(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、
第１の導電型を示す第１の半導体層と、光電変換機能を有する第１の半導体層と、第２の導電型を示す第１の半導体層と、を有する第１のユニットセルと、
第１の導電型を示す第２の半導体層と、光電変換機能を有する第２の半導体層と、第２の導電型を示す第２の半導体層と、を有する第２のユニットセルと、
第２の電極と、を有し、
前記光電変換機能を有する第１の半導体層中には、前記第１の導電型を示す第１の半導体層から前記第２の導電型を示す第１の半導体層にかけて、前記光電変換機能を有する第１の半導体層の厚さより小さい粒径の結晶粒が、該第１の半導体層の厚さ方向に連なって配置された領域を有し、
前記光電変換機能を有する第１の半導体層の母体は、非晶質シリコンを有し、
前記結晶粒は、結晶性シリコンを有し、
前記光電変換機能を有する第２の半導体層は、結晶性シリコンを有し、
前記光電変換機能を有する第１の半導体層の厚みは、前記光電変換機能を有する第２の半導体層の厚みより大きい光電変換装置。
【請求項２】
前記結晶粒が連なって配置された領域を複数有する、請求項１に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される発明は半導体の光起電力効果を利用する光電変換装置に関する。開示される発明の中には支持基板に半導体層が設けられた光電変換装置が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
近年の地球環境問題に対処するため、住宅用の太陽光発電システムなどに代表される光電変換装置市場が拡大している。既に、光電変換効率の高い単結晶シリコンまたは多結晶シリコンを用いたバルク型光電変換装置が実用化されている。
【０００３】
単結晶シリコンまたは多結晶シリコンを用いる光電変換装置は、大型のシリコンインゴットから切り出されて作製される。しかし、大型のシリコンインゴットは作製するのに長時間を要するためその生産性が悪い。このため、供給量が市場の拡大に対応できずに供給不足の状態となっている。
【０００４】
上述のように太陽電池の原材料不足が顕在化してきたなかで、非晶質シリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜を用いた薄膜型光電変換装置が注目されている。薄膜型光電変換装置は、化学的あるいは物理的な各種の成長法を利用して、支持基板上にシリコン薄膜を形成するため、バルク型光電変換装置と比較して省資源化、低コスト化が可能であると言われている。
【０００５】
薄膜型の光電変換素子の一例として、電極の界面側から光吸収層の中へ突出する突起を設けたものが提案されている（特許文献１参照）。この光吸収層の中へ突出する突起は、光生成キャリアのパスとして機能させ、収集効率の改善および光劣化の防止を実現するために設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表平８−５０９８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記技術ではキャリアパスを形成するために、薄膜の堆積に加え、レーザービーム干渉パターンの照射やエッチング等の複雑な処理が必要であった。また、光電変換を奏する半導体層におけるキャリアパスを、ｐ型半導体層からｎ型半導体層にかけて連続するように形成することが出来なかった。そのために、キャリアパスの効果を十分に発揮することができず、光電変換装置（太陽電池）の特性を十分に向上させることができなかった。
【０００８】
そこで、本明細書等において開示する発明は、上述の問題を解決して特性を十分に向上させた光電変換装置を提供することを目的の一とする。または、その作製方法を提供することを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
開示する発明の一態様は、光電変換を奏する半導体層中に、ｐ型半導体層からｎ型半導体層にかけて連続するキャリアパスを有する光電変換装置である。または、このような光電変換装置の作製方法である。
【００１０】
より詳細には次の通りである。
【００１１】
開示する発明の一態様は、第１の電極と、第１の導電型を示す半導体層と、光電変換を奏する半導体層と、第２の導電型を示す半導体層と、を有するユニットセルと、第２の電極と、を有し、光電変換を奏する半導体層中には、第１の導電型を示す半導体層から第２の導電型を示す半導体層にかけて、光電変換を奏する半導体層の厚さより小さい粒径の結晶粒が、該半導体層の厚さ方向に連なって配置された領域を有する光電変換装置である。
【００１２】
開示する発明の別の一態様は、第１の電極と、第１の導電型を示す半導体層と、光電変換を奏する半導体層と、第２の導電型を示す半導体層と、をそれぞれが有する複数のユニットセルと、第２の電極と、を有し、複数のユニットセルの一において、光電変換を奏する半導体層中には、第１の導電型を示す半導体層から第２の導電型を示す半導体層にかけて、光電変換を奏する半導体層の厚さより小さい粒径の結晶粒が、該半導体層の厚さ方向に連なって配置された領域を有する光電変換装置である。
【００１３】
上記において、結晶粒が連なって配置された領域を複数有する場合がある。また、結晶粒が連なって配置された領域は局在化している場合がある。また、光電変換を奏する半導体層の母体は、非晶質半導体でなる場合がある。ここで、光電変換を奏する半導体層の母体とは、半導体層中の結晶粒を除く部位をいうものとする。
【００１４】
開示する発明の別の一態様は、第１の電極を形成し、第１の電極上に、第１の導電型を示す半導体層と、第１の導電型を示す半導体層上の光電変換を奏する半導体層と、光電変換を奏する半導体層上の第２の導電型を示す半導体層と、を有するユニットセルを形成し、ユニットセル上に、第２の電極を形成する光電変換装置の作製方法であって、光電変換を奏する半導体層の厚さより小さい粒径の結晶粒が、該半導体層の厚さ方向に連なって配置された領域を有するように、該半導体層を形成する光電変換装置の作製方法である。
【００１５】
開示する発明の別の一態様は、第１の電極を形成し、第１の電極上に、第１の導電型を示す半導体層と、光電変換を奏する半導体層と、第２の導電型を示す半導体層と、をそれぞれが有する複数のユニットセルを形成し、複数のユニットセル上に、第２の電極を形成する光電変換装置の作製方法であって、複数のユニットセルの一における光電変換を奏する半導体層の厚さより小さい粒径の結晶粒が、該半導体層の厚さ方向に連なって配置された領域を有するように、該半導体層を形成する光電変換装置の作製方法である。
【００１６】
上記において、結晶粒が厚さ方向に一次元的に配列する光電変換を奏する半導体層を、グロー放電プラズマを用いたプラズマＣＶＤ法で形成する場合がある。また、グロー放電プラズマを、局所的な高密度領域を有するように形成する場合がある。また、局所的な高密度領域において形成される結晶粒を堆積させることで、結晶粒が厚さ方向に一次元的に配列する光電変換を奏する半導体層を形成する場合がある。
【００１７】
結晶粒は気相中で数ナノメートルの粒径に成長させたものを、堆積表面に付着させることで半導体層中に含まれるようにするのが好適である。
【００１８】
本明細書等において、「単結晶」とは、結晶面、結晶軸が揃っている結晶であり、それを構成している原子または分子が空間的に規則正しい配列を有しているものをいう。もっとも、単結晶は原子が規則正しく配列することによって構成されるものであるが、一部にこの配列の乱れがある格子欠陥を含むもの、意図的または非意図的に格子歪みを有するものなどの規則性の乱れを除外するものではない。
【００１９】
なお、本明細書において「第１」、「第２」、「第３」等の数詞の付く用語は、要素を区別するために便宜的に付与しているものであり、数的に限定するものではなく、また配置および段階の順序を限定するものでもない。
【発明の効果】
【００２０】
開示する発明の一態様では、光電変換を奏する半導体層に結晶粒を含ませることで、光キャリアの生成領域と当該キャリアの輸送領域を設けることができる。これにより、収集効率が向上し、光電変換装置の変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】光電変換装置の一例を説明する断面図である。
