(57)【要約】【課題】光電変換効率などの特性に優れた光電変換装置を提供する。【解決手段】半導体層と、半導体層の表面に接するように設置された誘電体膜とを含み、誘電体膜は、半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有し、誘電体膜の表面上に透明導電膜を有しており、キャリアがトンネル効果によって誘電体膜を移動して透明導電膜から外部に取り出される光電変換装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層の表面に接するように設置された誘電体膜とを含み、
前記誘電体膜は、前記半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有し、
前記誘電体膜の表面上に透明導電膜を有しており、
キャリアが前記誘電体膜を通過して前記透明導電膜から外部に取り出される、光電変換装置。
【請求項２】
前記透明導電膜の表面上に透明基板を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記誘電体膜が接する前記半導体層の表面の領域の少なくとも一部に、第１導電型または第２導電型の表面反転層を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記半導体層の厚さは、前記半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記誘電体膜のバンドギャップは４．２ｅＶ以上であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記誘電体膜は、炭化ケイ素、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記誘電体膜の厚さは、３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項９】
正の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項１０】
負の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、前記半導体層と前記誘電体膜との界面から前記界面に対して垂直な方向に前記半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、前記誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項１２】
第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の表面に接するように設置された表面誘電体膜と、
前記第１の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層と、
前記第１の半導体層の裏面側に設置された第２の半導体層と、
第２の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層と、
前記第２の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層と、
前記第２の半導体層の裏面側に設置された第３の半導体層と、
前記第３の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層と、
前記第３の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層とを含み、
前記第１の半導体層の裏面の前記第１導電型不純物含有層と、前記第２の半導体層の表面の前記第２導電型不純物含有層とが接合され、
前記第２の半導体層の裏面の前記第１導電型不純物含有層と、前記第３の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層とが接合されており、
前記表面誘電体膜は、前記第１の半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有し、
前記表面誘電体膜が接する前記第１の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に第２導電型の表面反転層が形成されており、
前記表面誘電体膜の表面上に透明導電膜を有しており、
キャリアが前記表面誘電体膜を通過して前記透明導電膜から外部に取り出される、光電変換装置。
【請求項１３】
第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の表面に接するように設置された表面誘電体膜と、
前記第１の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層と、
前記第１の半導体層の裏面側に設置された第２の半導体層と、
第２の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層と、
前記第２の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層と、
前記第２の半導体層の裏面側に設置された第３の半導体層と、
前記第３の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層と、
前記第３の半導体層の裏面に形成された裏面誘電体膜とを含み、
前記第１の半導体層の裏面の前記第１導電型不純物含有層と、前記第２の半導体層の表面の前記第２導電型不純物含有層とが接合され、
前記第２の半導体層の裏面の前記第１導電型不純物含有層と、前記第３の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層とが接合されており、
前記表面誘電体膜は、前記第１の半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有し、
前記表面誘電体膜が接する前記第１の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に第２導電型の表面反転層が形成されており、
前記裏面誘電体膜は、前記表面誘電体膜に含まれる前記不純物とは逆の極性の固定電荷となる不純物を有しており、
前記裏面誘電体膜が接する前記第３の半導体層の裏面の領域の少なくとも一部に第１導電型の裏面反転層が形成されており、
前記表面誘電体膜の表面上に透明導電膜を有し、
前記裏面誘電体膜の裏面上に裏面電極を有しており、
キャリアが前記表面誘電体膜および前記裏面誘電体膜を通過して前記透明導電膜および前記裏面電極からそれぞれ外部に取り出される、光電変換装置。
【請求項１４】
第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の表面に接するように設置された第１の表面誘電体膜と、
前記第１の半導体層の裏面に接するように設置された第１の裏面誘電体膜と、
前記第１の半導体層の裏面側に設置された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の表面に接するように設置された第２の表面誘電体膜と、
前記第２の半導体層の裏面に接するように設置された第２の裏面誘電体膜と、
前記第２の半導体層の裏面側に設置された第３の半導体層と、
前記第３の半導体層の表面に接するように設置された第３の表面誘電体膜と、
前記第３の半導体層の裏面に接するように設置された第３の裏面誘電体膜とを含み、
前記第１の半導体層の裏面の前記第１の裏面誘電体膜と、前記第２の半導体層の表面の前記第２の表面誘電体膜とは第１の中間透明導電膜を介して接合され、
前記第２の半導体層の裏面の前記第２の裏面誘電体膜と、前記第３の半導体層の表面の前記第３の表面誘電体膜とは第２の中間透明導電膜を介して接合されており、
前記第１の表面誘電体膜は、前記第１の半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有し、
前記第１の表面誘電体膜が接する前記第１の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に第１導電型または第２導電型の第１の表面反転層が形成されており、
前記第２の表面誘電体膜は、前記第２の半導体層との界面近傍に、前記第１の表面誘電体膜が有する前記不純物と同一の極性の固定電荷となる不純物を有し、
前記第２の表面誘電体膜が接する前記第２の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に前記第１の表面反転層と同一の導電型の第２の表面反転層が形成されており、
前記第３の表面誘電体膜は、前記第３の半導体層との界面近傍に、前記第１の表面誘電体膜が有する前記不純物と同一の極性の固定電荷となる不純物を有し、
前記第３の表面誘電体膜が接する前記第３の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に前記第１の表面反転層と同一の導電型の第３の表面反転層が形成されており、
前記第１の裏面誘電体膜は、前記第１の半導体層との界面近傍に、前記第１の表面誘電体膜が有する前記不純物と逆の極性の固定電荷となる不純物を有し、
前記第１の裏面誘電体膜が接する前記第１の半導体層の裏面の領域の少なくとも一部に前記第１の表面反転層とは逆の導電型の第１の裏面反転層が形成されており、
前記第２の裏面誘電体膜は、前記第２の半導体層との界面近傍に、前記第１の裏面誘電体膜が有する前記不純物と同一の極性の固定電荷となる不純物を有し、
前記第２の裏面誘電体膜が接する前記第２の半導体層の裏面の領域の少なくとも一部に前記第１の裏面反転層と同一の導電型の第２の裏面反転層が形成されており、
前記第３の裏面誘電体膜は、前記第３の半導体層との界面近傍に、前記第１の裏面誘電体膜が有する前記不純物と同一の極性の固定電荷となる不純物を有し、
前記第３の裏面誘電体膜が接する前記第３の半導体層の裏面の領域の少なくとも一部に前記第１の裏面反転層と同一の導電型の第３の裏面反転層が形成されており、
前記第１の表面誘電体膜の表面上に透明導電膜を有し、
前記第３の裏面誘電体膜の裏面上に裏面電極を有しており、
キャリアが前記表面誘電体膜および前記裏面誘電体膜を通過して前記透明導電膜および前記裏面電極からそれぞれ外部に取り出される、光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関し、特に、光電変換効率などの特性に優れた光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば特許文献１には、ｎ型アモルファスシリコン層、ｉ型アモルファスシリコン層およびｐ型アモルファスシリコン層がこの順序で積層された単位セルが複数積層されたタンデム構造の光起電力素子であって、最下部に導電性基板を備えるとともに、最上部に透明導電膜を備えた構成の光起電力素子が開示されている（たとえば、特許文献１の第２図および第３頁左欄第９〜１７行目等）。
【０００３】
この特許文献１に開示された光起電力素子においては、光の照射によって生じたキャリアは導電性基板および透明導電膜からそれぞれ取り出される。
【特許文献１】特公昭６３−４８１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の光起電力素子においては、短波長の光が最上部のｐ型アモルファスシリコン層で吸収されるため、光起電力素子の短波長の光の光電変換効率が低くなるという問題があった。
【０００５】
最上部のｐ型アモルファスシリコン層で吸収される短波長の光の量を低減して光起電力素子の変換効率を向上させる観点からは、最上部のｐ型アモルファスシリコン層の厚さを薄く形成する必要がある。
【０００６】
しかしながら、大面積の基板上にたとえば１０ｎｍ以下といった薄さのｐ型アモルファスシリコン層を均一に形成するのは非常に困難であった。
【０００７】
また、アモルファスシリコンでは、ドナーおよびアクセプタの活性化率が低いため、活性化していないドナー不純物、活性化していないアクセプタ不純物またはそれらの周辺に形成されるダングリングボンド等が再結合中心として機能するため、ｎ型層およびｐ型層においてキャリア再結合が起こりやすいという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、光電変換効率などの特性に優れた光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、半導体層と、半導体層の表面に接するように設置された誘電体膜とを含み、誘電体膜は、少なくとも半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有し、誘電体膜の表面上に透明導電膜を有しており、キャリアがトンネル効果等によって誘電体膜を通過して透明導電膜から外部に取り出される光電変換装置である。
【００１０】
ここで、本発明の光電変換装置においては、透明導電膜の表面上に透明基板を備えていてもよい。
【００１１】
また、本発明の光電変換装置においては、誘電体膜が接する半導体層の表面の領域の少なくとも一部に、第１導電型または第２導電型の表面反転層を含んでいてもよい。
【００１２】
また、本発明の光電変換装置において、半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなっていてもよい。
【００１３】
また、本発明の光電変換装置において、半導体層の厚さは、半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００１４】
また、本発明の光電変換装置において、誘電体膜のバンドギャップは４．２ｅＶ以上であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の光電変換装置において、誘電体膜は、炭化ケイ素、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなっていてもよい。
【００１６】
また、本発明の光電変換装置において、誘電体膜の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の光電変換装置において、正の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００１８】
また、本発明の光電変換装置において、負の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００１９】
また、本発明の光電変換装置において、不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層と誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００２０】
