 化 イ ン ジ ュ ウ ム （ I n Ox :H) 、 酸 化 イ ン ジ ュ ウ ム 錫 （ I T O) 、 酸 化 亜 鉛 （ Z n Ox ） お よ び そ の ア ル ミ ニ ュ ム （ Al） 添 加 物 ま た は ホ ウ 素 （ B) 添 加 物 、 な ど が 使 用 さ れ る 。 金 属 薄 膜 、 金 属 印 刷 膜 の 金 属 と し て は 銀 （ Ag ) 、 ア ル ミ ニ ュ ム （ Al） な ど が 使 用 さ れ る 。
【 ０ ０ ３ ６ 】
一 方 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 と 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 第 １ 半 導 体 膜 と 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 第 ２ 半 導 体 膜 と 、 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 、 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 と 、 要 す れ ば 第 １ 導 電 電 極 と 第 ２ 導 電 電 極 と を 備 え る 。
【 ０ ０ ３ ７ 】
10
20
30
40
50 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ
れ て い る 。 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ３ ８ 】
第 １ 半 導 体 膜 は 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 第 １ 導 電 形 を 有 す る 半 導 体 で 形 成 さ れ て い る 。
第 ２ 半 導 体 膜 は 、 第 １ 半 導 体 膜 か ら 離 間 し 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 第 １ 導 電 形 と は 逆 の 導 電 形 で あ る 第 ２ 導 電 形 を 有 す る 半 導 体 で 形 成 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ３ ９ 】
第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 第 １ 半 導 体 膜 と 第 ２ 半 導 体 膜 と の 間 に お い て 第 ２ 表 面 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 非 晶 質 の 半 導 体 で 形 成 さ れ る と と も に 水 素 化 さ れ て い る 。 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 は 、 第 １ 半 導 体 膜 と 第 ２ 半 導 体 膜 と の 間 に お い て 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 に 接 す る よ う に 配 置 さ れ 、 表 面 お よ び ま た は 内 部 に 電 荷 を 保 有 す る 絶 縁 膜 で あ る 。
【 ０ ０ ４ ０ 】
そ し て 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 で は 、 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 が 表 面 お よ び ま た は 内 部 に 保 有 す る 電 荷 で あ る 第 ２ 保 有 電 荷 の 極 性 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 導 電 形 が ｎ 形 で あ る 場 合 に は 正 で あ り 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 導 電 形 が ｐ 形 で あ る 場 合 に は 負 で あ る 。
【 ０ ０ ４ １ 】
こ の よ う に 構 成 さ れ た 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 表 面 側 か ら 光 が 入 射 す る こ と に よ り 光 電 変 換 素 子 の 内 部 で 発 生 し た 多 数 キ ャ リ ア と 同 符 号 の 光 発 生 電 流 を 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 側 に 設 け ら れ た 第 １ 半 導 体 膜 か ら 引 き 出 す こ と が で き る 。 ま た 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 １ 表 面 側 か ら 光 が 入 射 す る こ と に よ り 発 生 し た 光 起 電 圧 と 、 光 電 変 換 素 子 の 内 部 で 発 生 し た 少 数 キ ャ リ ア と 同 符 号 の 光 発 生 電 流 と を 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 側 に 設 け ら れ た 第 ２ 半 導 体 膜 か ら 引 き 出 す こ と が で き る 。
【 ０ ０ ４ ２ 】
