(57)【要約】【課題】電極層を介さず太陽光を空乏層あるいは真性層に導く構成を採用するとともに、これを安価なガラス基板等で実現する。【解決手段】透明非晶質基板上に真性の半導体層を形成させ、半導体層表面に仕事関数の異なる材料を接合させる。また、異なる材料は、不純物を拡散させたｐ型とｎ型の導電型の拡散層であり、互いに隣接または隔離して形成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明非晶質基板上に真性の半導体層を形成させ、当該半導体層表面に仕事関数の異なる材料を接合させた太陽電池装置。
【請求項２】
前記異なる材料が不純物を拡散させたｐ型とｎ型の導電型の拡散層であり、互いに隣接または隔離して形成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項３】
前記透明非晶質基板がガラスまたは樹脂またはプラスチックからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽電池装置。
【請求項４】
前記透明非晶質基板がガラスまたは樹脂またはプラスチックの上にそれらと異なる透明な薄膜をのせた基板であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の太陽電池装置。
【請求項５】
前記半導体層は真性のシリコンであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の太陽電池装置。
【請求項６】
前記半導体層はシリコンと炭素とを含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の太陽電池装置。
【請求項７】
前記半導体層は前記基板に近いほどエネルギーバンドギャップが大きくなる組成を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の太陽電池装置。
【請求項８】
前記透明非晶質基板側から前記真性の半導体層に太陽光を導入することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の太陽電池装置。
【請求項９】
支持台上に載置された前記基板の表面に、該基板の支持台温度より高温に加熱したガスを前記基板表面に対向させて置かれたガス射出口からライン状に吹き付けて表面を加熱することを特徴とする太陽電池装置の製造方法。
【請求項１０】
前記ガスは窒素、酸素、水素，Ａｒ，Ｈｅのいずれか、またはそれらの混合ガスを含むことを特徴とする請求項９に記載の太陽電池装置の製造方法。
【請求項１１】
支持台上に載置された前記基板の表面に、基板の支持台温度より高温に加熱したガスを基板表面に対向させて置かれた異なる２つ以上のガス射出口からライン状に吹き付けて表面を加熱し、前記基板上に半導体層を形成させることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の太陽電池装置の製造方法。
【請求項１２】
異なるガス射出口に挟まれたガス射出口からシリコンあるいはカーボン、または両方を含むガスが導入されることを特徴とする請求項１１に記載の太陽電池装置の製造方法。
【請求項１３】
支持台上に載置された前記基板の上から、該基板の支持台温度より高温に加熱したガスを、該基板に対向させて置かれた異なる２つ以上のガス射出口からライン状に吹き付けて表面に絶縁膜を成長させることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の太陽電池装置の製造方法。
【請求項１４】
前記異なる２つ以上のガス射出口のうち、一のガス射出口から射出される前記ガスがシラン（ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６）またはハロゲン化シランを含み、他のガス射出口から射出されるガスが、これと反応するＮ２Ｏ，ＮＯ２、水、酸素を含む酸化ガス、ＮＨ３を含む窒化ガスのいずれか、または両方を含み、基板上に絶縁膜を成長させることを特徴とする請求項１３に記載の太陽電池装置の製造方法。
【請求項１５】
酸素または水を含む酸化性ガスを導入して、前記半導体層の表面を酸化させることにより酸化膜を形成することを特徴とする請求項１１に記載の太陽電池装置の製造方法。
【請求項１６】
不純物を含むガスを導入して、該不純物を拡散させて拡散層を形成することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の太陽電池装置の製造方法。
【請求項１７】
前記不純物が半導体層をｎ型またはｐ型にさせる元素であることを特徴とする請求項１６に記載の太陽電池装置の製造方法。
【請求項１８】
前記ガス射出口から射出されるガスが前記支持台上に載置された前記基板の表面に、ほぼ垂直に吹き付けられることを特徴とする請求項９から請求項１７に記載の太陽電池装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の面に異なる仕事関数の材料、例えばｐ型あるいはｎ型の電極を形成し、他方の面に、真性の結晶を露出させて、太陽光を電極層を介さずに仕事関数の差で生じる内部電界層に導入させる太陽電池装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、異なる仕事関数を持つ材料の接合であるシリコンのｐｎ接合を用いた太陽電池が一般的に使用されている。こうした構造の太陽電池で発生できる開放電圧は、フェルミレベルのエネルギー差、即ち、電子が受ける仕事関数の差に相当する電位差である。
【０００３】
