(57)【要約】【課題】光電変換効率の高い光電変換装置を提供する。【解決手段】本発明の光電変換装置は、透明導電膜と、該透明導電膜上に形成された半導体層とを備え、透明導電膜と半導体層との境界領域には、荷電可能物質を有することを特徴とする。荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明導電膜と、
前記透明導電膜上に形成された半導体層とを備え、
前記透明導電膜と前記半導体層との境界領域には、荷電可能物質を有する、光電変換装置。
【請求項２】
前記透明導電膜と前記半導体層との境界領域には、荷電可能物質からなる荷電可能物質層を有する、請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記荷電可能物質は、前記半導体層の伝導帯下端から真空準位までのエネルギー高さよりも小さいイオン化ポテンシャルまたは仕事関数を有する材料からなる、請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記荷電可能物質は、前記半導体層の価電子帯上端から真空準位までのエネルギー高さよりも大きい電子親和力または仕事関数を有する材料からなる、請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記半導体層は、完全空乏化している、請求項１〜６のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記半導体層上には導電膜を備え、
前記導電膜のフェルミ準位は、前記半導体層のバンドギャップ中央よりも前記半導体層の価電子帯上端側に位置し、
前記荷電可能物質は、正に荷電可能である、請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含む、請求項８に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記導電膜は、ＰｔまたはＡｌのいずれか一方もしくは両方を主成分として含む材料からなる、請求項８または９に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記導電膜は、３ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料からなる、請求項８〜１０のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記半導体層は、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウムからなり、
前記導電膜は、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化錫、ならびに、Ｆ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化錫、ならびに、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化亜鉛、およびＬｉを含む酸化ニッケルからなる群より選択される１種以上からなる、請求項８に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
前記半導体層上には導電膜を備え、
前記導電膜のフェルミ準位は、前記半導体層のバンドギャップ中央よりも前記半導体層の伝導帯下端側に位置し、
前記荷電可能物質は、負に荷電可能である、請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
前記荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含む、請求項１３に記載の光電変換装置。
【請求項１５】
前記導電膜は、３ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料からなる、請求項１３または１４に記載の光電変換装置。
【請求項１６】
前記半導体層は、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウムからなり、
前記導電膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、およびＭｇからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化亜鉛、ならびにＲｈを含む酸化亜鉛からなる群より選択される１種以上からなる、請求項１３に記載の光電変換装置。
【請求項１７】
第１の透明導電膜と、
前記第１の透明導電膜上に設けられた半導体層と、
前記半導体層上に設けられた第２の透明導電膜とを備え、
前記第１の透明導電膜と前記半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、
前記第１の荷電可能物質および前記第２の荷電可能物質のうちの一方は、正に荷電可能であり、
前記第１の荷電可能物質および前記第２の荷電可能物質のうちの他方は、負に荷電可能である、光電変換装置。
【請求項１８】
前記第１の荷電可能物質および前記第２の荷電可能物質のうちの一方は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含み、
前記第１の荷電可能物質および前記第２の荷電可能物質のうちの他方は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含む、請求項１７に記載の光電変換装置。
【請求項１９】
前記半導体層は、完全空乏化している、請求項１７または１８に記載の光電変換装置。
【請求項２０】
前記第１の透明導電膜と前記第２の透明導電膜とは、同一材料からなる、請求項１７〜１９のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項２１】
第１の透明導電膜と、
前記第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、
前記第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、
前記第１の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第２の半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、
前記第１の荷電可能物質および前記第２の荷電可能物質はいずれも、正に荷電可能であり、
前記第２の透明導電膜のフェルミ準位は、前記第１の半導体層のバンドギャップ中央よりも前記第１の半導体層の価電子帯上端側に位置する、光電変換装置。
【請求項２２】
第１の透明導電膜と、
前記第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、
前記第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、
前記第２の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、
前記第１の荷電可能物質は、正に荷電可能であり、
前記第１の透明導電膜のフェルミ準位は、前記第１の半導体層のバンドギャップ中央よりも前記第１の半導体層の価電子帯上端側に位置し、
前記第２の透明導電膜のフェルミ準位は、前記第２の半導体層のバンドギャップ中央よりも前記第２の半導体層の価電子帯上端側に位置する、光電変換装置。
【請求項２３】
第１の透明導電膜と、
前記第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、
前記第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、
前記第１の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第２の半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、
前記第１の荷電可能物質および前記第２の荷電可能物質はいずれも、負に荷電可能であり、
前記第２の透明導電膜のフェルミ準位は、前記第１の半導体層のバンドギャップ中央よりも前記第１の半導体層の伝導帯下端側に位置する、光電変換装置。
【請求項２４】
第１の透明導電膜と、
前記第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、
前記第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、
前記第２の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、
前記第１の荷電可能物質は、負に荷電可能であり、
前記第１の透明導電膜のフェルミ準位は、前記第１の半導体層のバンドギャップ中央よりも前記第１の半導体層の伝導帯下端側に位置し、
前記第２の透明導電膜のフェルミ準位は、前記第２の半導体層のバンドギャップ中央よりも前記第２の半導体層の伝導帯下端側に位置する、光電変換装置。
【請求項２５】
第１の透明導電膜と、
前記第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、
前記第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、
前記第１の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域に第１の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域に第２の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第２の半導体層との界面領域に第３の荷電可能物質を有し、
前記第１の荷電可能物質および前記第３の荷電可能物質はいずれも、正に荷電可能であり、
前記第２の荷電可能物質は、負に荷電可能である、光電変換装置。
【請求項２６】
第１の透明導電膜と、
前記第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、
前記第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、
前記第１の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域に第１の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域に第２の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第２の半導体層との界面領域に第３の荷電可能物質を有し、
前記第１の荷電可能物質および前記第３の荷電可能物質はいずれも、負に荷電可能であり、
前記第２の荷電可能物質は、正に荷電可能である、光電変換装置。
【請求項２７】
前記第１の半導体層は、完全空乏化している、請求項２６に記載の光電変換装置。
【請求項２８】
前記第２の半導体層は、完全空乏化している、請求項２６または２７に記載の光電変換装置。
【請求項２９】
前記第１の荷電可能物質および前記第３の荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含み、
前記第２の荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含む、請求項２４〜２６のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項３０】