そ し て 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 側 に お け る 第 １ 半 導 体 膜 と 第 ２ 半 導 体 膜 と の 間 に 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 を 備 え る こ と に よ り 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に お け る 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 に 対 向 す る 部 分 が 蓄 積 状 態 と な る 。 こ の 部 分 の 電 界 は 少 数 キ ャ リ ア を 第 ２ 表 面 か ら 追 い 返 す 極 性 の 電 界 と な る の で 、 光 発 生 し た 少 数 キ ャ リ ア が 第 ２ 表 面 で 再 結 合 を し て 失 わ れ る 機 会 を 阻 止 す る 。 し た が っ て 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 光 電 流 出 力 を 向 上 さ せ る こ と が で き 、 出 力 電 圧 も 向 上 さ せ る こ と が で き る 。 ま た 、 こ の 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 の 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 に 対 向 す る 部 分 で は 、 多 数 キ ャ リ ア は 平 衡 状 態 よ り 多 く 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に 集 ま っ て い る た め 、 第 １ 半 導 体 膜 と 第 ２ 半 導 体 膜 と の 間 に お け る 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 の 表 面 抵 抗 が 小 さ く な り 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 フ ィ ル フ ァ ク タ ー も 向 上 さ せ る こ と が で き る 。 こ の た め 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 第 １ 半 導 体 膜 と 第 ２ 半 導 体 膜 と の 間 隔 が 大 き く な っ て も 、 変 換 効 率 の 低 下 を 抑 制 す る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ４ ３ 】
こ の 時 、 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 が 第 １ 半 導 体 膜 、 お よ び 第 ２ 半 導 体 膜 へ 重 畳 し て も 絶 縁 膜 で あ る た め 、 第 １ 仕 事 関 数 膜 ・ 第 ２ 仕 事 関 数 膜 間 は 電 気 的 に 短 絡 さ れ な い 。 し た が っ て 、 第 １ 半 導 体 膜 、 第 ２ 半 導 体 膜 と 該 電 荷 保 有 絶 縁 膜 の 位 置 合 わ せ 精 度 は 厳 し く 要 求 さ れ な い の で 製 造 技 術 上 の 観 点 か ら こ の 構 造 は 作 り や す い 。
【 ０ ０ ４ ４ 】
10
20
30
40
50 。
【 ０ ０ ４ ５ 】
ま た 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 で は 、 第 ２ 保 有 電 荷 の 電 荷 密 度 は 、 ｑ を 電 荷 素 量 と し て 、 ４ ｘ １ ０
１ １
［ ｑ ／ ｃ ｍ
２
］ 以 上 で あ る よ う に す る と よ い 。
ま た 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 で は 、 第 １ 半 導 体 膜 お よ び 第 ２ 半 導 体 膜 は 、 非 晶 質 の シ リ コ ン で 形 成 さ れ る と と も に 水 素 化 さ れ た 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン で あ り 、 １ ０
１ ８
［ 原 子 ／ ｃ ｍ
３
］ 以 上 の 価 電 子 制 御 不 純 物 が 添 加 さ れ て い る よ う に す る と よ い 。 【 ０ ０ ４ ６ 】
ま た 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 で は 、 第 １ 半 導 体 膜 お よ び 第 ２ 半 導 体 膜 は 、 微 結 晶 の シ リ コ ン で 形 成 さ れ る と と も に 水 素 化 さ れ た 、 水 素 化 微 結 晶 シ リ コ ン で あ り 、 １ ０
１ ８
［ 原 子 ／ ｃ ｍ
３
］ 以 上 の 価 電 子 制 御 不 純 物 が 添 加 さ れ て い る よ う に す る と よ い 。 微 結 晶 は 、 ナ ノ メ ー タ ー か ら サ ブ ミ ク ロ ン サ イ ズ の 結 晶 が ア モ ル フ ァ ス の 組 織 の 中 に 埋 め 込 ま れ た 構 造 を 有 し 、 ア モ ル フ ァ ス に 比 べ て 抵 抗 率 が 低 い 。
【 ０ ０ ４ ７ 】
一 方 、 第 １ 、 第 ２ 、 第 ３ 、 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 、 電 子 欠 陥 が 少 な い こ と が 必 要 で あ る 。 こ の た め に た と え ば 硼 素 、 隣 、 砒 素 、 な ど の 価 電 子 制 御 不 純 物 を 意 図 的 に は 添 加 し な い 、 ま た は 抵 抗 率 、 フ ェ ル ミ 準 位 等 の 調 整 の た め 添 加 し た と し て も 電 子 欠 陥 の 増 加 を 防 ぐ た め １ ０
