JP2614561B2

JP2614561B2 - 光起電力素子

Info

Publication number: JP2614561B2
Application number: JP3260746A
Authority: JP
Inventors: 繁能口; 浩志岩多; 景一佐野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1991-10-08
Filing date: 1991-10-08
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JPH05102504A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非晶質半導体と、単結
晶半導体若しくは多結晶半導体とによって形成される半
導体接合を備えたことを特徴とする光起電力素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年光起電力素子として薄膜半導体を材
料とした素子が活発に開発されている。

【０００３】この半導体は薄膜状態で使用するものであ
ることから基本的に結晶状態は非晶質や多結晶状態の材
料を用いることになる。このことは、単結晶のような結
晶構造の秩序だった配列を必要としないため大面積化が
容易となり太陽電池のような光起電力素子の基本的条件
を十分満たし得るものである。

【０００４】しかしながら、その一方これら半導体は、
結晶構造が秩序だっていないことから結晶構造上の未結
合手を多量に含むこととなり、単結晶半導体と比較して
良質な材料とはいえない。

【０００５】そこで、これら問題を解決するものとし
て、最近非晶質半導体と結晶系半導体とによって光活性
層を形成し光起電力素子とするものが提案されている。

【０００６】図３(a)は、現在提案されている単結晶半
導体と非晶質半導体とによって構成される第１の従来例
である光起電力素子の素子構造図である。また同図中の
(b)はこの光起電力素子のバンドプロファイル図であ
る。図中の符号は同じ材料のものについては、同符号を
付している。

【０００７】なお、本明細書中で使用する従来例及び本
発明素子のバンドプロファイル図は、当該素子の特性等
を考慮して図式化したものであって、立証されたもので
はなく、説明を容易とするために採用しているものであ
る。

【０００８】図中の(31)は本光起電力素子の光入射側の
透明電極、(32)はｐ型非晶質シリコンからなる非晶質半
導体、(33)はｎ型の単結晶半導体、具体的には単結晶シ
リコンからなり、(34)は金属からなる裏面電極である。
この光起電力素子は、非晶質半導体(32)と単結晶半導体
(33)との間で１つの半導体接合を形成することになる。

【０００９】また、同図に示すように単結晶シリコン(3
3)の光入射側の表面においては、入射する光のその表面
での反射による損失を低減するために凹凸形状(ハ)とな
るように加工している。

【００１０】斯る加工方法としては、単結晶半導体の表
面を当初、０．２５モルの水酸化ナトリウム（液温度８
５℃）とイソプロピルアルコールに晒すことによりエッ
チングし、容易に所望の凹凸形状とすることができる。

【００１１】以下でその他の従来例、及び本発明素子に
おいても同様の方法による凹凸加工の処理を行ってい
る。

【００１２】同図(b)で示されるプロファイルによれ
ば、本光起電力素子はｐ型非晶質シリコン(32)とｎ型単
結晶シリコン(33)とで形成される内部電界(イ)（大きな
バンドの曲がり）によって入射した光を電子とホールと
に分離し取り出すことになる。

【００１３】斯る部分での光生成キャリアはこの内部電
界(イ)によるドリフトによる走行と、拡散による走行の
２つが寄与し効率的に外部に取り出せる。とりわけ、斯
る部分におけるキャリアの走行は前者のドリフトによる
走行が大きい。

【００１４】ところが、同図(b)の(ロ)の部分、即ち単結
晶シリコンのバルクに相当する部分にあってはバンドの
曲がりがなくいわゆる内部電界は殆ど存在しない。した
がって、斯る部分においてはドリフトによる光生成キャ
リアの走行はなく拡散による走行のみによることとなる
ため、十分な光生成キャリアの外部取り出しは成し得な
い。

【００１５】特に、拡散による場合にあっては光生成キ
ャリアの走行は電子、ホールいずれもが透明電極(31)方
向と裏面電極(34)方向のいずれに対しても均等に走行す
るものであることから、裏面電極内で光生成キャリアの
再結合が多発してしまう。

【００１６】そこで、従来の斯様な場合の対策として、
図４に示すようなＢＳＦ(back surface field)構造を備
えた第２の従来例光起電力素子が試行されている。図中
の符号は、図３と同様の材料については、同符号を付し
ている。

