(57)【要約】  本発明の光電変換装置は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置である。前記中間層が前記第１光電変換層のｎ型の半導体層の電子エネルギーレベルと前記第２光電変換層のｐ型の半導体層の正孔エネルギーレベルとが近づくように、前記第１光電変換層のｎ型の半導体層の前記中間層との界面近傍の電子エネルギーレベルまたは前記第２光電変換層のｐ型の半導体層の前記中間層との界面近傍の正孔エネルギーレベルを変化させる金属酸化物材料からなる。このため層間のトンネル伝導が増進され、高効率な光電変換装置を実現することができる。
2009144944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、
前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、前記第２光電変換層のｐ型半導体層に接する主成分が酸化アルミニウムである透光性の中間層と、
が基板上に積層された光電変換装置。
【請求項２】
前記中間層の前記第１光電変換層のｎ型半導体層に接する主成分が酸化Ｓｉ、ＺｎＯ、酸化ハフニウムのいずれかである請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、
前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層とに接する主成分がハフニウム酸化物である透光性の中間層と、
が基板上に積層された光電変換装置。
【請求項４】
第１光電変換層および第２光電変換層はＳｉを主成分とすることを特徴とする請求項１または３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１光電変換層のｎ型半導体層は、不純物濃度の異なる複数の層からなって、複数の層のうち前記中間層に接する層の不純物濃度が最も高いことを特徴とする請求項１または３に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第２光電変換層のｐ型半導体層は、不純物濃度の異なる複数の層からなって、複数の層のうち前記中間層に接する層の不純物濃度が最も高いことを特徴とする請求項１または３に記載の光電変換装置。
【請求項７】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、
前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、金属酸化物材料からなる透光性の中間層と、
が基板上に積層され、
前記中間層の金属酸化物材料は前記第１光電変換層のｎ型の半導体層の電子エネルギーレベルと前記第２光電変換層のｐ型の半導体層の正孔エネルギーレベルとが近づくように、前記第１光電変換層のｎ型の半導体層の前記中間層との界面近傍の電子エネルギーレベルまたは前記第２光電変換層のｐ型の半導体層の前記中間層との界面近傍の正孔エネルギーレベルを変化させる材料であることを特徴とする光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、光吸収波長特性の異なる複数の薄膜光電変換層が積層された積層型薄膜太陽電池が知られている。このような従来の積層型薄膜太陽電池では、例えば透明電極が形成された絶縁性透明基板に薄膜半導体をｐ型層、ｉ型層、ｎ型層の順に堆積した光電変換層からなる素子を複数積層して形成し、裏面電極として反射導電膜を形成して、絶縁性透明基板側からの光入射により光起電力を発生する。【０００３】
積層された複数の光電変換素子それぞれの間には、素子間で電荷を滞りなく伝えるために導電性を有する層が挿入される。またこの層では特定の波長領域の光を反射或いは透過させる光学特性を有した材料が用いられている。たとえば、特許文献１には中間層の材料として、ＺｎＯ、ＩＴＯ、あるいはＳｎＯ２を用いることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２０７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は透光性とキャリア導電性を両立するためＺｎＯ、ＩＴＯ、あるいはＳｎＯ２のような透光性導電膜を用いている。しかしながら、これらの材料の導電膜を用いても光電変換層が発生する電流が高い場合に、流れる電流が中間層の抵抗によって制限されて光電変換装置の光変換効率が低下してしまうことがある。【０００６】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、積層型の光電変換装置において中間層の両側に位置する光電変換層間の導電性を改善し、高効率な光電変換装置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】
【０００７】
本発明の光電変換装置は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、前記第２光電変換層のｐ型半導体層に接する主成分が酸化アルミニウムである透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。【０００８】