前記第２の荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含み、
前記第１の荷電可能物質および前記第３の荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含む、請求項２４〜２６のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項３１】
第１の透明導電膜と、
前記第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、
前記第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に設けられた第３の透明導電膜とを備え、
前記第１の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第２の半導体層との界面領域には第３の荷電可能物質を有し、
前記第３の透明導電膜と前記第２の半導体層との界面領域には第４の荷電可能物質を有し、
前記第１の荷電可能物質および前記第３の荷電可能物質は、正に荷電可能であり、
前記第２の荷電可能物質および前記第４の荷電可能物質は、負に荷電可能である、光電変換装置。
【請求項３２】
第１の透明導電膜と、
前記第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、
前記第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に設けられた第３の透明導電膜とを備え、
前記第１の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第１の半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、
前記第２の透明導電膜と前記第２の半導体層との界面領域には第３の荷電可能物質を有し、
前記第３の透明導電膜と前記第２の半導体層との界面領域には第４の荷電可能物質を有し、
前記第１の荷電可能物質および前記第３の荷電可能物質は、負に荷電可能であり、
前記第２の荷電可能物質および前記第４の荷電可能物質は、正に荷電可能である、光電変換装置。
【請求項３３】
前記第１の半導体層は、完全空乏化している、請求項３２に記載の光電変換装置。
【請求項３４】
前記第２の半導体層は、完全空乏化している、請求項３２または３３に記載の光電変換装置。
【請求項３５】
前記第１の荷電可能物質および前記第３の荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含み、
前記第２の荷電可能物質および前記第４の荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含む、請求項３２〜３４のいずれかに記載の光電変換装置。
【請求項３６】
前記第２の荷電可能物質および前記第４の荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含み、
前記第１の荷電可能物質および前記第３の荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含む、請求項３２〜３４のいずれかに記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関し、特に、光電変換効率などの特性に優れた光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば特公昭６３−４８１９７号公報（以下、「特許文献１」と記す）には、ｎ型アモルファスシリコン層、ｉ型アモルファスシリコン層およびｐ型アモルファスシリコン層がこの順序で積層された単位セルが複数積層されたタンデム構造の光起電力素子が開示されている（たとえば、特許文献１の第２図および第６欄第９〜１７行目等）。
【０００３】
特許文献１の光起電力素子は、最下部に導電性基板を備えるとともに、最上部に透明導電膜を備える。そして、光の照射によって生じたキャリアは導電性基板および透明導電膜からそれぞれ取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭６３−４８１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の光起電力素子は、短波長の光が最上部のｐ型アモルファスシリコン層で吸収されるため、光起電力素子の短波長の光の光電変換効率が低くなるという問題があった。
【０００６】
最上部のｐ型アモルファスシリコン層で吸収される短波長の光の量を低減して光起電力素子の変換効率を向上させる観点からは、最上部のｐ型アモルファスシリコン層の厚さを薄く形成する必要がある。
【０００７】
しかしながら、大面積の基板上にたとえば１０ｎｍ以下といった薄さのｐ型アモルファスシリコン層を均一に形成するのは非常に困難であった。
【０００８】
また、アモルファスシリコンでは、ドナーおよびアクセプタの活性化率が低いため、活性化していないドナー不純物、活性化していないアクセプタ不純物またはそれらの周辺に形成されるダングリングボンド等が再結合中心として機能するため、ｎ型層およびｐ型層においてキャリア再結合が起こりやすいという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、光電変換効率などの特性に優れた光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光電変換装置は、透明導電膜と、該透明導電膜上に形成された半導体層とを備え、透明導電膜と半導体層との境界領域には、荷電可能物質を有することを特徴とする。
【００１１】
透明導電膜と半導体層との境界領域には、荷電可能物質からなる荷電可能物質層を有することが好ましい。
【００１２】
荷電可能物質は、半導体層の伝導帯下端から真空準位までのエネルギー高さよりも小さいイオン化ポテンシャルまたは仕事関数を有する材料からなることが好ましい。
【００１３】
荷電可能物質は、半導体層の価電子帯上端から真空準位までのエネルギー高さよりも大きい電子親和力または仕事関数を持つ材料からなることが好ましい。
【００１４】
荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。
【００１５】
荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。
【００１６】
半導体層は、完全空乏化していることが好ましい。
半導体層上には導電膜を備え、導電膜のフェルミ準位は、半導体層のバンドギャップ中央よりも半導体層の価電子帯上端側に位置し、荷電可能物質は、正に荷電可能であることが好ましい。
【００１７】
荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。
【００１８】
導電膜は、ＰｔまたはＡｌのいずれか一方もしくは両方を主成分として含む材料からなることが好ましい。
【００１９】
導電膜は、３ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料からなることが好ましい。
半導体層は、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウムからなり、導電膜は、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化錫、ならびに、Ｆ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化錫、ならびに、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化亜鉛、およびＬｉを含む酸化ニッケルからなる群より選択される１種以上からなることが好ましい。
【００２０】
半導体層上には導電膜を備え、導電膜のフェルミ準位は、半導体層のバンドギャップ中央よりも半導体層の伝導帯下端側に位置し、荷電可能物質は、負に荷電可能であることが好ましい。
【００２１】
荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。
【００２２】
導電膜は、３ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料からなることが好ましい。
半導体層は、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウムからなり、導電膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、およびＭｇからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化亜鉛、ならびにＲｈを含む酸化亜鉛からなる群より選択される１種以上からなることが好ましい。
【００２３】
第１の透明導電膜と、該第１の透明導電膜上に設けられた半導体層と、該半導体層上に設けられた第２の透明導電膜とを備え、第１の透明導電膜と半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、第１の荷電可能物質および第２の荷電可能物質のうちの一方は、正に荷電可能であり、第１の荷電可能物質および第２の荷電可能物質のうちの他方は、負に荷電可能であることが好ましい。
【００２４】
第１の荷電可能物質および第２の荷電可能物質のうちの一方は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含み、第１の荷電可能物質および第２の荷電可能物質のうちの他方は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。
【００２５】
半導体層は、完全空乏化していることが好ましい。
第１の透明導電膜と第２の透明導電膜とは、同一材料からなることが好ましい。
【００２６】
本発明の光電変換装置は、第１の透明導電膜と、該第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、該第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、第１の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第２の半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、第１の荷電可能物質および第２の荷電可能物質はいずれも、正に荷電可能であり、第２の透明導電膜のフェルミ準位は、第１の半導体層のバンドギャップ中央よりも第１の半導体層の価電子帯上端側に位置することを特徴とする。
【００２７】
本発明の光電変換装置は、第１の透明導電膜と、該第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、該第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、第２の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、該第１の荷電可能物質は、正に荷電可能であり、第１の透明導電膜のフェルミ準位は、第１の半導体層のバンドギャップ中央よりも第１の半導体層の価電子帯上端側に位置し、第２の透明導電膜のフェルミ準位は、第２の半導体層のバンドギャップ中央よりも第２の半導体層の価電子帯上端側に位置することを特徴とする。
【００２８】