【００１７】本素子の特徴とするところは、前述したバ
ルク(ロ)からの光生成キャリアの拡散による裏面電極(3
4)での再結合を防止するため、単結晶シリコン(33)と裏
面電極(34)の間にこの単結晶シリコン(33)とバンドギャ
ップの大きさの異なるｎ型の非晶質半導体(35)、具体的
には非晶質シリコンを介在せしめたことにある。

【００１８】従って、本例では、非晶質半導体(32)と単
結晶半導体(33)との間で第１の半導体接合を、単結晶シ
リコン(33)と非晶質半導体(35)との間で第２の半導体接
合を形成することになる。

【００１９】これにより、入射側から見て奥深くに在る
光生成キャリアのうち、ホールは、非晶質半導体(35)の
価電子帯の大きくつき出た部分(ニ)によって拡散するこ
とを妨げられ、一方電子は、非晶質半導体(35)が使用さ
れても導電帯へのつき出し部分(ホ)の程度ではほとんど
ブロックされないことから、第１の従来例と同様に容易
に裏面電極(34)に拡散し得、外部に取り出されることと
なる。

【００２０】このＢＳＦ構造による光起電力素子に関し
ては、例えば、「太陽光発電」p.396〜398,1980年（森
北出版）に詳細に記載されている。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】第２の従来例のような
ｎ型非晶質シリコン(35)を設ける構造は、裏面電極(34)
での光生成キャリアの再結合を低減することに関して有
効であるが、その一方ｎ型単結晶シリコン(33)と裏面電
極(34)との間にｎ型非晶質シリコン(35)を介在せしめる
ことは新たな界面をこのｎ型単結晶シリコン(33)とｎ型
非晶質シリコン(35)の間に形成することとなる。

【００２２】そして、この界面は結晶構造を異にするも
の同士によって形成されるものであることから、通常の
単結晶半導体同士によって形成される界面や、非晶質半
導体同士によって形成される界面とは異なり、結晶構造
の不整合に基づく多数の界面準位が発生してしまう。

【００２３】更に加えて、非晶質半導体では、一般に導
電型決定不純物をドーピングすることによって、その膜
質は通常著しく劣化する。このことは、同時に導電型決
定不純物を含有する非晶質半導体、前述した従来例では
ｎ型非晶質シリコン(35)を一方に使用する半導体接合に
あってはその導電型決定不純物に起因した界面準位の増
加をももたらし、前記光生成キャリアの再結合を増加さ
せてしまう。

【００２４】従って、ｎ型非晶質シリコン(35)を設ける
所謂ＢＳＦ構造による光生成キャリアの再結合防止法は
利点と欠点を合わせ持つこととなり、従来例の如き構造
にあってはその機能を十分果たし得ず、むしろｎ型非晶
質シリコン(35)を設けるための製造面での煩雑さと比較
して、その効果は小さいものとなってしまっている。

【００２５】斯る事情は、非晶質半導体と多結晶半導体
との間にあっても全く同様である。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明光起電力素子の特
徴とするところは、互いに逆導電型の関係を有する非晶
質半導体と、結晶系半導体とから成る光入射側に配置さ
れた第１の半導体接合と、前記結晶系半導体と、該結晶
系半導体と同じ導電型の関係を有する非晶質半導体とか
ら成る光透過側に配置された第２の半導体接合とを具備
するとともに、前記第２の半導体接合の前記非晶質半導
体と前記結晶系半導体との間に水素を含有する真性非晶
質半導体を介在せしめたことにある。

【００２７】

【作用】上記第２の半導体接合を構成する、同導電型の
関係を有する前記結晶系半導体と前記非晶質半導体との
間に水素を含有する真性非晶質半導体を介在せしめるこ
とにより、この第２の半導体接合における界面での光生
成キャリアの再結合を減少させ、光起電力素子の外部に
取り出しうる光生成キャリア数を増加させることとな
る。

【００２８】即ち、良質な膜質を有する真性非晶質半導
体を導電性の結晶系半導体と導電性の非晶質半導体との
間に介在せしめることによって、光生成キャリアの再結
合を抑制することが可能となる。

【００２９】また、この真性非晶質半導体として、７〜
３０原子％以上の水素を含有せしめたものを使用するこ
とによって、素子形成中に、斯る水素が界面準位の未結
合手や、多結晶半導体にあっては粒界間に存する界面準
位を補償するように作用する。これにより光生成キャリ
アがさらに効率よく光起電力素子の外部に取り出すこと
ができる。

