(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面（１）と後面（２）とを有し、前記前面（１）において光子を受け取る結晶半導体材料からなる第１の層（１０）と、
前記第１の層（１０）の前記後面（２）側に位置する導電性材料からなるリアコンタクト層（４０）とを備える発電用の構造体（１００）であって、さらに、
前記第１の層（１０）の後面（２）と前記リアコンタクト層（４０）との間に、前記第１の層（１０）の後面（２）及び前記リアコンタクト層（４０）にそれぞれ接触するように設けられた、水素化アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）からなる単一層の第２の層（５０）と、
前記第１の層（１０）の前面（１）上に設けられた、ドープしたアモルファス半導体材料からなる第３の層（２０）と、
前記第３の層（２０）上に設けられた、透明導電性材料からなるフロントコンタクト層（３０）と、を備え、
前記第１の層（１０）の前記結晶半導体材料は、単結晶シリコン、又は、多結晶シリコンのいずれかの結晶シリコン（Ｓｉ）であり、
前記第２の層（５０）のＧｅ濃度は、前記リアコンタクト層（４０）側で高くなり、前記第１の層（１０）側で低くなるように深さ方向に徐々に変化しており、
前記第３の層（２０）の前記アモルファス半導体材料は、水素化アモルファスＳｉ、又は、水素化アモルファスＳｉＧｅであり、
前記第１の層（１０）の前記Ｓｉがｐ型ドープされていると共に、前記第２の層（５０）の前記ａ−ＳｉＧｅ：Ｈがｐ型ドープされており、且つ前記第３の層（２０）がｎ型ドープされている、
又は、
前記第１の層（１０）の前記Ｓｉがｎ型ドープされていると共に、前記第２の層（５０）の前記ａ−ＳｉＧｅ：Ｈがｎ型ドープされており、且つ前記第３の層（２０）がｐ型ドープされていることを特徴とする構造体（１００）。
【請求項２】
請求項１に記載の構造体（１００）において、前記リアコンタクト層（４０）は金属材料、又は、透明導電性酸化物からなることを特徴とする構造体（１００）。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の構造体（１００）において、前記フロントコンタクト層（３０）は透明導電性酸化物からなることを特徴とする構造体（１００）。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の構造体（１００）において、前記第２の層（５０）は、１．２ｅＶから１．７ｅＶの間の禁制帯を有することを特徴とする構造体（１００）。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の発電用の構造体（１００）の製造方法であって、
前面（１）と後面（２）とを有し、前記前面（１）において光子を受け取る結晶半導体材料からなる第１の層（１０）を形成する工程（ａ）と、
前記第１の層（１０）の前記後面（２）上に水素化アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）を堆積して第２の層（５０）を形成する工程（ｂ）と、
前記第２の層（５０）上に導電性材料からなるリアコンタクト層（４０）を形成する工程（ｃ）とを備え、
前記第２の層（５０）を、前記第１の層（１０）の後面（２）と前記リアコンタクト層（４０）との間に、前記第１の層（１０）の後面（２）及び前記リアコンタクト層（４０）にそれぞれ接触するように設け、
前記第２の層（５０）のＧｅ濃度が、前記第１の層（１０）側から徐々に増加して深さ方向に徐々に変化するように前記工程（ｂ）を行い、さらに、
前記第１の層（１０）の前面（１）上にドープした水素化アモルファス材料からなる第３の層（２０）を形成する工程と、
前記第３の層（２０）上に光子に対して透明な導電性材料からなるフロントコンタクト層（３０）を形成する工程とを備えたことを特徴とする構造体（１００）の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の構造体（１００）の製造方法であって、前記工程（ｂ）は、２５０℃よりも低い温度、又は、２５０℃で行うことを特徴とする構造体（１００）の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の構造体（１００）の製造方法であって、前記第２の層（５０）が、１．２ｅＶから１．７ｅＶの間の禁制帯を有するように前記第２の層（５０）のゲルマニウム濃度を選択する工程をさらに備えることを特徴とする構造体（１００）の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池（光起電力セル）の分野に関し、特に、ヘテロ接合を用いた太陽電池の分野に関するものである。
【０００２】