本発明の光電変換装置は、第１の透明導電膜と、該第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、該第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、第１の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第２の半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、第１の荷電可能物質および第２の荷電可能物質はいずれも、負に荷電可能であり、第２の透明導電膜のフェルミ準位は、第１の半導体層のバンドギャップ中央よりも第１の半導体層の伝導帯下端側に位置することを特徴とする。
【００２９】
本発明の光電変換装置は、第１の透明導電膜と、該第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、該第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、第２の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、該第１の荷電可能物質は、負に荷電可能であり、第１の透明導電膜のフェルミ準位は、第１の半導体層のバンドギャップ中央よりも第１の半導体層の伝導帯下端側に位置し、第２の透明導電膜のフェルミ準位は、第２の半導体層のバンドギャップ中央よりも第２の半導体層の伝導帯下端側に位置することを特徴とする。
【００３０】
本発明の光電変換装置は、第１の透明導電膜と、該第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、該第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、第１の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域に第１の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域に第２の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第２の半導体層との界面領域に第３の荷電可能物質を有し、第１の荷電可能物質および第３の荷電可能物質はいずれも、正に荷電可能であり、第２の荷電可能物質は、負に荷電可能であることを特徴とする。
【００３１】
本発明の光電変換装置は、第１の透明導電膜と、該第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、該第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層とを備え、第１の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域に第１の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域に第２の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第２の半導体層との界面領域に第３の荷電可能物質を有し、第１の荷電可能物質および第３の荷電可能物質はいずれも、負に荷電可能であり、第２の荷電可能物質は、正に荷電可能であることを特徴とする。
【００３２】
第１の半導体層および第２の半導体層は、完全空乏化していることが好ましい。
本発明の光電変換装置は、第１の透明導電膜と、該第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、該第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層と、該第２の半導体層上に設けられた第３の透明導電膜とを備え、第１の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第２の半導体層との界面領域には第３の荷電可能物質を有し、第３の透明導電膜と第２の半導体層との界面領域には第４の荷電可能物質を有し、第１の荷電可能物質および第３の荷電可能物質は、正に荷電可能であり、第２の荷電可能物質および第４の荷電可能物質は、負に荷電可能であることを特徴とする。
【００３３】
本発明の光電変換装置は、第１の透明導電膜と、該第１の透明導電膜上に設けられた第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられた第２の透明導電膜と、該第２の透明導電膜上に設けられた第２の半導体層と、該第２の半導体層上に設けられた第３の透明導電膜とを備え、第１の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域には第１の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第１の半導体層との界面領域には第２の荷電可能物質を有し、第２の透明導電膜と第２の半導体層との界面領域には第３の荷電可能物質を有し、第３の透明導電膜と第２の半導体層との界面領域には第４の荷電可能物質を有し、第１の荷電可能物質および第３の荷電可能物質は、負に荷電可能であり、第２の荷電可能物質および第４の荷電可能物質は、正に荷電可能であることを特徴とする。
【００３４】
第１の荷電可能物質および第３の荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含み、第２の荷電可能物質および第４の荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。
【００３５】
第２の荷電可能物質および第４の荷電可能物質は、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含み、第１の荷電可能物質および第３の荷電可能物質は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、光電変換効率に優れた光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施の形態の光電変換装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】（ａ）は、半導体層と透明導電膜との間に荷電可能物質を含むときのエネルギーバンド図であり、（ｂ）は、半導体層と透明導電膜との間に荷電可能物質を含まないときのエネルギーバンド図である。
【図３】荷電可能物質の密度に対する透明導電膜の実効的な仕事関数を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、電荷移動が起こる前の透明導電膜と半導体層との境界領域におけるエネルギーバンドの模式図であり、（ｂ）は、電荷移動が起こった後の透明導電膜と半導体層との境界領域におけるエネルギーバンドの模式図である。
【図５】半導体層と、半導体層の伝導帯下端から真空準位までのエネルギー高さに等しい実効的な仕事関数を持つ透明導電膜との境界領域におけるエネルギーバンドの模式図である。
【図６】本実施の形態の光電変換装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図７】本実施の形態の光電変換装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図８】本実施の形態の光電変換装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図９】（ａ）は、光電変換装置に光を照射していないときのエネルギーバンドの模式図の一例であり、（ｂ）は、光電変換装置に光を照射したときのエネルギーバンドの模式図の一例である。
【図１０】光電変換装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図１１】（ａ）は、光電変換装置に光を照射していないときのエネルギーバンドの模式図の一例であり、（ｂ）は、光電変換装置に光を照射したときのエネルギーバンドの模式図の一例である。
【図１２】本実施の形態の光電変換装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図１３】本実施の形態の光電変換装置の一例を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００３９】
＜実施の形態１＞
図１に、本実施の形態の光電変換装置の模式的な断面図を示す。本実施の形態の光電変換装置は、図１に示されるように、透明導電膜１１と、該透明導電膜１１上に形成された半導体層１２と、透明導電膜１１と半導体層１２との境界領域には、荷電可能物質１３を有し、かかる荷電可能物質１３は正に荷電可能であることを特徴とする。そして、半導体層１２の裏面には、導電膜１４が設けられる。ここで、荷電可能物質１３は、図１に示されるように、荷電可能物質層として層状に含まれていてもよいし、厚さが１原子層にも満たない程度、または原子が点在する程度に含まれていてもよい。
【００４０】
従来の光電変換装置は、半導体層の表裏のうちの光入射側に高濃度不純物層が形成されていた。かかる高濃度不純物層は、ドナー不純物またはアクセプタ不純物を高濃度にドーピングしたものであるが、ドナー不純物またはアクセプタ不純物に起因する結晶欠陥での光キャリアの対消滅が起こること、ドナー不純物またはアクセプタ不純物が光吸収すること等が原因となり、光電変換装置の光電変換効率が低下するという問題があった。このような問題は、特に、高濃度不純物層の材料としてアモルファスシリコン、アモルファス炭化シリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン等のアモルファス半導体を用いる場合に顕著となる。
【００４１】
しかしながら、本実施の形態の光電変換装置では、半導体層の表裏のうちの光入射側に高濃度不純物層を形成しないことにより、上述の問題を防ぐことができ、もって光電変換効率を向上することができる。
【００４２】
また、従来の光電変換装置では、製造プロセス中の熱処理等によって、高濃度不純物層中のドナー不純物またはアクセプタ不純物が半導体層中に拡散し、キャリア再結合中心となることにより、光電変換効率が低下していた。一方、本実施の形態の光電変換装置は、半導体層の表裏に高濃度不純物層を形成しないことにより、ドナー不純物またはアクセプタ不純物が高濃度不純物層から半導体層へと拡散することがないため、上記の半導体層中でのキャリア再結合を抑制することができ、もって光電変換効率が低下するのを抑制することができる。高濃度不純物層から半導体層へのドナー不純物またはアクセプタ不純物の拡散に起因する光電変換効率の低下は、半導体層を薄膜化するほど顕著となるが、本実施の形態の光電変換装置では、高濃度不純物層がないため、半導体層を薄膜化して完全に空乏化することができ、もって光電変換効率を向上することができる。
【００４３】
また、従来の光電変換装置では、アモルファスシリコン、アモルファス炭化シリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコン等のアモルファス半導体は、ドナー不純物およびアクセプタ不純物の活性化率が低いことに起因して、高濃度不純物層におけるフェルミ準位が伝導帯下端または価電子帯上端から数百ｍｅＶ程度バンドギャップ中央側に離れてしまうことにより、開放端電圧が理想的開放端電圧（半導体層のバンドギャップ）と比べて小さくなり、もって光電変換効率が低下するという問題があった。
【００４４】