【図２】光電変換装置の一例を説明する断面図である。
【図３】プラズマＣＶＤ装置の一例を説明する図である。
【図４】プラズマＣＶＤ装置の反応室に備えられるプラズマ生成用の電極の構成を説明する断面図である。
【図５】プラズマＣＶＤ装置の反応室に備えられるプラズマ生成用の電極の構成を説明する断面図である。
【図６】プラズマＣＶＤ装置の反応室に備えられるプラズマ生成用の電極の構成を説明する平面図である。
【図７】光電変換装置の作製工程の一例を説明する断面図である。
【図８】光電変換装置の作製工程の一例を説明する断面図である。
【図９】光電変換装置の作製工程の一例を説明する断面図である。
【図１０】光電変換装置の作製工程の一例を説明する断面図である。
【図１１】太陽光発電モジュールの構成を説明する概念図である。
【図１２】太陽光発電システムの例を説明する概念図である。
【図１３】計算機シミュレーションに用いた光電変換装置のモデルを示す図である。
【図１４】キャリアの流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
開示される発明の実施の形態について図面を用いて以下に説明する。ただし、開示される発明は以下の説明に限定されず、その発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その形態および詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、開示される発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２３】
以下に説明する実施の形態において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる場合がある。なお、図面において示す構成要素、すなわち層や領域等の厚さ、幅、相対的な位置関係等は、実施の形態において説明する上で明確性のために誇張して示される場合がある。
【００２４】
（実施の形態１）
発明の一態様にかかる光電変換装置は、光電変換を奏する半導体層中に、第１の導電型を示す半導体層側から第２の導電型を示す半導体層にかけて結晶粒が一次元的に配列した構造（以下、単にキャリアパスと呼ぶことがある）を有する。または、光電変換を奏する半導体層中には、第１の導電型を示す半導体層から第２の導電型を示す半導体層にかけて、光電変換を奏する半導体層の厚さより小さい粒径の結晶粒が、該半導体層の厚さ方向に連なって配置された領域（キャリアパス）を有する。当該キャリアパスは、光電変換を奏する半導体層の母体（半導体層において結晶粒を除く部位）に対して高い導電性を示す。以下、図１を用いて、発明の一態様にかかる光電変換装置の一例について説明する。
【００２５】
＜光電変換装置の構成＞
図１に示す光電変換装置は、基板１００と、第１の電極１０２と、ユニットセル１５０と、第２の電極１１０とを有する。ユニットセル１５０は、第１の導電型を示す半導体層１０４と、光電変換を奏する半導体層１０６と、第２の導電型を示す半導体層１０８の積層構造で構成される。ここで、光電変換を奏する半導体層１０６中には、キャリアパスを形成する結晶粒１１２が存在する。また、結晶粒１１２が連なって配置された領域（キャリアパス）を複数有し、当該キャリアパスは局在化している。なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成について示すが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。第２の電極１１０側（図の上方）から光が入射する構成としても良い。
【００２６】
＜基板＞
基板１００としては、代表的には、アルミノシリケートガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラスなどの電子工業用に使われる各種ガラス基板が採用される。他に、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。また、有機材料を含む基板を用いることもできる。有機材料を含む基板としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、シアネート樹脂等の熱硬化性樹脂を含む基板や、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フッ素樹脂等の熱可塑性樹脂を含む基板を用いると良い。
【００２７】
基板１００の表面には、テクスチャ構造などが形成されていても良い。これにより、光電変換効率を向上させることが可能である。
【００２８】
なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成とするため、光透過性を有する基板を採用するが、第２の電極１１０側（図の上方）から光が入射する構成とする場合には、これに限られない。この場合、シリコンなどを含む半導体基板や、金属材料などを含む導電性基板を用いても良い。
【００２９】
＜第１の電極＞
第１の電極１０２としては、代表的には、光透過性を有する導電性材料を用いた電極が採用される。光透過性を有する導電性材料には、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系等の酸化物（金属酸化物）がある。特に、酸化インジウム、酸化インジウム・スズ合金（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化インジウム・酸化亜鉛合金などを用いるのが好適である。他に、Ｚｎ−Ｏ−Ａｌ−Ｎ系の材料を用いても良い。また、無機材料に限らず、有機材料を用いても良い。有機材料としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、これらの誘導体、などを含む材料（導電性高分子材料）を用いることができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成とするため、光透過性を有する導電性材料を用いた第１の電極１０２を採用するが、第２の電極１１０側（図の上方）から光が入射する構成とする場合には、これに限られない。このような場合には、アルミニウム、白金、金、銀、銅、チタン、タンタル、タングステンなどの光透過性を有しない材料を用いることができる。特に、アルミニウム、銀、チタン、タンタルなどの光を反射しやすい材料を用いる場合には、光電変換効率を十分に向上させることが可能である。
【００３１】
基板１００の表面同様、第１の電極１０２の表面には、テクスチャ構造などが形成されていても良い。また、第１の電極１０２に接するように、低抵抗な導電性材料からなる補助電極が形成されていてもよい。
【００３２】
＜第１の導電型を示す半導体層、第２の導電型を示す半導体層＞
第１の導電型を示す半導体層１０４および第２の導電型を示す半導体層１０８としては、代表的には、導電型を付与する不純物元素が添加された半導体材料を含む半導体層が採用される。半導体材料としては、生産性や価格などの点でシリコンを用いるのが好適である。半導体材料としてシリコンを用いる場合、導電型を付与する不純物元素としては、ｎ型を付与するリン、ヒ素、ｐ型を付与するホウ素、アルミニウム等が採用される。本実施の形態では、半導体材料としてシリコンを用い、第１の導電型としてｐ型を、第２の導電型としてｎ型を適用する場合について示す。もちろん、開示する発明の一態様にかかる光電変換装置の構成はこれに限定されない。第１の導電型としてｎ型を、第２の導電型としてｐ型を適用することも可能である。
【００３３】
半導体層１０４および半導体層１０８に用いることができる半導体材料としては、他にも、炭化シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化インジウム、セレン化亜鉛、窒化ガリウム、シリコンゲルマニウムなどがある。また、有機材料を含む半導体材料や、金属酸化物を含む半導体材料などを用いることも可能である。当該材料については、光電変換を奏する半導体層１０６との関係で、適宜選択することができる。
【００３４】