また、本発明は、第１の半導体層と、第１の半導体層の表面に接するように設置された表面誘電体膜と、第１の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層と、第１の半導体層の裏面側に設置された第２の半導体層と、第２の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層と、第２の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層と、第２の半導体層の裏面側に設置された第３の半導体層と、第３の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層と、第３の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層とを含み、第１の半導体層の裏面の第１導電型不純物含有層と、第２の半導体層の表面の第２導電型不純物含有層とが接合され、第２の半導体層の裏面の第１導電型不純物含有層と、第３の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層とが接合されており、表面誘電体膜は、第１の半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有し、表面誘電体膜が接する第１の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に第２導電型の表面反転層が形成されており、表面誘電体膜の表面上に透明導電膜を有しており、キャリアがトンネル効果等によって表面誘電体膜を通過して透明導電膜から外部に取り出される光電変換装置である。
【００２１】
ここで、本発明の光電変換装置においては、第１の半導体層のバンドギャップが第１の半導体層よりも光入射側から遠い第２の半導体層のバンドギャップ以上であり、第２の半導体層のバンドギャップが第２の半導体層よりも光入射側から遠い第３の半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の光電変換装置において、第１の半導体層の厚さは、第１の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００２３】
また、本発明の光電変換装置において、第２の半導体層の厚さは、第２の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００２４】
また、本発明の光電変換装置において、第３の半導体層の厚さは、第３の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００２５】
また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜のバンドギャップは４．２ｅＶ以上であることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜は、炭化ケイ素、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなっていてもよい。
【００２７】
また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
また、本発明の光電変換装置において、正の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００２９】
また、本発明の光電変換装置において、負の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００３０】
また、本発明の光電変換装置において、正または負の固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第１の半導体層と表面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第１の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、表面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００３１】
また、本発明は、第１の半導体層と、第１の半導体層の表面に接するように設置された表面誘電体膜と、第１の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層と、第１の半導体層の裏面側に設置された第２の半導体層と、第２の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層と、第２の半導体層の裏面に形成された第１導電型不純物含有層と、第２の半導体層の裏面側に設置された第３の半導体層と、第３の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層と、第３の半導体層の裏面に形成された裏面誘電体膜とを含み、第１の半導体層の裏面の第１導電型不純物含有層と、第２の半導体層の表面の第２導電型不純物含有層とが接合され、第２の半導体層の裏面の第１導電型不純物含有層と、第３の半導体層の表面に形成された第２導電型不純物含有層とが接合されており、表面誘電体膜は、第１の半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有し、表面誘電体膜が接する第１の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に第２導電型の表面反転層が形成されており、裏面誘電体膜は、表面誘電体膜に含まれる不純物とは逆の極性の固定電荷となる不純物を有しており、裏面誘電体膜が接する第３の半導体層の裏面の領域の少なくとも一部に第１導電型の裏面反転層が形成されており、表面誘電体膜の表面上に透明導電膜を有し、裏面誘電体膜の裏面上に裏面電極を有しており、キャリアがトンネル効果等によって表面誘電体膜および裏面誘電体膜を通過して透明導電膜および裏面電極からそれぞれ外部に取り出される光電変換装置である。
【００３２】
ここで、本発明の光電変換装置においては、第１の半導体層のバンドギャップが第１の半導体層よりも光入射側から遠い第２の半導体層のバンドギャップ以上であり、第２の半導体層のバンドギャップが第２の半導体層よりも光入射側から遠い第３の半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。
【００３３】
また、本発明の光電変換装置においては、第１の半導体層の厚さが第１の半導体層よりも光入射側から遠い第２の半導体層の厚さ以下であり、第２の半導体層の厚さが第２の半導体層よりも光入射側から遠い第３の半導体層の厚さ以下であることが好ましい。
【００３４】
また、本発明の光電変換装置において、第１の半導体層の厚さは、第１の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００３５】
また、本発明の光電変換装置において、第２の半導体層の厚さは、第２の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００３６】
また、本発明の光電変換装置において、第３の半導体層の厚さは、第３の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００３７】
また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜のバンドギャップは４．２ｅＶ以上であることが好ましい。
【００３８】
また、本発明の光電変換装置においては、表面誘電体膜および裏面誘電体膜はそれぞれ、炭化ケイ素、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなっていてもよい。
【００３９】
また、本発明の光電変換装置においては、表面誘電体膜の厚さおよび裏面誘電体膜の厚さはそれぞれ３ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４０】
また、本発明の光電変換装置においては、表面誘電体膜が有する正または負の固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含み、裏面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００４１】
また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含み、裏面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００４２】
また、本発明の光電変換装置において、表面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第１の半導体層と表面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第１の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、表面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００４３】
また、本発明の光電変換装置において、裏面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第２の半導体層と裏面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第２の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、裏面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００４４】
また、本発明は、第１の半導体層と、第１の半導体層の表面に接するように設置された第１の表面誘電体膜と、第１の半導体層の裏面に接するように設置された第１の裏面誘電体膜と、第１の半導体層の裏面側に設置された第２の半導体層と、第２の半導体層の表面に接するように設置された第２の表面誘電体膜と、第２の半導体層の裏面に接するように設置された第２の裏面誘電体膜と、第２の半導体層の裏面側に設置された第３の半導体層と、第３の半導体層の表面に接するように設置された第３の表面誘電体膜と、第３の半導体層の裏面に接するように設置された第３の裏面誘電体膜とを含み、第１の半導体層の裏面の第１の裏面誘電体膜と、第２の半導体層の表面の第２の表面誘電体膜とは第１の中間透明導電膜を介して接合され、第２の半導体層の裏面の第２の裏面誘電体膜と、第３の半導体層の表面の第３の表面誘電体膜とは第２の中間透明導電膜を介して接合されており、第１の表面誘電体膜は、第１の半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有し、第１の表面誘電体膜が接する第１の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に第１導電型または第２導電型の第１の表面反転層が形成されており、第２の表面誘電体膜は、第２の半導体層との界面近傍に、第１の表面誘電体膜が有する不純物と同一の極性の固定電荷となる不純物を有し、第２の表面誘電体膜が接する第２の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に第１の表面反転層と同一の導電型の第２の表面反転層が形成されており、第３の表面誘電体膜は、第３の半導体層との界面近傍に、第１の表面誘電体膜が有する不純物と同一の極性の固定電荷となる不純物を有し、第３の表面誘電体膜が接する第３の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に第１の表面反転層と同一の導電型の第３の表面反転層が形成されており、第１の裏面誘電体膜は、第１の半導体層との界面近傍に、第１の表面誘電体膜が有する不純物と逆の極性の固定電荷となる不純物を有し、第１の裏面誘電体膜が接する第１の半導体層の裏面の領域の少なくとも一部に第１の表面反転層とは逆の導電型の第１の裏面反転層が形成されており、第２の裏面誘電体膜は、第２の半導体層との界面近傍に、第１の裏面誘電体膜が有する不純物と同一の極性の固定電荷となる不純物を有し、第２の裏面誘電体膜が接する第２の半導体層の裏面の領域の少なくとも一部に第１の裏面反転層と同一の導電型の第２の裏面反転層が形成されており、第３の裏面誘電体膜は、第３の半導体層との界面近傍に、第１の裏面誘電体膜が有する不純物と同一の極性の固定電荷となる不純物を有し、第３の裏面誘電体膜が接する第３の半導体層の裏面の領域の少なくとも一部に第１の裏面反転層と同一の導電型の第３の裏面反転層が形成されており、第１の表面誘電体膜の表面上に透明導電膜を有し、第３の裏面誘電体膜の裏面上に裏面電極を有しており、キャリアがトンネル効果等によって表面誘電体膜および裏面誘電体膜を通過して透明導電膜および裏面電極からそれぞれ外部に取り出される光電変換装置である。
【００４５】
ここで、本発明の光電変換装置においては、第１の半導体層のバンドギャップが第１の半導体層よりも光入射側から遠い第２の半導体層のバンドギャップ以上であり、第２の半導体層のバンドギャップが第２の半導体層よりも光入射側から遠い第３の半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。
【００４６】
また、本発明の光電変換装置においては、第１の半導体層の厚さが第１の半導体層よりも光入射側から遠い第２の半導体層の厚さ以下であり、第２の半導体層の厚さが第２の半導体層よりも光入射側から遠い第３の半導体層の厚さ以下であることが好ましい。
【００４７】
また、本発明の光電変換装置において、第１の半導体層の厚さは、第１の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００４８】
また、本発明の光電変換装置において、第２の半導体層の厚さは、第２の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００４９】
また、本発明の光電変換装置において、第３の半導体層の厚さは、第３の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。
【００５０】
また、本発明の光電変換装置において、第１の表面誘電体膜、第１の裏面誘電体膜、第２の表面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜および第３の表面誘電体膜のそれぞれのバンドギャップが４．２ｅＶ以上であることが好ましい。
【００５１】
また、本発明の光電変換装置において、第１の表面誘電体膜、第１の裏面誘電体膜、第２の表面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜、第３の表面誘電体膜および第３の裏面誘電体膜がそれぞれ、炭化ケイ素、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種からなっていてもよい。
【００５２】
また、本発明の光電変換装置において、第１の表面誘電体膜、第１の裏面誘電体膜、第２の表面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜、第３の表面誘電体膜および第３の裏面誘電体膜のそれぞれの厚さは３ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５３】
