(57)【要約】  本発明の課題は、コンタクト抵抗を低減することによって光電変換素子構造の変換効率を改善することである。本発明のｐｉｎ構造の光電変換素子構造は、ｐ型半導体の荷電子帯の上限のエネルギ準位又はｎ型半導体層の電子親和力と、当該半導体と接触する金属層の仕事関数を選択することによって、電極としてＡｌ、Ａｇ等を用いた場合に比較してコンタクト抵抗を低減する。選択された金属層は、Ａｌ、Ａｇ等によって形成された電極と半導体との間に設けられても良いし、ｎ又はｐ型半導体と置換されても良い。
2009110403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１および第２の電極層の間に設けられた１つまたは複数の発電積層体とを含み、
前記発電積層体は、ｐ型半導体層と、当該ｐ型半導体層に接触して形成されたｉ型半導体層と、前記ｉ型半導体層に接触して形成されたｎ型半導体層とを含み、
前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｐ型半導体層は前記第１の電極層に接触し、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｎ型半導体層は前記第２の電極層に接触し、
前記第２の電極層は、少なくとも前記ｎ型半導体層に接触する部分が、前記接触するｎ型半導体層の電子親和力よりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項２】
請求項１において、前記第２の電極層の少なくとも前記ｎ型半導体層に接触する部分が、マグネシウム、ハフニウム、イットリウムからなる群から選択された少なくとも一種類の単体金属又はその合金によって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項３】
請求項１または２において、前記発電積層体の少なくとも１つにおける前記ｉ型半導体層は、結晶シリコン、微結晶非晶質シリコン、及び、非晶質シリコンのいずれかによって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記第２の電極層は前記接触するｎ型半導体層の電子親和力よりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属によって構成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記第２の電極層は、前記ｎ型半導体層に接触する部分を除く部分が、前記接触するｎ型半導体層の電子親和力よりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属よりも高い導電率の金属で形成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、前記第１の電極層の少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、前記接触するｐ型半導体層の荷電子帯の上限のエネルギ準位よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項７】
第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１および第２の電極層の間に設けられた１つまたは複数の発電積層体とを含み、
前記発電積層体は、ｐ型半導体層と、当該ｐ型半導体層に接触して形成されたｉ型半導体層と、前記ｉ型半導体層に接触して形成されたｎ型半導体層とを含み、
前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｐ型半導体層は前記第１の電極層に接触し、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｎ型半導体層は前記第２の電極層に接触し、
前記第１の電極層は、少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、前記接触するｐ型半導体層の荷電子帯の上限のエネルギ準位よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項８】
請求項６または７において、前記第１の電極層の少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び、プラチナ（Ｐｔ）からなる群から選択された少なくとも一種の単体金属又はその合金によって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかにおいて、前記第１の電極層は前記接触するｐ型半導体層の荷電子帯の上限のエネルギ準位よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属によって構成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１０】
請求項６〜８のいずれかにおいて、前記第１の電極層は、前記ｐ型半導体層に接触する部分を除く部分が、前記接触するｐ型半導体層の荷電子帯の上限のエネルギ準位よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属よりも高い導電率の金属で形成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１１】