半導体層１０４および半導体層１０８の結晶性についての要求は特にない。非晶質、微結晶、多結晶、単結晶などのいずれの結晶性を採用しても良い。
【００３５】
なお、半導体層１０４および半導体層１０８の表面には、基板１００の表面同様、テクスチャ構造などが形成されていても良い。
【００３６】
＜光電変換を奏する半導体層＞
光電変換を奏する半導体層１０６としては、半導体層１０４および半導体層１０８と同様の半導体材料を用いた半導体層が適用される。すなわち、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化インジウム、セレン化亜鉛、窒化ガリウム、シリコンゲルマニウムなどが用いられる。他に、有機材料を含む半導体材料や、金属酸化物半導体材料などを用いることも可能である。
【００３７】
ここで、半導体層１０６中には、キャリアパスとなる結晶粒１１２が存在する。結晶粒１１２の導電性は、半導体層１０６の母体と比較して高いものであることが望ましい。例えば、半導体層１０６の母体を非晶質半導体とする場合には、上述の要件を満たす。このように、半導体層１０６中に導電性の高い結晶粒１１２を有することで、生成された電子と正孔が再結合する前に、これらを分離して電流として取り出すことが可能である。このため、光電変換効率を大きく向上させることができる。
【００３８】
キャリアパスとしては、半導体層１０４から半導体層１０８にかけて連続的に存在するものが好適である。例えば、半導体層１０４から半導体層１０８に向かって、結晶粒１１２が１次元的に配列した構成を採用するのがよい。また、キャリアパスとしての効果を実効あらしめるために、上記一次元的な配列どうしの間隔は、５μｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ〜１μｍ程度とする。これにより、再結合によるキャリアの消滅を効果的に抑制することができる。
【００３９】
ここで、結晶粒１１２は、半導体層１０６の母体と比較して導電性が高いものであれば特に限定されない。例えば、半導体層１０６の母体と同様の材料からなるものであって、結晶性が良好なものを結晶粒として用いても良いし、半導体層１０６の母体とは異なる材料からなる結晶粒を用いても良い。なお、半導体層１０６の母体と、結晶粒１１２との接触抵抗が大きい場合には、生成されたキャリアの結晶粒１１２への流入が起こらず、キャリアパスの効果が低下する。よって、半導体層１０６の母体と結晶粒１１２との接触抵抗が低くなる材料の組み合わせを採用することが望ましい。本実施の形態では、半導体層１０６の母体として非晶質シリコンを、結晶粒１１２として結晶性シリコンを用いる。
【００４０】
結晶粒１１２の大きさに特に制限はないが、例えば、その直径が１ｎｍ〜１００ｎｍ程度のものを採用することができる。
【００４１】
ここで、結晶粒１１２の大きさや配置間隔等を均一化することにより、量子サイズ効果の恩恵を得ることも可能である。例えば、結晶粒１１２の大きさを２０ｎｍ以下とし、配置間隔は２０ｎｍ以下とし、さらに、結晶粒１１２の大きさ（直径）ばらつきを１０％未満とする。このような条件で半導体層１０６中に結晶粒１１２を配列させることで、半導体層１０６中に周期的な量子井戸構造が形成され、ミニバンドが形成される。ミニバンドにおいては、キャリアが高速で輸送されるため、再結合による損失を抑制することが可能である。また、量子井戸中に複数のミニバンドが形成されることにより、様々なエネルギーの光を吸収させることが可能である。このように、結晶粒１１２を用いて量子サイズ効果を発現させることで、光電変換効率を著しく向上させることができる。
【００４２】
なお、半導体層１０６の表面には、基板１００の表面同様、テクスチャ構造などが形成されていても良い。
【００４３】
＜第２の電極＞
第２の電極１１０としては、代表的には、アルミニウム、白金、金、銀、銅、チタン、タンタル、タングステンなどの金属材料を用いた電極が採用される。特に、アルミニウム、銀、チタン、タンタルなどの光を反射しやすい材料を用いる場合、半導体層１０６において吸収しきれなかった光を再度、半導体層１０６に入射させることができ、光電変換効率を向上させることが可能であるため好適である。
【００４４】
なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成とするため、上述の様な構成を採用しているが、第２の電極１１０の構成はこれに限定されない。第１の電極１０２と同様に、光透過性を有する導電性材料を用いた電極を採用しても良い。
【００４５】
また、第２の電極１１０の表面には、テクスチャ構造などが形成されていても良い。また、第２の電極１１０に接するように、低抵抗な導電材料からなる補助電極を形成しても良い。
【００４６】
上述のように、光電変換を奏する半導体層に導電性の高い結晶粒を含ませることにより、キャリアパスを形成し、キャリアの輸送機能を向上させることができる。これにより、収集効率が向上し、光電変換装置の変換効率を高めることができる。
【００４７】
（実施の形態２）
本実施の形態では、いわゆるタンデム型の光電変換装置の例について、図２を参照して説明する。なお、本実施の形態では、二つのユニットセルを積層する場合について説明するが、三つ以上のユニットセルの積層構造としても良い。
【００４８】
＜光電変換装置の構成＞
図２に示す光電変換装置は、基板１００と、第１の電極１０２と、ユニットセル２５０（トップセル）と、ユニットセル１５０（ボトムセル）と、第２の電極１１０が積層された構造を有する。ここで、ユニットセル１５０は、第１の導電型を示す半導体層１０４と、光電変換を奏する半導体層１０６と、第２の導電型を示す半導体層１０８の積層構造で構成される。また、ユニットセル２５０は、第１の導電型を示す半導体層２０４と、光電変換を奏する半導体層２０６と、第２の導電型を示す半導体層２０８の積層構造で構成される。ここで、光電変換を奏する半導体層１０６と光電変換を奏する半導体層２０６のバンドギャップは異なるものであることが望ましい。バンドギャップが異なる半導体を用いることで、広い波長域にわたる光を吸収することが可能になるため、光電変換効率を向上させることができる。
【００４９】
ユニットセル１５０の光電変換を奏する半導体層１０６の母体は非晶質シリコンであり、半導体層１０６中には、キャリアパスを形成する結晶粒１１２が存在する。同様に、ユニットセル２５０の半導体層２０６中に結晶粒を配置しても良い。なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成について示すが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。第２の電極１１０側（図の上方）から光が入射する構成としても良い。
【００５０】
基板１００、第１の電極１０２、ユニットセル１５０、第２の電極１１０の構成については、先の実施の形態に示す構成と同様であるから、ここでは省略する。
【００５１】
＜トップセルの構成＞
ユニットセル２５０において、第１の導電型を示す半導体層２０４および第２の導電型を示す半導体層２０８としては、代表的には、導電型を付与する不純物元素が添加された半導体材料を含む半導体層が採用される。半導体材料などの詳細は、ユニットセル１５０における第１の導電型を示す半導体層１０４と同様である。本実施の形態では、半導体材料としてシリコンを用い、第１の導電型としてｐ型を、第２の導電型としてｎ型を適用する場合について示す。もちろん、第１の導電型としてｎ型を、第２の導電型としてｐ型を適用することも可能である。
【００５２】
光電変換を奏する半導体層２０６としては、半導体層２０４および半導体層２０８と同様の半導体材料を用いた半導体層が適用される。すなわち、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化インジウム、セレン化亜鉛、窒化ガリウム、シリコンゲルマニウムなどが用いられる。他に、有機材料を含む半導体材料や、金属酸化物半導体材料などを用いることも可能である。
【００５３】
本実施の形態では、半導体層２０６にシリコンを用いるが、ユニットセル１５０の半導体層１０６は非晶質シリコンで形成されるから、半導体層２０６には、微結晶シリコンや多結晶シリコンなどの結晶性シリコンを適用するのが好適である。もちろん、シリコン以外の半導体材料であって、非晶質シリコンとはバンドギャップの異なるものを用いて半導体層２０６を形成しても良い。ここで、半導体層２０６の厚みは、半導体層１０６の厚みより小さいものであることが望ましい。