また、本発明の光電変換装置において、第１の表面誘電体膜、第２の表面誘電体膜および第３の表面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物はそれぞれ、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含み、第１の裏面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜および第３の裏面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物はそれぞれ、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００５４】
また、本発明の光電変換装置において、第１の表面誘電体膜、第２の表面誘電体膜および第３の表面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物はそれぞれ、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含み、第１の裏面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜および第３の裏面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物はそれぞれ、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含んでいてもよい。
【００５５】
また、本発明の光電変換装置において、第１の表面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第１の半導体層と第１の表面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第１の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、第１の表面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００５６】
また、本発明の光電変換装置において、第２の表面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第２の半導体層と第２の表面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第２の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、第２の表面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００５７】
また、本発明の光電変換装置において、第３の表面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第３の半導体層と第３の表面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第３の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、第３の表面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００５８】
また、本発明の光電変換装置において、第１の裏面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第１の半導体層と第１の裏面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第１の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、第１の裏面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００５９】
また、本発明の光電変換装置において、第２の裏面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第２の半導体層と第２の裏面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第２の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、第２の裏面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００６０】
また、本発明の光電変換装置において、第３の裏面誘電体膜が有する固定電荷となる不純物が最も多く存在する箇所は、第３の半導体層と第３の裏面誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に第３の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、第３の裏面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。
【００６１】
また、本発明の光電変換装置においては、透明導電膜の表面上に透明基板を備えていてもよい。
【００６２】
また、本発明の光電変換装置においては、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層はそれぞれ、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなっていてもよい。
【発明の効果】
【００６３】
本発明によれば、光電変換効率などの特性に優れた光電変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００６５】
また、本発明において、反転層とは、誘電体膜中の固定電荷となる不純物によって誘起される、ｐ型半導体表面の電子キャリア層、ｎ型半導体層表面の正孔キャリア層、または、ｉ型（真性型）半導体表面の電子キャリア層または正孔キャリア層の場合も含む。
【００６６】
また、本発明の実施の形態においては、ｎ型層およびｐ型層を、半導体層と同じ半導体材料に不純物をドープすることによって形成したが、半導体層とは異なる半導体材料を用いてもよい。たとえば、半導体層としてアモルファスシリコンを用いる場合、ｎ型またはｐ型不純物をドープしたアモルファスシリコンゲルマニウム、または、アモルファス炭化シリコンなどをｎ型層またはｐ型層として用いることもできる。
【００６７】
また、本発明の実施の形態においては、半導体層として主にシリコンを用いる場合を中心に説明するが、半導体層としてはシリコンのほかに、窒化ガリウム、炭化シリコン、カドミウムテルル、ガリウム砒素、インジウムリン、Ｃｕ(Ｉｎ，Ｇａ)Ｓｅ2、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム等を用いることもできる。
【００６８】
＜実施の形態１＞
図１に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。図１に示す構成の本実施の形態の光電変換装置は、第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層１と、第２の半導体層としての第２のアモルファスシリコン層２と、第３の半導体層としての第３のアモルファスシリコン層３とが光入射側からこの順序で積層された積層構造を有している。
【００６９】
ここで、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面に接するようにして誘電体膜である表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６が設置されており、酸化シリコン膜６は、第１のアモルファスシリコン層１との界面近傍に、正の固定電荷となる不純物としてのイオン化したセシウム５を有している。
【００７０】
また、セシウム５は、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面との界面近傍においてイオン化して正の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜６が接する第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面の少なくとも一部の領域には負の電荷が誘起されてｎ型半導体として機能する表面反転層４が誘起される。
【００７１】
また、酸化シリコン膜６の光入射側の表面上には透明導電膜８が設置されており、透明導電膜８の光入射側の表面上には透明基板としてのガラス基板１４が設置されている。
【００７２】
さらに、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面とは反対側の裏面に第１導電型不純物含有層としてのｐ型層９が形成されており、ｐ型層９はｐ型半導体として機能する。
【００７３】
また、第２のアモルファスシリコン層２の光入射側の表面には第２導電型不純物含有層としてのｎ型層１０が形成されており、第２のアモルファスシリコン層２の光入射側の表面と反対側の裏面には第１導電型不純物含有層としてのｐ型層１１が形成されている。ここで、ｎ型層１０はｎ型半導体として機能し、ｐ型層１１はｐ型半導体として機能する。
【００７４】
また、第３のアモルファスシリコン層３の光入射側の表面には第２導電型不純物含有層としてのｎ型層１２が形成されており、第２のアモルファスシリコン層２の光入射側の表面とは反対側の裏面には第１導電型不純物含有層としてのｐ型層１３が形成されている。ここで、ｎ型層１２はｎ型半導体として機能し、ｐ型層１３はｐ型半導体として機能する。
【００７５】
さらに、第３のアモルファスシリコン層３の裏面のｐ型層１３の裏面に接するようにして裏面電極７が設置されている。
【００７６】
そして、第１のアモルファスシリコン層１の裏面のｐ型層９と、第２のアモルファスシリコン層２の光入射側の表面のｎ型層１０とが接合されている。また、第２のアモルファスシリコン層２の裏面のｐ型層１１と、第３のアモルファスシリコン層３の光入射側の表面のｎ型不純物含有層１２とが接合されている。これらの接合によって、光入射側から第１のアモルファスシリコン層１、第２のアモルファスシリコン層２および第３のアモルファスシリコン層３が順次積層された積層構造が構成されている。
【００７７】
以上のような構成の本実施の形態の光電変換装置に光が入射することによって発生したキャリアは、光入射側の透明導電膜８および裏面側の裏面電極７からそれぞれ外部に取り出されるが、光入射側においてキャリアは酸化シリコン膜６中をトンネル効果等によって通過して透明導電膜８から取り出される。
【００７８】
以下、図１に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。まず、ガラス基板１４の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に透明導電膜８を形成する。ここで、透明導電膜８の形成は、たとえば、スパッタリング法、蒸着法またはゾルゲル法等を用いることによって、ガラス基板１４の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＯ（Indium Oxide；酸化インジウム）、ＴＯ（Tin Oxide；酸化スズ）またはＺＯ（Zinc Oxide；酸化亜鉛）などを形成することによって行なうことができる。
【００７９】
次に、セシウム５の配置後の透明導電膜８の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に酸化シリコン膜６を形成する。ここで、酸化シリコン膜６は、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法または酸素を含む雰囲気に曝す方法などによって形成することができる。
【００８０】
次に、酸化シリコン膜６の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に正の固定電荷となる不純物であるセシウム５を配置する。ここで、セシウム５は、たとえば、酸化シリコン膜６上に、塩化セシウム水溶液または水酸化セシウム水溶液などのセシウムを含む溶液を塗布する方法、またはセシウム蒸気に曝す方法などを用いて酸化シリコン膜６上に配置することができる。
【００８１】
また、セシウム５を酸化シリコン膜６上に配置する代わりに、酸化シリコン膜６を形成する際に、たとえば、ＣＶＤ法またはＡＬＤ法等に用いる酸化シリコン膜６の原料ガス中にセシウムを含有させることによって酸化シリコン膜６中にセシウムを含有させておくこともできる。
【００８２】
次に、酸化シリコン膜６の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に、第１のアモルファスシリコン層１およびｐ型層９を順次積層する。ここで、これらの層は、たとえば、ＣＶＤ法などによって、ノンドープのアモルファスシリコン膜を形成して第１のアモルファスシリコン層１を形成した後に、ボロン等のｐ型不純物をドープさせたｐ型アモルファスシリコン膜を形成することによってｐ型層９を形成して順次積層させることができる。
【００８３】
なお、ｐ型不純物のドープによるｐ型アモルファスシリコン膜の形成は、たとえば、ｐ型不純物を含むドーピングガス（たとえば、ジボラン等）をアモルファスシリコン膜の原料ガスに混入した状態でアモルファスシリコン膜を成膜することによって行なうことができる。なお、ｐ型不純物としては、たとえば、ボロン、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムなどを用いることができる。
【００８４】
次に、ｐ型層９の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に、ｎ型層１０、第２のアモルファスシリコン層２およびｐ型層１１を順次積層する。ここで、これらの層は、たとえば、ＣＶＤ法などによって、ｎ型不純物を含むドーピングガス（たとえば、ホスフィンまたはアルシン等）をアモルファスシリコン膜の原料ガスに混入した状態でアモルファスシリコン膜を成膜することによってｎ型層１０を形成した後に、ｎ型不純物のドープを停止してノンドープのアモルファスシリコン膜を形成して第２のアモルファスシリコン層２を形成し、さらにはｐ型不純物を含むドーピングガス（たとえば、ジボラン等）をアモルファスシリコン膜の原料ガスに混入した状態でアモルファスシリコン膜を成膜することによってｐ型層１１を形成することなどによって積層することができる。なお、ｎ型不純物としては、たとえば、リン、砒素またはアンチモンなどを用いることができる。
【００８５】