【００３０】

【実施例】図１(a)は、本発明光起電力素子の素子構造
断面図であり、又同図(b)はこの光起電力素子の内部電
界等を説明するためのバンドプロファイル図である。

【００３１】図中の(1)は、光入射側の酸化インジュウ
ム錫、酸化錫、酸化亜鉛等からなる透明電極、(2)は非
晶質シリコンからなるｐ型の非晶質半導体（膜厚３０〜
２００Å）、(3)はｎ型の単結晶シリコンからなる単結
晶半導体（厚み０．１μｍ〜１００μｍ）、(4)は本発
明の特徴である水素を含有した非晶質半導体、実施例で
は非晶質シリコン（膜厚２０〜４００Å）、(5)は非晶
質シリコンからなるｎ型の非晶質半導体（膜厚５０〜１
０００Å）、(6)はアルミニュウム、銀、チタン等の金
属からなる裏面電極である。

【００３２】本素子では、ｐ型非晶質半導体(2)とｎ型
単結晶半導体(3)とによって第１の半導体接合が形成さ
れ、ｎ型単結晶半導体(3)とｎ型非晶質半導体(5)にあっ
ては、非晶質半導体(4)を介して第２の半導体接合を形
成することとなる。

【００３３】なお、本例では第１及び第２の半導体接合
を形成する材料して単結晶半導体(3)を使用したが、本
発明の作用効果はこの材料を多結晶半導体、具体的には
多結晶シリコンを使用した場合にあっても全く同様に得
られるものである。

【００３４】水素を含有した非晶質半導体(4)以外は従
来周知の膜、あるいはバルクの半導体材料である。使用
した非晶質半導体(2)(4)(5)のプラズマＣＶＤ法による
形成の場合の代表的な諸条件を表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】なお、表１に示した条件によって形成され
た水素を含有する非晶質シリコン(4)の水素含有量は７
〜３０原子％であった。

【００３７】また、本発明の特徴である非晶質半導体
(4)は、本例で使用した非晶質シリコンに限られず、非
晶質シリコンカーバイド、非晶質シリコンゲルマニュー
ム、さらには非晶質シリコンナイトライドであってもよ
い。斯る膜を使用する場合のプロズマＣＶＤ法による代
表的な形成ガスとしては、非晶質シリコンカーバイドに
あってはシラン(SiH₄)ガスとメタン(CH₄)ガスを、非晶
質シリコンゲルマニュームではシラン(SiH₄)ガスとゲル
マン(GeH₄)ガスを、さらに非晶質シリコンナイトライド
ではシラン(SiH₄)ガスとアンモニア(NH₃)ガスを使用す
る。

【００３８】本光起電力素子における内部電界の様子を
同図(b)のバンドプロファイル図に従って説明すると、
まず光入射側のｐ型非晶質半導体(2)と単結晶半導体(3)
によって形成される大きな内部電界(イ)（図中の大きな
バンドの曲がり）と、単結晶半導体(3)とｎ型非晶質半
導体(5)によって真性非晶質半導体(4)を介在させつつ形
成される比較的小さな内部電界(ロ)とがある。この内部
電界(ロ)の部分は前述のＢＳＦ構造を成している。

【００３９】本発明によれば、真性非晶質半導体(4)を
介在せしめたことにより、単結晶半導体(3)とｎ型非晶
質半導体(5)との直接接触の場合に発生する界面準位が
大きく軽減される。

【００４０】図２は前記本発明光起電力素子(21)の光感
度スペクトル図である。

【００４１】なお、本素子の作成にあたっても、単結晶
半導体(3)の光入射面には光反射低減のための凹凸形状
を前述したと同様の方法によって設けられている。本例
における凹凸形状の高さの程度は、１〜１０μｍであ
る。

【００４２】なお、図２中の(22)は従来の光起電力素子
で、本発明光起電力素子と比較して水素を含有した非晶
質シリコン(4)を具備しておらず、且つ素子表面に凹凸
形状を施していない構造である。(23)は素子表面に凹凸
形状は施されているものの本発明の特徴である非晶質シ
リコン(4)を備えておらず単結晶半導体(3)とｎ型非晶質
半導体(5)を直接接触させた従来の光起電力素子であ
る。

