JPS60240168A - 光電変換装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は光電変換装置特に太陽電池、フォトセンサ、蛍
光灯電池等に用いられるＰＩＮクンデム型非単結晶半導
体装置の製造方法に関するものである。

「従来の技術Ｊ アモルファス半導体を用いてタンデム型光電変換装置に
ＰＩＮＰＩＮ接合を有し、一方の■型半導体装置の光学
的エネルギバンド中として１．７〜１．８ｅＶを有する
ａ−５ｔ：Ｈ（水素が添加されたアモルファス半導体）
及び他方のＩ型半導体の光学的エネルギハンド巾として
１．４〜１．６ｅＶを有するａ−３ｉｘＧｅｌ−ｘ（０
＜Ｘ＜１）　とする構造が知られている。

かかる構造に用いるａ−３ｉｘＧｅ＋−ｘ（０＜Ｘ＜１
）　（以下シリコン・ゲルマニューム化合物ともいう）
は、高価な反応性気体であるゲルマン（ＧｅＨｔ）と、
シラン（ＳｉＨ４）とのプラズマ気相反応によって任意
の化学量論比を有する材料を作ることができる。そして
この特性は、ゲルマニュームを増加するにつれて光学的
Ｅｇを下げることが可能であるが、しかし他方、電気特
性のキャリアの移動度は急速に低下してしまった。

このためかかるＥｇを異ならせるタンデム型セルの５ｉ
ｘＧｅ＋−ｘ（０＜Ｘ＜１）を用いるアモルファス半導
体装置においては根本的大問題が存在してしまった。

その結果、光学的な光電変換が行われる波長領域を大き
くさせ得るタンデム型セルにその光励起されたキャリア
が再結合して消滅してしまうため外に取り出すことが非
効率的であり、結果として変換効率の向上につながらな
かった。

ｒ発明が解決しようとする問題点」 本発明はＥｇとして１．４〜１　、６ｅＶを有する非単
結晶半導体としてその電気特性においてアモルファス珪
素を用いるに比べてより高い（従来は低い）移動度を有
する水素またはハロゲン元素が添加されている多結晶ま
たは単結晶を含む結晶化度の助長された半導体材料（以
下多結晶半導体材料という）を用いたことにある。さら
にこの材料にゲルマニュームのごとく地球上の主成分で
ない希少価値の材料を用いないことにある。

ｒ問題を解決する手段ｊ 本発明はかかる問題を解決するため、アモルファスを含
む非単結晶半導体特に不純物（酸素、窒素、炭素、リン
またはホウ素等の不純物）のそれぞれを１原子％以下し
か含有しない、かつ水素またはハロゲン元素が再中心中
和用およびエネルギバンド中増加用に添加された半導体
（珪素）を用いる第１のＰＩＮ接合を形成し、このＩ型
半導体または■型およびその上のＰまたはＮ型半導体に
対し強光照射アニール、即ちＬＡ（炭酸ガスレーザ、Ｙ
ＡＧレーザまたはエキシマレーザによるアニールまたは
水銀灯、可視光ハロゲンランプ等の強光照射によるアニ
ールを含む）を行い、その半導体の多結晶化または結晶
化度を助長し、かつ水素またはハロゲン元素の含有量を
減少させた第１のＰＩＮ接合の■型半導体層とを形成し
た。さらにこの上またはこの上のオーミックコンタクト
用緩衝用電極（以下バッファＣＴＦという）上に第２の
ＰＩＮ接合を気相法（プラズマＣＶＯ，光ＣＶＤ、ｉ圧
ＣＶＤ法等）により第１のＰＩＮ接合の１層と同一の材
料を積層せしめＰＩＮＰＩＮ接合またはＰＩＮ（バッフ
ァＣＴＦ）ＰＩＮ接合を形成したものである。

本発明に用いる多結晶半導体は基板として５０〜５００
μもの厚さを有する多結晶基板でなく、０．１〜１０μ
の厚さの薄膜アモルファス半導体を形成した後、被膜に
損傷（スパッタ）を与えない強光アニールにより結晶化
を助長した多結晶半導体を用いたことにある。

特にこの光アニールにより結晶化を助長する方法はすで
に形成されている被膜にプラズマ処理のごとき被膜の損
傷を与えるプロセスを有していない。また熱アニールの
ごと＜７００〜９００℃で結晶化をさせる場合にはそれ
以前の３５０〜４５０℃の低い温度で水素またはハロゲ
ン元素が完全に放出され再結合中心を発生してしまうが
、かかるプラズマアニールおよび熱アニールのプロセス
でない方式を採用したことが本発明方法をディバイスレ
ベルにまで完成された大きな特長である。