【００５４】
上述のように、結晶性シリコンが適用された半導体層をトップセルに用いることで、長波長の光を吸収して光電変換することが可能となる。また、非晶質シリコンが適用された半導体層をボトムセルに用いることで、８００ｎｍ未満の波長の光を吸収して光電変換することが可能となる。このため、このようなバンドギャップの異なるユニットセルを積層した構造（いわゆるタンデム型の構造）とすることで、光電変換効率を大きく向上させることができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、トップセルとしてバンドギャップの小さい結晶性シリコンを用い、ボトムセルとしてバンドギャップの大きい非晶質シリコンを用いているが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。バンドギャップの異なる半導体材料を適宜組み合わせて、トップセルおよびボトムセルを構成することができる。また、トップセルとボトムセルの構成を入れ替えて光電変換装置を構成することも可能である。さらに、三層以上のユニットセルの積層構造とすることも可能である。
【００５６】
本実施の形態では、光電変換を奏する半導体層に導電性の高い結晶粒を含ませることにより、キャリアパスを形成し、キャリアの輸送機能を向上させている。これにより、収集効率が向上し、光電変換装置の変換効率を高めることができる。
【００５７】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【００５８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、光電変換装置の作製に用いることができるプラズマＣＶＤ装置の一例について、図３乃至図６を参照して説明する。
【００５９】
図３はプラズマＣＶＤ装置の反応室の一構成を示す。反応室３５０はアルミニウムまたはステンレスなど剛性のある素材で形成され、内部を真空排気できるように構成されている。本実施の形態で示すプラズマＣＶＤ装置は、機械的強度を高めるためにチャンバーの素材をステンレスとし、内面にアルミニウム溶射を施したものである。また、分解が可能なチャンバー構成とすることで、定期的に再度のアルミニウム溶射を施すことができる。反応室３５０には、第１の電極３５２（上部電極とも呼ぶ）、第１の電極３５２と対向する第２の電極３５４（下部電極とも呼ぶ）が備えられている。
【００６０】
第１の電極３５２には、高周波電力供給手段３５６が連結されている。第２の電極３５４は接地され、基板３５８を載置できるように構成されている。第１の電極３５２は、絶縁材３６０により反応室３５０と絶縁分離されることで、高周波電力が漏洩しないように構成されている。絶縁材３６０として、例えばセラミック材料を用いる場合には、上部電極のシールにナイフエッジ型メタルシールフランジを用いることが困難であるため、Ｏリングシールを用いるとよい。
【００６１】
なお、図３では、第１の電極３５２と第２の電極３５４を有する容量結合型（平行平板型）の構成を示しているが、これに限定されない。高周波電力を供給して反応室３５０の内部にグロー放電プラズマを発生させることができるものであれば、誘導結合型など他の構成を適用してもよい。
【００６２】
第１の電極３５２は、平板電極部材３６４と、その平板電極部材３６４の平板面から突出する凸状電極構成部材３６２を含んで構成されている。図３においては、第１の電極３５２の凸状電極構成部材３６２の内部には中空部が形成され、この中空部にガス供給部３６６から供給されるガスが流れ込むように構成されている。また、第１の電極３５２の平板電極部材３６４の内部には中空部が形成され、この中空部にガス供給部３６８から供給されるガスが流れ込むように構成されている。このような構造とすることにより、凸状電極構成部材３６２と平板電極部材３６４から反応室３５０に供給されるガス種を異ならせることができる。または、凸状電極構成部材３６２と平板電極部材３６４から反応室３５０に供給されるガスの流量比または希釈率を異ならせることができる。または、凸状電極構成部材３６２と平板電極部材３６４から反応室３５０にガスを供給するタイミングを異ならせることができる。
【００６３】
ガス供給部３６６およびガス供給部３６８は、ガスが充填されたシリンダ、圧力調整弁、ストップバルブ、マスフローコントローラなどで構成されている。ガス供給部３６６およびガス供給部３６８はそれぞれ、シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体が充填されたシリンダを有する。また、水素が充填されたシリンダ、もしくは希ガスが充填されたシリンダを有してもよい。シリコンまたはゲルマニウムを含む堆積性気体としては、シラン（ＳｉＨ４）ガス、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス、フッ化シラン（ＳｉＦ４）ガス、ゲルマン（ＧｅＨ４）ガス、ジゲルマン（Ｇｅ２Ｈ６）ガス、フッ化ゲルマン（ＧｅＦ４）ガス等があるが、他の堆積性気体を用いることもできる。希釈ガスとしては、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス等がある。
【００６４】
ヒータコントローラ３７０により温度制御される基板加熱ヒータ３７２は、第２の電極３５４内に設けられている。基板加熱ヒータ３７２が第２の電極３５４内に設けられる場合、熱伝導加熱方式が採用される。基板加熱ヒータ３７２は、例えば、シーズヒータで構成される。
【００６５】
高周波電力供給手段３５６には、高周波電源、整合器、高周波カットフィルタなどが含まれている。高周波電源から供給される高周波電力は、第１の電極３５２に供給される。
【００６６】
高周波電源は、６０ＭＨｚ以下の高周波を発振する。また、第２の電極３５４に載置される基板が第７世代以上の大面積基板の場合は、高周波電源として、波長として概ね１０ｍ以上の高周波を発振することが好ましい。代表的には、１ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の周波数を発振することが好ましい。高周波電源が、上記範囲の周波数を発振することで、第７世代以上の大面積基板を第２の電極３５４に載置してグロー放電を行っても、表面定在波の影響を受けることなく大面積基板上で均一なプラズマを発生させることができるため、基板全体に均質で良質な膜を形成することができる。
【００６７】
また、高周波電源として周波数１３．５６ＭＨｚを有する電源を用いる場合、高周波カットフィルタとして１０ｐＦ〜１００ｐＦの可変コンデンサを用いる。また、高周波カットフィルタとして、コイルと可変コンデンサとを用いる並列共振回路を構成してもよい。
【００６８】
反応室３５０に接続されている排気手段３７４は真空排気する機能と、反応ガスを流す場合に反応室３５０内を所定の圧力に保持するように制御する機能が含まれている。排気手段３７４の構成としては、バタフライバルブ３７６ａ、バタフライバルブ３７６ｂ、ストップバルブ３７８ａ、ストップバルブ３７８ｂ、ストップバルブ３７８ｃ、ストップバルブ３７８ｄ、ストップバルブ３７８ｅ、ストップバルブ３７８ｆ、ターボ分子ポンプ３８０ａ、ターボ分子ポンプ３８０ｂ、ドライポンプ３８２などが含まれる。なお、ターボ分子ポンプ３８０ｂはストップバルブ３７８ｆを介してドライポンプ３８２と連結されている。
【００６９】
反応室３５０内を真空排気する場合には、まず、粗引き用のストップバルブ３７８ａ、ストップバルブ３７８ｃを開き、反応室３５０内をドライポンプ３８２で排気した後、ストップバルブ３７８ａを閉じて、バタフライバルブ３７６ａ、ストップバルブ３７８ｂを開き、真空排気を行う。さらに、反応室３５０内を１０−５Ｐａよりも低い圧力の超高真空まで排気する場合には、上記のように反応室３５０内をドライポンプ３８２によって排気した後、バタフライバルブ３７６ａおよびストップバルブ３７８ｂ、ストップバルブ３７８ｃを閉じ、バタフライバルブ３７６ｂからストップバルブ３７８ｆを開き、直列接続されたターボ分子ポンプ３８０ａ、ターボ分子ポンプ３８０ｂ、ドライポンプ３８２により真空排気する。また、真空排気を行った後に、反応室３５０内を加熱処理して内壁からの脱ガス処理を行うことが好ましい。