一方、本実施の形態の光電変換装置は、透明導電膜と半導体層との間に荷電可能物質を有することにより、透明導電膜のフェルミ準位と半導体層の伝導帯下端とをほぼ一致させることをもって、開放端電圧を大きくし、光電変換効率を向上することができる。
【００４５】
本実施の形態の光電変換装置において、図１に示されるように、透明導電膜１１と半導体層１２との間に、正の荷電状態をとる荷電可能物質１３を含むことにより、透明導電膜１１と半導体層１２との間に形成されるショットキー障壁の高さと幅を変調することができ、もって電子に対するショットキー障壁高さを実効的に小さくすることができる。
【００４６】
このとき、透明導電膜１１の実効的な仕事関数は、半導体層１２の伝導帯下端から真空準位までのエネルギー高さと、電子に対する実効的なショットキー障壁高さとの和であるため、透明導電膜１１の実効的な仕事関数が小さくなったとみなすことができる。これにより半導体層１２には、電子が透明導電膜１１側に動き、正孔が導電膜１４側に動くようにポテンシャル勾配が形成される。このポテンシャル勾配により半導体層１２から透明導電膜１１に電子を移動させることができ、もって光電変換効率を高めることができる。
【００４７】
ここで、「電子に対する実効的なショットキー障壁高さ」φBｎ（ｅＶ）とは、透明導電膜から半導体層へと流れる電子のエネルギー障壁高さであり、透明導電膜から半導体層へと流れる電子電流密度Ｊ（Ａ／ｃｍ2）との間には、次式が成り立つ。ここで、Ｔ：温度（Ｋ）、ｋＢ：ボルツマン定数（Ｊ／Ｋ）、ｑ：電気素量（Ｃ）、Ａ：定数（Ａ・ｃｍ-2・Ｋ-2）である。
【００４８】
【数１】
2011199135.tif 000003
【００４９】
荷電可能物質の有無による半導体層１２のポテンシャル勾配の変化を、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ）は、半導体層と透明導電膜との間に荷電可能物質を含むときのエネルギーバンド図であり、図２（ｂ）は、半導体層と透明導電膜との間に荷電可能物質を含まないときのエネルギーバンド図である。そして、図２中のＥｃは伝導帯下端のエネルギー、Ｅｖは価電子帯上端のエネルギー、ＥＦはフェルミ準位をそれぞれ示している。図２においては、透明導電膜として酸化インジウム錫を用い、半導体層にｐ型シリコンを用いた場合を示している。
【００５０】
透明導電膜１１と半導体層１２との境界領域に荷電可能物質１３が含まれることにより、透明導電膜１１の実効的な仕事関数を小さくすることができる。このため、図２（ａ）に示されるように、半導体層１２から透明導電膜１１にかけてポテンシャル勾配が形成される。そして、このポテンシャル勾配により半導体層１２から透明導電膜１１に電子を移動させやすく、光電変換効率を高めることができる。
【００５１】
一方、透明導電膜１１と半導体層１２との境界領域に、荷電可能物質１３を含まない場合、透明導電膜１１の仕事関数は、半導体層１２の価電子帯上端から０．１ｅＶから０．３ｅＶ程度バンドギャップ中央側に位置する。このため、図２（ｂ）に示されるように、半導体層に形成されるポテンシャル勾配は緩やかになる。半導体層１２のポテンシャル勾配が緩やかであることにより、半導体層１２から透明導電膜１１に電子が移動しにくく、光電変換装置の光電変換効率が低下することになる。
【００５２】
（荷電可能物質）
本実施の形態における荷電可能物質１３は、正に荷電可能であるものを用い、たとえばＣｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含むものを用いることができる。これらの元素を酸化物等の化合物として含有してもよい。このような荷電可能物質１３は、イオン化ポテンシャルまたは仕事関数が小さいことにより、正に荷電しやすく、透明導電膜１１の実効的な仕事関数を小さくすることができる。上記で挙げた組成の中でも、そのイオン化ポテンシャルが全元素の中で最小であるという観点と、イオン半径が十分に大きいため、半導体層中や透明導電膜中で可動イオンとなりにくいという観点から、Ｃｓを用いることがより好ましい。
【００５３】
荷電可能物質１３としては、イオン化ポテンシャルまたは仕事関数が半導体層の伝導帯下端から真空準位までのエネルギー高さよりも小さい材料を用いることが好ましい。この場合、荷電可能物質１３のエネルギー準位は、半導体層の伝導帯下端よりも高エネルギー側に位置するため、荷電可能物質１３は半導体層に容易に電子を放出することができる。このように荷電可能物質１３が効率的に正に荷電することにより、透明導電膜の実効的な仕事関数を十分に小さくし、透明導電膜のフェルミ準位を半導体層の伝導帯下端にほぼ一致させることができる。
【００５４】
半導体層としてＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等のように伝導帯下端から真空準位までのエネルギー高さが３．９ｅＶより大きい材料を用いる場合、荷電可能物質１３として、イオン化ポテンシャルが３．８９ｅＶのＣｓを用いることにより、荷電可能物質１３のエネルギー準位を半導体層の伝導帯下端よりも高エネルギー側に位置させることができる。イオン化ポテンシャルまたは仕事関数が半導体層の伝導帯下端から真空準位までのエネルギー高さよりも小さい材料として、Ｃｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される１種以上の元素を含むものを用いることができる。
【００５５】
このような荷電可能物質１３は、たとえば半導体層１２の表面に蒸着することが好ましい。これにより透明導電膜１１の仕事関数を制御することができる。半導体層１２上に形成される荷電可能物質１３の面密度は、１×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下であることが好ましい。１×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満であると、透明導電膜１１の実効的な仕事関数を小さくすることができず、１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を超えると、荷電可能物質１３が光を反射することにより、光電変換効率が低下する。なお、荷電可能物質１３を半導体層上に形成する方法としては、蒸着以外の方法であってもよく、たとえば荷電可能物質を含む溶液を半導体層の表面に塗布してもよい。
【００５６】
なお、半導体層１２上に形成する荷電可能物質１３の密度は、ラザフォード後方散乱分析（ＲＢＳ：Rutherford Backscattering Spectrometry）法により測定した値を採用するものとする。
【００５７】
（半導体層）
本実施の形態において、半導体層１２は、光電変換を行なうために設けられるものである。このような半導体層１２は完全空乏化していることが好ましい。半導体層１２が完全空乏化していることにより、半導体層１２の厚さ方向の全域に電界を生じせしめることができる。そして、この電界が光により生じるキャリアを加速するため、半導体層１２にキャリアが滞在する時間を短くすることができ、もってキャリアの再結合を生じにくくし、光電変換装置の光電変換効率を向上することができる。
【００５８】
半導体層１２に用いられる材料としては、太陽光の電力への変換のしやすさの観点から、シリコン、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムインジウムガリウム、炭化シリコン、カドミウムテルル、ガリウム砒素、インジウムリン、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム等を挙げることができる。なお、これらの材料の状態は、単結晶、多結晶、アモルファス等のいずれの結晶状態であってもよい。すなわちたとえばシリコンは、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）等のいずれの状態であってもよい。
【００５９】
（透明導電膜）
本実施の形態において、透明導電膜１１は、外光を採光できる程度の透明性を有し、かつ導電性を有することが好ましい。このような透明導電膜１１に用いられる材料としては、バンドギャップが３．２ｅＶ以上であって、かつ抵抗率が１×１０-3Ωｃｍ以下のものを用いることが好ましい。
【００６０】
このような条件を満たす透明導電膜１１としては、酸化インジウム、酸化錫、酸化インジウム錫、酸化亜鉛、ならびにＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、およびＭｇからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化亜鉛、Ｒｈを含む酸化亜鉛からなる群より選択される１種以上からなる、またはＲｈからなる群より選択させる１種以上の元素または該元素の酸化物のうちの１種以上を含む酸化亜鉛、ならびにＡｓ、Ｓｂ、およびＦからなる群より選択される元素または該元素の酸化物を１種以上含む酸化スズ、ならびに窒素含有酸化亜鉛、リチウム含有酸化ニッケル、ならびに酸化リチウム含有酸化ニッケルからなる群より選択される１種以上からなるものを用いることができる。
【００６１】
また、透明導電膜１１の膜厚は、シート抵抗および透過率を良好に保つという観点から、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。透明導電膜１１の膜厚が５０ｎｍ未満であると、シート抵抗が大きくなるため好ましくない。一方、透明導電膜１１の膜厚が５００ｎｍを超えると、透明導電膜１１の透過率が低下することとなるため好ましくない。
【００６２】
（荷電可能物質の濃度と透明導電膜の実効的な仕事関数との関係）
ここで、荷電可能物質の密度と、透明導電膜の実効的な仕事関数との関係を明らかにすべく、荷電可能物質の密度を変更したときの透明導電膜の実効的な仕事関数の変化を調べた。具体的には、半導体層としてシリコン基板を用い、該シリコン基板の表面にそれぞれ、３．８×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、１．１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、４．０×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、７．９×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、１．４×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2、３．２×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の密度でセシウムを蒸着した。
【００６３】
次に、上記の密度で荷電可能物質を形成したｐ型シリコン基板上にスパッタリング法を用いて１００ｎｍの酸化インジウム錫からなる透明導電膜を形成した。一方、ｐ型シリコン基板の裏面に、アルミニウムからなる導電膜を蒸着することにより試料を作製した。ｎ型シリコン基板にも同様の試料を作製した。上記のように作製した試料について、透明導電膜−導電膜間の電流−電圧特性を、２００Ｋ〜３４０Ｋの範囲で測定した。ここで、逆バイアス電流について、次式が成り立つ。
【００６４】
【数２】
2011199135.tif 000004
【００６５】
（式２）中、Ｉ：逆バイアス電流（Ａ）、Ｔ：温度（Ｋ）、φB：実効的なショットキー障壁高さ（ｅＶ）、ｋB：ボルツマン定数（Ｊ／Ｋ）、ｑ：電気素量（Ｃ）、Ａ’：定数（Ａ／Ｋ2）である。（式２）より、各々の逆バイアス電圧において、ｌｎ（｜Ｉ／Ｔ2｜）−（ｑ／ｋBＴ）プロットの傾きに基づいて、φBを求めることができる。さらに、φBを電圧Ｖに対してプロットし、Ｖ＝０（Ｖ）へ外挿することにより、Ｖ＝０（Ｖ）での実効的なショットキー障壁高さφB0を求めることができる。