この種の太陽電池は、厚み２００−４００ｕｍのｐ型シリコン基板の表面に薄い(厚さ１ｕｍ以下)ｎ型拡散層が形成され、これを表面電極として用いる。こうした太陽電池では、シリコン基板が太陽光を吸収して電子・正孔の電荷が発生するが、それが拡散して電極に到達したものが発電に寄与するため、電気エネルギーに変換できるかどうかは、その太陽光の吸収と電荷の発生場所に依存して決まる。
【０００４】
図１７に、典型的な従来のシリコンｐｎ接合の太陽電池の断面模式図を示している。なお、ここでは、表面の透明電極と裏面の金属電極は示してない。図１７に示すように、ｐ型層１２の表面にｎ型層１１が形成され、これとｐ型層１２との界面に空乏層１３が形成され、空乏層１３には、内部電界が発生する。また、太陽光は、ｎ型層１１の表面から導入される。
【０００５】
太陽光は、一般的に、波長に依存する屈折率の違う材料の界面で反射される。また、ｎ型層１１には、多数キャリアの電子が存在する。このために、この層の表面は、反射面１となり、太陽光の反射が起きる。これによって、進入太陽光１ａの強度は反射面１で減衰する。また、この反射面１を通過した進入太陽光１ｂは、減衰しながら反射面２に到達する。しかしながら、空乏層１３とｎ型層１１との多数キャリアの密度が違うために屈折率が異なり、反射を起こして、進入太陽光１ｂは反射面２で減衰する。
【０００６】
また、空乏層１３を通過した進入太陽光１ｃは空乏層１３とｐ型層１２の界面である反射面３に到達して、屈折率の違いのために反射面３で反射されて減衰する。一方で、反射面３を通過した進入太陽光はｐ型層１２内部に到達する。以上のように、太陽光に対する屈折率の違う層の界面で太陽光の反射がおきるため、進入太陽光は反射面１、２、３で反射による減衰とシリコンのバンド間遷移の吸収による減衰を伴いながらｐ型層に到達する。
【０００７】
こうした屈折率の違いによる反射を利用するために、従来の太陽電池では、基板または基板上の電極に凹凸を形成して太陽光を反射させることによって長い光路長を確保し、光電変換効率を向上させていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
空乏層１３が太陽光を吸収すると電子と正孔が生成される。生成された電子と正孔は、空乏層１３内の内部電界で加速されて、ｎ型層１１とｐ型層１２に到達して電圧を生じさせて電気エネルギーを作る。
【０００９】
さらに、ｎ型層１１の少数キャリア（正孔）拡散長Ｌｐとｐ型層１２の少数キャリア（電子）拡散長Ｌｎの範囲で太陽光が吸収されて生成された正孔と電子も拡散により空乏層１３に到達して、空乏層１３の電界で加速されて移動し、電気エネルギーに変換される。
【００１０】
一般に、ｎ型層１１は、高ドープするため、電子や正孔の再結合時間が短く、Ｌｐは小さい。加えて、光減衰もあるため、この層は薄く設計する必要がある。つまり、発電効率を上げるには、ｎ型層１１を通過させることなく、太陽光を空乏層１３にまで導くことが望ましい。
【００１１】
発電に寄与する太陽光は、空乏層１３とそれを挟むＬｎとＬｐの領域で吸収される太陽光であることを述べたが、半導体が結晶であるときには、ＬｎとＬｐとは一定の値を持つため、この領域は、発電に寄与できる領域として働く。しかし、半導体層がアモルファスであったり、結晶欠陥の多いポリ結晶であると、少数キャリアのＬｎとＬｐは短くなり、発電に寄与できる領域は狭くなる。
【００１２】
これを解決させるための構造がｐｉｎダイオード接合の構造である。この断面構造を図１８に示す。このｐｉｎダイオード接合は、真性アモルファス層１４をｎ型アモルファス層１５とｐ型アモルファス層１６とで挟む構造になっている。電極としてのｎ型アモルファス層１５とｐ型アモルファス層１６層は、少数キャリアライフタイムが短いために、発電に寄与できない層であり、もっぱら、内部電界のある真性アモルファス層１４で吸収される太陽光が発電に寄与する。そのため、発電効率を上げるにはｎ型アモルファス層１５を通過させることなく太陽光を真性アモルファス層１４に導くことが望ましい。
【特許文献１】特開２００６−１９４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここで、太陽光の反射に伴う課題を整理する。反射面１で生じる進入太陽光１ａの反射は、低抵抗拡散層の多数キャリアに依存する反射である。また、その反射は層の厚みにも依存する。可視光の波長が６００−４００ｎｍとすると、ｎ型層１１の厚みが１ｕｍ程度あるいは、それ以下で干渉が生じる。実際、この干渉を利用して層の厚みを測定することが可能である。このように、反射と進入(透過)は、ｎ型層１１のキャリア濃度と厚みに依存して生じるが、高い光電気変換効率を得るためには、この層を通過させずに、高抵抗の空乏層１３または真性アモルファス層１４に太陽光を導くことが必要である。
【００１４】
また、進入太陽光１ｂの反射はｎ型層１１と空乏層１３との界面である反射面２またはｎ型層１１と真性の高抵抗である真性アモルファス層１４との界面である反射面２で生じる。この反射により、進入太陽光１ｂの強度は減衰する。
【００１５】
空乏層１３とｐ型層１２との界面である反射面３、または、真性の高抵抗である真性アモルファス層１４とｐ型アモルファス層１６との界面である反射面３では、進入太陽光１ｃの反射が生じる。このとき、反射太陽光は空乏層１３また真性アモルファス層１４に戻るため、進入太陽光１ｃの電気エネルギー変換の損失は軽減される。したがって、空乏層１３または、真性アモルファス層１４に至るまでの太陽光の減衰を小さくするには、太陽光を電極層を介さずに直接に空乏層１３、または真性アモルファス層１４に導くことが必要である。
【００１６】
そこで、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、電極層を介さず太陽光を空乏層あるいは真性層に導く構成を採用するとともに、これを安価なガラス基板で実現する太陽電池装置およびその製造方法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】