本発明は、特に、前面において光子を受け取るドープ結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）中心層と、前記前面上に位置するドープアモルファスシリコン（ａ―Ｓｉ）層を随意に、さらに、前記中心層の後面上に位置する導電性リアコンタクト層とを備えるセルに関する。
【０００３】
前記コンタクト層は、例えば、金属材料、又は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のような、透明導電性酸化物であってもよい。
【背景技術】
【０００４】
このような構造は、中心層とリアコンタクト層とのヘテロ接合を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような通常ドープ、又は、強ドープのヘテロ接合では、ｃ−Ｓｉ層のパッシベーションが不十分であることより界面の質が劣化するという不具合が生じ、界面においてポテンシャル障壁が大きくなりすぎるため、キャリアの収集が不十分となる。
【０００６】
好ましくない影響として、中心層とリアコンタクト層間で大きな信号ロスが生じ、これによりセルの歩留まりが制限されてしまうことが挙げられる。
【０００７】
この問題を低減するために、ｃ−Ｓｉ層とリアコンタクト層との間に、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる層を設ける方法が知られている。
【０００８】
しかし、界面の質の向上は不十分なままである。
【０００９】
ａ−Ｓｉ：Ｈ層を形成する際には、さらに、セルの前面及びリアコンタクト層から金属元素が拡散するという問題が起こる可能性もある。
【００１０】
本発明の目的は、ｃ−Ｓｉ層の後面上における、ｃ−Ｓｉ層とリアコンタクト層の界面の質の問題に対する新たな解決策を提供することにある。
【００１１】
また、後面の実用化の可能性を高くすることを本発明の目的とする。
【００１２】
さらに、ヘテロ接合を有する太陽電池の歩留まりを高くするとともに、コストを削減すること、及び／又は、変換収率／太陽電池モジュールコスト割合を上げることを本発明の目的とする。
【００１３】
さらに、セルを形成する温度を制限することを本発明の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、結晶半導体材料からなり、前面と後面とを有し、前記前面において光子を受け取る第１の層と導電性材料からなり、前記後面側に位置するリアコンタクト層とを備える発電用の構造体であって、さらに、水素化アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）からなる第２の層を第１の層の前記後面と前記リアコンタクト層との間に備えることを特徴とする構造体を提案する。
【００１５】
本発明によるこのような構造体の選択可能な特徴として、以下のことが挙げられる。
【００１６】
前記第２の層は、ドープ層か、又は、真性層である。
【００１７】
前記結晶半導体材料は、単結晶シリコン、又は、多結晶シリコンのいずれかの結晶シリコン（Ｓｉ）であり、Ｓｉはｐ型ドープされていて、前記ａ−ＳｉＧｅ：Ｈは、p−型ドープされている、又は、前記Ｓｉはｎ型ドープされていて、前記ａ−ＳｉＧｅ：Ｈはｎ−型ドープされている
【００１８】
前記第２の層は、さらに炭素を含んでいる。
【００１９】
前記リアコンタクト層は金属材料、又は、ＩＴＯのような、透明導電性酸化物からなる。
【００２０】
前記第２の層のＧｅ濃度は深さ方向に徐々に変化しており、前記第２の層のＧｅ濃度は、前記リアコンタクト層側で高くなり、前記第１の層側で低くなるように深さ方向に徐々に変化していてもよい。
【００２１】
前記構造体は、ドープしたアモルファス半導体材料からなり、前記第１の層の前面上に設けられた第３の層をさらに備えており、前記第３の層は、随意に、水素化アモルファスＳｉ、又は、水素化アモルファスＳｉＧｅであり、前記第３の層は、随意に、前記第１の層がｐ型ドープ層であればｎ型ドープ層であり、前記第１の層がｎ型ドープ層であればｐ型ドープ層であり、前記構造体は、前記第３の層上に設けられた、透明導電性材料からなるフロントコンタクト層をさらに備えていてもよく、前記導電性材料はＩＴＯ等の透明導電性酸化物であってもよい。
【００２２】
前記第２の層は、約１．２ｅＶから１．７ｅＶの間の、さらに具体的には、約１．５ｅＶの禁制帯を有する。
【００２３】
第２の発明は、発電用の構造体の製造方法であって、結晶半導体材料からなり、前面と後面とを有し、前記前面において光子を受け取る第１の層を形成する工程（ａ）と、水素化アモルファスシリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ）を第１の層の前記後面上に堆積して第２の層を形成する工程（ｂ）と、前記第２の層上に導電性材料からなるリアコンタクト層を形成する工程（ｃ）とを備えることを特徴とする構造体の製造方法を提案する。