ｉ型半導体層と、当該ｉ型半導体層の一表面に接触して形成された一導電型の半導体層と、前記ｉ型半導体層の他の表面に直接接触して形成され、予め定められた金属からなる金属層とを備えていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１２】
請求項１１において、前記金属層は、前記ｉ型半導体層及び前記一導電型の半導体層と共に、発電領域を形成していることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１３】
請求項１１または１２において、前記一導電型の半導体層に直接または他の発電領域を介して接触して形成された電極を有することを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のいずれかにおいて、前記金属層に接触して形成された他の電極層を有していることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれかにおいて、前記ｉ型半導体層の一表面に接触して形成される一導電型の半導体層はｐ型半導体層であることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれかにおいて、前記ｉ型半導体層の他の表面に接触して形成される金属層の金属は、前記ｉ型半導体層を構成する半導体がｎ型半導体である場合の当該ｎ型半導体の電子親和力よりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属であることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１７】
請求項１１〜１４のいずれかにおいて、前記ｉ型半導体層の一表面に接触して形成される一導電型の半導体層はｎ型半導体層であり、前記ｉ型半導体層の他の表面に接触して形成される金属層の金属は、前記ｉ型半導体層を構成する半導体がｐ型半導体である場合の当該ｐ型半導体の荷電子帯の上限のエネルギ準位よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属であることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１８】
第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１および第２の電極層の間に設けられた１つまたは複数の発電積層体とを含み、
前記発電積層体は、ｐ型半導体層と、当該ｐ型半導体層に接触して形成されたｉ型半導体層と、前記ｉ型半導体層に接触して形成されたｎ型半導体層とを含み、
前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｐ型半導体層は前記第１の電極層に接触し、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｎ型半導体層は前記第２の電極層に接触し、
前記第２の電極層は、少なくとも前記ｎ型半導体層に接触する部分が、ＡｌおよびＡｇよりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項１９】
請求項１８において、前記第２の電極層の少なくとも前記ｎ型半導体層に接触する部分が、マンガン及びジルコニウムからなる群から選択された少なくとも一種類の単体金属又はその合金によって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項２０】
第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１および第２の電極層の間に設けられた１つまたは複数の発電積層体とを含み、
前記発電積層体は、ｐ型半導体層と、当該ｐ型半導体層に接触して形成されたｉ型半導体層と、前記ｉ型半導体層に接触して形成されたｎ型半導体層とを含み、
前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｐ型半導体層は前記第１の電極層に接触し、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｎ型半導体層は前記第２の電極層に接触し、
前記第１の電極層は、少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、ＺｎＯよりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項２１】
請求項２０において、前記第１の電極層の少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、コバルト（Ｃｏ）またはその合金によって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項２２】