次に、第２のアモルファスシリコン層２の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に、ｎ型層１２、第３のアモルファスシリコン層３およびｐ型層１３を順次積層する。ここで、これらの層は、たとえば、ＣＶＤ法などによって、ｎ型不純物をドープさせたｎ型アモルファスシリコン膜を形成してｎ型層１２を形成した後に、ｎ型不純物のドープを停止してノンドープのアモルファスシリコン膜を形成して第３のアモルファスシリコン層３を形成し、さらにはｐ型不純物をドープさせたｐ型アモルファスシリコン膜を形成してｐ型層１３を形成することなどによって積層することができる。
【００８６】
次に、ｐ型層１３の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に裏面電極７を形成する。ここで、裏面電極７は、たとえば、ｐ型層１３の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上にアルミニウムなどの金属を蒸着等することによって形成することができる。
【００８７】
最後に、例えば２００〜５００℃の水素雰囲気中でアニールしてもよい。これにより、ダングリングボンドが水素で終端され、キャリアの再結合が起こりにくくなり、光電変換効率を向上することが出来る。
【００８８】
なお、本発明においては、裏面電極７上に上記とは逆の積層順序でアモルファスシリコン膜等を積層することもできる。
【００８９】
以上のようにして作製した上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６と第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面とが接しており、酸化シリコン膜６の第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面との界面でイオン化したセシウム５によって、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面に表面反転層４が形成される。
【００９０】
したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、従来の特許文献１の光電変換装置のように、半導体層の積層構造の最上部に不純物がドープされた半導体層からなる表面不純物層が設置された光電変換装置に比べて、表面不純物層における短波長の光の吸収が抑えられるため、光電変換効率などの光電変換装置の特性を向上させることができる。
【００９１】
また、正の固定電荷となる不純物としてのイオン化したセシウム５を含む酸化シリコン膜６が第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面に接するように設置されており、第１のアモルファスシリコン層１との界面近傍に正の固定電荷となる不純物としてイオン化したセシウム５を配置させることができる。これにより、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面に電子が高密度に誘起されてｎ型半導体としての機能が高い表面反転層４が形成されるため、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面における界面準位、またはｎ型若しくはｐ型不純物の準位等に起因するキャリアの再結合が抑制されることなどによって、光電変換効率などの光電変換装置の特性が向上する。
【００９２】
また、従来の特許文献１の光起電力素子においては、透明導電膜とｐ型アモルファスシリコン層（またはｎ型アモルファスシリコン層）との接合付近において、キャリアの流れを妨げる方向に電位勾配が生じる。これは、アモルファスシリコン層中の不純物の活性化率が低いこと、および、金属と半導体との界面にはショットキー障壁が形成されることが主なが原因である。また、従来の特許文献１の光起電力素子においては、アモルファスシリコン層間を接続するｐｎ接合部分に全起電力を減少させる方向の起電力が生じる。これは、各ｐｎ接合部分がアモルファスシリコン層とは逆向きの発電をすること、および光起電力素子全体に電流が流れる場合にはｐｎ接合部分に順バイアス電圧がかかり、これらは従来の特許文献１の光起電力素子の全起電力とは逆方向となる。しかしながら、本発明においては、従来の特許文献１のような光起電力素子のような光電変換効率を減少させる要因はないため、光電変換装置の特性が向上する。
【００９３】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６と第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面との界面におけるセシウム５の偏析量によって表面反転層４に誘起される電子の密度を制御することができる。
【００９４】
特に、酸化シリコン膜６と第１のアモルファスシリコン層１との界面近傍にセシウム５を偏析させる場合、表面反転層４における最適な電子の密度を得るためのセシウムイオン注入量のマージンが広いため、安定した品質で高特性の光電変換装置を提供することができる。
【００９５】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面における界面準位を表面反転層４に誘起される負電荷で終端することにより、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
【００９６】
また、光入射側の透明導電膜８と接する半導体層にアモルファスシリコンを用いた場合には、高温プロセスを適用することは困難であるため、透明導電膜８と接する半導体層に不純物活性化率の高い高濃度不純物ドープ層を形成して、透明導電膜８と半導体層との間の接触抵抗を低くすることは難しい。しかしながら、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６中のイオン化したセシウム５によって第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面に表面反転層４を形成することができ、表面反転層４と透明導電膜８とはキャリアがトンネル効果等によって通過可能な極めて薄い酸化シリコン膜６を介して接触させることができるため、高温プロセスを用いて高濃度の不純物ドープ層を形成しなくても、透明導電膜８と第１のアモルファスシリコン層１との接触抵抗を低くすることができる。
【００９７】
また、上記においては、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層としてそれぞれアモルファスシリコンを用いたが、これには限定されず、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層としては、たとえば結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコンまたはシリコン以外の他の種類の半導体などの半導体層をそれぞれ用いてもよい。なお、結晶シリコンには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンと多結晶シリコンとの混合体などが含まれる。なお、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層はそれぞれ同じ材質の半導体層から形成されていてもよく、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層の少なくとも１つが異なる材質の半導体層から形成されていてもよい。
【００９８】
また、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層にそれぞれ結晶シリコンを用いた場合には、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層の積層構造は、たとえば、以下のようにして作製することができる。まず、結晶シリコンの一方の表面にｐ型不純物を拡散させてｐ型層を形成し、結晶シリコンの他方の表面にｎ型不純物を拡散させてｎ型層を形成したシリコン基板（両面ドープシリコン基板）を２枚作製するとともに、結晶シリコンの一方の表面のみにｐ型不純物を拡散させてｐ型層を形成し、結晶シリコンの他方の表面にはｎ型不純物を拡散させずにｎ型層を形成していないシリコン基板（片面ドープシリコン基板）を１枚作製する。そして、片面ドープシリコン基板のｐ型層に１枚の両面ドープシリコン基板のｎ型層を貼り合わせるとともに、当該両面ドープシリコン基板のｐ型層に他の両面ドープシリコン基板のｎ型層を貼り合わせることによって、上記の積層構造を作製することができる。
【００９９】
その後、露出している片面ドープシリコン基板の表面にセシウム５を配置した後、たとえば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、ＲＴＯ（Rapid Thermal Oxidation：急速熱酸化）法、またはプラズマ酸化法などによって露出している片面ドープシリコン基板の表面の一部に酸化シリコン膜６を形成する。続いて、たとえば、スパッタ法、ＣＶＤ法またはゾルゲル法などを用いることによって、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯなどからなる透明導電膜９を形成し、当該透明導電膜９とは逆側の上記積層構造の裏面のｐ型層に接して裏面電極７を形成することによって本実施の形態の光電変換装置を作製することができる。なお、セシウム５は、酸化シリコン膜６を形成した後、酸化シリコン膜６中にセシウムイオンをイオン注入し、その後アニールすることによって、酸化シリコン膜６と片面ドープシリコン基板の界面に偏析させてもよい。
【０１００】
このように、酸化シリコン膜６のアニールによって酸化シリコン膜６と第１の半導体層との界面近傍にイオン化したセシウム５を偏析させる場合、表面反転層４における最適な電子の密度を得るためのセシウムイオン注入量のマージンが広いため、安定した品質で高特性の光電変換装置を提供することができる。また、所望の膜厚よりも厚い酸化シリコン膜６を形成した後、酸化シリコン膜６中にセシウムイオンをイオン注入し、続いてアニールすることによってセシウムを酸化シリコン膜６と片面ドープシリコン基板との界面に偏析させ、その後、フッ酸水溶液などでの処理または反応性イオンエッチングなどを行なうことによって、酸化シリコン膜６が所望の膜厚になるまで薄膜化してもよい。
【０１０１】
また、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層の積層構造はたとえば以下のようにしても作製することができる。
【０１０２】
まず、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板などのシリコン基板の表面に、ｎ型層を形成する。ｎ型層は、たとえば、リン、砒素またはアンチモンなどのｎ型不純物を上記シリコン基板の表面にイオン注入した後に活性化アニールを行なうことによって形成することができる。また、ｎ型層は、上記シリコン基板の表面に上記ｎ型不純物をドープしたｎ型アモルファスシリコン膜を成膜することによって形成してもよい。
【０１０３】
次に、ｎ型層上に、たとえば、ＣＶＤ法などを用いて、ｐ型微結晶シリコン膜、ノンドープ微結晶シリコン膜、ｎ型微結晶シリコン膜、ｐ型アモルファスシリコン膜およびノンドープアモルファスシリコン膜をこの順に堆積する。
【０１０４】
次に、ノンドープアモルファスシリコン膜上に、たとえば水酸化セシウム水溶液または塩化セシウム水溶液等のセシウムを含む溶液を塗布し、乾燥させることにより、ノンドープアモルファスシリコン膜の表面にセシウムを配置する。
【０１０５】
次に、たとえば、ＣＶＤ法またはプラズマ酸化法などによって、酸化シリコン膜を形成する。その後、酸化シリコン膜上に透明導電膜を形成する。また、透明導電膜は、たとえば、スパッタ法、蒸着法またはゾルゲル法などを用いて、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯのいずれかを形成すればよい。
【０１０６】
次に、上記のシリコン基板の裏面に、裏面電極を形成する。ここで、裏面電極の形成は、たとえば、スパッタ法または蒸着法などを用いることによってアルミニウム等の金属を形成することによって行なうことができる。
【０１０７】
最後に、水素を含む雰囲気中で、３００〜５００℃のアニールを実施してもよい。これにより、膜と膜の界面、結晶粒界またはアモルファスシリコン中に存在するダングリングボンドを水素で終端することができるため、キャリアの再結合を抑制することができ、光電変換装置の変換効率を向上することができる。
【０１０８】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、光入射側に近い第１の半導体層のバンドギャップが、光入射側から遠い第２の半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。また、光入射側に近い第２の半導体層のバンドギャップが、光入射側から遠い第３の半導体層のバンドギャップ以上であることがより好ましい。さらには、光入射側に近い第１の半導体層のバンドギャップが第１の半導体層よりも光入射側から遠い第２の半導体層のバンドギャップ以上であり、かつ光入射側に近い第２の半導体層のバンドギャップが第２の半導体層よりも光入射側から遠い第３の半導体層のバンドギャップ以上である（第３の半導体層のバンドギャップ≦第２の半導体層のバンドギャップ≦第１の半導体層のバンドギャップ）ことがさらに好ましい。このような光入射側から短波長の光から長波長の光を順次吸収できるような積層構造とすることによって、本実施の形態の光電変換装置に入射した光の吸収量が大きくなるため、光電変換効率などの本実施の形態の光電変換装置の特性が向上する傾向にある。
【０１０９】
なお、上記の第３の半導体層のバンドギャップ≦第２の半導体層のバンドギャップ≦第１の半導体層のバンドギャップの関係とするための半導体層の構成としては、たとえば、第１の半導体層にアモルファスの炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用い、第２の半導体層にアモルファスシリコンを用い、第３の半導体層に微結晶シリコンを用いる構成が挙げられる。
【０１１０】
また、上記の第３の半導体層のバンドギャップ≦第２の半導体層のバンドギャップ≦第１の半導体層のバンドギャップの関係とするための半導体層の他の構成としては、たとえば、第１の半導体層にアモルファスの炭化ケイ素を用い、第２の半導体層にアモルファスシリコンを用い、第３の半導体層にアモルファスのシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を用いる構成が挙げられる。
【０１１１】
また、上記の第３の半導体層のバンドギャップ≦第２の半導体層のバンドギャップ≦第１の半導体層のバンドギャップの関係とするための半導体層の構成としては、たとえば、第１の半導体層にアモルファスの炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用い、第２の半導体層にアモルファスシリコンを用い、第３の半導体層に単結晶または多結晶シリコンを用いる構成が挙げられる。
【０１１２】