【００１７】
本発明は、上記した課題を解決するために以下の事項を提案している。
【００１８】
（１）本発明は、透明非晶質基板上に真性の半導体層を形成させ、当該半導体層表面に仕事関数の異なる材料を接合させた太陽電池装置を提案している。
なお、本発明で用いた「真性（ｉ型）の半導体」とは、実際に製造されているｐｉｎダイオードの表現で使用されているように、ｐ型半導体とｎ型半導体とに対比させて用いた言葉であり、ｐ型またはｎ型の不純物を全く含まない、または、フェルミレベルがバンドギャップの中心にあるという理論的な狭義の「真性の半導体」を意味するものではなく、ｐ型またはｎ型の一方に、導電型を決定させる不純物ドーピングを行っていない半導体材料の意味で用いているものである。
【００１９】
（２）本発明は、（１）の太陽電池装置について、前記異なる材料が不純物を拡散させたｐ型とｎ型の導電型の拡散層であり、互いに隣接または隔離して形成されていることを特徴とする太陽電池装置を提案している。
【００２０】
（３）本発明は、（１）または（２）の太陽電池装置について、前記透明非晶質基板がガラスまたは樹脂またはプラスチックからなることを特徴とする太陽電池装置を提案している。
【００２１】
（４）本発明は、（１）から（３）の太陽電池装置について、前記透明非晶質基板がガラスまたは樹脂またはプラスチックの上にそれらと異なる透明な薄膜をのせた基板であることを特徴とする太陽電池装置を提案している。
【００２２】
（５）本発明は、（１）から（４）の太陽電池装置について、前記半導体層は真性のシリコンであることを特徴とする太陽電池装置を提案している。
【００２３】
（６）本発明は、（１）から（４）の太陽電池装置について、前記半導体層はシリコンと炭素とを含むことを特徴とする太陽電池装置を提案している。
【００２４】
（７）本発明は、（１）から（６）の太陽電池装置について、前記半導体層は前記基板に近いほどエネルギーバンドギャップが大きくなる組成を有することを特徴とする太陽電池装置を提案している。
【００２５】
（８）本発明は、（１）から（７）の太陽電池装置について、前記透明非晶質基板側から前記真性の半導体層に太陽光を導入することを特徴とする太陽電池装置を提案している。
【００２６】
（９）本発明は、支持台上に載置された前記基板の表面に、該基板の支持台温度より高温に加熱したガスを前記基板表面に対向させて置かれたガス射出口からライン状に吹き付けて表面を加熱することを特徴とする太陽電池装置の製造方法を提案している。
【００２７】
（１０）本発明は、（９）の太陽電池装置の製造方法について、前記ガスは窒素、酸素、水素，Ａｒ，Ｈｅのいずれか、またはそれらの混合ガスを含むことを特徴とする太陽電池装置の製造方法を提案している。
【００２８】
（１１）本発明は、（９）または（１０）の太陽電池装置の製造方法について、支持台上に載置された前記基板の表面に、基板の支持台温度より高温に加熱したガスを基板表面に対向させて置かれた異なる２つ以上のガス射出口からライン状に吹き付けて表面を加熱し、前記基板上に半導体層を形成させることを特徴とする太陽電池装置の製造方法を提案している。
【００２９】
（１２）本発明は、（１１）の太陽電池装置の製造方法について、異なるガス射出口に挟まれたガス射出口からシリコンあるいはカーボン、または両方を含むガスが導入されることを特徴とする太陽電池装置の製造方法。
【００３０】
（１３）本発明は、（９）または（１０）の太陽電池装置の製造方法について、支持台上に載置された前記基板の上から、該基板の支持台温度より高温に加熱したガスを、該基板に対向させて置かれた異なる２つ以上のガス射出口からライン状に吹き付けて表面に絶縁膜を成長させることを特徴とする太陽電池装置の製造方法を提案している。
【００３１】
（１４）本発明は、（１３）の太陽電池装置の製造方法について、前記異なる２つ以上のガス射出口のうち、一のガス射出口から射出される前記ガスがシラン（ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６）またはハロゲン化シランを含み、他のガス射出口から射出されるガスが、これと反応するＮ２Ｏ，ＮＯ２、水、酸素を含む酸化ガス、ＮＨ３を含む窒化ガスのいずれか、または両方を含み、基板上に絶縁膜を成長させることを特徴とする太陽電池装置の製造方法を提案している。
【００３２】
（１５）本発明は、（１１）の太陽電池装置の製造方法について、酸素または水を含む酸化性ガスを導入して、前記半導体層の表面を酸化させることにより酸化膜を形成することを特徴とする太陽電池装置の製造方法を提案している。
【００３３】
（１６）本発明は、（９）または（１０）の太陽電池装置の製造方法について、不純物を含むガスを導入して、該不純物を拡散させて拡散層を形成することを特徴とする太陽電池装置の製造方法を提案している。
【００３４】
（１７）本発明は、（１６）の太陽電池装置の製造方法について、前記不純物が半導体層をｎ型またはｐ型にさせる元素であることを特徴とする太陽電池装置の製造方法を提案している。
【００３５】
（１８）本発明は、（９）から（１７）の太陽電池装置の製造方法について、前記ガス射出口から射出されるガスが前記支持台上に載置された前記基板の表面に、ほぼ垂直に吹き付けられることを特徴とする太陽電池装置の製造方法を提案している。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、高温の加熱ガスビームをガラス基板やプラスチック基板にほぼ垂直に衝突させるように吹き付けることで、基板の表面だけを高温にでき、基板内部とその裏面とを一定の低い温度に維持しながら、基板より高い温度で、表面のみを加熱処理して不純物熱拡散をすること、および、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜、ポリシリコンなどの高温熱ＣＶＤ材料を成長させる製造方法を用いることが可能となるという効果がある。