また、本発明の光電変換装置は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれてトンネル伝導性を有するとともに、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層とに接する主成分がハフニウム酸化物である透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の光電変換装置では、前記第２光電変換層のｐ型半導体層に接する主成分が酸化アルミニウムである透光性の中間層、または前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層とに接する主成分がハフニウム酸化物である透光性の中間層を有するので、中間層との界面における第１光電変換層のｎ型の半導体層の電子エネルギーレベルと第２光電変換層のｐ型の半導体層の正孔エネルギーレベルとが近づき、層間のトンネル伝導が増進される。トンネル伝導が増進される結果、第１光電変換層と第２光電変換層の間の導電性が改善され、高効率な光電変換装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。
【図２】本発明の中間層とその両側に接合された半導体層のエネルギー概念図である。
【図３】本発明の実施の形態２の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態４の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態５の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態６の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１１】
１  光電変換装置、２  基板、３  透明電極、４  非晶質Ｓｉ光電変換層、４ａ  ｐ型非晶質ＳｉＣ半導体層、４ｂ  ｉ型非晶質Ｓｉ半導体層、４ｃ  ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層、４ｄ  ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層、５  中間層、５ａ  酸化Ｓｉ層、５ｂ  酸化アルミニウム層、６  微結晶Ｓｉ光電変換層、６ａ  ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層、６ｂ  ｉ型微結晶Ｓｉ半導体層、６ｃ  ｎ型微結晶Ｓｉ半導体層、６ｄ  ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層、７  裏面電極、８  アンダーコート、１１  透明導電層、３０１、３０４  中間層、３０２  ｎ型半導体層、３０３  ｐ型半導体層。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は本実施の形態１の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。光電変換装置１は絶縁性であり透明な基板２と、その上に微細な凹凸である表面テクスチャ構造を有する透明電極３、非晶質Ｓｉ光電変換層４、中間層５、微結晶Ｓｉ光電変換層６、裏面電極７が順に積層された構成を備える。また基板２上には不純物の阻止層として、必要に応じて図示するような酸化Ｓｉのアンダーコート８を施しておいてもよい。
【００１３】
非晶質Ｓｉ光電変換層４と微結晶Ｓｉ光電変換層６とはともにＳｉを主成分とするが結晶構造の違いにより異なるバンドギャップを有し、従って異なる光吸収波長特性を有する。本実施の形態１の光電変換装置１は透明の基板２を用いて、主として基板側から入射する光を電気に変換する装置である。非晶質Ｓｉ光電変換層４の発電素子と微結晶Ｓｉ光電変換層６の発電素子とが積層方向に直列に接続されて、それぞれの光電変換層で発生した電流が透明電極３と裏面電極７とから取り出される構成である。このような光電変換装置はタンデム型太陽電池として知られている。タンデム型太陽電池では、一般に、光を入射する側に主として短い波長の光を吸収して電気エネルギーに変換するバンドギャップの大きい光電変換層、裏面側に前者よりも長い波長の光を吸収して電気エネルギーに変換するバンドギャップの小さい光電変換層が配置される。光吸収波長特性の異なる光電変換層として、本実施の形態１では非晶質Ｓｉ層と微結晶Ｓｉ層と結晶化率の異なる材料を用いたが、元素組成の異なる層としてもよい。たとえば、Ｓｉ半導体層に添加するＧｅやＣの割合を変化してバンドギャップを調整して積層する光電変換層で光吸収波長特性が異なるように調整してもよい。また、積層される光電変換層は３つ以上としてもよい。その場合、中間層が各光電変換層の間にあるように２つ以上ある構成としてもよい。また、基板からの積層順序を反対として、基板と反対側の膜面側から光を入射する構成としてもよい。膜面側から光を入射する場合、基板は透明でなくてよい。
【００１４】
非晶質Ｓｉ光電変換層４は、基板側から順にｐ型非晶質ＳｉＣ半導体層４ａ、ｉ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｂ、ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃが積層された層で構成されている。またｐ型非晶質ＳｉＣ半導体層４ａとｉ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｂとの間にｉ型非晶質ＳｉＣ半導体層を挿入しても良い。微結晶Ｓｉ光電変換層６は、基板側から順に、ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａ、ｉ型微結晶Ｓｉ半導体層６ｂ、ｎ型微結晶Ｓｉ半導体層６ｃが積層された層で構成されている。