「作用ｊ その結果、従来より公知の第１、第２の半導体もともに
珪素（水素またはハロゲン元素を含む）とし、材料的化
学酌量論比の違いによるタンデム構造即ちＳｉと５ｉｘ
Ｇｅ＋−ｘによるタンデム構造ではなく、材料は同一で
あってモホロジ的（結晶構造的）に異ならせるタンデム
構造即ち一方はアモルファス、他方は多結晶というごと
きの結晶化度の違いを工型半導体層に有せしめることに
よりＥｇに０．１５ｅＶ以上の差を有せしめることに成
功した。

以下にその実施例により本発明を説明する。

実施例１ 第１図が対応した図面である。

基板として厚さ１００μのステンレス（１）を用いた。

コノ上面にＰ型半導体５ｉｘＣ＋−ｘ　（０＜Ｘ４）（
厚さ２００人）（３）−水素または弗素が添加された珪
素を主成分とするアモルファス構造を主体とする夏型半
導体（厚さ０．６μ）（４）−Ｎ型微結晶半導体（厚さ
３００人）（５）による第１のＰＩＮ接合を有する非単
結晶半導体（１１）をシラン（Ｓｔｎ）Ｉｚｎ＋ｚ　ｎ
≧１）のプラズマ気相法（圧力Ｑ、ｌ　ｔｏｒｒ、基板
温度２１０℃）により形成した。この後、この第１のＰ
ＩＮ接合の半導体（１１）に対し強光アニールを行い、
夏型半導体層の結晶化を助長させ電気的特性を変化させ
た。この強光アニールは超高圧水銀炉（出力５ＫＷ）を
用いこの照射光をシリンドリカル石英レンズにより巾３
ｍｍ、長さ１０ｃｍのスリット状の集光強度とした。こ
の光の受光面に被照射面を有する基板を配設した。

この基板はＸテーブルによりスリットに直交する方向に
走査し、基板全面に第１回のスキャンでその走査速度（
５ｃｍ／分〜５０ｃｍ／分）を可変して照射できるよう
にした。基板は熱アニールの室温〜３００℃とした。こ
の時基板の温度は２５０℃とし一部の水素の（含有水素
３〜７原子２と推定される）脱ガス化をもして光学的Ｅ
ｇとして１．４〜１．６ｅＶを得た。

さらにこの後、この表面をバッファＨＦ　（ＩＦを水で
１７１０に希釈した）で洗浄し、このＮ型半導体面上に
Ｐ型５ｉｘＣ＋−、ｌ（０＜χ＜１）半導体（厚さ１０
０〜３００人）（６）−１型の水素または弗素が添加さ
れた同一半導体材料（ここでは珪素）半導体（厚さ２０
００人）（７）−Ｎ型微結晶珪素半導体（厚さ３００人
）（８）の第２のＰＩＮ接合の半導体（１２）を形成し
た。この時のＰＩＮ接合の夏型半導体は水素が約２０原
子χも添加されてアモルファス的になるため、光学的ｇ
ｇは１．８ｅＶを有し対応したエネルギハンド図を第１
図（Ｂ）に示すが、第１の夏型半導体層とはその差は０
．４ｅＶを有していた。

さらにその上面にＩＴＯを電子ビーム蒸着法で形成した
。

得られた光電変換装置（面積１．０５ｃｍ２）の特性は
ＩＴＯ側より光照射以下の通りである。

開放電圧　１．４７ｖ 短絡電流　１２．３．ｍＡ／ｃｍ２ 曲縞因子　６１χ 変換効率　１１．０３χ 実施例２ 第２図が対応した図面である。

基板として厚さ１００μのステンレス（１）を用いた。

この上面にＰ型半導体５ｉｘＣ，−ｘ　（０＜Ｘ＜１）
−水素または弗素が添加された珪素を主成分とするアモ
ルファス構造を主体とする夏型半導体（４）　−−Ｎ型
微結晶半導体（５）による第１のＰＩＮ接合を有する非
単結晶半導体（１１）を実施例１と同様に形成した。こ
の後、この第１のＰＩＮ接合の半導体（１１）’、：対
し強光アニールを実施例１と同様にして行い夏型半導体
層の結晶化を助長させ電気的特性を変化した。この時基
板の温度は３００℃とし水素の脱ガス化をして電気的Ｅ
ｇとして１．４〜１　、６ｅＶを得た。

サラにこの後、この表面をバッファＨＦ　（）ＩＦを水
で１７１０に希釈した）で洗浄した。

この後真空蒸着法により基板の温度を２００℃としてク
ロムを約２０人の厚さに形成し、かつ真空中の熱アニー
ルを行った。するとこのクロムは珪素と反応し、クロム
シリサントという非酸化性透光性導電膜（バッファＣＴ
Ｆ　（２０）　）とすることができた。