【００６６】
なお、実効的なショットキー障壁高さφB0は、ｎ型シリコン基板を用いた場合は電子に対する実効的なショットキー障壁高さφBn0（酸化インジウム錫のフェルミ準位からシリコンの伝導帯下端までの実効的なエネルギー高さ）であり、ｐ型シリコン基板を用いた場合は正孔に対するショットキー障壁高さφBp0（シリコンの価電子帯上端から酸化インジウム錫のフェルミ準位までの実効的なエネルギー高さ）である。
【００６７】
シリコンの伝導帯下端から真空準位までの差は４．０５ｅＶ、シリコンの価電子帯上端から真空準位までの差は５．１７ｅＶであるので、求めたφB0を用いることにより、透明導電膜１１の実効的な仕事関数（酸化インジウム錫のフェルミ準位から真空準位までの実効的なエネルギー高さ）＝４．０５＋φBn0＝５．１７−φBp0を得ることができる。
【００６８】
図３は、基板としてシリコンを用いた場合の、セシウムの面密度（ｃｍ-2）に対する透明導電膜の実効的な仕事関数の値を示すグラフである。図３の縦軸は、酸化インジウム錫の実効的な仕事関数を示しており、横軸はセシウムの面密度（ｃｍ-2）を示している。図３に示されるように、セシウムの密度を３．８×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2から３．２×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2まで増加させることにより、酸化インジウム錫の実効的な仕事関数は４．８ｅＶから４．１ｅＶまで減少し、酸化インジウム錫のフェルミ準位はシリコンの伝導帯下端にほぼ一致した。図３の結果から、荷電可能物質の密度を高めることにより、透明導電膜の仕事関数を実効的に小さくできることがわかる。なお、セシウムの密度をさらに高めることにより、酸化インジウム錫の実効的な仕事関数はさらに小さくなるものと考えられる。
【００６９】
図４（ａ）は、電荷移動が起こる前の透明導電膜と半導体層との境界領域におけるエネルギーバンドの模式図であり、図４（ｂ）は、電荷移動が起こった後の透明導電膜と半導体層との境界領域におけるエネルギーバンドの模式図である。なお、図４（ａ）および（ｂ）では、荷電可能物質１３の厚みを極端に大きく描いており、破線は荷電可能物質１３の存在領域をわかりやすく示すための補助線である。
【００７０】
図４（ａ）に示されるように、酸化インジウム錫からなる透明導電膜とシリコンからなる半導体層との界面において、セシウムからなる荷電可能物質は、半導体層の伝導帯下端付近に位置する不純物準位を形成する。かかる不純物準位は、半導体層の伝導帯下端および透明導電膜のフェルミ準位よりも上に位置するため、荷電可能物質から半導体層または透明導電膜に電子が放出されることにより、荷電可能物質が正の荷電状態となる。
【００７１】
このように荷電可能物質が正の荷電状態となることにより、図４（ｂ）に示すようなエネルギーバンドの模式図となる。図４（ｂ）のエネルギーバンドの模式図では、図４（ａ）のエネルギーバンドの模式図に比して、透明導電膜の仕事関数が実効的に小さくなり、透明導電膜のフェルミ準位は半導体層の価電子帯上端側から伝導帯下端側へ移動している。
【００７２】
図５は、半導体層と、半導体層の伝導帯下端から真空準位までのエネルギー高さに等しい実効的な仕事関数を持つ透明導電膜との境界領域におけるエネルギーバンドの模式図である。荷電可能物質の厚みが十分に薄い場合、図４（ｂ）のエネルギーバンドの模式図は実質的に図５に示すエネルギーバンドの模式図と同じである。すなわち、荷電可能物質が正の荷電状態をとることにより、透明導電膜の仕事関数は実効的に小さくなり、透明導電膜のフェルミ準位を半導体層の伝導帯下端と一致させることができる。
【００７３】
（導電膜）
導電膜１４のフェルミ準位は、半導体層１２のバンドギャップ中央よりも半導体層１２の価電子帯上端側に位置することが好ましく、半導体層１２の価電子帯上端にほぼ一致することがより好ましい。このような導電膜１４に用いられる材料としては、ＡｌまたはＰｔのいずれか一方もしくは両方を主成分として含む材料を挙げることができる。このような導電膜１４により半導体層１２から透明導電膜１１にかけてポテンシャル勾配が形成される。このポテンシャル勾配により半導体層１２から透明導電膜１１に正孔を移動させやすくなり、光電変換効率を高めることができる。このような材料は、反射率の高い金属であるため、半導体層１２を通過した光が導電膜１４で反射して、再び半導体層１２に入射させることができ、もって光電変換効率を向上することができる。
【００７４】
半導体層１２と導電膜１４とが接する領域に、高濃度ｐ型層からなる背面電界（ＢＳＦ：Back Surface Field）層を設けてもよい。このようにＢＳＦ層を設けることにより、半導体層１２に生じるポテンシャル勾配を大きくすることができ、もって光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。
【００７５】
なお、導電膜１４として白金または白金を含む材料を用いる場合、半導体層１２と導電膜１４との間にＢＳＦ層を形成しなくても、光電変換効率を低下しにくい。そして、ＢＳＦ層を設けないことにより、ＢＳＦ層から半導体層１２にアクセプタ不純物が拡散することがないため、半導体層１２を容易に薄膜化することができる。これにより光電変換効率を高めるとともに、半導体層１２のコストを削減することができる。
【００７６】
導電膜１４に用いられる材料としては、３ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料を用いてもよい。３ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料は、約４００ｎｍ以上の波長の光に対して透明であるため、５００ｎｍ近傍がピーク位置である太陽光のスペクトルの光を透過させやすくすることができ、もって光電変換効率を高めることができる。すなわち、太陽光が導電膜５４側から入射したときに、光が導電膜５４を透過して、半導体層で吸収されるようにすることができる。このような材料としては、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化錫、ならびに、Ｆ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化錫、ならびに、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化亜鉛、Ｌｉ含有酸化ニッケルからなる群より選択される１種以上を挙げることができる。
【００７７】
導電膜１４がこのような材料であることにより、導電膜１４のフェルミ準位が半導体層１２のバンドギャップ中央よりも半導体層１２の価電子帯上端側に位置し、半導体層１２から導電膜１４に正孔が移動しやすくなる方向にポテンシャル勾配を形成することができる。しかも、導電膜１４が透明性を有するため、光電変換装置の表裏の両面から採光することができ、もって光電変換効率を高めることができる。
【００７８】
また、上記のような導電膜１４の材料の中でも、酸化錫、ならびに、Ｆ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、およびＳｂからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化錫、ならびにＬｉ含有酸化ニッケル等を用いることが好ましい。このような材料を用いることにより、導電膜１４のフェルミ準位を半導体層１２の価電子帯上端とほぼ一致させることができ、もって光電変換効率を向上させることができる。
【００７９】
なお、導電膜１４と半導体層１２との間に負に荷電可能な荷電可能物質を含む場合、荷電可能物質により、導電膜１４のフェルミ準位が半導体層１２のバンドギャップ中央よりも半導体層１２の価電子帯上端側に位置するように、さらには半導体層１２の価電子帯上端とほぼ一致するように、導電膜１４の実効的な仕事関数を変化させることができるため、導電膜１４の材料は特に限定されることなく、いかなる組成のものを用いてもよい。
【００８０】
（製造方法）
以下、本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例を説明する。まず、半導体層１２の表面を、たとえば０．１％以上１％以下程度のＨＦ水溶液で洗浄することにより、半導体層１２の表面の自然酸化膜を除去する。次に、洗浄した半導体層１２の表面にたとえば１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下の割合で荷電可能物質１３を蒸着する。かかる蒸着には、たとえば真空蒸着法等を用いることができる。
【００８１】
次に、荷電可能物質１３上にたとえば膜厚１００ｎｍの透明導電膜１１を堆積する。透明導電膜１１はスパッタリング法等により形成することが好ましい。そして、半導体層１２の裏面に、導電膜１４を形成することにより、本実施の形態の光電変換装置を作製する。
【００８２】
＜実施の形態２＞
図６に、本実施の形態の光電変換装置の模式的な断面図を示す。本実施の形態の光電変換装置は、図５に示されるように、透明導電膜５１と、該透明導電膜５１上に形成された半導体層５２と、透明導電膜５１と半導体層５２との境界領域には、荷電可能物質５３を含み、当該荷電可能物質５３は負に荷電可能であることを特徴とする。そして、半導体層５２の表裏のうちの荷電可能物質５３を形成した面とは反対側に導電膜５４を備え、導電膜５４のフェルミ準位は、半導体層５２のバンドギャップ中央よりも半導体層５２の伝導帯下端側に位置することを特徴とする。
【００８３】
このように透明導電膜５１と半導体層５２との境界領域に含まれる荷電可能物質５３が負に荷電可能であることにより、透明導電膜５１の仕事関数が実効的に大きくなり、透明導電膜５１のフェルミ準位が半導体層５２の価電子帯上端付近に位置することとなる。そして、透明導電膜５１のフェルミ準位を価電子帯上端付近にすることにより、半導体層５２中には、正孔が透明導電膜５１側に動き、電子が導電膜５４側に動くように半導体層５２のポテンシャル勾配を大きく形成することができ、もって光電変換効率を高めることができる。一方、導電膜５４のフェルミ準位が、半導体層５２の伝導帯下端付近に位置することにより、半導体層５２のポテンシャル勾配が大きくなり、光電変換効率を高めることができる。
【００８４】
本実施の形態において、半導体層５２は、従来の光電変換装置のように高濃度不純物層を含まないことにより、高濃度不純物層から半導体層５２へドナーまたはアクセプタが拡散することがない。このため、半導体層５２中で過剰なドナーまたはアクセプタが混在するという問題が生じずに、半導体層５２の層厚を薄くすることができる。そして、半導体層５２の層厚を薄くすることにより、半導体層５２を完全空乏化させることができる。半導体層５２が完全空乏化していることにより、半導体層５２の厚さ方向の全域に電界を生じせしめることができる。この電界が光により生じるキャリアを加速するため、半導体層５２にキャリアが滞在する時間を短くすることができ、もってキャリアの再結合を生じにくくすることができる。そして、キャリアが再結合しにくいことにより、光電変換装置の光電変換効率を向上することができる。
【００８５】