請求項１１〜２１のいずれかにおいて、前記ｉ型半導体層はシリコンによって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれかに記載された光電変換素子構造を含むことを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子構造及び当該光電変換素子構造を含む太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来提案されている太陽電池には、薄膜によって形成された光電変換素子構造を含む太陽電池がある。この場合、ｉ型半導体層の両面に、それぞれ、一導電型（例えばｐ型）半導体層及び逆導電型（例えば、ｎ型）半導体層を接触させた構造を含むｐｉｎ構造が採用されることがある。このようなｐｉｎ構造を採用した場合、ｉ型半導体層に電界をかけることによってキャリアの拡散長を長くすることができる。また、光電変換素子構造における各半導体層を非晶質半導体、微結晶半導体、単結晶半導体、多結晶半導体等、種々の半導体によって形成することが提案されている。更に、各半導体層を形成する半導体として、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ等を使用することも提案されている。【０００３】
このように、ｉ層を含む３層構造の光電変換素子構造を含む太陽電池は互いに異なる３種類の半導体層を成膜する必要があるため、コストの上昇は避けられない状況にある。【０００４】
特許文献１及び２には、ｐｉｎ型光電変換素子構造を含む薄膜太陽電池が開示されている。具体的に言えば、特許文献１に記載された薄膜太陽電池は、微結晶相を含む非晶質シリコン（μｃ−Ｓｉ）の層を有するｐｉｎ型非晶質の光電変換素子構造を有している。即ち、特許文献１に記載された薄膜太陽電池は、発電層を形成するｐｉｎ層のうち、微結晶相を含む半導体層（μｃ−Ｓｉ）によってｐ層を形成し、ｉ層を非晶質シリコンゲルマニウム（ａ−ＳｉＧｅ）によって形成すると共に、当該ｐ層とｉ層との間に、ｐ層よりもバンドギャップが広く、ｐ型で低不純物濃度の界面層を設けている。この光電変換素子構造は、光照射後の特性の劣化を抑制できると共に、効率の向上を図ることができる。【０００５】
また、特許文献２は、製造プロセスにおける熱拡散による界面特性の劣化を抑制して、変換効率の高い光電変換素子構造を含む太陽電池を開示している。特許文献２では、発電層を形成するｐｉｎ層のうち、それぞれ微結晶相を含む非晶質シリコン系薄膜（μｃ−Ｓｉ）によってｐ及びｎ型半導体層を形成し、且つ、非晶質シリコン系膜によってｉ型半導体層を形成した光電変換素子構造が提案されている。更に、特許文献２は、ｐ型又はｎ型半導体層とｉ型半導体層との間に、複数層からなる界面半導体層を設けた構造を提案している。ここでは、ｉ型半導体層側の界面半導体層の不純物添加量を、非晶質半導体層側の界面半導体層の不純物添加量よりも少なくし、これによって、ｉ型半導体層のｐ型半導体層側接合界面におけるバンドギャップをｉ型半導体層のバンドギャップより広くしている。上記した光電変換素子構造を含む太陽電池は、界面特性の劣化を抑制することができる。【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１６８３５４号公報
【特許文献２】特開２００３−８０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、特許文献１及び２は、いずれもｐｉｎ層の３層からなる発電層の内部的な構造を変化させることによって、界面特性の劣化を抑制することによって変換効率の向上を図っている。【０００８】
即ち、特許文献１はｐ層とｉ層との間に、界面層を設ける構成を示しており、他方、特許文献２も、ｉ型半導体層とｐ型又はｎ型半導体層の間に、界面半導体層を設ける構成を示している。換言すれば、特許文献１及び２のいずれも、ｐｉｎ層に接触して形成される電極層に伴うコンタクト抵抗に伴う問題点について指摘していない。【０００９】
本発明の目的は、電極層と半導体層との間のコンタクト抵抗を低減できる光電変換素子構造及び太陽電池を提供することである。【００１０】
本発明の他の目的は、発電層に接触して形成される電極層を改善することによって変換効率が高く、経済性の高い光電変換素子構造及び太陽電池を提供することである。【００１１】
本発明の更に他の目的は、発電層自体の構造を改善することによってコンタクト抵抗を低減した光電変換素子構造及び太陽電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１および第２の電極層の間に設けられた１つまたは複数の発電積層体とを含み、
前記発電積層体は、ｐ型半導体層と、当該ｐ型半導体層に接触して形成されたｉ型半導体層と、前記ｉ型半導体層に接触して形成されたｎ型半導体層とを含み、
前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｐ型半導体層は前記第１の電極層に接触し、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｎ型半導体層は前記第２の電極層に接触し、
前記第２の電極層は、少なくとも前記ｎ型半導体層に接触する部分が、前記接触するｎ型半導体層の電子親和力（ｎ型シリコンの場合は、絶対値で４．０９ｅＶである）よりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００１３】
本発明の第２の態様によれば、前記第２の電極層の少なくとも前記ｎ型半導体層に接触する部分が、マグネシウム、ハフニウム、イットリウムからなる群から選択された少なくとも一種類の単体金属又はその合金によって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００１４】