このＣＴＦはこの上のＰ型半導体と下のＮ型半導体との
オーム接触性を有せしめ、かつ被膜作製の際互いの半導
体の混合を防止し、かつ透過光が下側の半導体層に充分
透過するため理想的であった。

コ（７）ハラ７　ｙ　ＣＴＦ　＄体表面上ニル　型５ｉ
ｘｃ＋−ｘ　（０＜Ｘ＜１）半導体（６）　−１型の水
素または弗素が添加−された同一半導体材料（ここでは
酸素）半導体（７）−Ｎ型微結晶珪素半導体（８）の第
２のＰＩＮ接合の半導体（１２）を形成した。この時の
ＰＩＮ接合の夏型半導体はアモルファス的になるため、
光学的Ｅｇは１．８ｅＶを有し対応したエネルギバンド
図を第２図（Ｂ）に示すが、第１の夏型半導体層とはそ
の差はやはり０．４ｅＶを有していた。

さらにその上面にＩＴＯを電子ビーム蒸着法で形成した
。

得られた膜の特性はＩＴＯ側より光照射以下の通りであ
る。

開放電圧　１．５６Ｖ 短絡電流　１１．３ｍＡ／ｃｍ 曲線因子　６１１１ 変換効率　１１．２８χ 「効果」 この発明は上記の問題を解決するためのものであり、と
もに珪素を主成分としてゲルマニューム、スズ、酸素、
炭素等の不純物はそれぞれ１原子％であるように努めた
。その結果、同一材料でモホロジ的に異ならせるハイプ
リント構造のタンデム構成とすることにより第１、第２
の半導体間の光学的Ｅｇが０．１５〜０．４ｅＶも異な
り、その厚さは１０μ以下、一般には０．１〜１μの薄
膜の厚さを有する２つのＩ型半導体層を含むＰＩＮＰＩ
Ｎ接合またはＰＩＮ（ＣＴＦ）ＰＩＮ接合のタンデム型
光電変換装置を作ることできた。

さらにこのタンデム型接合をＰＩＮＰＩＮ・・・・ＰＩ
Ｎとすることにより、三重構造またはそれ以上とするこ
とが可能となった。

本発明は薄膜半導体であってホモロジ的な変化によりＥ
ｇを可変するため、材料の作製に微妙さが伴ったり、ま
た高価なゲルマン（ＧｅＨイ）をその結果として用いる
必要がないという特徴を有する。

加えて強光アニールにより多結晶化特に電流の流れと同
一方向に結晶粒径が成長する柱状（ガラムナ）が形成さ
れる多結晶半導体を他方の狭いＥｇの半導体に有せしめ
たタンデム構造であることが電流を多量に取り出すこと
ができた大きな理由である。

加えて光照射側の１層は１つのＰＩＮ接合の時の１層の
厚さの０．５〜１μに比べてそれぞれが０．２〜０．４
μと薄いため、光照射による空乏層中の低下に伴う劣化
を防くことができるという他の特長をも有する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明のタンデム型光電変換装置の縦
断面図（Ａ）およびエネルギバンド図（Ｂ）を示す。 （Ａ） （Ｂ２ 第１□□□ （ （Ｂ］ υ９１ｆｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上の第１の電極上に第１のＰＴＮ接合を構成す
   る水素またはハロゲン元素を含有するＰ型、■型および
   Ｎ型の非単結晶半導体と、第１のＩ型半導体または該半
   導体上のＰまたはＮ型半導体を形成した後、前記半導体
   に対し強光を照射して結晶化を助長する工程と、第２の
   ＰＩＮ接合を構成する水素またはハロゲン元素を含有す
   る非単結晶半導体を積層して形成する工程とを有するこ
   とを特徴とする光電変換装置の作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、第１のＰＩＮ接合
   を有する非単結晶半導体上に第２のＰＩＮ接合を有する
   非単結晶半導体を形成する以前の工程として透光性を有
   するオーム接合用緩衝用電極を形成することを特徴とす
   る光電変換装置の作製方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、第１または第２の
   ＰＩＮ接合を構成するＩ型用非単結晶半導体は水素また
   はハロゲン元素を有するとともに、他の不純物を１原子
   ％以下に含有する珪素を主成分とすることを特徴とする
   光電変換装置の作製方法。 ４、特許請求の範囲第２項において、透光性導電膜は金
   属の珪化物よりなることを特徴とする光電変換装置の作
   製方法。