【００１５】
裏面電極７はたとえばＡｌやＡｌ合金などの反射率の高い金属を使用する。Ａｌの代わりにＡｇを用いてもよい。反射性能に優れた裏面電極７を用いると、微結晶Ｓｉ光電変換層６を透過した光は裏面電極７により再び微結晶Ｓｉ光電変換層６側に反射されて光電変換されるので変換効率が向上する。光電変換される波長域の光を効果的に反射するために図のように裏面電極７とｎ型微結晶Ｓｉ半導体層６ｃとの間に適当な光学特性を有するＺｎＯなどの透明導電層１１を挿入してもよい。
【００１６】
中間層５は非晶質Ｓｉ光電変換層４と微結晶Ｓｉ光電変換層６とに挟まれた層である。中間層５は非晶質Ｓｉ光電変換層４で吸収されなかった光を微結晶Ｓｉ光電変換層６側に透過すると同時に微結晶Ｓｉ光電変換層６で発生と微結晶Ｓｉ光電変換層６との間を電気伝導させる。また、中間層５が微結晶Ｓｉ光電変換層６で吸収する波長域の光を透過する一方、非晶質Ｓｉ光電変換層４で吸収する波長域の光を非晶質Ｓｉ光電変換層４側に反射する光学特性を備えると、非晶質Ｓｉ光電変換層４を通過した光が再び非晶質Ｓｉ光電変換層４を通過して光電変換されるので変換効率が向上する。
【００１７】
中間層５はその層の両側に接合された光電変換層間のキャリアを滞りなく伝えなければならないため、キャリア伝導性が必須である。光電変換層間でキャリア伝導が妨げられると、実効的な素子間接続抵抗が高くなり、太陽電池の曲線因子（Ｆｉｌｌ  Ｆａｃｔｏｒ：  ＦＦ）が低下し、結果として発電効率が低下する。そのため中間層は透過率とキャリア導電率を両立させなければならない。
【００１８】
本実施の形態１では中間層５の構造を、非晶質Ｓｉ光電変換層４側に酸化Ｓｉ層５ａ、反対側の微結晶Ｓｉ光電変換層６側をＡｌ２Ｏ３などの酸化アルミニウムを主成分に含有する酸化アルミニウム層５ｂとする２層構造とした。なお、この層５ｂは、ＡｌＯｘ（Ｘ−１〜１．５）のように酸素欠損を有する層であってもよい。酸化Ｓｉ層５ａや酸化アルミニウム層５ｂはスパッタ法や、ＣＶＤ法などで形成することができる。酸化Ｓｉ層５ａにはリン、ボロンといった不純物を添加してもよい。また、酸化性の強いオゾンガスや活性酸素の雰囲気にさらすことで非晶質Ｓｉ光電変換層の表面を酸化してできた層であってもよい。酸化アルミニウム層５ｂには、金属元素に主としてＡｌを有していればＡｌ以外の金属が添加されていてもよい。また、Ｓｉ、リン、ボロンなどの元素が含まれていてもよい。酸化アルミニウム層５ｂは酸化Ｓｉ層５ａ上に一旦金属アルミニウムを成膜後、それを酸化して形成しても良い。また酸化Ｓｉ層５ａのかわりにＺｎＯ層や酸化ハフニウム化合物（ＨｆＯ２）層としても良い。
【００１９】
中間層５では主としてトンネル伝導とキャリア再結合とによって非晶質Ｓｉ光電変換層４と微結晶Ｓｉ光電変換層６との間に電流が流れる。本実施の形態１の中間層５を構成する酸化Ｓｉ層５ａ、酸化アルミニウム層５ｂは基本的に絶縁性の材料であるが、十分に薄くすることによってトンネル電流が流れるようになる。その厚みはたとえば１〜１０ｎｍ程度とするとよい。また、中間層５を構成する酸化Ｓｉ層５ａ、酸化アルミニウム層５ｂは連続膜となることが望ましいが、それぞれの界面をおおむね覆っていればよく、完全な連続膜とならずに一部に穴を有するような膜であってもよい。
【００２０】
次に、このような中間層５の作用について説明する。上記のように構成された光電変換装置では中間層５の酸化Ｓｉ層５ａには正の電荷が、酸化アルミニウム層５ｂには負の電荷が保持される。酸化Ｓｉなどの酸化膜には正に帯電しやすい傾向があることが知られている。一方、酸化アルミニウムは酸化Ｓｉなどの酸化膜とは異なり、負の電荷を保持する傾向を有することが知られている。たとえば文献Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌｕｍｅ１０２、０５４５１３の（３ページ１３行目）にその傾向が述べられている。そのため酸化Ｓｉ層５ａに接している非晶質Ｓｉ光電変換層４内のｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃの酸化Ｓｉ層５ａとの界面付近に電子が、微結晶Ｓｉ光電変換層６のｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａの酸化アルミニウム層５ｂとの界面付近に正孔が蓄積される。これにより非晶質Ｓｉ光電変換層内のｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃの伝導帯エネルギーと微結晶Ｓｉ光電変換層内のｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａの価電子帯エネルギーの差が小さくなり、これ光電素子間のトンネル伝導、キャリア再結合の効率が向上する。
【００２１】