本発明の第３の態様によれば、上記いずれかにおいて、前記発電積層体の少なくとも１つにおける前記ｉ型半導体層は、結晶シリコン、微結晶非晶質シリコン、及び、非晶質シリコンのいずれかによって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００１５】
本発明の第４の態様によれば、上記いずれかにおいて、前記第２の電極層は前記接触するｎ型半導体層の電子親和力よりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属によって構成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００１６】
本発明の第５の態様によれば、上記いずれかにおいて、前記第２の電極層は、前記ｎ型半導体層に接触する部分を除く部分が、前記接触するｎ型半導体層の電子親和力よりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属よりも高い導電率の金属で形成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００１７】
本発明の第６の態様によれば、上記いずれかにおいて、前記第１の電極層の少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、前記接触するｐ型半導体層の荷電子帯の上限のエネルギ準位（ｐ型シリコンの場合は、絶対値で５．１７ｅＶである）よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００１８】
本発明の第７の態様によれば、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１および第２の電極層の間に設けられた１つまたは複数の発電積層体とを含み、
前記発電積層体は、ｐ型半導体層と、当該ｐ型半導体層に接触して形成されたｉ型半導体層と、前記ｉ型半導体層に接触して形成されたｎ型半導体層とを含み、
前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｐ型半導体層は前記第１の電極層に接触し、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｎ型半導体層は前記第２の電極層に接触し、
前記第１の電極層は、少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、前記接触するｐ型半導体層の荷電子帯の上限のエネルギ準位よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００１９】
本発明の第８の態様によれば、前記第１の電極層の少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び、プラチナ（Ｐｔ）からなる群から選択された少なくとも一種の単体金属又はその合金によって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２０】
本発明の第９の態様によれば、前記第１の電極層は前記接触するｐ型半導体層の荷電子帯の上限のエネルギ準位よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属によって構成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２１】
本発明の第１０の態様によれば、前記第１の電極層は、前記ｐ型半導体層に接触する部分を除く部分が、前記接触するｐ型半導体層の荷電子帯の上限のエネルギ準位よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属よりも高い導電率の金属で形成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２２】
本発明の第１１の態様によれば、ｉ型半導体層と、当該ｉ型半導体層の一表面に接触して形成された一導電型の半導体層と、前記ｉ型半導体層の他の表面に直接接触して形成され、予め定められた金属からなる金属層とを備えていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２３】
本発明の第１２の態様によれば、前記金属層は、前記ｉ型半導体層及び前記一導電型の半導体層と共に、発電領域を形成していることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２４】
本発明の第１３の態様によれば、前記一導電型の半導体層に直接または他の発電領域を介して接触して形成された電極を有することを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２５】
本発明の第１４の態様によれば、前記金属層に接触して形成された他の電極層を有していることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２６】
本発明の第１５の態様によれば、前記ｉ型半導体層の一表面に接触して形成される一導電型の半導体層はｐ型半導体層であることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２７】