【００４３】同図によれば、従来の光起電力素子(22)と
(23)とでは、表面に凹凸形状を備えることで光起電力素
子(23)の方が、６００ｎｍから１２００ｎｍの波長領域
で大きな光感度特性を示している。然し乍ら、本発明光
起電力素子(21)にあっては、この従来光起電力素子(23)
と比較してもさらに長波長光の領域で光感度特性が向上
している。

【００４４】特に、ここで注意すべきことは、本発明光
起電力素子(21)は、従来の光起電力素子(23)と比較して
短波長領域から８００ｎｍ程度の長波長領域までの光感
度特性はほとんど同じレベルを維持したままの状態で、
尚且つ長波長光での光感度特性の向上が観測されること
である。

【００４５】斯る結果は、本発明光起電力素子では、光
入射面から見て深い領域で吸収された光を効率よくキャ
リアとして取り出し得ていることを示すものである。

【００４６】なお、本発明光起電力素子の説明で使用し
た実施例の素子構造にあっては、結晶構造の異なるもの
同士の接合としては上述した第２の半導体接合の他に、
第１の半導体接合がある。具体的にはｐ型非晶質半導体
(2)と単結晶半導体(3)とから成る半導体接合である。

【００４７】この接合部分においても第２の半導体接合
と同様の界面準位は生じるものの斯る部分にあっては、
内部電界(イ)が非常に大きなものであることから、本発
明で解決しようとしたキャリアの拡散現象による再結合
防止といった問題を余り考慮する必要はなく、その大き
な内部電界に基づくドリフトによって光生成キャリアの
ほとんどが外部に取り出すことができてしまうためであ
る。

【００４８】尤も、この第１の半導体接合で生じる界面
準位での光生成キャリアの再結合をも十分に軽減するに
は、本発明で使用した真性非晶質半導体をｐ型非晶質半
導体(2)と単結晶半導体(3)との間に介在せしめることは
有効である。

【００４９】なお、本例では非晶質半導体として、プラ
ズマＣＶＤ法による形成方法を使用して説明したが本発
明光起電力素子においてはこれに限られるものではな
く、スパッタ法、蒸着法、さらには光ＣＶＤ法によって
形成された非晶質半導体を使用しても全く同様の効果を
呈するものである。

【００５０】また、実施例では単結晶半導体として、ｎ
型を使用したが本発明はこれに限られるものではなくｐ
型であってもよいことは言うまでもない。この場合にあ
っては、非晶質半導体(2)は、ｎ型となり、非晶質半導
体(5)はｐ型とすればよい。

【００５１】

【発明の効果】本発明光起電力素子においては、同じ導
電型を有する結晶系半導体と非晶質半導体との間に水素
を含有する真性非晶質半導体を介在せしめることによっ
て、従来問題となる結晶系半導体と非晶質半導体との間
の界面準位を低減することが可能となり光起電力素子と
しての光生成キャリアの外部取り出しを効率的に行うこ
とが可能となる。

【００５２】従って、本素子によれば短波長光での光感
度を低下させることなくとりわけ長波長光の光感度特性
を向上させることができる。これにより、光起電力素子
の開放電圧、曲線因子が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光起電力素子の実施例を説明するための
素子構造断面図と、バンドプロファイル図である。

【図２】前記光起電力素子の光感度スペクトル特性図で
ある。

【図３】第１の従来例光起電力素子を説明するための素
子構造断面図と、バンドプロファイル図である。

【図４】第２の従来例光起電力素子を説明するための素
子構造断面図と、バンドプロファイル図である。

【符号の説明】

(2)ｐ型非晶質半導体 (3)ｎ型単結晶半導
体 (4)水素を含有する非晶質半導体 (5)ｎ型非晶質半導
体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−130671（ＪＰ，Ａ) 特開平１−280367（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−218880（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに逆導電型の関係を有する非晶質半
導体と、単結晶半導体若しくは多結晶半導体（以下、こ
れらを結晶系半導体と称する。）とから成る光入射側に
配置された第１の半導体接合と、前記結晶系半導体と、
該結晶系半導体と同じ導電型の関係を有する非晶質半導
体とから成る光透過側に配置された第２の半導体接合と
を具備するとともに、前記第２の半導体接合の前記非晶
質半導体と前記結晶系半導体との間に水素を含有する真
性非晶質半導体を介在せしめたことを特徴とする光起電
力素子。