一方、負に荷電可能な物質としては、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｓｅ、およびＰｔからなる群より選択される１種以上の元素を含むものを用いることができる。このような元素からなる荷電可能物質が形成するエネルギー準位が負の荷電状態をとるため、透明導電膜５１の仕事関数を実効的に大きくすることができる。透明導電膜５１の仕事関数が実効的に大きくなることにより、透明導電膜５１側に電子が移動するように半導体層５２にポテンシャル勾配を形成することができ、もって光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。
【００８６】
負に荷電可能な物質としては、電子親和力または仕事関数が半導体層の価電子帯上端から真空準位までのエネルギー高さよりも大きい材料を用いることがより好ましい。これにより荷電可能物質が形成するエネルギー準位は半導体層の価電子帯上端よりも低エネルギー側に位置するため、荷電可能物質が半導体層から電子を容易に捕獲する。このように荷電可能物質を負に荷電しやすくすることにより、透明導電膜のフェルミ準位が、半導体層のバンドギャップ中央よりも半導体層の価電子帯の上端側に位置するように、透明導電膜の実効的な仕事関数を大きくすることができる。半導体層がＳｉ等の価電子帯上端から真空準位までの差が５．１７ｅＶ以下の材料からなる場合、電子親和力または仕事関数が半導体層の価電子帯上端から真空準位までのエネルギー高さよりも大きい材料として、Ｐｔ、Ｉｒ、およびＳｅからなる群より選択される１種以上の元素を含むものを用いてもよい。
【００８７】
負に荷電可能な物質の密度は、１×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以上１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下であることが好ましい。荷電可能物質の密度が１×１０11ａｔｏｍｓ／ｃｍ2未満であると、透明導電膜１１の仕事関数を十分に高めることができず、荷電可能物質の蒸着量が１×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2を超えると、荷電可能物質が光を反射することにより、光電変換装置の光電変換効率が低下する。
【００８８】
導電膜５４に用いられる材料としては、３ｅＶ以上のバンドギャップを持つ材料を用いることが好ましい。３ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料は、約４００ｎｍ以上の波長の光に対して透明であるため、５００ｎｍ近傍がピーク位置である太陽光のスペクトルの光を透過させやすくすることができ、もって光電変換効率を高めることができる。すなわち、太陽光が導電膜５４側から入射したときに、太陽光が導電膜５４を透過して、半導体層で吸収されるようにすることができる。
【００８９】
このような導電膜５４としては、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、およびＭｇからなる群より選択される１種以上の元素を含む酸化亜鉛、Ｒｈを含む酸化亜鉛のうちの１以上からなることが好ましく、たとえばＡｌＭｇＺｎＯ（Ａｌ：Ｍｇ：Ｚｎの組成比は、たとえば３：１０：８７）を用いることができるが、このような組成比のみに限られるものではない。このような材料を導電膜５４に用いることにより、導電膜５４のフェルミ準位が半導体層５２のバンドギャップ中央よりも半導体層５２の伝導帯下端側に位置するため、半導体層５２から導電膜５４に正孔が移動しやすくなる方向にポテンシャル勾配を形成できる。
【００９０】
しかも、導電膜５４が透明性を有する導電膜となるため、光電変換装置の表裏の両面から採光することができ、もって光電変換装置の光電変換効率を高めることができる。さらに、半導体層５２と導電膜５４とが接する領域に、高濃度ｐ型層からなるＢＳＦ層を設けてもよい。
【００９１】
なお、導電膜５４として、ＡｌＭｇＺｎＯ（Ａｌ：Ｍｇ：Ｚｎの組成比は、たとえば、３：１０：８７）等の、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｕ、およびＴｉからなる群より選択される１種以上の元素とＭｇを含む酸化亜鉛、または、ＺｎＲｈ2Ｏ4等のＲｈを含む酸化亜鉛等を用いることにより、導電膜５４のフェルミ準位を半導体層１２の価電子帯上端にほぼ一致させることができる。これにより、ＢＳＦ層を形成しなくても半導体層中に大きなポテンシャル勾配を形成することができ、もって光電変換効率を向上することができる。
【００９２】
（製造方法）
実施の形態１の光電変換装置に対し、正に荷電可能な物質を用いる代わりに、負に荷電可能な物質を用いることが異なる他は、実施の形態１と同様の方法により、本実施の形態の光電変換装置を作製することができる。
【００９３】
＜実施の形態３＞
図７に、本実施の形態の光電変換装置の模式的な断面図を示す。本実施の形態の光電変換装置は、図７に示されるように、第１の透明導電膜７１と、該第１の透明導電膜７１上に設けられた半導体層７２と、該半導体層７２上に設けられた第２の透明導電膜７４と、第１の透明導電膜７１と半導体層７２との界面領域には第１の荷電可能物質７３を含み、第２の透明導電膜７４と半導体層７２との界面領域には第２の荷電可能物質７５を含み、第１の荷電可能物質７３は正に荷電可能であり、第２の荷電可能物質７５は負に荷電可能であることを特徴とする。
【００９４】
第１の荷電可能物質７３が正の荷電状態をとることにより、第１の透明導電膜７１の実効的な仕事関数が小さくなり、第１の透明導電膜７１のフェルミ準位が半導体層７２の伝導帯下端付近に位置させることができる。一方、第２の荷電可能物質７５が負の荷電状態をとることにより、第２の透明導電膜７４の実効的な仕事関数が大きくなり、第２の透明導電膜７４のフェルミ準位を半導体層７２の価電子帯上端付近に位置させることができる。このように第１の透明導電膜７１の仕事関数を小さくするとともに、第２の透明導電膜７４の仕事関数を大きくすることにより、電子が第１の透明導電膜７１側に動き、正孔が第２の透明導電膜７４側に動くようにポテンシャル勾配が大きくなることをもって、光電変換装置の発電効率を高めることができる。
【００９５】
第１の荷電可能物質７３の組成は、上記で述べた正に荷電可能な物質の組成であることが好ましく、第２の荷電可能物質７５の組成は、上記で述べた負に荷電可能な物質の組成であることが好ましい。
【００９６】
このような材料の第１の荷電可能物質７３および第２の荷電可能物質７５を用いることにより、半導体層７２では、電子が第１の透明導電膜７１側に動き、正孔が第２の透明導電膜７４側に動くようにポテンシャル勾配が形成される。このポテンシャル勾配により半導体層７２から第２の透明導電膜７４に電子を移動させることができ、もって光電変換効率を高めることができる。
【００９７】
本実施の形態において、半導体層７２は、従来の光電変換装置のように高濃度不純物層を含まないため、光電変換を行う半導体層７２中にキャリア再結合を促す過剰なドナーまたはアクセプタが混在するという問題が生じることがない。従って、半導体層７２の層厚を容易に薄くすることができる。そして、半導体層７２の層厚を薄くすることにより、半導体層７２を完全空乏化させることができる。半導体層７２が完全空乏化していることにより、半導体層７２の厚さ方向の全域に電界を生じさせることができる。そして、この電界により光により生じるキャリアが加速されるため、半導体層７２にキャリアが滞在する時間を短くすることができ、もってキャリアの再結合を抑制することができる。キャリアの再結合を抑制することにより、光電変換装置の光電変換効率が低下することを抑制することができる。
【００９８】
ここで、第１の透明導電膜７１と第２の透明導電膜７４とは同一材料からなることが好ましい。これにより光電変換装置を低コストで製造することができる。しかも、たとえば化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical  Vapor  Deposition）法等を用いることにより、第１の透明導電膜７１と第２の透明導電膜７４とを同時形成することもできるため、製造工程数が減り、製造に要するエネルギーを削減するとともに、さらに低コストで製造することができる。
【００９９】
なお、実施の形態３においては、第１の荷電可能物質７３が正に荷電可能であり、第２の荷電可能物質７５が負に荷電可能である場合を説明したが、第１の荷電可能物質７３と第２の荷電可能物質７５との荷電の正負が逆であっても、本発明の範囲を逸脱するものではない。
【０１００】
＜実施の形態４＞
図８に、本実施の形態の光電変換装置の模式的な断面図を示す。本実施の形態の光電変換装置は、図８に示されるように、第１の透明導電膜８１と、該第１の透明導電膜８１上に設けられた第１の半導体層８２と、該第１の半導体層８２上に設けられた第２の透明導電膜８４と、該第２の透明導電膜８４上に設けられた第２の半導体層８５と、第１の透明導電膜８１と第１の半導体層８２との界面領域には第１の荷電可能物質８３を含み、第２の透明導電膜８４と第２の半導体層８５との界面領域には第２の荷電可能物質８６を含み、第１の荷電可能物質８３および第２の荷電可能物質８６はいずれも、正に荷電可能であり、第２の透明導電膜８４のフェルミ準位は、第１の半導体層８２のバンドギャップ中央よりも第１の半導体層８２の価電子帯上端側に位置することを特徴とする。そして、第２の半導体層８５の裏面側には、導電膜８７が形成される。
【０１０１】
第１の荷電可能物質８３が正の荷電状態をとることにより、第１の透明導電膜８１のフェルミ準位は第１の半導体層８２の伝導帯下端付近に位置させることができる。同様に、第２の荷電可能物質８６が正の荷電状態をとることにより、第２の透明導電膜８４のフェルミ準位は第２の半導体層８５の伝導帯下端付近に位置させることができる。
【０１０２】
図９（ａ）は、本実施の形態の光電変換装置に光を照射していないときのエネルギーバンドの模式図であり、図９（ｂ）は、本実施の形態の光電変換装置に光を照射したときのエネルギーバンドの模式図である。ここで、図９（ａ）および（ｂ）のエネルギーバンドの模式図は、本実施の形態の光電変換装置において、第１の透明導電膜８１、第２の透明導電膜８４、および導電膜８７として酸化錫を用い、第１の半導体層８２としてアモルファスシリコンを用い、第２の半導体層８５として微結晶シリコンを用い、第１の荷電可能物質８３および第２の荷電可能物質８６としてセシウムを用いたときのものである。
【０１０３】
第１の荷電可能物質８３が正に荷電することにより、図９（ａ）および（ｂ）に示されるように、第１の透明導電膜８１のフェルミ準位は、第１の半導体層８２の伝導帯下端にほぼ一致し、また、第２の荷電可能物質８６が正に荷電することにより、第２の透明導電膜８４のフェルミ準位は、第２の半導体層８５の伝導帯下端にほぼ一致する。この結果、図９（ａ）および（ｂ）に示されるように、第１の半導体層８２および第２の半導体層８５に形成されるポテンシャル勾配が大きくなり、光電変換効率を高めることができる。
【０１０４】
図９（ａ）および（ｂ）では、第１の荷電可能物質８３および第２の荷電可能物質８６により実効的な仕事関数が変化した後の、第１の透明導電膜８１、第２の透明導電膜８４および導電膜８７のフェルミ準位を示しており、第１の荷電可能物質８３と第２の荷電可能物質８６が形成するエネルギー準位については示していない。なお、図８の光電変換装置のような構成の場合、光の入射は第１の透明導電膜８１側から行なうことが好ましい。
【０１０５】
本実施の形態において、第１の半導体層８２および第２の半導体層８５は、従来の光電変換装置のように高濃度不純物層を含まないため、第１の半導体層８２および第２の半導体層８５にキャリア再結合を促す過剰なドナーまたはアクセプタが混在するという問題が生じることなく、半導体層５２の層厚を容易に薄くすることができる。
【０１０６】