図２は中間層５とその両側に接合されたｎ型半導体層、ｐ型半導体層の伝導帯、価電子帯のエネルギー概念図である。図２の（ａ）は従来のＺｎＯ、ＩＴＯ、あるいはＳｎＯ２のような材料を用いた場合の概念図、（ｂ）は本実施の形態１の場合の概念図を示す。図中の点線はフェルミレベルを示す。従来の（ａ）の場合は中間層３０１の両側に位置するｎ型半導体層３０２の伝導帯エネルギー（Ｅｃ，ｎ）、価電子帯エネルギー（Ｅｖ，ｎ）、ｐ型半導体層３０３の伝導帯エネルギー（Ｅｃ，ｐ）、価電子帯エネルギ（Ｅｖ，ｐ）のエネルギーレベルは中間層５近傍でも変化しない。一方、本実施の形態１の（ｂ）では、ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａ側を酸化アルミニウム層５ｂとして、ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃを酸化Ｓｉ層５ａなどの誘電体層としたことにより、それぞれの層の電荷と正孔の蓄積傾向の違いによって、中間層３０４との界面の近傍ではｎ型半導体層、ｐ型半導体層のエネルギーレベルの傾きが変化し、ｎ型半導体層３０２の伝導帯エネルギ（Ｅｃ，ｎ）と、ｐ型半導体層３０３の価電子帯エネルギ（Ｅｖ，ｐ）が接近する。つまり、各半導体層の中間層との接合膜界面近傍でｎ型半導体層の電子エネルギーレベルとｐ型半導体層の正孔エネルギーレベルが近づくようにそれぞれのエネルギーレベルが変化している。このように、ｎ型伝導帯−ｐ型層価電子帯間のエネルギギャップが小さくと層間のトンネル伝導が増進され、キャリア再結合が増進されて、電流が流れやすくなる。
【００２２】
以上のように、本実施の形態１では中間層５として、ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａとの界面に接する側を酸化アルミニウム層５ｂとして、ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃとの界面に接する側を酸化Ｓｉ層５ａなどの誘電体層としたことにより、ｎ型半導体層の電子エネルギーレベルとｐ型半導体層の正孔エネルギーレベルが近づき、ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａとｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃとの間でトンネル電流が流れやすくなり、結果として光電変換装置の効率が改善される。
【００２３】
なお、ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａ側を酸化アルミニウムを主成分に含有する層５ｂとすれば、ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃは酸化Ｓｉ層５ａのかわりにＺｎＯ、酸化ハフニウム化合物（ＨｆＯ２）などの誘電体材料を用いても同様な効果が得られる。また、中間層５は酸化アルミ化合物層５ｂと酸化Ｓｉ層５ａとの２層としたが、厚み方向に酸化アルミ化合物から酸化Ｓｉに組成が順次変化する傾斜組成の構造を有していてもよい。
【００２４】
＜実施の形態２＞
図３は本実施の形態２の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態２の光電変換装置は実施の形態１の光電変換装置の中間層５を酸化アルミニウムを主成分として含有する１層からなる層とした以外は基本的に同じ構造を有するものとした。
【００２５】
酸化アルミニウムには負の電荷が保持される傾向があることにより、中間層５を酸化アルミ化合物で構成された１層からなる層とした場合でも、中間層５が接する微結晶Ｓｉ光電変換層６のｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａの界面付近に正孔が蓄積される。これによりｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａの中間層５との界面付近の正孔エネルギーレベルの傾きが変化して、非晶質Ｓｉ光電変換層内のｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃの伝導帯エネルギーと微結晶Ｓｉ光電変換層内のｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａの価電子帯エネルギーの差が小さくなる。結果として光電素子間のトンネル伝導、キャリア再結合の効率が向上して、光電変換層間の実効的な接続抵抗が低下し、発電効率の高い光電変換装置が実現できる。光電変換層間のエネルギーを近づける作用の点では２層構成の実施の形態１の方が優れるが、膜構成が１層で良いため製造が容易である。
【００２６】
＜実施の形態３＞
図４は本実施の形態３の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態３光電変換装置は実施の形態２の光電変換装置の中間層５の主成分を酸化アルミニウムのかわりに酸化ハフニウムとした以外は基本的に同じ構造を有するものとした。
【００２７】
中間層５の酸化ハフニウムはスパッタ法や、ＣＶＤ法などで形成することができる。酸化ハフニウムには、ハフニウム以外の金属を添加してもよい。またハフニウムの酸化物を主成分として含有すればよく、たとえば窒素添加ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯＮ）などの材料であってもよい。また、その中間層５の膜厚はトンネル伝導を引き起こすために、十分薄い方が望ましい。
【００２８】