また、上記の第３の半導体層のバンドギャップ≦第２の半導体層のバンドギャップ≦第１の半導体層のバンドギャップの関係とするための半導体層の構成としては、たとえば、第１の半導体層にアモルファスシリコンを用い、第２の半導体層に微結晶シリコンを用い、第３の半導体層に単結晶または多結晶シリコンを用いる構成が挙げられる。
【０１１３】
なお、たとえば、シリコンが含まれる半導体材料のバンドギャップの大小関係は、アモルファス炭化ケイ素＞多結晶炭化ケイ素＞単結晶炭化ケイ素＞アモルファスシリコン＞微結晶シリコン＞多結晶シリコン＞単結晶シリコン＞アモルファスシリコンゲルマニウム＞多結晶シリコンゲルマニウム＞単結晶シリコンゲルマニウムであるため、バンドギャップの大きい材料ほど光入射側になるように積層すればよい。
【０１１４】
また、第１の半導体層の厚さは、第１の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、第１の半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって、入射した光が吸収される確率も高くすることができる。
【０１１５】
また、第２の半導体層の厚さは、第２の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、第２の半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって、入射した光が吸収される確率も高くすることができる。
【０１１６】
また、第３の半導体層の厚さは、第３の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、第３の半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって、入射した光が吸収される確率も高くすることができる。
【０１１７】
また、上記においては、表面誘電体膜として酸化シリコン膜６を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、炭化ケイ素、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種を用いてもよい。
【０１１８】
また、表面誘電体膜としては、バンドギャップが４．２ｅＶ以上である誘電体膜を用いることが好ましい。たとえば太陽光の大部分は３００ｎｍ以上の波長を有する光から構成されているため、バンドギャップが４．２ｅＶ以上である表面誘電体膜を用いて太陽光を入射させた場合には、３００ｎｍ以上の波長を有する太陽光は吸収されず、変換ロスが少なくなるため、光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
【０１１９】
また、トンネル効果を向上させる観点からは、表面誘電体膜の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましい。すなわち、本実施の形態の光電変換装置において、トンネル効果を向上させる観点からは、表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましい。さらに、酸化シリコン膜６の厚さを１ｎｍ以下とすることによってダイレクトトンネリングによるキャリア伝導が支配的となり、透明導電膜８と表面反転層４との間の抵抗を小さくすることができる。
【０１２０】
また、上記においては、正の固定電荷となる不純物としてセシウム５を用いた場合について説明したが、これには限定されず、たとえば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。
【０１２１】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、ｐ型とｎ型の導電型が入れ替わっていてもよい。この場合には、セシウムのような正の固定電荷となる不純物の代わりに、負の固定電荷となる不純物を用いることができる。負の固定電荷となる不純物としては、たとえば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。
【０１２２】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、上記の不純物が最も多く存在する箇所は、第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層１と表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６との界面から、この界面に対して垂直な方向に第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層１側に５ｎｍ進向した領域と、表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
【０１２３】
すなわち、本発明の光電変換装置においては、表面誘電体膜が、第１の半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有していればよいが、この不純物の少なくとも一部が、第１の半導体層と表面誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に第１の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、表面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に存在していればよい。
【０１２４】
また、上記においては、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の酸化シリコン膜６を反射防止膜として機能させてもよく、酸化シリコン膜６の表面にテクスチャ構造および／またはモスアイ構造などを形成してもよいことは言うまでもない。
【０１２５】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層の３層を積層した積層構造を有する場合について説明したが、これに限定されず、第１の半導体層を含む１層以上であれば、半導体層の積層数は限定されない。なお、半導体層の厚さの合計は、１００μｍ以上であることが好ましい。これにより、長波長光についても効率的な光電変換が可能になる傾向にある。
【０１２６】
また、上述したように、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、ｎ型とｐ型の導電型を入れ替えてもよい。なお、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においてｎ型とｐ型の導電型を入れ替えた場合には、正と負の電荷の極性、および電子と正孔も入れ替わることになる。
【０１２７】
上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、透明導電膜８として、たとえば、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯからなる層の単層または複数層の積層体を用いることができる。
【０１２８】
また、本実施の形態の光電変換装置のように第１の半導体層にアモルファスシリコンを用いた場合には、表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６に含まれる不純物として負の固定電荷となる不純物を用いて、第１の半導体層の光入射側の表面に正の電荷を誘起させてｐ型半導体として機能する表面反転層４を形成することが好ましい。
【０１２９】
＜実施の形態２＞
図２に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図２に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第３の半導体層としての第３のアモルファスシリコン層３の光入射側とは反対側の裏面に裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜２６が設置されている点に特徴がある。
【０１３０】
ここで、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜２６は、第３のアモルファスシリコン層３との界面近傍に、表面誘電体膜としての酸化シリコン膜６に含まれる正の固定電荷となる不純物としてのセシウム５とは逆の極性の負の固定電荷となる不純物２５を有している。そして、負の固定電荷となる不純物２５の存在によって、酸化シリコン膜２６が接する第３のアモルファスシリコン層３の裏面の領域の少なくとも一部に正の電荷が誘起してｐ型半導体として機能する裏面反転層２４が形成されている。
【０１３１】
以上のような構成の本実施の形態の光電変換装置に光が入射することによって発生したキャリアは、光入射側の透明導電膜８および裏面側の裏面電極７からそれぞれ外部に取り出されるが、光入射側においてはキャリアは酸化シリコン膜６中をトンネル効果等によって通過して透明導電膜８から取り出され、裏面側においてはキャリアは酸化シリコン膜２６中をトンネル効果等によって通過して裏面電極７から取り出される。
【０１３２】
本実施の形態のような構成とすることによって、裏面電極７として透明導電膜などの透明電極を用いて、第１の半導体層としての第１のアモルファスシリコン層１側からだけでなく第３の半導体層としての第３のアモルファスシリコン層３側からも光を入射させたときに、第３のアモルファスシリコン層３の裏面にｐ型不純物を拡散させることによって形成されたｐ型層がある場合に比べて、ｐ型層による短波長の光の吸収を抑制することができるため、光電変換装置の光電変換効率などの特性を向上させることが可能になる。
【０１３３】
また、本実施の形態のような構成とすることによって、第３のアモルファスシリコン層３の裏面における界面準位を裏面反転層２４に誘起される正電荷で終端することにより、第３のアモルファスシリコン層３の裏面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
【０１３４】
なお、裏面電極７が透明導電膜などの透明電極からなる場合には、裏面電極７としては、たとえば、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯからなる層の単層または複数層の積層体を用いることができる。また、裏面電極７は、たとえばアルミニウムなどの金属電極からなっていてもよい。
【０１３５】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、第１の半導体層の厚さは第２の半導体層の厚さ以下であり、かつ第２の半導体層の厚さは第３の半導体層の厚さ以下であることが好ましい。一般に、直列接続された半導体層からなる光電変換装置の光電変換効率は、光入射側の半導体層ほど広いスペクトルの光が入射するため、単位厚さ当たりの発生電流も光入射側の半導体層ほど大きくなる傾向にある。また、直列接続された半導体層からなる光電変換装置では、最も発生電流量の小さい半導体層の電流が、光電変換装置全体に流れる電流量を律速するため、各半導体層で発生する電流量は等しくなっていることが好ましい。したがって、光入射側から遠い半導体層ほど厚く形成することによって、各半導体層で発生する電流量をほぼ揃えることができるため、光電変換効率を向上することができる。
【０１３６】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、裏面誘電体膜としては、酸化シリコン膜２６を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、炭化ケイ素、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種を用いてもよい。
【０１３７】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜２６に含まれる不純物２５が最も多く存在する箇所は、第３の半導体層としての第３のアモルファスシリコン層３と裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜２６との界面から、この界面に対して垂直な方向に第３の半導体層としての第３のアモルファスシリコン層３側に５ｎｍ進向した領域と、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜２６側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
【０１３８】
すなわち、本発明の光電変換装置においては、裏面誘電体膜が、第３の半導体層との界面近傍に、表面誘電体膜に含まれる正または負の固定電荷となる不純物と逆の極性の固定電荷となる不純物を有していることが好ましいが、この場合には、この不純物の少なくとも一部が、第３の半導体層と裏面誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に第３の半導体層側に５ｎｍ進向した領域と、裏面誘電体膜側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に存在していればよい。
【０１３９】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、キャリアのトンネル効果を向上させる観点からは、裏面誘電体膜の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましい。すなわち、本実施の形態の光電変換装置において、トンネル効果を向上させる観点からは、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜２６の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましい。
【０１４０】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、負の固定電荷となる不純物２５としては、たとえば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。
【０１４１】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、ｐ型とｎ型の導電型が入れ替わっていてもよい。この場合には、裏面誘電体膜に含まれる不純物２５としては、負の固定電荷となる不純物の代わりに正の固定電荷となる不純物を用いることができる。不純物２５として、正の固定電荷となる不純物を用いる場合には、たとえば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることができる。