そして、第１の半導体層８２および第２の半導体層８５の層厚を薄くすることにより、第１の半導体層８２および第２の半導体層８５を完全空乏化させることができ、もって第１の半導体層８２および第２の半導体層８５の厚さ方向の全域に電界を生じさせることができる。この電界が光により生じるキャリアを加速するため、第１の半導体層８２および第２の半導体層８５にキャリアが滞在する時間を短くすることができ、もってキャリアの再結合を生じにくくすることができる。そして、キャリアが再結合しにくいことにより、光電変換装置の光電変換効率を向上することができる。
【０１０７】
このような第１の半導体層８２および第２の半導体層８５の組成は、どのような組み合わせの組成であってもよいが、光の入射側に近い半導体のバンドギャップが大きくなるように設計することが好ましい。光入射側に位置する方の半導体層のバンドギャップを大きくすることにより、第１の半導体層８２で吸収されなかった光を第２の半導体層８５で吸収することができ、もって光電変換する光の波長領域を広げることができる。
【０１０８】
そして、各半導体層のバンドギャップや膜厚を適切に設計することにより、光電変換装置の発電効率を大きく向上することができる。この場合、積層する２つの光電変換装置の各材料としては、たとえば上側の光電変換装置の半導体層と下側の光電変換装置の半導体層との組み合わせを上側：下側として記載すると、アモルファスシリコン：結晶シリコン、アモルファスシリコン：アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファス炭化シリコン：アモルファスシリコン、アモルファスシリコン：微結晶シリコン等の組み合わせを用いることが好ましい。
【０１０９】
また、第２の透明導電膜８４のバンドギャップは、半導体層８５のバンドギャップより大きいことが好ましい。これにより第２の透明導電膜８４で外光が吸収されることがないので、半導体層８５で外光が吸収されやすくなり、もって光電変換効率を向上することができる。なお、図８は、半導体層を２つ積層した場合を示しているが、同様にして３つ以上の半導体層を積層させたものであってもよい。
【０１１０】
このように透明導電膜と半導体層と荷電可能物質とを交互に積み重ねて、半導体層を３層以上積層させてもよい。これにより、光電変換することができる光の波長領域を広げることができ、もって光電変換効率を高めることができる。半導体層を２層以上積層する場合、従来の光電変換装置では高濃度不純物層の数が増加し、高濃度不純物層での光吸収やキャリア再結合等の光電変換効率の低下要因が顕著となるのに対し、本実施の形態の半導体装置では高濃度不純物層を形成しないため、このような光電変換効率が低下する要因を少なくできる。
【０１１１】
第１の半導体層８２および第２の半導体層８５は、ｐ型、ｎ型およびｉ型のうちのいずれの導電型であってもよいが、第１の透明導電膜側から採光する場合、ｎ型であることが好ましく、導電膜８７側から採光する場合ｐ型であることが好ましい。
【０１１２】
また、導電膜８７として透光性のものを用いることにより、第１の透明導電膜８１側からのみならず導電膜８７側からの面からも採光することができる。このように導電膜８７側からも採光することができる場合、第１の半導体層と第２の半導体層との位置は入れ替えてもよい。
【０１１３】
導電膜８７としては、Ａｌ、Ｐｔ等の金属を用いてもよい。この場合、第１の透明導電膜８１側から採光された光が第２の半導体層８５を通過して、導電膜８７で反射され、第２の半導体層８５および第１の半導体層８２に再入射されることになるため、光電変換装置の発電効率を高めることができる。また、導電膜８７と第２の半導体層８５との間に高濃度のｐ型にドーピングされたＢＳＦ層を設けてもよい。
【０１１４】
一方、フェルミ準位が、第２の半導体層８５のバンドギャップ中央よりも第２の半導体層８５の価電子帯上端側に位置する光透過性の材料を導電膜８７に用いてもよい。この場合、第１の透明導電膜８１側と導電膜８７側の両方から採光することにより、光電変換効率を向上することができる。入射する光の光量が導電膜８７側の方が多い場合、第１の半導体層８２のバンドギャップよりも第２の半導体層８５のバンドギャップを大きくすることにより、光電変換効率を高めることができる。
【０１１５】
導電膜８７側のみから採光する場合、第１の透明導電膜８１の代わりに、Ａｌ、Ｐｔ等の金属を用いてもよい。この場合、導電膜８７側から採光された光が第１の半導体層８２を通過した後に、第１の透明導電膜８１で反射されて、第１の半導体層８２および第２の半導体層８５に再入射される。これにより、光電変換装置の発電効率を高めることができる。この場合には、第１の半導体層８２と第２の半導体層８５との材料を入れ替えてもよい。
【０１１６】
＜実施の形態５＞
図１０に、本実施の形態の光電変換装置の模式的な断面図を示す。本実施の形態の光電変換装置は、図１０に示されるように、実施の形態４の光電変換装置の第１の荷電可能物質および第２の荷電可能物質がいずれも負に荷電可能であることを除いては実施の形態４と同一の構造のものである。ここで、本実施の形態は、正に荷電可能な物質の代わりに負に荷電可能な物質を用いたことが異なる他は、実施の形態４と同様のものである。このため実施の形態４と重複する説明は省略する。
【０１１７】
第１の荷電可能物質１０３が負の荷電状態をとることにより、第１の透明導電膜１０１の実効的な仕事関数が大きくなり、第１の透明導電膜１０１のフェルミ準位を第１の半導体層１０２の価電子帯上端付近に位置させることができる。同様に、第２の荷電可能物質１０６が負の荷電状態をとることにより、第２の透明導電膜１０４のフェルミ準位を第２の半導体層１０５の価電子帯上端付近に位置させることができる。
【０１１８】
第２の透明導電膜１０４のフェルミ準位は、第１の半導体層１０２の伝導帯下端にほぼ一致することが好ましく、導電膜１０７のフェルミ準位は、第２の半導体層１０５の伝導帯下端にほぼ一致することが好ましい。これにより、第２の半導体層１０５中のポテンシャル勾配が大きくなるため、光電変換効率を向上することができる。
【０１１９】
図１１（ａ）は、本実施の形態の光電変換装置に光を照射していないときのエネルギーバンドの模式図であり、図１１（ｂ）は、本実施の形態の光電変換装置に光を照射したときのエネルギーバンドの模式図である。ここで、図１１（ａ）および（ｂ）のエネルギーバンドの模式図は、本実施の形態の光電変換装置において、第１の透明導電膜１０１、第２の透明導電膜１０４、および導電膜１０７として酸化錫を用い、第１の半導体層１０２としてアモルファスシリコンを用い、第２の半導体層１０５として微結晶シリコンを用い、第１の荷電可能物質１０３および第２の荷電可能物質１０６として白金を用いたときのものである。
【０１２０】
本実施の形態のように、第１の荷電可能物質１０３が負に荷電することにより、図１１（ａ）および（ｂ）に示されるように、第１の透明導電膜１０１のフェルミ準位は、第１の半導体層１０２の価電子帯上端にほぼ一致し、また、第２の荷電可能物質１０６が負に荷電することにより、第２の透明導電膜１０４のフェルミ準位は、第２の半導体層１０５の価電子帯上端にほぼ一致する。この結果、図１１（ｂ）に示すように、第１の半導体層１０２および第２の半導体層１０５に形成されるポテンシャル勾配が大きくなり、光電変換効率を高めることができる。
【０１２１】
第１の半導体層１０２および第２の半導体層１０５の組成は、どのような組み合わせであってもよいが、光の入射側に近い半導体のバンドギャップが大きくなるように設計することが好ましい。光入射側に位置する方の半導体層のバンドギャップを大きくすることにより、第１の半導体層１０２で吸収されなかった光を第２の半導体層１０５で吸収することができ、もって光電変換することができる光の波長領域を広げることができる。
【０１２２】
導電膜１０７としては、Ａｌ、Ｐｔ等の金属を用いてもよく、導電膜１０７と第２の半導体層１０５との間に高濃度のｎ型にドーピングされたＢＳＦ層を設けてもよい。この場合、第１の透明導電膜１０１側から採光された光が第２の半導体層１０５を通過して、導電膜１０７で反射され、第２の半導体層１０５および第１の半導体層１０２に再入射されることになるため、光電変換装置の発電効率を高めることができる。
【０１２３】
これに対し、導電膜１０７としては、透明導電材料を用いることが好ましく、フェルミ準位が、第１の半導体層１０２のバンドギャップ中央よりも第１の半導体層１０２の伝導帯下端側に位置するものがより好ましく、さらに好ましくはフェルミ準位が第１の半導体層１０２の伝導帯下端にほぼ一致するものである。この場合、半導体層１０２中のポテンシャル勾配を大きくするとともに、第１の透明導電膜１０１側と導電膜１０７側の両方から採光でき、もって光電変換効率を向上することができる。
【０１２４】
入射する光量が導電膜１０７側の方が多い場合は、第２の半導体層１０５のバンドギャップは第１の半導体層１０２のバンドギャップよりも大きくすることが好ましく、導電膜１０７側からのみ採光する場合は、第１の透明導電膜１０１の代わりに、Ａｌ、Ｐｔ等の金属を用いてもよい。この場合、導電膜１０７側から採光された光が第１の半導体層１０２を通過して、第１の透明導電膜１０１で反射されて、第１の半導体層１０２および第２の半導体層１０５に再入射されることになるため、光電変換装置の発電効率を高めることができる。この場合には、第１の半導体層１０２と第２の半導体層１０５との材料を入れ替えてもよい。
【０１２５】
フェルミ準位が第２の半導体層１０５の伝導帯下端にほぼ一致する透明な導電材料としては、たとえばＡｌＭｇＺｎＯ（Ａｌ：Ｍｇ：Ｚｎの組成比は、たとえば、３：１０：８７）等、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｕ、およびＴｉからなる群より選択される１種以上の元素とＭｇを含む酸化亜鉛、または、ＺｎＲｈ2Ｏ4等のＲｈを含む酸化亜鉛等を用いることができる。この場合、導電膜１０７のフェルミ準位を第２の半導体層１０５の伝導帯下端にほぼ一致させることにより、半導体層中に大きなポテンシャル勾配を形成することができ、さらに光電変換効率を向上することができる。ただし、第１の透明導電膜１０１および導電膜１０７の両方にＡｌ、Ｐｔ等の金属を用いると、光電変換装置が採光することができなくなるため好ましくない。
【０１２６】
＜実施の形態６＞
図１２は、本実施の形態の光電変換装置の模式的な断面図である。本実施の形態の光電変換装置は、図１２に示されるように、第１の透明導電膜１１１と、該第１の透明導電膜１１１上に設けられた第１の半導体層１１２と、該第１の半導体層１１２上に設けられた第２の透明導電膜１１４と、該第２の透明導電膜１１４上に設けられた第２の半導体層１１５とを含み、第１の透明導電膜１１１と第１の半導体層１１２との界面領域に第１の荷電可能物質１１３を有し、第２の透明導電膜１１４と第１の半導体層１１２との界面領域に第２の荷電可能物質１１８を有し、第２の透明導電膜１１４と第２の半導体層１１５との界面領域に第３の荷電可能物質１１６を有し、第１の荷電可能物質１１３および第３の荷電可能物質１１６はいずれも、正に荷電可能であり、第２の荷電可能物質１１８は、負に荷電可能であることを特徴とする。
【０１２７】
そして、第２の半導体層１１５上には導電膜１１７が設けられていることが好ましく、導電膜１１７と第２の半導体層１１５との間には、高濃度ｐ型層からなるＢＳＦ層（図示せず）を設けてもよい。
【０１２８】
このように第１の荷電可能物質１１３が正の荷電状態であり、第２の荷電可能物質１１８が負の荷電状態であることにより、第１の半導体層１１２では、電子が第１の透明導電膜１１１側に動き、正孔が第２の透明導電膜１１４側に動くようにポテンシャル勾配が形成される。このポテンシャル勾配により第１の半導体層１１２から第２の透明導電膜１１４に電子を移動させることができ、もって光電変換効率を高めることができる。