このようなハフニウム酸化物はＳｉ半導体との界面にフェルミレベルピニングの現象を生じる物質として知られている。フェルミレベルは、通常、ｎ型多結晶Ｓｉでは伝導帯の近く、ｐ型多結晶Ｓｉでは価電子帯の近くに位置する。フェルミレベルピニングは、ハフニウム酸化物の薄膜がｎ型多結晶Ｓｉとｐ型多結晶Ｓｉとの間に挟まれそれぞれの界面に接する構造を有する場合に、ハフニウム酸化物の薄膜との界面のｎ型多結晶Ｓｉおよびｐ型多結晶Ｓｉフェルミレベルがピニングされたかのようにほぼ同じ位置に引き寄せられる現象である。本実施の形態３の場合には、非晶質Ｓｉ光電変換層４内のｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃのフェルミレベルと、微結晶Ｓｉ光電変換層６内のｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａのフェルミレベルのエネルギー差がおよそ０．２ｅＶに接近する。これにより非晶質Ｓｉ光電変換層内のｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃと微結晶Ｓｉ光電変換層内のｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａの伝導、キャリア再結合の効率が向上する。その結果光電素子間の実効的な接続抵抗が低下し、発電効率の高い光電変換装置が実現できる。
【００２９】
＜実施の形態４＞
図５は本実施の形態４の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態４の光電変換装置は実施の形態１の光電変換装置の中間層５とｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃとの間に前記ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃよりキャリア密度が高いｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｄを挿入して、中間層５とｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａとの間に前記ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａよりキャリア密度が高いｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ｄを挿入した以外は基本的に同じ構造を有するものとした。
【００３０】
中間層５に接した半導体層は中間層界面付近は中間層ポテンシャルの影響により空乏化する。空乏化した領域（以下空乏層とする）は伝導に寄与するキャリアが低減するため、抵抗が高くなる。したがって実行的な接続抵抗の増加を招く可能性がある。空乏層膜厚は半導体層のキャリア濃度が増加すると低減する。したがって空乏層膜厚を低減するためにはキャリア密度が高いことが望ましい。
【００３１】
しかし半導体層のキャリア密度が高いと、半導体層での光吸収が増加する。光電素子ではｎ型半導体層とｐ型半導体層で吸収された光は電流発生に寄与しない。したがって光吸収の観点からはｎ型、ｐ型半導体層のキャリア密度は低いほうが望ましい。
【００３２】
本実施の形態４では中間層付近のみｎ型、ｐ型半導体層のキャリア密度を増加させるため、空乏層の延長を抑えながら、ｎ型、ｐ型半導体層での光吸収を極力抑制することが可能となる。例えばＳｉではキャリア密度が１Ｅ１９／ｃｍ３程度の場合、空乏層膜厚は１ｎｍ程度となるので、ｎ型半導体層４ｄ、ｐ型半導体層６ｄのキャリア密度は１Ｅ１９／ｃｍ３以上が望ましいと考えられる。これにより、光電素子間の実効的な接続抵抗が低下し、且つ発生電流を低下させない光電変換装置が実現できる。
【００３３】
＜実施の形態５＞
図６は本実施の形態５の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態５の光電変換装置は実施の形態２の光電変換装置の中間層５とｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃとの間に前記ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃよりキャリア密度が高いｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｄを挿入して、中間層５とｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａとの間に前記ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａよりキャリア密度が高いｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ｄを挿入した以外は基本的に同じ構造を有するものとした。中間層５は酸化アルミニウムを主成分として含有する１層からなる層である。
【００３４】
実施の形態４と同様に本実施の形態５では中間層付近のみｎ型、ｐ型半導体層のキャリア密度を増加させるため、空乏層の延長を抑えながら、ｎ型、ｐ型半導体層での光吸収を極力抑制することが可能となる。これにより、光電素子間の実効的な接続抵抗が低下し、且つ発生電流を低下させない光電変換装置が実現できる。
【００３５】
＜実施の形態６＞