【００３７】
また、上記製造方法により、真性半導体層を成長させｎ型拡散層電極とｐ型拡散層電極とを表面に離間して配置させたラテラルｐｉｎ／ｉ接合構造を持った太陽電池をガラス基板または、その軟化点（３００℃）より低温に保持する必要のある基板のうえに製造することが可能となるという効果がある。
【００３８】
さらに、太陽光が、ガラス基板から電極層を介さずに、真性半導体層に直接に、当たるため損失が低減されて、高い変換効率の太陽電池が製造可能であるという効果がある。また、真性半導体層をバンドギャップの違う層の階段型接合や傾斜組成にすることも可能であり、太陽光スペクトルを幅広く利用できる構造を可能になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて、詳細に説明する。
なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００４０】
＜太陽電池装置の構造＞
すでに、図１７および図１８を用いて、説明したように、太陽光の損失を小さくするためには、ｎ型層１１の表面の反射面１とｎ型層１１と空乏層１３または真性アモルファス層１４との界面の反射面２、空乏層１３または真性アモルファス層１４とｐ型層１２またはｐ型アモルファス層１６との界面の反射面３を減らすまたは、無くすことが必要である。なお、以後、内部電界の存在する空乏層１３または真性アモルファス層１４の両方をキャリアを拡散層に集める内部電界領域と総称する場合がある。
【００４１】
ここで、図１に、従来のｐｉｎダイオード構造の光通信用受光素子の構造を示す。図１において、真性層２３は、内部電界領域である。前述のように、図１に示す電極やｎ型拡散層２１を通して太陽光を入射させると、ｎ型拡散層２１の表面の反射面、ｎ型拡散層２１と真性層２３との界面の反射面、真性層２３とｐ型拡散層２２との界面の反射面による太陽光の減衰が避けられないため、これを回避するためには、真性層２３に太陽光を直接導入する必要がある。
【００４２】
その一つの方法として、図１の紙面に垂直な方向から太陽光を導入させるが考えられるが、この場合には、真性層２３の断面積が小さく、通信用の受光素子では、その目的を達成できても、太陽電池には応用できないという問題がある。
【００４３】
そこで、これを太陽電池に応用する本発明について、図２および図３を用いて、詳細に説明する。
【００４４】
まず、図１に示したｐｉｎダイオード構造の真性層２３をＸＸ方向で分離したものを図２に示す。図２において、左側は、ｎ型拡散層２１と真性層２３（ｉ層）のｎｉ接合２５、右側はｉ層とｐ型拡散層２２のｉｐ接合２６である。
【００４５】
次に、分離したもの同士をＺＺの端面で接合した構造を図３に示す。こうすることにより、真性層２３の上にｎ型拡散層２１とｐ型拡散層２２とが真性層２３を挟んで隔離して配置された構造が出来上がる。
【００４６】
図４は、透明基板３０上に、図３で示したように、真性半導体層３３を形成し、この真性半導体層３３の上にｎ型拡散層２１とｐ型拡散層２２とを真性半導体層３３を挟んで隔離して配置したものである。この図によれば、太陽光を下側から直接に真性半導体層３３に当てることが可能になる。
【００４７】
すなわち、本実施形態の太陽電池装置は、透明非晶質基板（透明基板３０）上に真性の半導体層（真性半導体層３３）を形成させ、当該半導体層表面に仕事関数の異なる材料を接合させた構造になっている。また、前記異なる材料がｐ型とｎ型の不純物を拡散させた導電型の拡散層（ｎ型拡散層２１、ｐ型拡散層２２）であり、互いに隣接または隔離して形成されていることを特徴とする。
【００４８】
こうした構造によれば、従来、光強度の減衰の原因となっていた反射面１、２が存在しない構造を実現することができる。なお、従来の反射面３は存在しているが、ｎ型拡散層２１およびｐ型拡散層２２が隔離して存在しているので、その割合が相対的に減少する。そのため、反射面３により反射した太陽光は、もう一度、電界領域のある真性半導体層３３に再進入するので、再び発電に寄与できる。ここで、この構造を真性半導体層３３の上にｎ型拡散層２１とｐ型拡散層２２とが離間して配置された、ラテラルｐｉｎ／ｉ構造と呼ぶ。
【００４９】
次に、ラテラルｐｉｎ／ｉ構造のｉ層に太陽光を当てたときの動作を説明する。
図４は、ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の構造の模式図である。透明基板３０の上にラテラルｐｉｎ／ｉ接合３１が構成されている。図４に示すラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池では、太陽光が、真性半導体層３３の中に直接に進入する。そして、真性半導体層３３で電子３４と正孔３５が生成される。
【００５０】
太陽光で生成した電子３４と正孔３５とは、それぞれ電界領域の電界で加速されてｎ型拡散層２１とｐ型拡散層２２とによって集められて、電圧が両拡散層の間に発生する。そして、絶縁膜２４の窓を介してｎ型拡散層２１とｐ型拡散層２２とに付けられた金属電極３６からその電圧を取り出して用いる。なお、図４においては、ｎ型拡散層２１とｐ型拡散層２２は、互いに離間させて配置したが、ｐｎ接合を形成するように隣接していても良い。
【００５１】
また、真性半導体層３３は、結晶であっても、多結晶、アモルファスであってもよく、有機無機の材料の種類に依らず半導体であれば良く、単一の半導体であっても、複数の種類を重ね合わせても、または傾斜して組成を変化させても良い。特に、製造技術の産業成熟度から、真性のシリコンまたはシリコンと炭素を含むものが望ましい。
【００５２】