【００２４】
本発明によるこの製造方法の選択可能な特徴として、以下のことが挙げられる。
【００２５】
前記工程（ａ）、及び／又は、前記工程（ｂ）は、ドーパント元素を注入する工程をさらに備えている。
【００２６】
工程（ｂ）は、２５０℃よりも低い温度、又は、２５０℃程度で行う。
【００２７】
前記工程（ｂ）は、前記第２の層のＧｅ濃度が深さ方向に徐々に変化するように前記工程（ｂ）を行い、前記第２の層のＧｅ濃度は、第１の層から徐々に増加していてもよい。
【００２８】
前記製造方法は、第１の層との界面において、価電子帯と導電帯とがそれぞれが所定のバンドの不連続性を有するよう価電子帯と導電帯とを調整するために、前記第２の層の水素濃度を選択する工程をさらに備えている。前記第２の層は、ｎ型ドープ層であってもよく、ホールを界面から十分にはね返すことができるポテンシャル障壁を作って界面で再結合しないように価電子帯におけるバンドの不連続性が十分に大きくなり、かつ、界面での電子の遮断を最小にするように、導電帯におけるバンドの不連続性が十分に弱くなる。また、前記第２の層はｐ型ドープ層であってもよく、界面でのホールの遮断を最小にするように、価電子帯におけるバンドの不連続性が十分に弱くなり、かつ、界面で再結合しないように電子を界面から十分にはね返すことができるように導電帯におけるバンドの不連続性を十分に大きくなる。前記製造方法は、前記第２の層の後部を形成する材料の禁制帯が所定の幅を有するように前記第２の層のゲルマニウム濃度を選択する工程をさらに備えていてもよい。
【００２９】
前記製造方法は、随意にドープした水素化アモルファス材料からなる第３の層を前記第１の層の前面上に形成する工程をさらに備えており、前記第３の層は、アモルファス半導体材料からなり、また、前記製造方法は、光子に対して透明な導電性材料からなる電気コンタクト層を前記第３の層上に形成する工程をさらに備えている。
【００３０】
本発明のその他の特徴、目的、及び、効果は、以下の記載によってさらに詳しく理解される。この記載は本発明を限定するものではなく、以下の図面によって図示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るヘテロ接合を有する発電用の構造の断面図を示す。
【図２】図２は、ｐ型ｃ−Ｓｉ／ｐ型ａ−ＳｉＧｅヘテロ接合の後面のバンド図の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
例えば、太陽電池等のヘテロ接合構造体１００は、それぞれ異なる禁制帯値を有し、層間にバンド不連続が生じる活性層、又は、（例えば、単結晶、又は、多結晶の）ドープ結晶の基板１０と、ドープアモルファス層２０とを有している。
【００３３】
活性層１０がｎ型ドープであり、ドープアモルファス層２０がｐ型ドープであるか、もしくは、活性層１０がｐ型ドープであり、ドープアモルファス層２０がｎ型ドープであるのが好ましい。
【００３４】
例えば、シリコン、及び／又は、ＳｉＧｅを使用して、これらの層１０、２０を形成してもよい。
【００３５】
前面において所定の電圧を得るために、このアモルファス／結晶のへテロ接合を形成する。
【００３６】
活性層１０の厚さは、数マイクロメートル又は数百マイクロメートルであってもよい。
【００３７】
抵抗は、２０オームより小さければよく、１０オーム、又は、５オーム程度かそれ以下ならよい。
【００３８】
活性層１０は、前面１と後面２とを備えている。
【００３９】
前面１は、光子を受け取るためのものである。
【００４０】
後面２は、リア電気コンタクトに接続するためのものである。
【００４１】
ドープアモルファス層２０は、前面１側に設けられている。
【００４２】
金属材料、又は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のような透明導電性酸化物からなるフロントコンタクト層３０をドープアモルファス層２０の上に設けてもよい。また、スクリーン印刷金属パターン８０をフロントコンタクト層３０の上に設けてもよい。
【００４３】
さらに、金属材料、又は、ＩＴＯのような透明導電性酸化物からリアコンタクト層４０を活性層１０の後面２側に設けてもよい。
【００４４】
本発明によると、活性層１０とリアコンタクト層４０との間にａ−ＳｉＧｅ：Ｈ転位層５０が設けられている。
【００４６】
このような転位層５０を得るためには、活性層１０の後面２上で、例えば、ＰＥＣＶＤによるアモルファス材料の堆積を行う。１つ以上の堆積方法に関して、“Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ”Ｗｅｒｎｅｒ  Ｌｕｆｔ  ａｎｄ  Ｙ．Ｓｉｍｏｎ  Ｔｓｕｏ（Ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ  １９９３  ｏｆ  Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ  Ｉｎｃ．  ＩＳＢＮ  ０−８２４７−９１４６−０）に詳しく記載されている。