１ ８
［ 原 子 ／ ｃ ｃ ］ よ り 低 濃 度 の 添 加 に と ど め る こ と が 望 ま し い 。 【 ０ ０ ４ ８ 】
第 １ 発 明 及 び 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 第 １ 、 第 ２ 、 第 ３ 、 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 （ 以 後 ま と め て 単 に 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 記 す ） は 結 晶 半 導 体 領 域 の 該 第 １ 表 面 、 第 ２ 表 面 を 含 む 表 面 と の 界 面 を 水 素 結 合 に よ り パ ッ シ ベ ー シ ョ ン す る こ と が で き る 。 こ の た め 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。 特 に 結 晶 半 導 体 領 域 が シ リ コ ン 、 シ リ コ ン ・ ゲ ル マ ニ ュ ウ ム 、 ゲ ル マ ニ ュ ウ ム で 形 成 さ れ て い る 場 合 は 効 果 が 大 き い 。
【 ０ ０ ４ ９ 】
第 １ 発 明 及 び 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 が 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン （ a S i:H） 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン カ ー バ イ ト （ a S ix Cy :H） 、 酸 素 を 含 む 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン （ a S ix Oy :H） 、 窒 素 を 含 む 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン （ a S ix Ny :H） 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン ゲ ル マ ニ ュ ウ ム （ a S ix Ge y :H） な ど の 場 合 、 こ れ ら の ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 は １ ０ ０ ℃ 程 度 の 低 温 プ ラ ズ マ CV Dで 製 膜 可 能 で あ り 、 触 媒 CV D（ c a t CV D） の 場 合 は 室 温 で の 製 膜 も 可 能 で あ る 。
【 ０ ０ ５ ０ 】
第 １ 発 明 及 び 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 結 晶 半 導 体 領 域 表 面 に 堆 積 す る 前 に プ ラ ズ マ 、 光 励 起 、 触 媒 （ 加 熱 タ ン グ ス テ ン 、 加 熱 パ ラ ジ ュ ウ ム な ど ） 励 起 な ど に よ り ラ デ ィ カ ル 水 素 を 形 成 し 、 該 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 を ク リ ー ニ ン グ 、 水 素 化 す る こ と が で き る 。 ま た 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に 付 着 し た 不 純 物 の う ち 水 素 化 し て 気 化 で き る も の は 除 去 す る こ と も で き る 。
【 ０ ０ ５ １ 】
結 晶 半 導 体 領 域 が シ リ コ ン 、 シ リ コ ン ・ ゲ ル マ ニ ュ ウ ム 、 ゲ ル マ ニ ウ ム の 場 合 は S F 6 等 を 同 様 に 励 起 し て 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 を エ ッ チ ン グ し て 清 浄 化 す る こ と も で き る 。 こ れ ら の 状 態 で 真 空 を 破 ら ず に 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の 堆 積 チ ャ ン バ ー に 搬 送 す る こ と に よ り さ ら に 界 面 準 位 の 少 な い 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 結 晶 半 導 体 領 域 と の 界 面 を 得 る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ５ ２ 】
第 １ 発 明 及 び 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は MI S 形 光 電 変 換 素 子 に 使 用 さ れ た 超 薄 絶 縁 膜 と 比 べ て 、 厚 さ 方 向 に 数 十 ｍ Ａ ／ ｃ ｍ
２
オ ー ダ ー の 電 流 を 流 し て も 劣 化 は 少 な い 。
【 ０ ０ ５ ３ 】
10
20
30
40
50 第 １ 半 導 体 膜 を 介 し て 取 り 出 す 時 の 第 １ 半 導 体 の 抵 抗 に よ る 電 圧 降 下 が 大 き い と き は 、 第
１ 半 導 体 膜 に 接 し て 低 抵 抗 の 第 １ 導 電 電 極 を 設 け る 。 【 ０ ０ ５ ４ 】