本発明の第１６の態様によれば、上記１１〜１５の態様のいずれかにおいて、前記ｉ型半導体層の他の表面に接触して形成される金属層の金属は、前記ｉ型半導体層を構成する半導体がｎ型半導体である場合の当該ｎ型半導体の電子親和力よりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属であることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２８】
本発明の第１７の態様によれば、上記１１〜１４の態様のいずれかにおいて、前記ｉ型半導体層の一表面に接触して形成される一導電型の半導体層はｎ型半導体層であり、前記ｉ型半導体層の他の表面に接触して形成される金属層の金属は、前記ｉ型半導体層を構成する半導体がｐ型半導体である場合の当該ｐ型半導体の荷電子帯の上限のエネルギ準位よりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属であることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００２９】
本発明の第１８の態様によれば、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１および第２の電極層の間に設けられた１つまたは複数の発電積層体とを含み、前記発電積層体は、ｐ型半導体層と、当該ｐ型半導体層に接触して形成されたｉ型半導体層と、前記ｉ型半導体層に接触して形成されたｎ型半導体層とを含み、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｐ型半導体層は前記第１の電極層に接触し、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｎ型半導体層は前記第２の電極層に接触し、前記第２の電極層は、少なくとも前記ｎ型半導体層に接触する部分が、ＡｌおよびＡｇよりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００３０】
本発明の第１９の態様によれば、第１８の態様において、前記第２の電極層の少なくとも前記ｎ型半導体層に接触する部分が、マンガン及びジルコニウムからなる群から選択された少なくとも一種類の単体金属又はその合金によって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００３１】
本発明の第２０の態様によれば、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１および第２の電極層の間に設けられた１つまたは複数の発電積層体とを含み、前記発電積層体は、ｐ型半導体層と、当該ｐ型半導体層に接触して形成されたｉ型半導体層と、前記ｉ型半導体層に接触して形成されたｎ型半導体層とを含み、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｐ型半導体層は前記第１の電極層に接触し、前記１つの発電積層体または前記複数の発電積層体のうちの前記第１の電極側の発電積層体の前記ｎ型半導体層は前記第２の電極層に接触し、前記第１の電極層は、少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、ＺｎＯよりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属を含むことを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００３２】
本発明の第２１の態様によれば、第２０の態様において、前記第１の電極層の少なくとも前記ｐ型半導体層に接触する部分が、コバルト（Ｃｏ）またはその合金によって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００３３】
本発明の第２２の態様によれば、上記１１〜２１の態様のいずれかにおいて、前記ｉ型半導体層はシリコンによって形成されていることを特徴とする光電変換素子構造が得られる。【００３４】
本発明の第２３の態様によれば、上記１１〜２２の態様のいずれかに記載された光電変換素子構造を含むことを特徴とする太陽電池が得られる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、電極層と半導体層とのコンタクト抵抗を低減することによって変換効率の高い光電変換素子構造が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の原理を説明する光電変換素子構造の等価回路を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光電変換素子構造を説明する概略図である。
【図３Ａ】ｎ−Ｓｉと金属の接触前の仕事関数がφｓ＜φｍの関係にある場合のバンド構造及び接触後のバンド構造を示す図である。
【図３Ｂ】ｎ−Ｓｉと金属の接触前の仕事関数がφｓ＜φｍの関係にある場合のバンド構造及び接触後のバンド構造を示す図である。
【図４Ａ】ｎ−Ｓｉと金属の接触前の仕事関数がφｓ＞φｍの関係にある場合のバンド構造及び接触後のバンド構造を示す図である。
【図４Ｂ】ｎ−Ｓｉと金属の接触前の仕事関数がφｓ＞φｍの関係にある場合のバンド構造及び接触後のバンド構造を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る光電変換素子構造を説明する概略図である。