【００４７】
本発明のこのような転位層５０を設けることで、結晶シリコンの表面がうまく不動態化され、例えば、ｃ−Ｓｉ活性層１０との界面不良を低減するのに適切な特性を有するアモルファスシリコンゲルマニウムとすることができる。
【００４８】
このような転位層５０の効果としては、他にも、ヘテロ接合を有するセルの後面上のアモルファスシリコンゲルマニウム合金の禁制帯幅（バンドギャップ）をアモルファスシリコンより小さくすることができ、活性層１０のｃ−Ｓｉ禁制帯に近づけることができる。したがって、活性層１０がｃ−Ｓｉである場合には、均等な堆積及び厚さを得るために、一般的には、ａ−Ｓｉ：Ｈよりもポテンシャル障壁が小さいａ−ＳｉＧｅ：Ｈ転位層５０を使用する。
【００４９】
ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ転位層５０を使用すると、ａ−Ｓｉ：Ｈ転位層５０を使用する場合と比べて、以下のことが可能になる。
【００５０】
−活性層１０の後面２をより良好に不動態化することができる。
【００５１】
−活性層１０の電気特性にさらに近づけることができ、これにより、活性層１０からリアコンタクト層４０へのキャリアの移動を促進することができる。
【００５２】
ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ転位層５０を使用することで、構造体１００からキャリアを抽出するために設けられた後面上においてコンタクトを向上することができる。
【００５３】
構造、又は、セル１００では、これにより、高い歩留まりと、精度が得られる。
【００５４】
さらに、本発明の効果として、転位層５０のバンドギャップを容易に変化させることが可能となる。
【００５５】
転位層５０は、３つの元素（Ｓｉ、Ｇｅ及びＨ）を含み、元素それぞれの濃度によってバンドギャップと価電子帯と伝導帯の特徴とが決定される。
【００５６】
特に、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ転位層のゲルマニウム含有量が増加すると、バンドギャップの値が低下する。
【００５７】
ここで、このバンドギャップを正確に制御することができれば、非常に有効である。
【００５８】
これにより、活性層１０の電気特性とリアコンタクト層４０の電気特性の平均値を得ることができる。
【００５９】
また、転位層５０の厚さ方向に向かって、Ｇｅ濃度を徐々に変化させることも可能である。堆積中に、Ｇｅ前駆体の用量をＳｉ前駆体と相対的に、徐々に連続的に変化させることによって、このような連続した濃度変化を得ることができ、また、個々の層のＧｅ濃度は均一であって、それぞれのＧｅ濃度は異なるという複数の層を連続して堆積することによって、段階的な濃度変化を得ることができる。特定の条件下においては、転位層５０のバンドギャップを徐々に小さくして、活性層１０とリアコンタクト層４０それぞれのバンドギャップの間の値とするために、Ｇｅ濃度がリアコンタクト層４０側で高く、活性層１０側で低くなるように転位層５０のＧｅ濃度を変化させるのが有効である。
【００６０】
さらに、材料の水素含有量を変化させることで、界面における価電子帯と伝導帯の不連続分布を修正することができる。バンドギャップの値は、必ず変化させなければならないわけではない。
【００６１】
図２には、一方（バンド図の左側）がｃ−Ｓｉで、他方（バンド図の右側）がａ−ＳｉＧｅ：Ｈである界面に存在する価電子帯におけるバンドの不連続性ΔＥＶと伝導帯におけるバンドの不連続性ΔＥＣとを示す。これにより、ΔＥＶとΔＥＣのそれぞれの値を実際に変化させることが可能となり、双方の材料間のバンドギャップ差（この差はΔＥＶとΔＥＣとの和に等しい）を変化させる必要がないことがわかる。
【００６２】
特に、転位層５０の水素濃度を上げることで、ΔＥＣを低下させつつΔＥＶを上昇させることができる。逆に言えば、転位層５０の水素濃度を下げることで、ΔＥＣを上昇させつつΔＥＶを低下させることができる。
【００６３】
したがって、本発明によると、活性層１０との界面での価電子帯と伝導帯での所定のバンドの不連続性を得るために、転位層５０の価電子帯と伝導帯を調整するよう転位層５０の水素濃度をあらかじめ適した値にしておくことができるという効果がある。
【００６４】
具体的には、転位層５０がｎ型にドープされている場合は、界面で再結合しないようにホールを界面から十分にはね返すことができるポテンシャル障壁を作るために十分に大きなΔＥＶと、界面での電子の遮断を制限するために十分に小さいΔＥＣを得るため、また、転位層５０がｐ型にドープされている場合は、界面でのポテンシャル障壁を最小にすることができるよう十分に小さいΔＥＶであって、それによりリアコンタクト層４０に向かってホールを移動させることを促進できるよう、また、界面で再結合しないように電子を界面から十分にはね返すことができるポテンシャル障壁を作るために十分に大きなΔＥＣを得るために水素濃度を選択することができる。