な お 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 第 ２ 半 導 体 膜 か ら 取 り 出 す 電 流 値 が 大 き く 、 第 ２ 半 導 体 膜 を 介 し て 取 り 出 す 時 の 第 ２ 半 導 体 膜 の 抵 抗 に よ る 電 圧 降 下 が 大 き い と き は 、 第 ２ 半 導 体 膜 に 接 し て 低 抵 抗 の 第 １ 導 電 電 極 を 設 け る 。 こ こ で 、 第 １ 導 電 電 極 と 第 ２ 導 電 電 極 は 互 い に 離 間 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ５ ５ 】
第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 の 第 １ 導 電 電 極 、 第 ２ 導 電 電 極 に 使 用 す る 材 料 お よ び 材 料 の 組 み 合 わ せ は 上 述 の 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 と 同 様 で あ る 。
ま た 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ は 、 同 じ 半 導 体 を 材 料 と し て 形 成 さ れ る よ う に し て も よ い 。 こ れ に よ り 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ を 同 時 に 堆 積 す る こ と が 可 能 と な る 。 こ の た め 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 が 加 工 に 晒 さ れ る 頻 度 を 低 減 し 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に お け る 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ５ ６ 】
ま た 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ は 、 同 じ 半 導 体 を 材 料 と し て 形 成 さ れ る よ う に し て も よ い 。 こ れ に よ り 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ を 同 時 に 堆 積 す る こ と が 可 能 と な る 。 こ の た め 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 が 加 工 に 晒 さ れ る 頻 度 を 低 減 し 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に お け る 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ５ ７ 】
ま た 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 連 続 し た 一 つ の 膜 で あ る よ う に し て も よ い 。 こ れ に よ り 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 同 時 に 堆 積 す る こ と が 可 能 と な る 。 こ の た め 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 が 加 工 に 晒 さ れ る 頻 度 を 低 減 し 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に お け る 界 面 準 位 密 度 を 均 一 に か つ 低 く 抑 え る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ５ ８ 】
ま た 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 は 連 続 し た 一 つ の 膜 で あ る よ う に し て も よ い 。 こ れ に よ り 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 同 時 に 堆 積 す る こ と が 可 能 と な る 。 こ の た め 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 が 加 工 に 晒 さ れ る 頻 度 を 低 減 し 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に お け る 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ５ ９ 】
ま た 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ は 、 膜 厚 が 等 し い よ う に し て も よ い 。 こ れ に よ り 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ を 同 時 に 堆 積 す る こ と が 可 能 と な る 。 こ の た め 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 が 加 工 に 晒 さ れ る 頻 度 を 低 減 し 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に お け る 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。
10
20
30
40