【００７０】
第１の電極３５２と第２の電極３５４の間隔（ギャップ間隔とも呼ぶ）は適宜変更できるように構成されている。このギャップ間隔の調節は、反応室３５０内で第２の電極３５４の高さの調整により行うことができる。ベローズ３８４を用いることで、反応室３５０内を真空に保持しつつ、ギャップ間隔の調節を行うことができる。
【００７１】
次に、プラズマＣＶＤ装置の反応室に備えられるプラズマ生成用の電極について説明する。図４はプラズマＣＶＤ装置に備えられる第１の電極の構成を示す断面図であり、図６は平面図である。また、図５は、第１の電極の構成の別の一例を示す断面図である。以下では図４乃至図６を参照して説明する。
【００７２】
第１の電極は平板電極部材４０２と、その平板電極部材４０２の平板面から突出する凸状電極構成部材４０３を含んで構成されている。平板電極部材４０２と凸状電極構成部材４０３は、金属材料で形成され導電性を有している。平板電極部材４０２と凸状電極構成部材４０３は電気的に接続された状態にあり、高周波電源４０８から電力が供給されることによりプラズマＣＶＤ装置の反応室内にプラズマ（グロー放電プラズマ）を生成するように作用する。平板電極部材４０２の背面（凸状電極構成部材４０３の針が突出する面とは反対側の面）には、反応室の壁面にプラズマが広がらないように、電極フード４０５が設けられている。
【００７３】
第１の電極は、凸状電極構成部材４０３の凸状電極４０４が平板電極部材４０２の平板面から突出し、それ以外の部分では、平板電極部材４０２の内側に凸状電極構成部材４０３が内設されるように構成されている。
【００７４】
平板電極部材４０２と凸状電極構成部材４０３の間には、ガス供給部４１１から供給されるガスが流れるように空隙が設けられている。この空隙に供給されたガスは、ガス供給口４０６から反応室内に流れ出るように構成されている。
【００７５】
凸状電極構成部材４０３の内部にも空隙が設けられ、この空隙にガス供給部４１０から供給されるガスが流れ込むように構成されている。凸状電極構成部材４０３の凸状電極４０４にはガス供給口４０７が設けられ、空隙に供給されたガスが反応室内に流れ出るように構成されている。
【００７６】
このように、第１の電極４０１の内部に二重の中空構造を設けることで、プラズマＣＶＤ装置の反応室内に異なる経路で、異なる反応ガスを供給することができる。
【００７７】
第１の電極４０１は、平板電極部材４０２と凸状電極構成部材４０３を備えることにより、プラズマＣＶＤ装置の反応室内でプラズマ（グロー放電プラズマ）を生成する。そして、第１の電極４０１により生成されるプラズマの分布を、凸状電極４０４の周辺領域で異ならせることができる。凸状電極４０４は、平板電極部材４０２の平板面から突出していることにより、電界集中が起こり、プラズマ密度を高めるように作用する。また、凸状電極４０４は電子温度が高くなるように作用する。また、このような構成は、平板電極を放電周波数の波長程度にまで大型化した場合に生ずる表面定在波の影響を緩和することができる。凸状電極４０４が平板面とは独立してプラズマを生成するためである。
【００７８】
このような第１の電極４０１の構成は、プラズマ密度の高い領域に特定の反応ガスを供給することを可能とする。また、第１の電極４０１の構成により、特定の堆積前駆体を選択的に生成することが可能となり、堆積される膜の組成および／または構造を制御することが可能となる。
【００７９】
図５は、平板電極部材４０２と凸状電極構成部材４０３との間が絶縁部材４１３で電気的に絶縁されている第１の電極４１２の構成を示す。このような構成とすることで、平板電極部材４０２と凸状電極構成部材４０３にそれぞれ異なる電力を供給してプラズマを生成することが可能となる。例えば、平板電極部材４０２には高周波電源４０８から電力を供給し、凸状電極構成部材４０３には高周波電源４０９から電力を供給することができる。なお、第１の電極４１２の平面構造は、図６で示すものと同様である。
【００８０】
第１の電極４１２への電力の供給方法として、例えば、平板電極部材４０２には１ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ未満（例えば１３．５６ＭＨｚ又は２７ＭＨｚ）の高周波電力を高周波電源４０８から供給し、凸状電極構成部材４０３には３０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下の高周波電力を高周波電源４０９から供給する。また、平板電極部材４０２には連続波の高周波電力を高周波電源４０８から供給し、凸状電極構成部材４０３にはパルス波の高周波電力を高周波電源４０９から供給する。
【００８１】
このような第１の電極４１２の構成は、プラズマ密度の高い領域に特定の反応ガスを供給し、特定の堆積前駆体を選択的に生成する際に、当該前駆体の生成量、当該前駆体の生成タイミングを独立して制御することを可能にする。なお、反応ガスの供給経路を凸状電極４０４のガス供給口４０７のみとすることも可能である。
【００８２】
なお、第１の電極４１２において、反応ガスの供給経路、凸状電極４０４の構成等は図４で示す第１の電極４０１と同様である。
【００８３】
図４で示す第１の電極４０１および図５で示す第１の電極４１２を、容量結合型のプラズマＣＶＤ装置に用いた場合、反応室内にプラズマ密度の高い領域を形成することができる。プラズマ密度の高い領域は、第１の電極４０１および第１の電極４１２における凸状電極４０４の数によって変化させることが可能である。
【００８４】
薄膜の堆積過程において、プラズマ密度の高い領域に堆積性のガスが供給されると、ガス分子が解離してラジカルが生成される。プラズマ密度の高い領域では寿命の短い活性なラジカルが生成され、これが気相中で反応して核が形成される。核が形成されると気相中で逐次反応が進み、ナノメートルサイズの粒子を成長させることができる。なお、本形態に係る第１の電極４０１および第１の電極４１２では、平板電極部材４０２の平板面でもプラズマ（グロー放電プラズマ）が生成されるため、上記のようなナノ粒子を生成すると共に、基板上への薄膜の堆積が可能である。
【００８５】
ナノ粒子の核が発生すると、高次のラジカルが核に付着してナノ粒子が成長する。核発生に必要な高次のラジカルは核成長で消費されるので、新たな核の生成は抑制される。よって、凸状電極構成部材４０３に供給する電力の供給時間（例えば、パルス波電力におけるパルス幅、パルス周波数）、ガス流量、ガスの排気速度、反応室内の圧力を制御することで、ナノ粒子のサイズおよび生成量を制御することが可能である。ここで、基板４１５が置かれた対向電極４１４との距離が短いと、反応室内の圧力が比較的高い場合（例えば１０００Ｐａ）でも放電をすることが可能である。反応室内の圧力が高い場合には、生成した核と母体ガス（例えばシラン）とが反応する確率が高まるので、ナノ粒子の生成が促進される。
【００８６】
ナノ粒子の組成は、供給するガスの選択によって制御することができる。ガスの種類によって、プラズマ中で生成されるラジカルが異なるからである。このため、例えば、ナノ粒子の成長の途中で堆積性のガスの種類を切り替えることによって、多層構造のナノ粒子の生成も可能である。
【００８７】
プラズマ中において、ナノ粒子は負に帯電する傾向にあり、帯電に起因するクーロン力によりナノ粒子の凝集は抑制される。よって、本実施の形態に示すプラズマＣＶＤ装置により、単分散に近いナノ粒子を高密度に得ることができる。
【００８８】
ナノ粒子の構造には、成長に寄与するラジカルの種類の他に、ナノ粒子の温度が重要である。ナノ粒子の温度は、その表面（ナノ粒子の表面）に入射するイオン、電子の運動エネルギー、表面における化学反応によるエネルギーの放出または吸収、中性ガス分子の衝突による加熱または冷却などの影響を受けて決まる。
【００８９】
例えば、シリコンのナノ粒子を生成する場合、シラン（ＳｉＨ４）を水素で希釈することで結晶構造とすることができる。これは、微結晶シリコン膜を堆積する場合に起こる表面反応と同様なメカニズムによるものと考察される。つまり、シランが解離して生成されたラジカルと水素との反応が、結晶構造を有するシリコンのナノ粒子の生成に主として寄与していると考えられる。