ただし、組成を変化させるときは、太陽光を入射させる側、すなわち、透明基板３０に近いほどエネルギーバンドキャップが大きいことが望ましい。これは太陽光のスペクトルのうち、高いエネルギーの太陽光が、高いエネルギーバンドギャップの半導体で吸収され、低いエネルギーの太陽光は、その層を通過して深い位置にある低エネルギーバンドギャップの半導体で吸収されるため、広いスペクトル領域の太陽光を利用できるからである。
【００５３】
図５に、バンドギャップの違う真性半導体層４１、４２、４３のラテラルｐｉｎ／ｉ接合３１の太陽電池の構造を模式的に示す。ここで、真性半導体層４１、４２、４３のバンドギャップをそれぞれＥｇ１、Ｅｇ２、Ｅｇ３とすると、これらの間には、Ｅｇ１＜Ｅｇ２＜Ｅｇ３の関係が成立し、太陽光が入射する透明基板４０に向かってバンドギャップが大きくなっている。
【００５４】
ここで、太陽光を吸収して生成した電子３４は、ギャップエネルギーの高い真性半導体層４３からギャップエネルギーの低い真性半導体層４１に向かってできる伝導帯の傾斜に沿って、ｎ型拡散層２１に集まる。一方、太陽光を吸収して生成した正孔３５は、ギャップエネルギーの高い真性半導体層４３から低い真性半導体層４１に向かってできる価電子帯の傾斜に沿って、ｐ型拡散層２２に集まる。このことを図６に示すバンドダイヤグラムで説明する。
【００５５】
図５のおけるＮＮ断面とＰＰ断面のバンドダイヤグラムをそれぞれ図６および図７に示す。
図６および図７に示すように、透明基板４０の上に、バンドギャップＥｇ３、Ｅｇ２、Ｅｇ１の真性半導体層４３、４２、４１が積層されている。図６に示すように、ＮＮ断面においては、透明基板４０の側から太陽光が入射して光励起５１により、電子３４と正孔３５を生成する。生成された電子３４は伝導帯に沿って、電位差をくだりｎ型拡散層２１に至り、金属電極にマイナスの電荷を運ぶ。一方、価電子帯の正孔３５は、真性半導体層４１を経由して電位差を上がりｐ型拡散層２２に至り、プラスの電荷を金属電極に運ぶ。
【００５６】
また、図７に示すように、ｐｐ断面においては、透明基板４０の側から太陽光が入射して光励起５１により電子３４と正孔３５を生成する。生成された正孔３５は、価電子帯に沿って電位差を上りｐ型拡散層２２に至り、金属電極にプラスの電荷を運ぶ。一方、伝導帯の電子３４は、真性半導体層４１を経由して電位差を下り、ｎ型拡散層２１に至り、マイナス電荷を金属電極に運ぶ。
【００５７】
従って、太陽光が入射する側のエネルギーギャプの大きい真性半導体は、電子３４と正孔３５のエミッタとして作用する。また、ｎ型拡散層２１およびｐ型拡散層２２を通過した太陽光およびｎ型拡散層２１とｐ型拡散層２２との間を通過した太陽光は、金属電極で反射されて再び電界領域で電子３４と正孔３５を発生させて、発電に寄与する。
【００５８】
以上、説明したように、本発明に係る太陽電池装置の構造によれば、従来にあった拡散層を通過させて、太陽光を入射するときの反射による減衰をラテラルｐｉｎ／ｉ接合３１を採用することにより防止することができる。また、この構造を採用したことにより、従来のｐｎ接合構造やｐｉｎ接合構造ではできなかった電子と正孔との真性半導体エミッタ層を太陽光が入射する側の全部の面に配置することができる。さらに、エミッタ層として、太陽光の入射する方向に、エネルギーバンドギャップが大きくなる組成の材料を設けることにより、太陽光の幅広いスペクトルを有効に発電に寄与させる構造が可能なる。
【００５９】
＜太陽電池装置の製造方法＞
異なる仕事関数を持つｐ型拡散層とｎ型拡散層とを片側表面に横方向に並べてアレイ状に配置した本構造は、太陽光を透過させる必要のあるｐ型拡散層とｎ型拡散層の層を縦方向に重ねた従来構造では実現しえなかった性能を可能にさせる。
【００６０】
即ち、異なる仕事関数の電極材料として太陽光を透過させなくてもよいため、例えば、金属を選ぶことも本構造では、可能になる。ここで、半導体と金属の接合をショットキー接合と呼ぶが、必要な接合は、このショットキー接合でも良い。
【００６１】
したがって、真性の半導体に異なる仕事関数を持つ材料を接合させると、フェルミレベルの違いが無くなるまで、電子の移動が半導体を通して起こり、原理的には、二つの材料の仕事関数の差に相当する電位差が当該材料に生じる。なお、半導体と接合させる電極材料としては、製造方法が許す範囲で仕事関数の異なる材料を選ぶことが可能となる。ただし、異なる仕事関数の金属のショットキー接合による発生電位差は、表面の界面準位に依存したバンド湾曲に依存する。この界面準位の制御は製造上難しいために、半導体内部に接合を作る安定したｐ型とｎ型の拡散層を形成する方法が好ましい。
【００６２】
ここで、拡散層の形成は高温を必要とするため、以下にその方法について説明する。一般に、加熱したガスを基板の表面に垂直に吹き付けると、ガスの温度を基板に伝えることができる。ここで、高温ガスを絞ってビーム状にして基板と平行でなく垂直に入射または衝突させると、淀み層としての停滞層が薄くなる。または、相対的に実質上停滞層が形成されない程度にすることができる。ここで、停滞層が薄いと、効率よくガスの温度を基板に伝えられる。別の言い方をすると、基板の表面は垂直に入射する高温ガスビームから効率よく熱を受け取るので表面だけを加熱できる。
【００６３】
また、基板裏面が冷却されていると、一定の熱容量のヒートシンクをもっているため、温度が上昇して、ガスの温度に到達するのは、基板表面に限定される。この原理を用いると、基板表面のみを加熱して基板の裏面と内部は一定温度以下に維持できる。
【００６４】
この状態を実現した構造例を模式的に図８に示す。なお、以下では、透明基板の一例として、ガラス基板を例にとって説明するが、これに限らず、樹脂基板やプラスチック基板等を用いてもよい。
【００６５】
図８の構造では、ガラス基板６０に加熱ガスビーム６１、６２がほぼ垂直に衝突入射する。ガラス基板６０は、冷却された支持台（図示せず）に保持されていて、基板裏面温度は冷却材により一定に保持される。
【００６６】