50 ま た 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 に お い て 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素
化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ は 、 膜 厚 が 等 し い よ う に し て も よ い 。 こ れ に よ り 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ を 同 時 に 堆 積 す る こ と が 可 能 と な る 。 こ の た め 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 が 加 工 に 晒 さ れ る 頻 度 を 低 減 し 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に お け る 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ６ １ 】
ま た 、 第 ３ 発 明 は 、 第 １ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 の 製 造 方 法 で あ っ て 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ３ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ を 、 第 ２ 表 面 上 に 同 時 に 堆 積 す る 。 こ れ に よ り 、 第 ３ 発 明 の 製 造 方 法 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 が 加 工 に 晒 さ れ る 頻 度 を 低 減 し 、 結 晶 半 導 体 領 域 の 第 ２ 表 面 に お け る 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ６ ２ 】
ま た 、 第 ４ 発 明 は 、 第 ２ 発 明 の 光 電 変 換 素 子 の 製 造 方 法 で あ っ て 、 第 １ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 、 第 ２ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 お よ び 第 ４ 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の う ち 少 な く と も ２ つ を 、 裏 面 上 に 同 時 に 堆 積 す る 。 こ れ に よ り 、 第 ４ 発 明 の 製 造 方 法 は 、 結 晶 半 導 体 層 の 裏 面 が 加 工 に 晒 さ れ る 頻 度 を 低 減 し 、 結 晶 半 導 体 層 の 裏 面 に お け る 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。
【 図 面 の 簡 単 な 説 明 】 【 ０ ０ ６ ３ 】
【 図 １ 】 光 電 変 換 素 子 １ の 構 成 を 示 す 断 面 図 で あ る 。
【 図 ２ 】 光 電 変 換 素 子 １ の 製 造 工 程 を 示 す 第 １ の 断 面 図 で あ る 。 【 図 ３ 】 光 電 変 換 素 子 １ の 製 造 工 程 を 示 す 第 ２ の 断 面 図 で あ る 。 【 図 ４ 】 光 電 変 換 素 子 １ の 製 造 工 程 を 示 す 第 ３ の 断 面 図 で あ る 。 【 図 ５ 】 光 電 変 換 素 子 １ の 製 造 工 程 を 示 す 第 ４ の 断 面 図 で あ る 。
【 図 ６ 】 太 陽 電 池 効 率 の 保 有 電 荷 Ｑ ｆ に 対 す る 依 存 性 を 示 す グ ラ フ で あ る 。 【 図 ７ 】 光 電 変 換 素 子 １ ０ １ の 構 成 を 示 す 断 面 図 で あ る 。
【 図 ８ 】 変 形 例 １ の 製 造 工 程 を 示 す 第 １ の 断 面 図 で あ る 。 【 図 ９ 】 変 形 例 １ の 製 造 工 程 を 示 す 第 ２ の 断 面 図 で あ る 。 【 図 １ ０ 】 変 形 例 １ の 製 造 工 程 を 示 す 第 ３ の 断 面 図 で あ る 。 【 図 １ １ 】 変 形 例 １ の 製 造 工 程 を 示 す 第 ４ の 断 面 図 で あ る 。 【 図 １ ２ 】 変 形 例 １ の 製 造 工 程 を 示 す 第 ５ の 断 面 図 で あ る 。
【 図 １ ３ 】 非 特 許 文 献 ２ の 光 電 変 換 素 子 の 構 成 を 示 す 断 面 図 で あ る 。 【 発 明 を 実 施 す る た め の 形 態 】
【 ０ ０ ６ ４ 】
（ 第 １ 実 施 形 態 ）
以 下 に 本 発 明 の 第 １ 実 施 形 態 を 図 面 と と も に 説 明 す る 。 ［ 光 電 変 換 素 子 １ の 構 成 ］
本 実 施 形 態 の 光 電 変 換 素 子 １ は 、 図 １ に 示 す よ う に 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ と 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ と 、 第 １ 、 第 ２ 半 導 体 膜 ３ ０ 、 ４ ０ と 、 第 １ ， 第 ２ 導 電 電 極 ５ ０ ， ６ ０ と 、 第 ２ 電 荷 保 有 絶 縁 膜 ７ ０ と 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ８ ０ と 、 反 射 防 止 膜 ９ ０ を 備 え る 。
【 ０ ０ ６ ５ 】