【０１４２】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、裏面誘電体膜に含まれる不純物２５は、たとえば、アルミニウムなどの負の固定電荷となる不純物２５を含有する溶液（たとえば、アルカリ性水溶液にアルミニウムを溶かしたものなど）を塗布する方法、アルミニウムなどの負の固定電荷となる不純物２５を含有する蒸気に暴露する方法、スパッタ法などを用いて、第３のアモルファスシリコン層３の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に付着させた後、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、プラズマ酸化法などによって、第３のアモルファスシリコン層３の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に酸化シリコン膜２６を形成することによって、第３のアモルファスシリコン層３と酸化シリコン膜２６の界面に配置することができる。
【０１４３】
なお、負の固定電荷となる不純物２５を第３のアモルファスシリコン層３の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に配置する代わりに、上記の酸化シリコン膜２６を形成する際に、ＣＶＤまたはＡＬＤ等に用いる酸化シリコン膜２６の原料ガスの中に負の固定電荷となる不純物２５を含有する分子を含ませることによって酸化シリコン膜２６中に負の固定電荷となる不純物２５を含有させておくこともできる。
【０１４４】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、酸化シリコン膜２６中に含まれる不純物２５は、たとえば、熱酸化法、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法またはプラズマ酸化法などによって第３のアモルファスシリコン層３の裏面上に酸化シリコン膜２６を形成した後に、当該酸化シリコン膜２６中にたとえば不純物２５をイオン注入することなどによって形成することができる。
【０１４５】
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【０１４６】
＜実施の形態３＞
図３に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図３に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第１のアモルファスシリコン層１の裏面の酸化シリコン膜３２と第２のアモルファスシリコン層２の表面の酸化シリコン膜３４とが第１の中間透明導電膜３３を介して接合され、第２のアモルファスシリコン層２の裏面の酸化シリコン膜３７と第３のアモルファスシリコン層３の表面の酸化シリコン膜３９とが第２の中間透明導電膜３８を介して接合されている点に特徴がある。
【０１４７】
ここで、本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜６が第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面との界面近傍において正の固定電荷となる不純物としてイオン化したセシウム５を有しているとともに、酸化シリコン膜３４が第２のアモルファスシリコン層２の光入射側の表面との界面近傍において正の固定電荷となる不純物としてイオン化したセシウム５を有しており、さらには酸化シリコン膜３９が第３のアモルファスシリコン層３の光入射側の表面との界面近傍において正の固定電荷となる不純物としてイオン化したセシウム５を有している。
【０１４８】
また、酸化シリコン膜２６が第３のアモルファスシリコン層３の裏面との界面近傍において負の固定電荷となる不純物２５を有しているとともに、酸化シリコン膜３７が第２のアモルファスシリコン層２の裏面との界面近傍において負の固定電荷となる不純物２５を有しており、さらには酸化シリコン膜３２が第１のアモルファスシリコン層１の裏面との界面近傍において負の固定電荷となる不純物２５を有している。
【０１４９】
本実施の形態の光電変換装置は、上記の構成を有していることから、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面には電子が誘起してｎ型半導体として機能する表面反転層４が形成されており、第１のアモルファスシリコン層１の裏面には正孔が誘起してｐ型半導体として機能する裏面反転層３１が形成されている。
【０１５０】
また、第２のアモルファスシリコン層２の光入射側の表面にも電子が誘起してｎ型半導体として機能する表面反転層３５が形成されており、第２のアモルファスシリコン層２の裏面には正孔が誘起してｐ型半導体として機能する裏面反転層３６が形成されている。
【０１５１】
さらには、第３のアモルファスシリコン層３の光入射側の表面にも電子が誘起してｎ型半導体として機能する表面反転層４０が形成されており、第３のアモルファスシリコン層３の裏面には正孔が誘起してｐ型半導体として機能する裏面反転層２４が形成されている。
【０１５２】
以上のような構成の本実施の形態の光電変換装置に光が入射することによって発生したキャリアは、光入射側の透明導電膜８および裏面側の裏面電極７からそれぞれ外部に取り出され、光入射側においてはキャリアは酸化シリコン膜６をトンネル効果等によって通過して透明導電膜８から取り出され、裏面側においてはキャリアは酸化シリコン膜２６をトンネル効果等によって通過して裏面電極７から取り出すことができる。
【０１５３】
また、たとえば第２のアモルファスシリコン層２で発生したキャリアのうち電子はトンネル効果等によって、裏面反転層３６中、酸化シリコン膜３７中、第２の中間透明導電膜３８中、酸化シリコン膜３９中および表面反転層４０中をそれぞれ移動するとともに、正孔はトンネル効果等によって表面反転層３５中、酸化シリコン膜３４中、第１の中間透明導電膜３３中、酸化シリコン膜３２中および裏面反転層３１中を移動することになる。
【０１５４】
従来の特許文献１に記載の光起電力素子においては、単位セル間をｐｎ接合で接合しているため、このｐｎ接合部分が高抵抗となって光起電力素子の光電変換効率等の特性が低下する傾向にある。しかしながら、本実施の形態のように、中間透明導電膜と、正または負の固定電荷となる不純物を含む酸化シリコン膜とをトンネル効果等によって通過させる構成とすることによって、従来の特許文献１に記載の光起電力素子のｐｎ接合と比較して低抵抗とすることができる。これは、中間透明導電膜の光入射側の表面および裏面にそれぞれ形成された酸化シリコン膜が正または負の固定電荷となる不純物を含んでいるため、トンネル効果等による透過確率を向上させることができるためである。
【０１５５】
特に、本実施の形態のように、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層にそれぞれアモルファスシリコンを用いた場合には、高温プロセスを適用することが困難であり、従来の特許文献１に記載の光起電力素子においては、ｐｎ接合を構成するｐ型層およびｎ型層のキャリア濃度が低くなるため、より効果的であると考えられる。
【０１５６】
なお、上記において、第１の中間透明導電膜３３および第２の中間透明導電膜３８としてはそれぞれ、たとえば、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯからなる層の単層または複数層の積層体を用いることができる。なお、透明導電膜８、第１の中間透明導電膜３３および第２の中間透明導電膜３８としてはそれぞれ同じ材質の透明導電膜を用いてもよく、透明導電膜８、第１の中間透明導電膜３３および第２の中間透明導電膜３８の少なくとも１つが異なる材質の透明導電膜からなっていてもよい。
【０１５７】
また、上記においては、第１の表面誘電体膜として酸化シリコン膜６を用い、第１の裏面誘電体膜として酸化シリコン膜３２を用い、第２の表面誘電体膜として酸化シリコン膜３４を用い、第２の裏面誘電体膜として酸化シリコン膜３７を用い、第３の表面誘電体膜として酸化シリコン膜３９を用い、第３の裏面誘電体膜として酸化シリコン膜２６を用いているが、第１の表面誘電体膜、第１の裏面誘電体膜、第２の表面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜、第３の表面誘電体膜および第３の裏面誘電体膜としてはそれぞれ酸化シリコン膜に限定されず、たとえば、炭化ケイ素、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも１種を用いてもよい。なお、第１の表面誘電体膜、第１の裏面誘電体膜、第２の表面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜、第３の表面誘電体膜および第３の裏面誘電体膜としてはそれぞれ同じ材質の誘電体膜を用いてもよく、第１の表面誘電体膜、第１の裏面誘電体膜、第２の表面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜、第３の表面誘電体膜および第３の裏面誘電体膜の少なくとも１つが異なる材質の誘電体膜からなっていてもよい。
【０１５８】
また、第１の表面誘電体膜、第１の裏面誘電体膜、第２の表面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜および第３の表面誘電体膜のそれぞれのバンドギャップは４．２ｅＶ以上であることが好ましい。たとえば太陽光の大部分は３００ｎｍ以上の波長を有する光から構成されているため、バンドギャップが４．２ｅＶ以上である第１の表面誘電体膜、第１の裏面誘電体膜、第２の表面誘電体膜、第２の裏面誘電体膜および第３の表面誘電体膜をそれぞれ用いて太陽光を入射させた場合には、３００ｎｍ以上の波長を有する太陽光は吸収されず、変換ロスが少なくなるため、光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
【０１５９】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、酸化シリコン膜３２に含まれる不純物２５が最も多く存在する箇所は、第１のアモルファスシリコン層１と酸化シリコン膜３２との界面から、この界面に対して垂直な方向に第１のアモルファスシリコン層１側に５ｎｍ進向した領域と、酸化シリコン膜３２側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
【０１６０】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、酸化シリコン膜３４に含まれるイオン化したセシウム５が最も多く存在する箇所は、第２のアモルファスシリコン層２と酸化シリコン膜３４との界面から、この界面に対して垂直な方向に第２のアモルファスシリコン層２側に５ｎｍ進向した領域と、酸化シリコン膜３４側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
【０１６１】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、酸化シリコン膜３７に含まれる不純物２５が最も多く存在する箇所は、第２のアモルファスシリコン層２と酸化シリコン膜３７との界面から、この界面に対して垂直な方向に第２のアモルファスシリコン層２側に５ｎｍ進向した領域と、酸化シリコン膜３７側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
【０１６２】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、酸化シリコン膜３９に含まれるイオン化したセシウム５が最も多く存在する箇所は、第３のアモルファスシリコン層３と酸化シリコン膜３９との界面から、この界面に対して垂直な方向に第３のアモルファスシリコン層３側に５ｎｍ進向した領域と、酸化シリコン膜３９側に５ｎｍ進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
【０１６３】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、キャリアのトンネル効果を向上させる観点からは、酸化シリコン膜３２、酸化シリコン膜３４、酸化シリコン膜３７および酸化シリコン膜３９の厚さはそれぞれ３ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましい。
【０１６４】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、酸化シリコン膜３２は、たとえば、アルミニウムなどの負の固定電荷となる不純物２５を含有する溶液（アルカリ性水溶液にアルミニウムを溶かしたものなど）を塗布する方法、アルミニウムなどの負の固定電荷となる不純物２５を含有する蒸気に暴露する方法、スパッタ法などを用いて、第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に負の固定電荷となる不純物２５を付着させた後、たとえば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、酸素を含む雰囲気に暴露する方法などによって第１のアモルファスシリコン層１の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に形成することができる。また、酸化シリコン膜３２中にたとえば不純物２５をイオン注入してもよい。
【０１６５】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、第１の中間透明導電膜３３は、たとえば、スパッタリング法、蒸着法またはゾルゲル法等を用いることによって、酸化シリコン膜３２の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯなどを蒸着等することによって形成すればよい。
【０１６６】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、酸化シリコン膜３４は、たとえば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法または酸素を含む雰囲気に暴露する方法などを用いて、第１の中間透明導電膜３３の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に形成することができる。その後、たとえば、塩化セシウム水溶液等のセシウムを含む溶液を塗布する方法、またはセシウム蒸気に暴露する方法などを用いてセシウム５を酸化シリコン膜３４の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に配置した後に、たとえばＣＶＤ法などによって第２のアモルファスシリコン層２を形成することができる。