一方、ガス加熱器６５の加熱電力制御により、ガスビーム６１、６２の温度は、３００℃以上の高温にすることができる。ガス加熱器６５に通すガスは窒素、酸素、水素、ヘリウム、アルゴン、などから適宜、一種類を選択することも可能であるし、二つ以上混合して用いることもできる。ガスビーム６１、６２の温度が８００℃のとき、シリコン半導体プロセスで行う不純物の熱拡散をシリコンに対して行うことが可能である。また、水分の雰囲気があるとき、シリコン表面の熱酸化も可能になる。酸素を当該ガスとして選択するときは加熱器６５は酸化されて燃えない材料で構成するかまたは酸化されて気体にならない材料で構成する必要がある。
【００６７】
さらに、ポリシリコンは、シランの６００℃熱分解から成長可能であり、シランとともに酸化ガスとして酸化窒素Ｎ２Ｏや水を導入すると、熱反応の酸化膜の成長が、ガスビーム温度７００ないし８００℃で可能である。また、アンモニアＮＨ３ガスをシランとともに導入すると、シリコン窒化膜がガスビーム温度７００℃で可能である。なお、シランに代えて、ハロゲン化シラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２等）を用いてもよい。
【００６８】
ここで、図８の構造とそれぞれの役割を説明する。
図８においては、半導体の層を成長させるのに適するよう加熱ガスビーム６１と６２とが加熱せずに導入するガス導入管６３を挟むように配置されている。なお、ガスビームで表面のみを加熱するだけのプロセスはとくに構造を選ばないため、ビームは一つだけでも良い。
【００６９】
膜を成長させるためには、熱を閉じ込めて、高温の空間（ルーム）を作り出して、そのルームに熱分解すべきガスを長時間停滞させ、反応分解種を生成させて、効率よく基板にそれを補給できる構造が必要である。そのためには、ルームを作るために、吹き付ける高温の線状ビームのガスを２箇所から射出することが有効である。ここで、加熱ガスビーム６１と６２とで囲まれた空間である高温ガスで囲まれたルームを高温ガスルーム６６と呼ぶ。
【００７０】
加熱しないガス導入管６３から、例えば、シランを選び、導入すると、高温ガスルーム６６で熱分解が進行して、活性種が生成されて、停滞層を拡散してシリコン膜をガラス基板６０上に成長させる。また、加熱ビーム６１と６２に酸化反応するガスを含むように選ぶと、この高温ガスルーム６６に停滞したシランと互いに熱分解反応を起こし、酸化膜が成長する。
【００７１】
気相中に異種物質の核がなければ、一定濃度以下では、自然核形成は起こさない。高温ガスルーム６６の下には、温度の低い異種物質である巨大核としてのガラス基板６０がある。異種物質である基板表面は温度が低いので、核成長から始まり膜の成長が起きる。これが、ガラス基板６０の温度を低く維持しながら、基板の温度より高い温度のガスを接触させて熱ＣＶＤを基板表面で起こさせる原理である。
【００７２】
ガス導入管６３からシランとともに、例えば、アセチレンＣ２Ｈ２を導入すると、シリコンカーバイドやシリコンとの混晶の多結晶膜を成長できる。また、ガラス基板６０に近い側をバンドギャップの大きいシリコンカーバイドの組成にし、階段的にあるいは、傾斜させて組成をシリコンにまで変化させると、表面はシリコン、ガラス基板６０側には、バンドギャップの大きいシリコンカーバイドという組成の真性半導体層を成長させることができる。ただし、このとき、ガラス基板から金属不純物が拡散するのを防止するために上に述べた方法で酸化膜を成長させておくことが望ましい。なお、導電性酸化膜としては、酸化亜鉛等の透明なものであればよい。また、別な方法、例えば、スパッタリングの方法で金属酸化物をつけることも不純物拡散防止に有効であるが過剰な金属が含まれるときは、上に述べた本発明の酸化方法で、それを酸化して透明度を改善することが可能である。
【００７３】
以上、説明したように、本発明に係る太陽電池装置の製造方法によれば、高温の加熱ガス６１、６２をガラス基板６０にほぼ垂直に衝突させるように吹き付けることで、基板６０の表面だけを高温にでき、基板内部と裏面を冷却効果に応じた一定の温度に維持しながら、基板より高い温度で表面のみを加熱処理して不純物熱拡散をすること、およびシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、ポリシリコンなどの高温熱ＣＶＤ材料を成長させる製造方法を用いることが可能である。
【００７４】
したがって、この製造方法により、ラテラルｐｉｎ／ｉ接合構造を持った太陽電池装置をガラス基板またはその軟化点（３００℃）より低温に保持する必要のある透明な非晶質基板の上に製造することが可能となる。
【００７５】
＜ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の製造方法＞
上記では、本発明に係る太陽電池装置の構造およびその製造方法について、説明したが、以下では、本発明の実施形態として図面に基づいて、ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の製造方法に関してさらに詳細に説明する。なお、複数添付する図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。
【００７６】
図９から図１４は、ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の製造方法を模式的に示した図である。
図９は、ガラス基板６０上に真性の半導体結晶層６７（Ｓｉ（１−Ｘ）ＣＸ）を成長させる工程の模式図である。なお、ガラス基板６０には金属不純物を含むことから、この拡散防止のために、酸化膜７１を１００ｎｍ成長させている。
【００７７】
まず、ガス導入口６３からシランを導入するとともに、酸化性のガスＮ２Ｏガスを含む窒素ガスをガス導入口６１、６２から導入する。なお、これは、プラズマＣＶＤ酸化膜でもよい。