【００９０】
この場合、ガス供給口４０７からシランガスまたは水素希釈のシランガスを供給し、ガス供給口４０６から水素を供給する。このようなガスの供給方法は、ナノ粒子の結晶化を促進する。また、ガス供給口４０６から供給するガスをシランガスまたは水素希釈のシランガスとすれば、ナノ粒子の成長が促進され、基板４１５に堆積する膜の堆積速度を向上させることができる。一方、ガス供給口４０６から供給するガスをキセノン、クリプトン、アルゴンなどの希ガスにすれば、希ガスの励起種によりシランの分解が促進され高次ラジカルの生成に寄与するものとなる。
【００９１】
このように、気相中で形成された結晶性のナノ粒子を基板表面に輸送して、堆積する膜中に結晶性のナノ粒子を含ませることができる。また、基板上での結晶成長の核として使用することも可能である。
【００９２】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【００９３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、図１に示す光電変換装置の作製工程について、図７および図８を参照して説明する。
【００９４】
＜第１の電極の作製＞
はじめに、基板１００上に第１の電極１０２を形成する（図７（Ａ）参照）。基板１００の詳細については、先の実施の形態を参酌すればよい。
【００９５】
第１の電極１０２は、金属酸化物等の光透過性を有する導電性材料を用いて形成する。例えば、第１の電極１０２は、酸化インジウム、酸化インジウム・スズ合金（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化インジウム・酸化亜鉛合金などの材料で形成することができる。第１の電極１０２に用いることができる材料の詳細については、先の実施の形態を参酌できる。形成方法としては、スパッタリング法や真空蒸着法などがある。
【００９６】
第１の電極１０２は、１０ｎｍ乃至５００ｎｍ、望ましくは、５０ｎｍ乃至１００ｎｍの厚さで形成する。また、第１の電極１０２のシート抵抗は、２０Ω／ｓｑ．乃至２００Ω／ｓｑ．程度となるように形成する。
【００９７】
なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成とするため、光透過性を有する導電性材料を用いて第１の電極１０２を形成しているが、第２の電極１１０側（図の上方）から光が入射する構成とする場合には、これに限られない。このような場合には、アルミニウム、白金、金、銀、銅、チタン、タンタル、タングステンなどの光透過性を有しない材料を用いて第１の電極１０２を形成することができる。特に、アルミニウム、銀、チタン、タンタルなどの光を反射しやすい材料を用いる場合には、光電変換効率を十分に向上させることが可能である。
【００９８】
また、第１の電極１０２に接するように、低抵抗な導電材料からなる補助電極を形成しても良い。
【００９９】
＜第１の導電型を示す半導体層の作製＞
次に、第１の電極１０２上に第１の導電型を示す半導体層１０４を形成する（図７（Ｂ）参照）。例えば、第１の導電型を示す半導体層１０４は、導電型を付与する不純物元素としてホウ素が添加されたシリコンなどを用いて形成することができる。第１の導電型を示す半導体層１０４に用いることができる材料の詳細については、先の実施の形態を参酌できる。
【０１００】
形成方法としては、プラズマＣＶＤ法などがある。プラズマＣＶＤ法を用いる場合には、例えば、シラン系ガスを水素希釈し、ジボランを添加することで、第１の導電型を示す半導体層１０４を形成することができる。また、第１の導電型を示す半導体層１０４は、１ｎｍ乃至１００ｎｍ、望ましくは、５ｎｍ乃至５０ｎｍの厚さとなるように形成する。なお、シラン系ガスとしては、シラン（いわゆるモノシラン）を用いることに限定されず、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）その他を用いても良い。また、上記の原料ガスには、希ガスを添加してもよい。
【０１０１】
また、導電型を付与する不純物元素が添加されていないシリコン層をプラズマＣＶＤ法などによって形成した上で、イオン注入などの方法でホウ素を添加して、第１の導電型を示す半導体層１０４を形成しても良い。
【０１０２】
なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成としているため、第１の導電型を示す半導体層１０４の導電型（第１の導電型）はｐ型とすることが望ましい。これは、ホールの寿命が電子の寿命の約半分と短く、結果としてホールの拡散長が短いこと、電子とホールの形成が、光電変換を奏する半導体層１０６の光が入射する側において多く行われること、などの理由によるものである。このように、第１の導電型をｐ型とすることにより、ホールが消滅する前に電流として取り出すことが可能であるため光電変換効率の低下を抑制することができる。なお、上記理由が問題とならないような状況、例えば、光電変換を奏する半導体層１０６が十分に薄い場合などにおいては、第１の導電型をｎ型としても良い。
【０１０３】
＜光電変換を奏する半導体層の作製＞
第１の導電型を示す半導体層１０４上には、光電変換を奏する半導体層１０６を形成する（図７（Ｃ）および図７（Ｄ）参照）。例えば、光電変換を奏する半導体層１０６は、シリコンなどを用いて形成することができる。光電変換を奏する半導体層１０６に用いることができる材料の詳細については、先の実施の形態を参酌できる。
【０１０４】
形成方法としては、プラズマＣＶＤ法などがある。本実施の形態では、半導体層１０６中に、キャリアパスとなる結晶粒１１２を形成するため、例えば、先の実施の形態において説明したプラズマＣＶＤ装置を用いて、結晶粒１１２を含む半導体層１０６を形成する。
【０１０５】
なお、光電変換を奏する半導体層１０６には十分な光吸収が求められるから、その厚みは、１００ｎｍ乃至１０μｍ程度とすることが望ましい。
【０１０６】
このように、半導体層１０６中に導電性の高い結晶粒１１２を有することで、生成された電子と正孔が再結合する前に、これらを分離して電流として取り出すことが可能である。このため、光電変換効率を大きく向上させることができる。
【０１０７】
なお、結晶粒１１２の詳細については、先の実施の形態を参酌することができる。
【０１０８】
＜第２の導電型を示す半導体層の作製＞
光電変換を奏する半導体層１０６上には、第２の導電型を示す半導体層１０８を形成する（図８（Ａ）参照）。例えば、第２の導電型を示す半導体層１０８は、導電型を付与する不純物元素としてリンが添加されたシリコンなどを用いて形成することができる。第２の導電型を示す半導体層１０８に用いることができる材料の詳細については、先の実施の形態を参酌できる。
【０１０９】
形成方法等については、第１の導電型を示す半導体層１０４と同様である。例えば、シラン系ガスを水素希釈し、ホスフィンを添加することで、第２の導電型を示す半導体層１０８を形成することができる。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成としているため、第２の導電型を示す半導体層１０８の導電型（第２の導電型）をｎ型としているが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。第１の導電型をｎ型とする場合には、第２の導電型がｐ型となる。
【０１１１】
また、上述の工程により、第１の導電型を示す半導体層１０４、光電変換を奏する半導体層１０６、第２の導電型を示す半導体層１０８を有するユニットセル１５０が完成する。
【０１１２】
＜第２の電極の作製＞
その後、第２の導電型を示す半導体層１０８上に第２の電極１１０を形成する（図８（Ｂ）参照）。第２の電極１１０は、金属などの導電性材料を用いて形成する。例えば、アルミニウム、銀、チタン、タンタルなどの光を反射しやすい材料を用いて形成することができる。この場合、半導体層１０６において吸収しきれなかった光を再度、半導体層１０６に入射させることができ、光電変換効率を向上させることが可能であるため、好適である。なお、第２の電極１１０に用いることができる材料の詳細については、先の実施の形態を参酌できる。