結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ は 、 多 結 晶 ま た は 単 結 晶 の 半 導 体 で 形 成 さ れ た 領 域 で あ る 。 本 実 施 形 態 で は 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ は 、 シ リ コ ン で 形 成 さ れ 、 厚 さ が １ ５ ０ μ ｍ の 基 板 で あ る 。 ま た 本 実 施 形 態 で は 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ は 、 ｎ 形 の 不 純 物 が １ ． ９ × １ ０
１ ５
［ ／ ｃ ｍ
３
］ の 濃 度 で ド ー ピ ン グ さ れ て い る 。 な お 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ は p 形 で も よ い 。 【 ０ ０ ６ ６ 】
10
20
30
40
50 た 膜 で あ る 。
水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ は 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 ２ 表 面 １ １ に 接 す る よ う に 配 置 さ れ る 。 本 実 施 形 態 で は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ は 、 厚 さ が ５ ｎ ｍ の 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン で あ る 。 ま た 本 実 施 形 態 で は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ は 、 意 図 的 な 不 純 物 ド ー プ は さ れ て い な い か 、 さ れ て い た と し て も ｎ 形 の 不 純 物 が ２ ． ２ × １ ０
１ ５
［ ／ ｃ ｍ
３
］ の 濃 度 で ド ー ピ ン グ さ れ て い る 程 度 で あ る 。 ま た 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ は 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 ２ 表 面 １ １ と の 界 面 を 水 素 結 合 に よ り パ ッ シ ベ ー シ ョ ン す る こ と が で き る 。 こ の た め 、 界 面 準 位 密 度 を 低 く 抑 え る こ と が で き る 。 特 に 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ が シ リ コ ン 、 シ リ コ ン ・ ゲ ル マ ニ ュ ウ ム 、 ゲ ル マ ニ ュ ウ ム で 形 成 さ れ て い る 場 合 に 効 果 が 大 き い 。
【 ０ ０ ６ ７ 】
水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ は Ｍ Ｉ Ｓ 形 光 電 変 換 素 子 に 使 用 さ れ た 超 薄 絶 縁 膜 と 比 べ て 、 数 十 ［ ｍ Ａ ／ ｃ ｍ
２
］ オ ー ダ ー の 電 流 を 流 し て も 劣 化 は 少 な い 。 抵 抗 率 、 フ ェ ル ミ レ ベ ル の 調 整 に 価 電 子 制 御 不 純 物 （ 例 え ば 、 硼 素 、 燐 、 砒 素 な ど ） を 添 加 す る こ と が で き る が 、 価 電 子 制 御 不 純 物 の 添 加 は 膜 中 の 電 子 的 欠 陥 の 増 加 を 伴 う の で 、 価 電 子 制 御 不 純 物 （ 硼 素 、 燐 、 等 ） の 濃 度 は １ ０
１ ８
［ ／ ｃ ｍ
３
］ よ り 小 さ い こ と が 望 ま し い 。 【 ０ ０ ６ ８ 】
第 １ 、 第 ２ 半 導 体 膜 ３ ０ ， ４ ０ は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ の 第 ２ 表 面 ２ １ に 接 す る よ う に 配 置 さ れ る 。 本 実 施 形 態 で は 、 第 １ 半 導 体 膜 ３ ０ と 、 第 ２ 半 導 体 膜 ４ ０ は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 膜 で 形 成 さ れ 、 厚 さ が ２ ０ ｎ ｍ で あ る 。
【 ０ ０ ６ ９ 】
第 １ 半 導 体 膜 ３ ０ と 、 第 ２ 半 導 体 膜 ４ ０ は 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ の 第 ２ 表 面 ２ １ に 接 し て 交 互 に 配 置 さ れ て い る 。 図 １ で は 、 第 １ 、 第 ２ 半 導 体 膜 ３ ０ ， ４ ０ を そ れ ぞ れ １ つ 示 し て い る 。 互 い に 並 置 さ れ た 第 １ 半 導 体 膜 ３ ０ と 、 第 ２ 半 導 体 膜 ４ ０ は 、 互 い に 電 気 的 に 接 続 さ れ な い よ う に 離 間 し て 配 置 さ れ る 。
【 ０ ０ ７ ０ 】
本 実 施 形 態 で は 、 第 １ 半 導 体 膜 ３ ０ は 、 ｎ 形 の 不 純 物 （ 燐 ） が １ ． ５ × １ ０
１ ９
［ ／ ｃ ｍ
３
］ の 濃 度 で ド ー ピ ン グ さ れ 、 第 ２ 半 導 体 膜 ４ ０ は 、 ｐ 形 の 不 純 物 （ 硼 素 ） が ２ ． ０ ５ × １ ０
１ ９
［ ／ ｃ ｍ
３