【００７８】
次に、ガラス基板６０の支持台の表面温度を３００℃に設定し、次いで、ガス加熱器６５の設定温度を６５０℃から７５０℃の範囲で設定して、窒素ガスビーム（Ｎ２ガスビーム）６１、６２を基板に衝突させて、高温のガスルーム６６を形成する。同時に１％に窒素で希釈したシランＳｉＨ４とアセチレンＣ２Ｈ２とを石英のガス導入口６３を通して加熱することなく、ガス導入口から射出される窒素ガスビーム６１と６２とに挟まれた空間の高温のガスルーム６６に射出する。なお、シランＳｉＨ４とアセチレンＣ２Ｈ２を例示したのは、熱分解温度がその他のガスに比べて低いためである。
【００７９】
なお、高いエネルギーバンドギャップ値を持つＳｉＣを成長性させるときは、設定温度を７５０℃とする。ここで、シリコンカーバイドは、Ｓｉ−Ｃの結合が安定なために、酸化膜上には、Ｓｉ−Ｃ−Ｓｉ−Ｃというように、結合が膜厚方向に連続する性質が強い。面心立方結晶では、この方向は＜１１１＞軸であるため、＜１１１＞優先配向の膜となる性質がある。
【００８０】
こうした性質があるため、多結晶の軸をそろえる目的の場合には、ＳｉＣの膜を最初に成長させるのが適している。ただし、シリコン酸化膜の上にＳｉＣの核成長が起きにくい性質があるため、最初に、シランだけでシリコン膜を核成長させることが容易にＳｉＣ成長を起こさせるのには、好適である。また、シリコンの多結晶層を成長させるときは、６５０℃に設定する。そして、アセチレンの割合を減じながら、設定温度を７５０℃と６５０℃間で変化させて、厚み方向に組成が変化する膜Ｓｉ（１−Ｘ）ＣＸの多結晶で真性の半導体結晶層６７をガラス基板６０の上に３００ｎｍ成長させる。
【００８１】
このとき、ガラス基板６０に近い側は、ＳｉＣの組成が主であり、表面は、シリコンの多結晶である。アセチレンを導入しないときは、多結晶のシリコン膜が成長する。ガラス基板６０を横方向に往復運動させることで、成長領域を広げることが可能である。
【００８２】
図１０は、多結晶で真性の半導体結晶層のエッチングによる分離の工程の模式図を示している。ここでは、レジスト６８を多結晶で真性の半導体結晶層６７の上面に塗布して、レジスト分離パタンを露光現像で作り、ドライエッチングの方法を用いて、多結晶で真性の半導体結晶層６７を分離する。
【００８３】
図１１は、分離した多結晶で真性の半導体結晶層６７への絶縁膜成長の工程の模式図を示している。ガス導入口６３からシランを導入するとともに、酸化性のガスＮ２Ｏガスを含む窒素ガスをガス導入口６１、６２から温度７００℃で導入することにより、シリコン酸化膜７２を成長させることが可能となる。
【００８４】
または、ＴＥＯＳガスをガス導入口６３から導入し、次いで、高温のガスルーム６６に導入して、熱分解させて、シリコン酸化膜７２を形成することも可能である。このとき、この半導体層の表面は再結合準位を形成する。これを制御して減じるために、水を含む窒素ガスビームを８００℃で照射して、ＣＶＤ膜形成前に、熱シリコン酸化膜を予め形成すれば、経年劣化防止の要求品質対応に有効である。
【００８５】
図１２は、ｎ型不純物拡散層の形成工程の模式図である。レジストの拡散層パタンの転写とドライエッチングの方法とを用いて、ｎ型拡散層７３を形成すべき場所のシリコン酸化膜７２を開口させる。次に、ガス導入口６３から不純物として、フォスフィンガス含む窒素ガスを導入し、ガス導入口６１、６２から窒素ガスビームを設定温度８００℃で導入して、シリコン酸化膜７２の開口部からリンを熱拡散させて、ｎ型拡散層７３を形成する。なお、別の方法、例えば、プラズマＣＶＤ法でリンを含むアモルファスシリコンを成長させて、これを本実施形態のガスビーム加熱方法でアニールしてリンを拡散させても良い。
【００８６】
図１３は、ｐ型不純物拡散層の形成工程の模式図である。前述のシリコン酸化膜７２の形成工程と同じ方法で、シリコン酸化膜７２を追加成長させて、ｎ型拡散層７３の開口部をふさぐ。レジストのｐ型拡散層パタンの転写とドライエッチングの方法とを用いてｐ型拡散層７４を形成すべき場所のシリコン酸化膜７２を開口させる。次に、ガス導入口６３から、不純物として、ジボランガス含む窒素ガスを導入し、さらに、ガス導入口６１、６２から窒素ガスビームを設定温度８００℃で導入して、シリコン酸化膜７２のｐ型拡散層開口部からボロンを熱拡散させてｐ型拡散層７４を形成する。なお、別の方法、例えば、プラズマＣＶＤ法でボロンを含むアモルファスシリコンを成長させて、これを本実施形態のガスビーム加熱方法でアニールしてボロンを拡散させても良い。
【００８７】
図１４は、アルミニウム金属電極を形成する工程の模式図である。再び、レジストのｎ型拡散層７３に接続する電極パタンを転写して、ｎ型拡散層７３の上の酸化膜をエッチング除去して、ｎ型拡散層７３とｐ型拡散層７４とが接続する接続孔を酸化膜７２に開口する。次に、アルミニウム膜をスパッタリングで成長させ、レジストの金属電極層パタンの転写とドライエッチングの方法とを用いて、アルミニウム電極７５のパタンを形成する。
【００８８】
図１５は、ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の直列接続を示す図である。ラテラルｐｉｎ／ｉ接合８１のｎ型拡散層７３とラテラルｐｉｎ／ｉ接合８２のｐ型拡散層７４とがアルミニウム電極７５で接続されている。ここで、太陽光８０が照射されると、ラテラルｐｉｎ／ｉ接合８１の発生電圧Ｖｏｕｔ１と、ラテラルｐｉｎ／ｉ接合８２の発生電圧Ｖｏｕｔ２の和である電圧Ｖｓ（＝Ｖｏｕｔ１＋Ｖｏｕｔ２）がラテラルｐｉｎ／ｉ接合８１のｎ型拡散層７３とラテラルｐｉｎ／ｉ接合８２のｐ型拡散層７４との間に発生する。この接続を多段に行うことでさらに高い電圧を発生できる。
【００８９】