【０１１３】
第２の電極１１０の形成方法としては、スパッタリング法や真空蒸着法などがある。また、第２の電極１１０は、１０ｎｍ乃至５００ｎｍ、望ましくは、５０ｎｍ乃至１００ｎｍの厚さで形成する。
【０１１４】
なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成とするため、光透過性を有しない材料を用いて第２の電極１１０を形成しているが、第２の電極１１０の構成はこれに限られない。例えば、第２の電極１１０側（図の上方）から光が入射する構成とする場合には、第２の電極１１０は、金属酸化物等の光透過性を有する導電性材料を用いて形成する。光透過性を有する導電性材料の詳細については、先の実施の形態を参酌できる。
【０１１５】
なお、第２の電極１１０に接するように、低抵抗な導電材料からなる補助電極を形成しても良い。
【０１１６】
上述の方法で、光電変換を奏する半導体層に導電性の高い結晶粒を含む光電変換装置を作製することができる。本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０１１７】
（実施の形態５）
本実施の形態では、図２に示す光電変換装置の作製工程について、図９および図１０を参照して説明する。なお、本実施の形態に示す作製工程は、先の実施の形態で示した作製工程と共通する部分がある。このため、共通する部分については、先の実施の形態を参酌するものとし、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１１８】
＜第１の電極の作製＞
はじめに、基板１００上に第１の電極１０２を形成する（図９（Ａ）参照）。当該工程の詳細については、先の実施の形態を参酌することができる。
【０１１９】
＜第１の導電型を示す半導体層の作製（トップセル）＞
次に、第１の電極１０２上に、トップセル（ユニットセル２５０）を構成する第１の導電型を示す半導体層２０４を形成する（図９（Ｂ）参照）。トップセルでは、光電変換を奏する半導体層に結晶性シリコンを用いている。このため、第１の導電型を示す半導体層２０４についても、同程度の結晶性の結晶性シリコンを用いるのが好適である。
【０１２０】
例えば、第１の導電型を示す半導体層２０４は、導電型を付与する不純物元素としてホウ素が添加されたシリコンなどによって形成することができる。なお、第１の導電型を示す半導体層２０４に用いることができるその他の材料の詳細については、先の実施の形態を参酌できる。
【０１２１】
半導体層２０４の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法などがある。プラズマＣＶＤ法を用いる場合には、例えば、シラン系ガスを水素希釈し、ジボランを添加することで、第１の導電型を示す半導体層２０４を形成することができる。このとき、シラン系ガスの流量に対する水素の流量を大きくすることで、結晶性シリコン層（例えば、微結晶シリコン層）を形成することができる。なお、製膜後の熱処理によって、半導体層の結晶性を向上させても良い。また、第１の導電型を示す半導体層２０４は、１ｎｍ乃至１００ｎｍ、望ましくは、５ｎｍ乃至５０ｎｍの厚さとなるように形成する。シラン系ガスとしては、シラン（いわゆるモノシラン）を用いることに限定されず、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）その他を用いても良い。また、上記の原料ガスには、希ガスを添加してもよい。
【０１２２】
また、導電型を付与する不純物元素が添加されていないシリコン層をプラズマＣＶＤ法などによって形成した上で、イオン注入などの方法でホウ素を添加して、第１の導電型を示す半導体層２０４を形成しても良い。
【０１２３】
なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成としているため、第１の導電型を示す半導体層２０４の導電型（第１の導電型）はｐ型とすることが望ましい。一方で、第１の導電型をｎ型とすることも可能である。
【０１２４】
＜光電変換を奏する半導体層の作製（トップセル）＞
第１の導電型を示す半導体層２０４上には、光電変換を奏する半導体層２０６を形成する（図９（Ｃ）参照）。例えば、光電変換を奏する半導体層２０６は、シリコンなどを用いて形成することができる。本実施の形態では、光電変換を奏する半導体層２０６に結晶性シリコンを用いる。
【０１２５】
半導体層２０６の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法などがある。プラズマＣＶＤ法を用いる場合には、例えば、シラン系ガスを水素希釈して用いることで、半導体層２０６を形成することができる。本実施の形態では、ボトムセル（ユニットセル１５０）の半導体層（非晶質シリコン層）を形成する場合と比較して、シラン系ガスの流量に対する水素の流量を大きくする。これにより、半導体層２０６として結晶性シリコン層（例えば、微結晶シリコン層）を形成することができる。もちろん、製膜後の熱処理などによって、半導体層の結晶性を向上させても良い。
【０１２６】
なお、光電変換を奏する半導体層２０６を厚くしすぎると、ボトムセルへの入射光量を確保することが困難になるから、半導体層２０６の厚みは、１０ｎｍ乃至１μｍ程度とすることが望ましい。
【０１２７】
また、シラン系ガスとしては、シラン（いわゆるモノシラン）を用いることに限定されず、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）その他を用いても良い。また、上記の原料ガスには、希ガスを添加してもよい。
【０１２８】
＜第２の導電型を示す半導体層の作製（トップセル）＞
光電変換を奏する半導体層２０６上には、第２の導電型を示す半導体層２０８を形成する（図９（Ｄ）参照）。例えば、第２の導電型を示す半導体層２０８は、導電型を付与する不純物元素としてリンが添加されたシリコンなどを用いて形成することができる。第２の導電型を示す半導体層２０８に用いることができる材料の詳細については、先の実施の形態を参酌できる。
【０１２９】
形成方法等は、第１の導電型を示す半導体層２０４と同様である。例えば、シラン系ガスを水素希釈し、ホスフィンを添加することで、第２の導電型を示す半導体層２０８を形成することができる。
【０１３０】
なお、本実施の形態では、光が基板１００の裏面側（図の下方）から入射する構成としているため、第２の導電型を示す半導体層２０８の導電型（第２の導電型）をｎ型としているが、開示する発明の一態様はこれに限定されない。第１の導電型をｎ型とする場合には、第２の導電型がｐ型となる。
【０１３１】
＜ボトムセルの作製＞
次に、ボトムセル（ユニットセル１５０）を構成する第１の導電型を示す半導体層１０４、光電変換を奏する半導体層１０６、第２の導電型を示す半導体層１０８、を順に積層形成する。これらの作製方法の詳細については、先の実施の形態を参酌すればよい。ここでも、光電変換を奏する半導体層１０６中には、キャリアパスとなる結晶粒１１２が形成される。なお、本実施の形態では、第１の導電型がｐ型であり、第２の導電型がｎ型である。
【０１３２】
＜第２の電極の作製＞
ボトムセル（ユニットセル１５０）を構成する第２の導電型を示す半導体層１０８上には、第２の電極１１０を形成する（図１０（Ｂ）参照）。当該工程の詳細については、先の実施の形態を参酌することができる。
【０１３３】
上述の方法で、光電変換を奏する半導体層に導電性の高い結晶粒を含む光電変換装置を作製することができる。なお、ユニットセル１５０とユニットセル２５０との間には、中間層として光透過性を有する導電層を形成しても良い。また、その他の機能を備える層を形成しても良い。
【０１３４】
また、本実施の形態では、ユニットセルを二層積層して光電変換装置を作製する工程について説明したが、ユニットセルを三層以上積層して、光電変換装置を作製しても良い。その場合、少なくとも一のユニットセルの光電変換を奏する半導体層１０６中には、キャリアパスとなる結晶粒１１２が形成される。
【０１３５】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０１３６】
（実施の形態６）