図７は本実施の形態６の光電変換装置の断面の一部を示す断面図である。本実施の形態６の光電変換装置は実施の形態３の光電変換装置の中間層５とｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃとの間に前記ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃよりキャリア密度が高いｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｄを挿入して、中間層５とｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａとの間に前記ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａよりキャリア密度が高いｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ｄを挿入した以外は基本的に同じ構造を有するものとした。中間層５はハフニウムの酸化物を主成分とする層である。
【００３６】
実施の形態４と同様に本実施の形態６でも中間層付近のみｎ型、ｐ型半導体層のキャリア密度を増加させるため、空乏層の延長を抑えながら、ｎ型、ｐ型半導体層での光吸収を極力抑制することが可能となる。これにより、光電素子間の実効的な接続抵抗が低下し、且つ発生電流を低下させない光電変換装置が実現できる。
【００３７】
以上の実施の形態で述べたように本発明の光電変換装置では、それぞれｎ型の半導体層とｐ型の半導体層とを有するとともに互いに光吸収波長特性の異なる第１光電変換層および第２光電変換層が積層され、第１光電変換層のｎ型の半導体層と第２光電変換層のｐ型の半導体層との間に透光性の中間層を有し、中間層との界面における第１光電変換層のｎ型の半導体層の電子エネルギーレベルと第２光電変換層のｐ型の半導体層の正孔エネルギーレベルとが近づくように、第１光電変換層のｎ型の半導体層の中間層との界面近傍の電子エネルギーレベルまたは第２光電変換層のｐ型の半導体層の中間層との界面近傍の正孔エネルギーレベルが変化する。このため中間層を挟む第１光電変換層のｎ型の半導体層と第２光電変換層のｐ型の半導体層との間での実効的な接続抵抗が低下し、発電効率の高い光電変換装置が実現できる。以上の実施の形態の構成は特にＳｉを主成分とする半導体層からなる光電変換層の変換効率向上に適する。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置において、中間層の両側に位置する光電変換層間の導電性を改善し、高効率な光電変換装置を提供することができるようになる。
【図１】
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【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年5月27日(2010.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、
前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれて厚みが１〜１０ｎｍでトンネル伝導性を有するとともに、前記第２光電変換層のｐ型半導体層に接する主成分が負の電荷を保持する酸化アルミニウムである透光性の中間層と、
が基板上に積層された光電変換装置。
【請求項２】
前記中間層の前記第１光電変換層のｎ型半導体層に接する主成分が酸化Ｓｉ、ＺｎＯ、酸化ハフニウムのいずれかである請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、
前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれて厚みが１〜１０ｎｍでトンネル伝導性を有するとともに、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層とに接する主成分がハフニウム酸化物である透光性の中間層と、
が基板上に積層された光電変換装置。
【請求項４】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、
前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれて厚みが１〜１０ｎｍでトンネル伝導性を有するとともに、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層とに接する主成分が前記ｎ型半導体層のフェルミレベルと前記ｐ型半導体層とフェルミレベルとをほぼ同じ位置に引き寄せるフェルミレベルピニングの現象を有する透光性の材料からなる中間層と、
が基板上に積層された光電変換装置。
【請求項５】
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層はＳｉを主成分とすることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第１光電変換層のｎ型半導体層は、不純物濃度の異なる複数の層からなって、複数の層のうち前記中間層に接する層の不純物濃度が最も高いことを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第２光電変換層のｐ型半導体層は、不純物濃度の異なる複数の層からなって、複数の層のうち前記中間層に接する層の不純物濃度が最も高いことを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の光電変換装置は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれて厚みが１〜１０ｎｍでトンネル伝導性を有するとともに、前記第２光電変換層のｐ型半導体層に接する主成分が負の電荷を保持する酸化アルミニウムである透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