］ の 濃 度 で ド ー ピ ン グ さ れ て い る 。 な お 、 第 １ 半 導 体 膜 ３ ０ と 、 第 ２ 半 導 体 膜 ４ ０ は 、 少 な く と も １ ０
１ ８
［ 原 子 ／ ｃ ｍ
３
］ 以 上 の 価 電 子 制 御 不 純 物 （ 燐 、 ヒ 素 、 ホ ウ 素 等 ） を 添 加 さ れ る 。
【 ０ ０ ７ １ 】
導 電 電 極 ５ ０ は 、 銀 （ Ａ ｇ ） ま た は ア ル ミ ニ ュ ウ ム （ Ａ ｌ ） ま た は グ ラ フ ェ ン 等 の ナ ノ カ ー ボ ン 等 で 形 成 さ れ 、 第 １ 半 導 体 膜 ３ ０ 上 に 配 置 さ れ る 。
導 電 電 極 ６ ０ は 、 銀 （ Ａ ｇ ） ま た は ア ル ミ ニ ュ ウ ム （ Ａ ｌ ） ま た は グ ラ フ ェ ン 等 の ナ ノ カ ー ボ ン 等 で 形 成 さ れ 、 第 ２ 半 導 体 膜 ４ ０ 上 に 配 置 さ れ る 。
【 ０ ０ ７ ２ 】
更 に 、 光 の 反 射 を 確 保 す る た め 、 ま た は 第 １ 、 第 ２ 導 電 電 極 用 金 属 と 第 １ 、 第 ２ 半 導 体 膜 と の 間 の 反 応 を 防 ぐ た め に 、 透 明 導 電 膜 を 金 属 薄 膜 、 金 属 印 刷 膜 、 グ ラ フ ェ ン 等 の ナ ノ カ ー ボ ン と 第 １ 、 第 ２ 半 導 体 膜 と の 間 に 設 け た ２ 層 構 造 を と る 場 合 も あ る 。 な お 、 透 明 導 電 膜 と し て は 酸 化 イ ン ジ ュ ウ ム （ I n Ox ） 、 水 素 化 酸 化 イ ン ジ ュ ウ ム （ I n Ox :H) 、 酸 化 イ ン ジ ュ ウ ム 錫 （ I T O) 、 酸 化 亜 鉛 （ Z n Ox ） お よ び そ の ア ル ミ ニ ュ ム （ Al） 添 加 物 ま た は ホ ウ 素 （ B) 添 加 物 、 な ど が 使 用 さ れ る 。 金 属 薄 膜 、 金 属 印 刷 膜 の 金 属 と し て は 銀 （ Ag ) 、 ア ル ミ ニ ュ ム （ Al） な ど が 使 用 さ れ る 。
【 ０ ０ ７ ３ 】
電 荷 保 有 絶 縁 膜 ７ ０ は 、 表 面 お よ び ま た は 内 部 に 電 荷 を 保 有 す る よ う に 形 成 さ れ た 絶 縁 膜 で あ り 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ の 第 ２ 表 面 ２ １ に 接 す る と と も に 、 第 １ 半 導 体 膜 ３ ０ と 、 第 ２ 半 導 体 膜 ４ ０ と の 間 に 位 置 す る よ う に 配 置 さ れ る 。 本 実 施 形 態 で は 、 電 荷 保 有 絶 縁 膜 ７ ０ は 、 シ リ コ ン 窒 化 膜 で あ り 、 例 え ば 、 １ × １ ０
１ ３
［ ｑ ／ ｃ ｍ
２
］ の 電 荷 密 度 で 正 の 電 荷 を 保 有 す る 。 な お 、 ［ ｑ ／ ｃ ｍ
２
10
20
30
40
50 の 電 荷 ） で あ り 、 １ ． ６ × １ ０
− １ ９
ク ー ロ ン で あ る 。 【 ０ ０ ７ ４ 】
ま た 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ が ｎ 形 の 場 合 は そ の 第 ２ 表 面 １ １ が 蓄 積 状 態 と な り 少 数 キ ャ リ ア が 追 い 返 さ れ る 状 態 を 作 る た め の 電 荷 保 有 絶 縁 膜 ７ ０ の 電 荷 密 度 は 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ が １ ∼ １ ０ Ω ｃ ｍ 程 度 の 結 晶 シ リ コ ン で あ り 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ に お け る 電 荷 保 有 絶 縁 膜 ７ ０ と 接 し て い る 部 分 に 価 電 子 制 御 不 純 物 を 意 図 的 に 添 加 し な い 場 合 に は 、 ８ ｘ １ ０
１ １
［ ｑ ／ ｃ ｍ
２
］ 以 上 で あ る 。 【 ０ ０ ７ ５ 】
結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ が ｐ 形 の 場 合 は そ の 第 ２ 表 面 １ １ が 蓄 積 状 態 と な り 少 数 キ ャ リ ア が 追 い 返 さ れ る 状 態 を 作 る た め の 電 荷 保 有 絶 縁 膜 ７ ０ と し て ア ル ミ ナ 等 、 正 の 電 荷 を 保 有 す る 絶 縁 膜 が 用 い ら れ る 。
【 ０ ０ ７ ６ 】
パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ８ ０ は 、 光 が 光 電 変 換 素 子 １ 内 に 入 射 す る こ と に よ り 発 生 し た 少 数 キ ャ リ ア が 再 結 合 す る の を 抑 制 す る た め に 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 １ 表 面 １ ２ に 接 す る よ う に 配 置 さ れ る 。 本 実 施 形 態 で は 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ８ ０ は 、 非 晶 質 の シ リ コ ン で 形 成 さ れ る と と も に 水 素 化 さ れ た 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン で あ り 、 厚 さ が ５ ｎ ｍ で あ る 。 こ の パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ８ ０ に よ り 、 変 換 効 率 を 改 善 す る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ７ ７ 】