【００６５】
バンドの不連続性の分布における水素の割合の影響などの詳細は、例えば、Ｃｈｒｉｓ  Ｇ．  Ｖａｎ  ｄｅ  Ｗａｌｌｅの“Ｂａｎｄ  ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｉｅｓ  ａｔ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ａｎｄ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ”（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ，  Ｖｏｌ．１３，ｐ．１６３５−１６３８（１９９５））に説明されている。
【００６６】
したがって、本発明によると、転位層５０を堆積するためのパラメーターを決定することによって、特に、特定のＧｅ組成、及び、Ｈ組成を選択することによって、セル１００の後面における界面の電気特性を最適化することができる。
【００６７】
したがって、本発明によると、ヘテロ接合を有するセルの後面のバンドの設計自由度を上げることができる。
【００６８】
さらに、本発明にしたがって、ゲルマニウム、及び／又は、水素の含有量を変化させることによって、堆積温度を変えることなくアモルファス材料の性質と特性を変えることができる。
【００６９】
このような堆積パラメーターの調整は、時間（温度上昇時間）、エネルギー、取り扱いの容易さを考えても、全く制約がない。
【００７０】
本発明によると、例えば、アモルファス半導体の禁制帯幅を狭くすることができ（１．１ｅＶ〜１．７ｅＶの間の値、さらに具体的には、約１．５ｅＶ）、及び／又は、後面上に堆積したアモルファス材料の特性を、温度を上昇させすぎることなく（約２５０℃）得ることができる。
【００７１】
本発明の効果は、他にも、所定の同じギャップ値を得るために、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈ層の堆積温度（一般的には、２５０℃と同等か、それ以下）をａ−Ｓｉ：Ｈ層を堆積する温度よりも低くすることができることである。
説明のため、異なるＧｅ濃度に関して、バンドギャップと温度との対応関係を表１に示す。
【００７２】
【表１】
0005567345.tif 000002
【００７３】
したがって、このようなａ−ＳｉＧｅ：Ｈ層を形成することは、ａ−Ｓｉ：Ｈ層を形成するよりも、時間的にもエネルギー的にも経済的であると言える。
【００７４】
したがって、予測される加熱量に関しても、取り扱い易いものとなり、また、コストも低減される。
【００７５】
さらに、ａ−Ｓｉ：Ｈと比較して、温度を低くすることによって、セル１００の動作にとって明らかに影響を及ぼす、コンタクト層３０からコンタクト層４０まで間の、導電性元素（例えば、金属元素）からなる層１０、２０、５０の半導体への拡散の危険性を減らすことができる。
【００７６】
また、転位層５０を、さらに、ｐ型、又は、ｎ型にドープする。
【００７７】
構造体１００は、例えば、ｐ型結晶シリコンの活性層１０と、前面１上に設けられたｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈ層２０と、後面２上に設けられたｐ型のａ−ＳｉＧｅ：Ｈ層５０とを備えていてもよい。ドーパント元素は、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ｚｎ、Ａｌから選択してもよい。
【００７８】
また、構造体１００は、例えば、ｎ型の結晶シリコンからなる活性層１０と、前面上１に設けられたｐ型のａ−Ｓｉ：Ｈ層２０と、後面２上に設けられたｎ型のａ−ＳｉＧｅ：Ｈ層５０とを備えていてもよい。ドーパント元素は、Ｐ、Ｂ、Ａｓ、Ｚｎ、Ａｌから選択してもよい。
【００７９】
活性ｃ−Ｓｉ層１０と同じ極性のドーピングによって後面２上にａ−ＳｉＧｅ：Ｈ層５０を形成することで、リアコンタクト層４０より前に、キャリアの再結合をさらに低減することができる。
【００８０】
構造体１００の他の層４０、２０、５０は、気相堆積法、その他の公知の技術によって堆積する。
【００８１】
アモルファスシリコンゲルマニウムを使った本発明の適用分野の１つは、電力部門に関するものであり、特に、セル１００は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
以上説明したように、本発明のセル１００は、歩留まりを高くする一方で、コストを削減することができる。
【図１】
0005567345.tif 000003
【図２】
0005567345.tif 000004