また、本発明の光電変換装置は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれて厚みが１〜１０ｎｍでトンネル伝導性を有するとともに、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層とに接する主成分がハフニウム酸化物である透光性の中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。
また、本発明の光電変換装置は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれて厚みが１〜１０ｎｍでトンネル伝導性を有するとともに、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層とに接する主成分が前記ｎ型半導体層のフェルミレベルと前記ｐ型半導体層とフェルミレベルとをほぼ同じ位置に引き寄せるフェルミレベルピニングの現象を有する透光性の材料からなる中間層と、が基板上に積層された光電変換装置、とした。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
中間層５は非晶質Ｓｉ光電変換層４と微結晶Ｓｉ光電変換層６とに挟まれた層である。中間層５は非晶質Ｓｉ光電変換層４で吸収されなかった光を微結晶Ｓｉ光電変換層６側に透過すると同時に微結晶Ｓｉ光電変換層６と微結晶Ｓｉ光電変換層６との間を電気伝導させる。また、中間層５が微結晶Ｓｉ光電変換層６で吸収する波長域の光を透過する一方、非晶質Ｓｉ光電変換層４で吸収する波長域の光を非晶質Ｓｉ光電変換層４側に反射する光学特性を備えると、非晶質Ｓｉ光電変換層４を通過した光が再び非晶質Ｓｉ光電変換層４を通過して光電変換されるので変換効率が向上する。
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月14日(2010.10.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、
前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれて厚みが１〜１０ｎｍでトンネル伝導性を有するとともに、前記第２光電変換層のｐ型半導体層に接する主成分が負の電荷を保持する酸化アルミニウムである透光性の中間層と、が基板上に積層され、
前記中間層の前記第１光電変換層のｎ型半導体層に接する主成分が正の電荷を保持する酸化Ｓｉ、ＺｎＯ、酸化ハフニウムのいずれかである光電変換装置。
【請求項２】
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層はＳｉを主成分とす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】
前記第１光電変換層のｎ型半導体層は、不純物濃度の異なる複数の層からなって、複数の層のうち前記中間層に接する層の不純物濃度が最も高い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４】
前記第２光電変換層のｐ型半導体層は、不純物濃度の異なる複数の層からなって、複数の層のうち前記中間層に接する層の不純物濃度が最も高いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の光電変換装置は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有する第１光電変換層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するとともに前記第１光電変換層と光吸収波長特性が異なる第２光電変換層と、前記第１光電変換層のｎ型半導体層と前記第２光電変換層のｐ型半導体層との間に挟まれて厚みが１〜１０ｎｍでトンネル伝導性を有するとともに、前記第２光電変換層のｐ型半導体層に接する主成分が負の電荷を保持する酸化アルミニウムである透光性の中間層と、が基板上に積層され、前記中間層の前記第１光電変換層のｎ型半導体層に接する主成分が正の電荷を保持する酸化Ｓｉ、ＺｎＯ、酸化ハフニウムのいずれかである、光電変換装置、とした。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
なお、ｐ型微結晶Ｓｉ半導体層６ａ側を酸化アルミニウムを主成分に含有する層５ｂとすれば、ｎ型非晶質Ｓｉ半導体層４ｃ側は酸化Ｓｉ層５ａのかわりにＺｎＯ、酸化ハフニウム化合物（ＨｆＯ２）などの誘電体材料を用いても同様な効果が得られる。また、中間層５は酸化アルミ化合物層５ｂと酸化Ｓｉ層５ａとの２層としたが、厚み方向に酸化アルミ化合物から酸化Ｓｉに組成が順次変化する傾斜組成の構造を有していてもよい。
【国際調査報告】
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