【０１６７】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、酸化シリコン膜３７は、たとえば、アルミニウムなどの負の固定電荷となる不純物２５を含有する溶液（アルカリ性水溶液にアルミニウムを溶かしたものなど）を塗布する方法、アルミニウムなどの負の固定電荷となる不純物２５を含有する蒸気に暴露する方法、スパッタ法などを用いて、第２のアモルファスシリコン層２の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に負の固定電荷となる不純物２５を付着させた後、たとえば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、酸素を含む雰囲気に暴露する方法などによって第２のアモルファスシリコン層２の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に形成することができる。また、酸化シリコン膜３７中にたとえば不純物２５をイオン注入してもよい。
【０１６８】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、第２の中間透明導電膜３８は、たとえば、スパッタリング法、蒸着法、ゾルゲル法等を用いることによって、酸化シリコン膜３７の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に、ＩＴＯ、ＩＯ、ＴＯまたはＺＯなどを形成すればよい。
【０１６９】
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、酸化シリコン膜３９は、たとえば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法または酸素を含む雰囲気に暴露する方法などを用いて、第２の中間透明導電膜３８の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に形成することができる。その後、たとえば、塩化セシウム水溶液等のセシウムを含む溶液を塗布する方法、またはセシウム蒸気に暴露する方法などを用いてセシウム５を酸化シリコン膜３９の光入射側の表面とは反対側の裏面となる表面上に配置した後に、たとえばＣＶＤ法などによって第３のアモルファスシリコン層３を形成することができる。
【０１７０】
また、第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層の積層構造はたとえば以下のようにしても作製することができる。
【０１７１】
まず、単結晶シリコン基板または多結晶シリコン基板などのシリコン基板の表面に、たとえば、熱酸化法またはＣＶＤ法などを用いて酸化シリコン膜を形成する。
【０１７２】
次に、酸化シリコン膜中に、正の固定電荷になる不純物として、たとえばセシウムをイオン注入する。続いて、８００〜１１００℃程度、好ましくは８５０〜９５０℃にてアニールすることにより、セシウムを酸化シリコン膜とシリコン基板との界面に偏析させる。
【０１７３】
次に、酸化シリコン膜上に透明導電膜を形成する。透明導電膜は、たとえば、スパッタ法、蒸着法またはゾルゲル法等によって形成することができる。
【０１７４】
次に、透明導電膜上に、酸化シリコン膜を形成する。ここで、シリコン基板の裏面をフッ酸水溶液等で処理するなどして、シリコン基板の裏面に着いた酸化シリコン膜を除去してもよい。
【０１７５】
次に、シリコン基板を、たとえばアルミニウムを含有する溶液（たとえばアルカリ性水溶液にアルミニウムを溶かしたもの）中にディップすることによって、負の固定電荷としてのアルミニウムを、最表面の酸化シリコン膜およびシリコン基板裏面に付着させる。
【０１７６】
上記のようにして作製される積層構造を有するシリコン基板を複数作製し、積層構造を有する第１のシリコン基板の裏面と、上記の積層構造を有する第２のシリコン基板の表面側の酸化シリコン膜とが接するように貼り合わせる。次に、上記の積層構造を有する第２のシリコン基板の裏面と、上記の積層構造を有する第３のシリコン基板の表面側の酸化シリコン膜とが接するように貼り合わせる。シリコン基板を４層以上形成する場合には、上記と同様にしてシリコン基板を貼り合わせていく。
【０１７７】
次に、上記の貼り合わせ後のシリコン基板の裏面に、酸化シリコン膜を形成した後に裏面電極を形成する。
【０１７８】
最後に、３００〜５００℃の水素雰囲気中でアニールしてもよい。これにより、ダングリングボンドが水素で終端され、キャリアの再結合が起こりにくくなり、光電変換効率を向上することが出来る。
【０１７９】
本実施の形態でのシリコンの積層数は３層であったが、特に限定されるものではなく、１層以上であればよい。
【０１８０】
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１および実施の形態２と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【実施例】
【０１８１】
図４に、本実施例で作製した光電変換装置のサンプルの模式的な断面図を示す。ここで、図４に示す光電変換装置のサンプルは、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面の一部にｎ+層１０２が形成されている。また、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面上には酸化シリコン膜１０５と窒化シリコン膜１０６とがこの順序で形成されており、酸化シリコン膜１０５および窒化シリコン膜１０６に設けられたコンタクトホールを通してｎ+層１０２に接する電極１０７が設けられている。さらに、酸化シリコン膜１０５は、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面との界面近傍にイオン化したセシウム１０４を有しているため、酸化シリコン膜１０５が接するｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面の領域には負の電荷が誘起されてｎ型半導体として機能する表面反転層１０３が形成される。なお、図示はされていないが、ｐ型シリコン基板１０１の裏面には裏面電極が形成されている。
【０１８２】
以下、図５に示すフローチャートを参照して、図４に示す構成の光電変換装置のサンプルの作製方法について説明する。
【０１８３】
まず、ステップＳ１において、ボロンイオンがイオン注入されたシリコンを１１９０℃の温度でアニールすることによってｐ型シリコン基板１０１を作製する。
【０１８４】
次に、ステップＳ２において、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面に熱酸化法で酸化シリコン膜１０５を形成した後にプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜１０６を形成する。
【０１８５】
次に、ステップＳ３において、酸化シリコン膜１０５および窒化シリコン膜１０６の積層体の一部にコンタクトホールを設けた後に、当該コンタクトホールからＰＯＣｌ3を拡散させることによってｎ+層１０２を形成する。
【０１８６】
次に、ステップＳ４において、ｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面に形成された酸化シリコン膜１０５にセシウムイオンをイオン注入する。
【０１８７】
次に、ステップＳ５において、セシウムイオンのイオン注入後のｐ型シリコン基板１０１を９００℃に加熱することによって、酸化シリコン膜１０５が接するｐ型シリコン基板１０１の光入射側の表面の領域に表面反転層１０３を形成する。
【０１８８】
その後、ステップＳ６において、酸化シリコン膜１０５および窒化シリコン膜１０６の積層体に設けられたコンタクトホールを通して電極１０７が形成されたｐ型シリコン基板１０１を水素雰囲気中でアニールすることによって、図４に示す構成の光電変換装置のサンプルが作製される。
【０１８９】
図６に、図４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍の組成分析を行なった結果を示す。ここで、図６に示す結果は、酸化シリコン膜１０５の全体におけるセシウム１０４の濃度を様々に変化（２×１０15ｃｍ-2、１×１０14ｃｍ-2および５×１０13ｃｍ-2）させて、高解像度ＲＢＳ（Rutherford Back Scattering）により、酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍の組成分析を行なったときの結果である。
【０１９０】
なお、図６における横軸は、図４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面からの距離（ｎｍ）を示し、縦軸は、セシウム濃度（×１０21ｃｍ-3）、シリコン濃度（原子％）および酸素濃度（原子％）をそれぞれ示している。
【０１９１】
図６に示すように、酸化シリコン膜１０５の全体におけるセシウム１０４の濃度を様々に変化させた場合のいずれにおいても、酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面から酸化シリコン膜１０６側への距離およびｐ型シリコン基板１０１側への距離がそれぞれ５ｎｍの範囲内にセシウム１０４の大部分が存在しており、イオン化したセシウム１０４が酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍に偏析していることがわかる。
【０１９２】
図７に、図４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍におけるセシウムの偏析量（ｃｍ-2）と、セシウムの偏析によりｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）との関係を示す。ここで、図７の横軸は、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量を示し、図７の縦軸は、酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍におけるセシウムの偏析量（ｃｍ-2）およびセシウムの偏析によりｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起された電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）を示している。
【０１９３】
また、図７に示す結果は、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量を様々に変化させて、図４に示す構成の光電変換装置のサンプルを作製してホール測定により上記の電子反転層の電子面密度を測定している。また、図７に示すセシウムの偏析量は、図６に示す結果に基づいて算出している。また、図７に示す結果は、ｐ型シリコン基板１０１のボロン濃度をそれぞれ変化（６．５×１０14ｃｍ-3、２．９×１０16ｃｍ-3、１．４×１０17ｃｍ-3および６．６×１０17ｃｍ-3）させたそれぞれサンプルについて求めたものである。
【０１９４】
図７に示すように、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量が増加するにしたがって、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）は増加していくが、セシウムイオンのドーズ量が２×１０14ｃｍ-2以上になると上記の電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）はほぼ一定（２×１０13ｃｍ-2程度）となることがわかる。
【０１９５】
また、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量が増加するにしたがって、酸化シリコン膜１０５とｐ型シリコン基板１０１との界面近傍におけるセシウムの偏析量（ｃｍ-2）も増加していくが、セシウムイオンのドーズ量が一定以上になると上記のセシウムの偏析量（ｃｍ-2）もほぼ一定となる。
【０１９６】
したがって、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）およびセシウムの偏析量（ｃｍ-2）はともに同じような挙動を示すため、これらの間には相関関係があると考えられることから、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）はセシウムの偏析量（ｃｍ-2）によって制御することができると考えられる。
【０１９７】
また、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）がほぼ一定となる値を光電変換装置に最適な電子反転層の電子面密度とすることによって、本発明の光電変換装置に最適な電子反転層の電子面密度を得るための広いプロセスマージンを確保することができ、高精度な電子反転層の電子面密度の制御を実現することが可能になる。
【０１９８】
図８に、図４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量（ｃｍ-2）と、ｐ型シリコン基板１０１の電子が誘起された表面のシート抵抗（ｋΩ／□）との関係を示す。ここで、図８の横軸は、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量を示し、図８の縦軸は、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起された電子反転層のシート抵抗（ｋΩ／□）を示している。また、図８に示す結果は、ｐ型シリコン基板１０１のボロン濃度をそれぞれ変化（４．６×１０14ｃｍ-3、２．９×１０16ｃｍ-3、１．４×１０17ｃｍ-3および６．６×１０17ｃｍ-3）させたそれぞれサンプルについて求めたものである。
【０１９９】
図８に示すように、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量が増加するにしたがって、ｐ型シリコン基板１０１に誘起された電子反転層のシート抵抗（ｋΩ／□）が低下していくが、セシウムイオンのドーズ量が一定以上（２×１０14ｃｍ-2以上）になると上記のｐ型シリコン基板１０１の表面の電子反転層のシート抵抗（ｋΩ／□）もほぼ一定（約２ｋΩ／□程度）となる。ここでも、ｐ型シリコン基板１０１の表面の電子反転層のシート抵抗がほぼ一定となる値を光電変換装置に最適なシート抵抗とすることによって、本発明の光電変換装置に最適な上記シート抵抗を得るための広いプロセスマージンを確保することができ、高精度な上記シート抵抗の制御を実現することが可能になる。
【０２００】
図９に、図４に示す構成の光電変換装置のサンプルのｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）と温度（Ｋ）との関係を示す。ここで、図９の横軸は温度（Ｋ）を示し、図９の縦軸はｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）を示している。また、図９に示す結果は、酸化シリコン膜１０５にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量をそれぞれ変化（５×１０13ｃｍ-2、５×１０14ｃｍ-2および２×１０15ｃｍ-2）させて求めたものである。
【０２０１】