反 射 防 止 膜 ９ ０ は 、 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ８ ０ の 第 １ 表 面 ８ １ に 接 す る よ う に 配 置 さ れ る 。 本 実 施 形 態 で は 、 反 射 防 止 膜 ９ ０ は 、 シ リ コ ン 窒 化 膜 で あ り 、 厚 さ が ７ ５ ｎ ｍ で あ る 。 こ の 反 射 防 止 膜 ９ ０ に よ り 、 変 換 効 率 を 更 に 改 善 す る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ７ ８ 】
［ 光 電 変 換 素 子 １ の 製 造 工 程 ］
次 に 、 光 電 変 換 素 子 １ の 製 造 工 程 の 一 例 を 説 明 す る 。
図 ２ に 示 す よ う に 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 １ 表 面 １ ２ に パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 膜 ８ ０ と 反 射 防 止 膜 ９ ０ が 積 層 さ れ て い る 状 態 に お い て 、 ま ず 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 ２ 表 面 １ １ に 対 し て ク リ ー ニ ン グ と 水 素 終 端 処 理 を 施 し た 後 に 、 低 温 プ ラ ズ マ Ｃ Ｖ Ｄ （ Ch e mic a l V a p o r De p o s it io n ） ま た は 低 温 触 媒 Ｃ Ｖ Ｄ に よ り 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 ２ 表 面 １ １ 上 に 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ を 堆 積 す る 。
【 ０ ０ ７ ９ 】
水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 ２ ０ が 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン （ ａ Ｓ ｉ ： Ｈ ） 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン カ ー バ イ ト （ ａ Ｓ ｉ
ｘ Ｃｙ ： Ｈ ） 、 酸 素 を 含 む 水 素 化 ア モ ル フ ァ
ス シ リ コ ン （ ａ Ｓ ｉ
ｘ Ｏｙ ： Ｈ ） 、 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン ・ ゲ ル マ ニ ュ ウ ム （ ａ Ｓ
ｉ
ｘ Ｇ ｅｙ ： Ｈ ） な ど の 場 合 、 こ れ ら の 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 は １ ０ ０ ℃ 程 度 の 低 温
プ ラ ズ マ Ｃ Ｖ Ｄ で 成 膜 可 能 で あ り 、 触 媒 Ｃ Ｖ Ｄ の 場 合 は 室 温 で の 成 膜 も 可 能 で あ る 。 【 ０ ０ ８ ０ 】
水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 を 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 ２ 表 面 に 堆 積 す る 前 に プ ラ ズ マ 、 光 励 起 、 触 媒 （ 加 熱 タ ン グ ス テ ン 、 加 熱 パ ラ ジ ュ ウ ム な ど ） 励 起 に よ り ラ デ ィ カ ル 水 素 を 形 成 し 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 ２ 表 面 を ク リ ー ニ ン グ 、 水 素 化 す る こ と が で き る 。 ま た 、 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 ２ 表 面 に 付 着 し た 不 純 物 の う ち 水 素 化 し て 気 化 で き る も の は 除 去 す る こ と も で き る 。
【 ０ ０ ８ １ 】
結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ が シ リ コ ン 、 シ リ コ ン ・ ゲ ル マ ニ ュ ウ ム 、 ゲ ル マ ニ ウ ム の 場 合 は Ｓ Ｆ ６ 等 を 同 様 に 励 起 し て 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ の 第 ２ 表 面 を エ ッ チ ン グ し て 清 浄 化 す る こ と も で き る 。 こ れ ら の 状 態 で 真 空 を 破 ら ず に 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 の 堆 積 チ ャ ン バ ー に 搬 送 す る こ と に よ り さ ら に 界 面 準 位 の 少 な い 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス 半 導 体 膜 と 結 晶 半 導 体 領 域 １ ０ と の 界 面 を 得 る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ８ ２ 】