図１６は、表面に凹凸を加工したガラス基板９０に、ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池を作製した例である。この例では、凹凸の周期とラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の周期を一致させてあるが、一致させなくても良い。また、この凹凸は太陽光を真性の半導体結晶層６７に効率よく進入させる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の太陽電池装置の構造を用いることにより、ガラス基板の全面から太陽光を導入して、その全面にある真性半導体層の内部電界領域に電極層を介することなく太陽光を導入できる。この構造は電極を介して接続することなくエネルギーバンドギャップの違う材料を連続接続させる構造である。したがって、太陽光エネルギースペクトルを有効に利用できる。本発明の太陽電池装置の構造は、希少金属のインジュームを用いる透明電極を用いないため、資源の経済的な問題をも解決する。
【００９１】
また、本発明の太陽電池装置の構造を可能にさせた製造方法は、安価なガラス基板を低温に保ったまま、結晶半導体を成長させる方法であるため、安価に太陽エネルギーを高い効率で電気に変えることができ、地球環境を守りながら、これまで以上のエネルギーを利用できる世界を実現する。
【００９２】
以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】ｐｉｎ接合ダイオード構造の模式図である。
【図２】ＸＸで図１のｐｉｎ接合ダイオードを分割した模式図である。
【図３】ＺＺ面で図１のｐｉ接合とｉｎ接合を横方向に接合したダイオードの模式図である。
【図４】ラテラルｐｉｎ／ｉ接合ダイオード太陽電池の構造を模式的に示した図である。
【図５】バンドギャップの違う半導体真性層ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の構造を模式的に示した図である。
【図６】バンドギャップの違う半導体真性層ラテラルｐｉｎ／ｉ接合の模式図において、ＮＮ断面のバンドダイヤグラムを示す図である。
【図７】バンドギャップの違う半導体真性層ラテラルｐｉｎ／ｉ接合の模式図において、ＰＰ断面のバンドダイヤグラムを示す図である。
【図８】ガラス基板の表面だけを加熱する膜形成装置の構造を示した模式図である。
【図９】ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の製造工程において、ガラス基板上に真性の半導体結晶層Ｓｉ（１−Ｘ）ＣＸを成長させる工程を示した模式図である。
【図１０】ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の製造工程において、真性半導体結晶層のエッチング分離工程を示した模式図である。
【図１１】ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の製造工程において、分離した真性半導体結晶層へのシリコン酸化膜成長工程を示す模式図である。
【図１２】ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の製造工程において、ｎ型不純物拡散層の形成工程を示す模式図である。
【図１３】ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の製造工程において、ｐ型不純物拡散層の形成工程を示す模式図である。
【図１４】ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の製造工程において、アルミニウム電極の形成工程を示す模式図である。
【図１５】ラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の直列接続の模式図である。
【図１６】表面に凹凸のある基板に製造したラテラルｐｉｎ／ｉ接合太陽電池の模式図である。
【図１７】従来のｐｎダイオードの断面模式図である。
【図１８】従来のｐｉｎダイオードの断面模式図である。
【符号の説明】
【００９４】
１１・・・ｎ型層
１２・・・ｐ型層
１３・・・空乏層
１４・・・真性アモルファス層
１５・・・ｎ型アモルファス層
１６・・・ｐ型アモルファス層
２１・・・ｎ型拡散層
２２・・・ｐ型拡散層
２３・・・真性層
２４・・・絶縁膜
２５・・・ｎｉ接合
２６・・・ｉｐ接合
３０・・・透明基板
３１・・・ラテラルｐｉｎ／ｉ接合
３３・・・真性半導体層
３４・・・太陽光で生成した電子
３５・・・太陽光で生成した正孔
３６・・・金属電極
４０・・・透明基板
４１・・・真性半導体層
４２・・・真性半導体層
４３・・・真性半導体層
５１・・・光励起
６０・・・ガラス基板
６１、６２・・・ガスビーム
６３・・・加熱しないガス導入管
６５・・・ガス加熱器
６６・・・高温のガスルーム
６７・・・真性の半導体結晶層
６８・・・レジスト
７１・・・酸化膜
７２・・・シリコン酸化膜
７３・・・ｎ型拡散層
７４・・・ｐ型拡散層
７５・・・アルミニウム膜
８０・・・太陽光
８１・・・ラテラルｐｉｎ／ｉ接合
８２・・・ラテラルｐｉｎ／ｉ接合
９０・・・表面に凹凸のあるガラス基板
【図１】
2010034124.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】
2010034124.tif 000012
【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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【図１７】
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【図１８】
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