【図６】本発明の更に他の実施形態に係る光電変換素子構造を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０            発電層（電池部分）
２１            第１の電極
２２            第２の電極
２５            発電層
２５１          ｐ型半導体層
２５２          ｎ型半導体層
２５３          ｉ型半導体層
３０            付加電極層
３５            金属層
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
図１に示された光電変換素子の等価回路図を参照して、本発明の原理を説明する。図示されているように、太陽電池を構成する光電変換素子構造は、光の照射によって電気を発生する発電層（即ち、電池部分）１０、当該発電層１０における接合界面の不整合により流れる漏れ電流に相当する並列抵抗Ｒｓｈ、発電層１０を挟む２つの電極と間の抵抗Ｒｓとによって等価的にあらわすことができる。ここで、抵抗Ｒｓは各電極自体の抵抗と、各電極と発電層を形成する半導体層との間のコンタクト抵抗の合成抵抗である。図からも明らかな通り、負荷は、２つの抵抗Ｒｓ間に接続されることになる。【００３９】
本発明の原理は、図１に示された等価回路における抵抗Ｒｓのコンタクト抵抗を低減することによって光電変換素子構造の変換効率を向上させることにある。【００４０】
図２を参照すると、本発明の第１の実施形態に係る光電変換素子構造は、図２に示すように、透明電極によって形成された第１の電極２１と、Ａｌ又はＡｇのように、高い反射率を有する第２の電極２２と、第１及び第２の電極２１、２２の間に設けられたｐｉｎの３層からなる発電層２５とを備えている。発電層２５は、第１の電極２１に接触して形成されたｐ型半導体層２５１、第２の電極２２に接触して形成されたｎ型半導体層２５２と、ｐ型半導体層２５１とｎ型半導体層２５２との間に設けられたｉ型半導体層２５３を有している。なお、この実施形態では、発電層２５を構成とするｐ型半導体層２５１、ｉ型半導体層２５３、及び、ｎ型半導体層２５２として、結晶シリコン（Ｓｉ）を使用するものとする。この場合、結晶シリコンによって形成されたｐ−Ｓｉの荷電子帯の上限のエネルギ準位は−５．１７ｅＶであり、これよりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属を第１の電極２１に用いる。あるいは、ＺｎＯよりも絶対値の大きな仕事関数を有する金属またはその合金を第１の電極２１に用いる。【００４１】
一方、ｎ−Ｓｉの電子親和力は−４．０９ｅＶであり、これよりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属を第２の電極２２に用いる。あるいは、ＡｌおよびＡｇよりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属またはその合金を第２の電極２２に用いる。【００４２】
本発明の第１の実施形態では、第２の電極２２である裏面電極の仕事関数に着目し、第２の電極２２とｎ型半導体層２５２との間のコンタクト抵抗を低減した。なお、第２の電極２２としては、通常、−４．２８ｅＶの仕事関数を有するアルミニウム（Ａｌ）又は−４．２６ｅＶの仕事関数を有する銀（Ａｇ）が使用されている。【００４３】
ここでは、半導体（ｎ−Ｓｉ）の電子親和力−４．０９ｅＶよりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属で、好ましくは反射率の高い金属材料で第２の電極２２を形成する。具体的には、ｎ−Ｓｉからなる半導体と、オーミックコンタクトを形成する金属材料によって第２の電極２２を形成することによって、コンタクト抵抗をＡｌ、Ａｇに比較して低減できる。【００４４】
また、ｎ−Ｓｉからなる半導体に対して、ショットキーバリアを形成する金属材料を使用することによっても、コンタクト抵抗をＡｌ、Ａｇに比較して低減できる。【００４５】
上記したコンタクト抵抗を低減できる金属材料は、ｎ−Ｓｉとの間の仕事関数を考慮することによって決定できる。以下では、金属材料の仕事関数をφｍとし、半導体（ここでは、ｎ−Ｓｉ）の電子親和力をφｓであらわすものとする。【００４６】
今、図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、真空準位に対する仕事関数の関係が、絶対値でφｍ＜φｓである場合における接触前の状態と接触後の状態が示されている。このような半導体と金属が接触すると、図３Ｂに示すように、オーミックコンタクトが形成される。ｎ−Ｓｉのφｓは前述したように、−４．０９ｅＶであるから、当該ｎ−Ｓｉの仕事関数よりも絶対値が小さい仕事関数φｍを有する金属材料は、仕事関数−３．７ｅＶのＭｇ、仕事関数−３．９のＨｆ、仕事関数−３．１ｅＶのＹ等が利用でき、これらの金属を使用することによってコンタクト抵抗をＡｌ、Ａｇをｎ−Ｓｉに接触させた場合よりも、低下させることができる。【００４７】
一方、ＡｌおよびＡｇよりも絶対値の小さい仕事関数を有する金属を使用することによっても、コンタクト抵抗をＡｌ、Ａｇをｎ−Ｓｉに接触させた場合よりも、低下させることができる。【００４８】