図９に示すように、温度（Ｋ）が上昇するにつれて、ｐ型シリコン基板１０１の表面に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）が低下している。これは、シリコンにドープされたリンや砒素などの通常のドーパントによって形成されたｎ+層とは逆の温度依存性を示していることになる。
【０２０２】
図１０（ａ）に、ｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化する前の状態のｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図を示す。また、図１０（ｂ）に、ｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化した後の状態のｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図を示す。
【０２０３】
図１０（ａ）においては、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に不純物が存在し、当該不純物が不純物準位２００を形成している。不純物準位２００は、ｐ型シリコン基板の伝導帯下端の上方−ＥA（ＥAは、不純物による電子キャリア生成の活性化エネルギーを表わす。）の位置に形成されている。このような状態が形成されると、図１０（ｂ）に示すように、不純物準位２００からｐ型シリコン基板に電子が放出され、空になった不純物準位は正電荷として振舞う（不純物がイオン化する）。そして、当該正電荷による電界によって、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面近傍では、ｐ型シリコン基板のエネルギーバンドの曲がりが生じ、上記の界面近傍において、電子反転層が形成される。なお、イオン化した不純物準位２０１に対応してｐ型シリコン基板の表面に表面反転層に対応する準位２０２が形成されることになる。
【０２０４】
図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すエネルギーバンド図に基づいて数値計算を行なったところ、不純物としてのセシウムによる電子キャリア生成の活性化エネルギーＥAは−０．１１ｅＶ〜−０．１３ｅＶであり、特に−０．１２ｅＶであることがわかった。すなわち、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面付近に存在するセシウムは、ｐ型シリコン基板の伝導帯下端の上方約０．１２ｅＶの位置に不純物準位を形成し、当該不純物準位からの電子放出により、ｐ型シリコン基板の表面に電子反転層が形成されることが解明された。
【０２０５】
なお、図９においては、一点鎖線は不純物としてのセシウムによる電子キャリア生成の活性化エネルギーＥAが−０．１３ｅＶである場合の挙動を示し、実線が当該活性化エネルギーＥAが−０．１２ｅＶである場合の挙動を示し、破線が当該活性化エネルギーＥAが−０．１１ｅＶである場合の挙動を示しているが、不純物としてのセシウムによる電子キャリア生成の活性化エネルギーＥAが−０．１１ｅＶ〜−０．１３ｅＶである場合、特に−０．１２ｅＶである場合の挙動は図９に示す結果と一致する。
【０２０６】
図１１〜図１５にそれぞれ、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）と、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に存在する不純物の面密度（ｃｍ-2）との関係を示す。
【０２０７】
ここで、図１１〜図１５において、横軸は上記の不純物の面密度（ｃｍ-2）を示しており、縦軸は上記の電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）を示している。また、図１１〜図１５には、それぞれ活性化エネルギーＥAが−０．００ｅＶから−０．２０ｅＶまで順次−０．０２ｅＶずつ変化させたときの酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に存在する不純物の面密度（ｃｍ-2）と電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）との関係が線で示されている。なお、上述した実験の結果から、不純物としてセシウムを用いる場合は、ＥA≒−０．１２ｅＶの場合に相当する。
【０２０８】
また、図１１はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が１×１０16ｃｍ-3のときの関係を示しており、図１２はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が１×１０17ｃｍ-3のときの関係を示しており、図１３はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が１×１０18ｃｍ-3のときの関係を示している。また、図１４はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が３×１０18ｃｍ-3のときの関係を示しており、図１５はｐ型シリコン基板中のボロン濃度が６×１０18ｃｍ-3のときの関係を示している。
【０２０９】
また、図１１〜図１５における斜線部分は、光電変換装置として優れた特性を示す範囲を表わしている。すなわち、上記斜線部分の範囲の上限を超えると電子反転層の電子面密度が大きくなりすぎてｐ型シリコン基板の表面がメタリック化して光が入射しにくくなって特性が低下し、上記斜線部分の範囲の下限を下回ると電子反転層の電子面密度が小さくなりすぎて抵抗が上昇して特性が低下する。
【０２１０】
図１１〜図１５に示すように、不純物がセシウムである場合（ＥA≒−０．１２ｅＶの場合）、ｐ型シリコン基板中のボロン濃度がいずれの場合であっても、不純物の面密度（ｃｍ-2）と電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）とは一致していない。従来においては、酸化シリコン膜中のセシウムはすべてイオン化するものと考えられていたため、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に存在するセシウムの面密度（ｃｍ-2）とイオン化したセシウム（正の固定電荷）の面密度（ｃｍ-2）とは一致するものと考えられてきた。ここで、イオン化したセシウムの面密度は、ｐ型シリコン基板に誘起される電子反転層の電子面密度とｐ型シリコン基板の表面に形成される空乏層中の空間電荷密度の和として表わされるため、ｐ型シリコン基板中のボロン濃度が低い場合、若しくは電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）が十分に高い場合には、当該界面に存在するセシウムの面密度（ｃｍ-2）とｐ型シリコン基板に誘起される電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）とはほぼ一致することになる。
【０２１１】
しかしながら、図１１〜図１５に示される斜線部分の範囲において、上記のイオン化したセシウムの面密度（ｃｍ-2）は、上記の電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）よりも小さくなっていることからわかるように、所望とする電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）を得るためには、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に存在するセシウムの面密度（ｃｍ-2）が上記の所望とする電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）よりも高くなるようにセシウムイオンを酸化シリコン膜に導入する必要がある。
【０２１２】
図１６（ａ）に従来の特許文献１のように、ｐ型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜を形成して、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図を示す。また、図１６（ｂ）に図４に示す構成の光電変換装置のサンプルのように、ｐ型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図を示す。
【０２１３】
一般的には、正の固定電荷となる不純物の準位とｐ型シリコン基板との間で電子の移動が起こり、十分な密度の不純物が存在する場合には、正の固定電荷となる不純物の準位とｐ型シリコン基板のフェルミ準位がほぼ一致するまで電子の移動が起こることになる。
【０２１４】
しかしながら、図１６（ａ）のように、正の固定電荷となる不純物とｐ型シリコン基板との間に酸化シリコン膜が存在する場合には、酸化シリコン膜中での電位勾配によって、正の固定電荷となる不純物の活性化エネルギ−ＥAが実効的に増加する（正の固定電荷となる不純物の準位２０１の位置が実効的に下がる）。これにより、ｐ型シリコン基板の表面の反転層に対応する準位２０２に移動する電子量が低減して、ｐ型シリコン基板の表面における反転層の電子面密度は小さくなる。
【０２１５】
一方、図１６（ｂ）のように、ｐ型シリコン基板の表面に直接形成された酸化シリコン膜がｐ型シリコン基板の表面との界面に正の固定電荷となる不純物を有する場合には、図２６（ａ）の場合とは異なって介在する誘電体膜が存在しないため、正の固定電荷となる不純物の活性化エネルギ−ＥAの実効的な増加は起こらない。したがって、この場合には、ｐ型シリコン基板の表面の反転層に対応する準位２０２に移動する電子量が低減しないため、ｐ型シリコン基板の表面における反転層の電子面密度は小さくならない。
【０２１６】
なお、図４に示す光電変換装置のサンプルは、トンネル効果を利用してキャリアを移動させる構成とはなっていないが、本実施例における実験結果は、たとえば図１〜図３に例示されるトンネル効果等を利用してキャリアを移動させる構成の光電変換装置にも適用できると考えられる。
【０２１７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０２１８】
本発明の光電変換装置は、たとえば太陽電池などに好適に用いることができる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【０２１９】
【図１】本発明の光電変換装置の一例の模式的な断面図である。
【図２】本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図である。
【図３】本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施例で作製した光電変換装置のサンプルの模式的な断面図である。
【図５】図４に示す構成の光電変換装置のサンプルの作製方法のフローチャートである。
【図６】図４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面近傍の組成分析を行なった結果を示す図である。
【図７】図４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面近傍におけるセシウムの偏析量と、セシウムの偏析によりｐ型シリコン基板の表面に誘起される電子反転層の電子面密度との関係を示す図である。
【図８】図４に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量と、ｐ型シリコン基板の電子が誘起された電子反転層のシート抵抗との関係を示す図である。
【図９】図４に示す構成の光電変換装置のサンプルのｐ型シリコン基板の表面に誘起される電子反転層の電子面密度と温度との関係を示す図である。
【図１０】（ａ）はｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化する前の状態のｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図であり、（ｂ）はｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化した後の状態のｐ型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図である。
【図１１】図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ-2）との関係を示す図である。
【図１２】図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ-2）との関係を示す図である。
【図１３】図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ-2）との関係を示す図である。
【図１４】図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ-2）との関係を示す図である。
【図１５】図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のｐ型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度（ｃｍ-2）と、ｐ型シリコン基板の表面における不純物の面密度（ｃｍ-2）との関係を示す図である。
【図１６】（ａ）は従来の特許文献１に記載のように、ｐ型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜を形成して、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図であり、（ｂ）は図４に示す構成の光電変換装置のサンプルのように、ｐ型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜とｐ型シリコン基板との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
【０２２０】
１  第１のアモルファスシリコン層、２  第２のアモルファスシリコン層、３  第３のアモルファスシリコン層、４，３５，４０  表面反転層、５，１０４  セシウム、６，２６，３２，３４，３７，３９，１０５  酸化シリコン膜、７  裏面電極、８  透明導電膜、９，１１，１３  ｐ型層、１０，１２  ｎ型層、１４  ガラス基板、２４，３１，３６  裏面反転層、２５  不純物、３３  第１の中間透明導電膜、３８  第２の中間透明導電膜、１０１  ｐ型シリコン基板、１０２  ｎ+層、１０３  表面反転層、１０６  窒化シリコン膜、１０７  電極、２００，２０１  不純物準位、２０２  準位。
【図１】
2010067921.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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