先の実施の形態に示す光電変換装置を用いて、太陽光発電モジュールを製造することができる。本実施の形態では、光電変換装置を用いた太陽光発電モジュールの例を図１１に示す。ここで、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）のＣ−Ｄに対応する断面図である。
【０１３７】
太陽光発電モジュール１１４０は、基板１１０２上に設けられたユニットセル１１２０により構成されている。基板１１０２とユニットセル１１２０の間には、基板１１０２側から絶縁層１１０４、第１の電極１１０６が設けられている。また、第１の電極１１０６は補助電極１１１６と接続している。
【０１３８】
補助電極１１１６および第２の電極１１１８は基板１１０２の一表面側（ユニットセル１１２０が形成されている側）に形成され、基板１１０２の端部でコネクタ用の裏面電極１１２６および裏面電極１１２７とそれぞれ接続する。本実施の形態に示す太陽光発電モジュールでは、基板１１０２の貫通口を通じて、補助電極１１１６が裏面電極１１２６と接続し、第２の電極１１１８が裏面電極１１２７と接続している。
【０１３９】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０１４０】
（実施の形態７）
図１２に、実施の形態６で示した太陽光発電モジュール１１４０を用いた太陽光発電システムの例を示す。充電制御回路１２００は、一または複数の太陽光発電モジュール１１４０から供給される電力を用いて、蓄電池１２０１を充電する。また、蓄電池１２０１が十分に充電されている場合には、太陽光発電モジュール１１４０から供給される電力を負荷１２０２に直接出力する。
【０１４１】
蓄電池１２０１として電気二重層キャパシタを用いると、充電に化学反応を必要としないため、急速な充電が可能である。また、化学反応を利用する鉛蓄電池などに比べ、寿命を８倍程度、充放電効率を１．５倍程度に高めることができる。本実施の形態において示す太陽光発電システムは、照明、電子機器など、電力を使用する様々な負荷１２０２に対して用いることができる。
【０１４２】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。
【０１４３】
（実施の形態８）
計算機シミュレーションを用いて、光電変換装置において生成されるキャリア（電流）の流れ方を確認した。以下、図１３および図１４を参照して、当該計算結果について説明する。
【０１４４】
図１３には、本実施の形態における計算機シミュレーションに用いた光電変換装置のモデル図を示す。図１３（Ａ）は、光電変換装置の断面図であり、図１３（Ｂ）は、平面図である。なお、図１３（Ｂ）では簡単のため、光電変換を奏する半導体層の平面構造のみを示している。
【０１４５】
モデルとして用いた光電変換装置の構造（図１３参照）は、実施の形態１に示す光電変換装置と類似する。具体的には、モデルの光電変換装置は、第１の電極に相当するＩＴＯ電極（厚さ：１００ｎｍ）、第１の導電型を示す半導体層に相当するｐ型シリコン層（厚さ：１００ｎｍ）、光電変換を奏する半導体層に相当する非晶質シリコン層（厚さ：２μｍ）、第２の導電型を示す半導体層に相当するｎ型シリコン層（厚さ：１００ｎｍ）、第２の電極に相当するアルミニウム電極（厚さ：１００ｎｍ）、の積層構造で構成される。また、キャリアを生成するための光は、光電変換装置のＩＴＯ電極側から入射する。
【０１４６】
ここで、先の実施の形態において結晶粒の一次元的な配列で形成されるキャリアパスは、ｐ型シリコン層からｎ型シリコン層まで連続する円柱状の単結晶シリコンに置換して計算を行った。当該円柱の底面を構成する円の半径は５ｎｍとした。また、隣接する円柱の間隔は２００ｎｍとした。なお、図１３（Ｂ）において正方形で区切られた領域の一が、計算における一ユニットに相当する。計算は、シルバコ社製のデバイスシミュレータを用いて行った。
【０１４７】
電子の流れに起因する電流の様子を図１４（Ａ）に示す。図中において、矢印は電子起因の電流の流れを示している。つまり、電子の流れは、矢印の反対の方向になる。
【０１４８】
正孔の流れに起因する電流の様子を図１４（Ｂ）に示す。図中において、矢印は正孔起因の電流の流れを示している。なお、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、光電変換を奏する半導体層の断面に相当する領域を示すものである。また、図中において、左側が非晶質シリコンに相当し、右側が円柱状の単結晶シリコンに相当する。非晶質シリコンと単結晶シリコンの界面は、横軸の目盛りで０．０４〜０．０５（μｍ）の領域に存在している。
【０１４９】
図１４より、円柱状の単結晶シリコン近傍で生じたキャリアは、非晶質シリコンから円柱状の単結晶シリコンへと流れ込むことが理解される。単結晶シリコンは非晶質シリコンと比較して低抵抗であるから、このようなキャリアパスを有する場合には、有しない場合と比較して、電流の損失を小さくすることが可能である。また、単結晶シリコンの光電変換機能によっても、僅かながらではあるが、開放電圧や短絡電流、曲線因子などのパラメータが改善する。
【０１５０】
本実施の形態に示す計算機シミュレーションの結果、非晶質シリコン層中に生じたキャリアが、単結晶シリコンによって形成される円柱状のキャリアパスに流入することが確認された。なお、本実施の形態では、計算の簡略化のため、円柱状のキャリアパスを想定しているが、結晶粒によりキャリアパスが形成される場合においても同様である。
【符号の説明】
【０１５１】
１００    基板
１０２    電極
１０４    半導体層
１０６    半導体層
１０８    半導体層
１１０    電極
１１２    結晶粒
１５０    ユニットセル
２０４    半導体層
２０６    半導体層
２０８    半導体層
２５０    ユニットセル
３５０    反応室
３５２    電極
３５４    電極
３５６    高周波電力供給手段
３５８    基板
３６０    絶縁材
３６２    凸状電極構成部材
３６４    平板電極部材
３６６    ガス供給部
３６８    ガス供給部
３７０    ヒータコントローラ
３７２    基板加熱ヒータ
３７４    排気手段
３７６ａ    バタフライバルブ
３７６ｂ    バタフライバルブ
３７８ａ    ストップバルブ
３７８ｂ    ストップバルブ
３７８ｃ    ストップバルブ
３７８ｄ    ストップバルブ
３７８ｅ    ストップバルブ
３７８ｆ    ストップバルブ
３８０ａ    ターボ分子ポンプ
３８０ｂ    ターボ分子ポンプ
３８２    ドライポンプ
３８４    ベローズ
４０１    電極
４０２    平板電極部材
４０３    凸状電極構成部材
４０４    凸状電極
４０５    電極フード
４０６    ガス供給口
４０７    ガス供給口
４０８    高周波電源
４０９    高周波電源
４１０    ガス供給部
４１１    ガス供給部
４１２    電極
４１３    絶縁部材
４１４    対向電極
４１５    基板
１１０２    基板
１１０４    絶縁層
１１０６    電極
１１１６    補助電極
１１１８    電極
１１２０    ユニットセル
１１２６    裏面電極
１１２７    裏面電極
１１４０    太陽光発電モジュール
１２００    充電制御回路
１２０１    蓄電池
１２０２    負荷
【図１】
0005627949.tif 000002
【図２】
0005627949.tif 000003
【図３】
0005627949.tif 000004
【図４】
0005627949.tif 000005
【図５】
0005627949.tif 000006
【図６】
0005627949.tif 000007
【図７】
0005627949.tif 000008
【図８】
0005627949.tif 000009
【図９】
0005627949.tif 000010
【図１０】
0005627949.tif 000011
【図１１】
0005627949.tif 000012
【図１２】
0005627949.tif 000013
【図１３】
0005627949.tif 000014
【図１４】
0005627949.tif 000015