例えば、仕事関数−４．１ｅＶのＭｎ及びＺｒは、−４．２８ｅＶのＡｌ、−４．２６ｅＶのＡｇと同様に、ｎ−Ｓｉの仕事関数−４．０９ｅＶよりも僅かに小さく、φｓ＜φｍの関係にある。この場合、ｎ−Ｓｉに上記した金属材料が接触する前の状態では、図４Ａに示す状態にあり、他方、両者が接触すると、図４Ｂに示すように、ショットキーバリア（障壁）が形成される。しかし、ｎ−Ｓｉの表面が強くドープされているとトンネル電流によって障壁を通過してオーミックコンタクトが形成されることは、Ａｌ、Ａｇと同様である。【００４９】
前述したＭｎ、Ｚｒの仕事関数はＡｌ、Ａｇに比較してｎ−Ｓｉの仕事関数φｓに近く、ＡｌおよびＡｇよりも絶対値の小さい仕事関数を有するから、Ｍｎ、Ｚｒによって第２の電極２２を形成しても、Ａｌ、Ａｇを使用した場合よりも、コンタクト抵抗を低下させることができる。【００５０】
実際、Ａｌとｎ−Ｓｉとのコンタクト抵抗は５×１０−６Ω・ｃｍ２程度であるが、金属の仕事関数φｍとｎ−Ｓｉの仕事関数φｓの差が０．０５ｅＶであるＭｎ、Ｚｒでは５×１０−１２Ω・ｃｍ２程度のコンタクト抵抗が達成できた。更に、他のＭｇ、Ｈｆ、Ｙにおいても１０−８Ω・ｃｍ２程度まで、コンタクト抵抗を低下させることができた。【００５１】
上記した例では、図２に示した第２の電極２２とｎ−Ｓｉとの間のコンタクト抵抗について考察したが、第１の電極２１とｐ−Ｓｉ２５１においても、ｐ−Ｓｉと第１の電極２１間のコンタクト抵抗を低減することも可能である。通常、ｐ−Ｓｉの荷電子帯の上限のエネルギ準位φｓは−５．１７ｅＶであり、これよりも絶対値の大きい仕事関数を有する金属を第１の電極２１に用いる。例えば、ｐ−Ｓｉの荷電子帯の上限のエネルギ準位φｓ（−５．１７ｅＶ）より絶対値の大きい仕事関数φｍを有する金属（即ち、φｓ＜φｍ）を使用した場合、オーミックコンタクトが形成される。具体的に云えば、Ｎｉの仕事関数φｍは−５．２ｅＶであるから、Ｎｉが電極材料として使用された場合、ｐ−Ｓｉとのコンタクト抵抗を低減でき。Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔも、それぞれ仕事関数が−５．３ｅＶ、−５．２ｅＶ、−５．７ｅＶなので、好適である。【００５２】
図５を参照して、本発明の他の実施形態に係る光電変換素子構造を説明する。図５に示された光電変換素子構造は、ｎ−Ｓｉ２５２と第２の電極２２との間に、付加金属層３０を設けた構造を有している。図示された第２の電極２２としては、通常通り、Ａｌ又はＡｇを使用し、当該第２の電極２２における反射率を確保する一方、第２の電極２２とｎ−Ｓｉ２５２との間に、コンタクト抵抗低減用付加金属層３０を設けている。付加金属層３０を形成する金属としては、例えば、第２の電極２２を形成するＡｌ、Ａｇの仕事関数φｍよりも絶対値の小さな仕事関数を有する金属（Ｍｇ、Ｍｎ、Ｈｆ、Ｙ、Ｚｒ等）を選択することによってコンタクト抵抗を低減できる。このような金属を使用することによって、ｎ−Ｓｉ２５２との間で実質的にオーミックコンタクトを形成できる。【００５３】
また、−５．１５ｅＶの仕事関数を持つｐ−Ｓｉ２５１と第１の電極２１とのコンタクト抵抗を小さくするために、ｐ−Ｓｉ２５１と第１の電極２１の間に、付加金属層を設けても良い。ｐ−Ｓｉ側の電極として−４．２５ｅＶの仕事関数φｍを持つＺｎＯが用いられている場合には、−５．０ｅＶのＣｏ、−５．２ｅＶのＮｉ等のＺｎＯよりも絶対値の大きな仕事関数を有する金属材料を付加金属層として使用することにより、コンタクト抵抗を低減できる。【００５４】
図６を参照すると、本発明の更に他の実施形態に係る光電変換素子構造は、図２に示した光電変換素子構造のうち、ｎ−Ｓｉ２５２を金属層３５に置き換えた構造、即ち、ｎ−Ｓｉ２５２を省略した構造を有している。当該金属層３５としては、ｎ−Ｓｉ２５２と同等程度の仕事関数φｍを有する金属材料が用いられる。−４．０９ｅＶの仕事関数φｓを有するｎ−Ｓｉ２５２と同等程度の仕事関数φｍを有する金属としては、−４．１ｅＶの仕事関数φｍを有するＭｎ、Ｚｒを用いることができる。【００５５】
図６では、ｎ−Ｓｉ２５２を金属層３５に置き換えた例を示したが、−５．１５ｅＶの仕事関数φｓを有するｐ−Ｓｉ２５１を金属層に置換しても良い。この場合、仕事関数−５．０ｅＶのＣｏ、−５．２ｅＶのＮｉ、−５．２ｅＶのＰｄ、−５．３ｅＶのＩｒ等を、金属層を形成する金属材料として使用しても、コンタクト抵抗を低減できる。【００５６】
前述した実施形態では、結晶シリコンを使用した場合についてのみ説明したが、本発明は何等これに限定されることなく、非晶質のシリコン、微結晶を含む非晶質シリコン（μｃ−Ｓｉ）を使用した場合にも同様に適用できる。この場合、非晶質シリコン及びμｃ−Ｓｉの仕事関数を考慮して、金属を選択することは言うまでもない。【００５７】
更に、本発明は、シリコンに限定されることなく、他の半導体を用いた場合にも適用して、コンタクト抵抗を低減でき、変換効率を改善できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る光電変換素子は、太陽電池に限らず、他の電子機器用の光電変換素子にも適用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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