【０１２９】
そして、第１の荷電可能物質１１３および第３の荷電可能物質１１６としては、同一の材料を用いることにより、材料コストを低減でき、低コストで光電変換装置を製造することができる。また、第１の透明導電膜１１１および第２の透明導電膜１１４を同一の材料を用いることによっても、光電変換装置を低コストで製造することができる。
【０１３０】
導電膜１１７と第２の半導体層１１５との間に、高濃度ｐ型層からなるＢＳＦ層を設ける場合、少なくとも第１の半導体層１１２中にドナーまたはアクセプタが拡散することがない。また、高濃度不純物層は、第２の半導体層１１５の表面のうち光入射側ではない面側に形成されるＢＳＦ層のみであるため、高濃度不純物層の影響は、従来技術に比して大きく抑制される。
【０１３１】
第１の荷電可能物質１１３および第３の荷電可能物質１１６の組成は、上記で述べた正に荷電可能な物質の組成であることが好ましく、第２の荷電可能物質１１８の組成は、上記で述べた負に荷電可能な物質の組成であることが好ましい。
【０１３２】
このような材料の第１の荷電可能物質１１３、および第２の荷電可能物質１１８を用いることにより、第１の半導体層１１２では、電子が第１の透明導電膜１１１側に動き、正孔が第２の透明導電膜１１４側に動くようにポテンシャル勾配が形成される。このポテンシャル勾配により第１の半導体層１１２から第２の透明導電膜１１４に電子を移動させることができ、もって光電変換効率を高めることができる。
【０１３３】
また、第１の半導体層１１２および第２の半導体層１１５は、同一の導電型であればｐ型でもｎ型でもｉ型でもよいが、第１の透明導電膜１１１側から採光した光を効率よく光電変換するためには、第１の半導体層１１２および第２の半導体層１１５はｐ型またはｉ型であることが好ましい。
【０１３４】
実施の形態６の光電変換装置において、第１〜第３の荷電可能物質の荷電可能な極性を正負逆にしてもよい。すなわち、第１の荷電可能物質１１３および第３の荷電可能物質１１６が、負に荷電可能であり、第２の荷電可能物質１１８が、正に荷電可能であるものを用いることによっても、本発明の効果を得ることができる。
【０１３５】
＜実施の形態７＞
図１３は、本実施の形態の光電変換装置を示した模式的な断面図である。図１３で示される光電変換装置は、第１の透明導電膜１２１と、該第１の透明導電膜１２１上に設けられた第１の半導体層１２２と、該第１の半導体層１２２上に設けられた第２の透明導電膜１２４と、該第２の透明導電膜１２４上に設けられた第２の半導体層１２５と、該第２の半導体層１２５上に設けられた第３の透明導電膜１２７とを含む構成である。
【０１３６】
そして、第１の透明導電膜１２１と第１の半導体層１２２との界面領域には第１の荷電可能物質１２３を有し、第２の透明導電膜１２４と第１の半導体層１２２との界面領域には第２の荷電可能物質１２８を有し、第２の透明導電膜１２４と第２の半導体層１２５との界面領域には第３の荷電可能物質１２６を有し、第３の透明導電膜１２７と第２の半導体層１２５との界面領域には第４の荷電可能物質１２９を有し、第１の荷電可能物質１２３および第３の荷電可能物質１２６は、正に荷電可能であり、第２の荷電可能物質１２８および第４の荷電可能物質１２９は、負に荷電可能であることを特徴とする。
【０１３７】
このように実施の形態６の導電膜１１７に代えて第３の透明導電膜１２７を形成することにより、光電変換装置の表裏の両面から採光することができ、もって光電変換装置の発電効率を向上することができる。
【０１３８】
また、第１の荷電可能物質１２３および第３の荷電可能物質１２６に同一材料を用い、かつ第２の荷電可能物質１２８および第４の荷電可能物質１２９に同一材料を用いることにより、製造工程を簡便にすることができ、もって光電変換装置の製造コストを低減することができる。同様の観点から、第１の透明導電膜１２１、第２の透明導電膜１２４、および第３の透明導電膜１２７として同一の材料を用いることが好ましい。
【０１３９】
第１の荷電可能物質１２３および第３の荷電可能物質１２６は、上記で述べた正に荷電可能な物質の組成であることが好ましく、第２の荷電可能物質１２８および第４の荷電可能物質１２９は、上記で述べた負に荷電可能な物質の組成であることが好ましい。
【０１４０】
このような材料の第１の荷電可能物質１２３および第２の荷電可能物質１２８を用いることにより、第１の半導体層１２２では、電子が第１の透明導電膜１２１側に動き、正孔が第２の透明導電膜１２４側に動くようにポテンシャル勾配が形成される。このポテンシャル勾配により第１の半導体層１２２から第２の透明導電膜１２４に電子を移動させることができ、もって光電変換効率を高めることができる。
【０１４１】
また、第１の半導体層１２２および第２の半導体層１２５は、同一の導電型であればｐ型でもｎ型でもｉ型でもよいが、第１の透明導電膜１２１側から採光する場合、第１の半導体層１２２および第２の半導体層１２５はｐ型であることが好ましく、第３の透明導電膜１２７から採光する場合、第１の半導体層１２２および第２の半導体層１２５はｎ型であることが好ましい。
【０１４２】
実施の形態５と同様の理由により、第１の半導体層１２２および第２の半導体層１２５は、完全空乏化していることが好ましい。これにより第２の半導体層１２５でもキャリアの再結合を生じにくくすることができ、もって光電変換装置の光電変換効率を向上することができる。ここで、第１の半導体層１２２および第２の半導体層１２５を完全空乏化するための方法としては、たとえば第１の半導体層１２２および第２の半導体層１２５の膜厚を薄膜にすることが好ましい。
【０１４３】
このように半導体層を薄膜化する場合、光電変換装置に入射する光の波長のうちの多くが半導体層に吸収されることなく透過する可能性がある。そこで、本実施の形態では、第１の半導体層１２２および第２の半導体層１２５のように半導体層を複数積層することにより、第１の半導体層１２２で吸収されなかった光を第２の半導体層１２５で吸収することができ、もって光電変換することができる光の波長領域を広げることができる。
【０１４４】
また、このように半導体層を２層以上積層する場合、従来の光電変換装置では高濃度不純物層の数が増加し、高濃度不純物層での光吸収やキャリア再結合等の光電変換効率の低下要因が顕著となるのに対し、本実施の形態の半導体装置では高濃度不純物層を形成しないため、このような光電変換効率低下要因がなく、さらに光電変換効率を高めることができる。
【０１４５】
また、第１の半導体層１２２および第２の半導体層１２５の材料は、同一の材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。異なる材料を用いる場合には、第１の半導体層１２２および第２の半導体層１２５をどのような組み合わせで用いてもよいが、光の入射側に位置する方のバンドギャップが大きくなるように材料選択をすることが好ましい。光の入射側に位置する第１の半導体層１２２のバンドギャップを大きくすることにより、第１の半導体層１２２で吸収されなかった光を第２の半導体層１２５で吸収することができ、もって光電変換することができる光の波長領域を広げることができる。
【０１４６】
ここで、第１の透明導電膜１２１、第２の透明導電膜１２４、および第３の透明導電膜１２７に用いられる材料としては、酸化インジウム、酸化錫、酸化インジウム錫、ならびにＡｓ、Ｓｂ、およびＦからなる群より選択される元素または該元素の酸化物を１種以上含む酸化スズ、ならびに窒素含有酸化亜鉛、リチウム含有酸化ニッケル、ならびに酸化リチウム含有酸化ニッケルからなる群より選択される１種以上からなるものを用いることができる。
【０１４７】
実施の形態７の光電変換装置において、第１〜第４の荷電可能物質の荷電可能な極性を正負逆にする形態であってもよい。すなわち、第１の荷電可能物質１２３および第３の荷電可能物質１２６が、負に荷電可能であり、第２の荷電可能物質１２８および第４の荷電可能物質１２９が、正に荷電可能であるものを用いてもよい。
【０１４８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【０１４９】
本実施例では、実施の形態１の光電変換装置を作製した。すなわち、図１の光電変換装置において、透明導電膜１１として１００ｎｍの厚みの酸化インジウム錫からなる膜を用い、半導体層１２としてｐ型シリコン基板を用い、正に荷電可能物質１３としてセシウムを用い、６．３×１０13ａｔｏｍ／ｃｍ2の面密度のセシウムをｐ型シリコン基板上に形成した。また、導電膜１４としてはアルミニウムを用いた。
【実施例２】
【０１５０】
本実施例では、実施の形態２の光電変換装置を作製した。すなわち、図５の光電変換装置において、透明導電膜５１として１００ｎｍの厚みの酸化インジウム錫からなる膜を形成し、半導体層５２としてｎ型シリコン基板を用い、負に荷電可能物質５３として白金を用いた。３．４×１０13ａｔｏｍ／ｃｍ2の面密度の白金をｎ型シリコン基板上に形成した。また、導電膜１４としてはＡｌＭｇＺｎＯ（Ａｌ：Ｍｇ：Ｚｎ＝３：１０：８７）を用いた。
【実施例３】
【０１５１】
本実施例では、実施の形態３の光電変換装置を作製した。すなわち、図７の光電変換装置において、第１の透明導電膜７１および第２の透明導電膜７４として酸化インジウム錫を用い、半導体層７２としてｐ型シリコン基板を用いた。そして、第１の荷電可能物質７３には正に荷電可能なセシウムを用いて、ｐ型シリコン基板上に６．３×１０13ａｔｏｍ／ｃｍ2の面密度で蒸着し、第２の荷電可能物質７５には負に荷電可能な白金を用いて、ｐ型シリコン基板に対し３．４×１０13ａｔｏｍ／ｃｍ2の面密度で蒸着した。
【実施例４】
【０１５２】
本実施例では、実施の形態４の光電変換装置を作製した。すなわち、図８の光電変換装置において、第１の透明導電膜８１、第２の透明導電膜８４、および導電膜８７として酸化錫を用いるとともに、第１の半導体層８２としてアモルファス炭化シリコンを、第２の半導体層８５としてアモルファスシリコンを用いた。そして、第１の荷電可能物質８３および第２の荷電可能物質８６にはセシウムを用い、第１の半導体層８２に対し、６．３×１０13ａｔｏｍ／ｃｍ2の面密度で第１の荷電可能物質８３であるセシウムを蒸着したとともに、第２の半導体層８５に対し、６．３×１０13ａｔｏｍ／ｃｍ2の面密度で第２の荷電可能物質８６であるセシウムを蒸着した。
【実施例５】
【０１５３】
本実施例では、実施の形態５の光電変換装置を作製した。すなわち、図１０の光電変換装置において、第１の透明導電膜１０１、第２の透明導電膜１０４、および第３の透明導電膜１０７としてＡｌＭｇＺｎＯ（Ａｌ：Ｍｇ：Ｚｎ＝３：１０：８７）を用いた。また、第１の半導体層１０２としてアモルファス炭化シリコンを用いるとともに、第２の半導体層１０５としてアモルファスシリコンを用いた。そして、第１の荷電可能物質１０３および第２の荷電可能物質１０６には白金を用いた。
【実施例６】
【０１５４】
本実施例では、実施の形態６の光電変換装置を作製した。すなわち、図１２の光電変換装置において、第１の透明導電膜１１１、第２の透明導電膜１１４、および導電膜１１７として酸化錫を用いた。そして、第１の半導体層１１２としてアモルファスシリコンを用いるとともに、第２の半導体層１１５として微結晶シリコンを用いた。また、第１の荷電可能物質１１３および第３の荷電可能物質１１６には正に荷電可能なセシウムを用いるとともに、第２の荷電可能物質１１８には負に荷電可能な白金を用いた。
【実施例７】
【０１５５】
本実施例では、実施の形態７の光電変換装置を作製した。すなわち、図１３の光電変換装置において、第１の透明導電膜１２１、第２の透明導電膜１２４、および導電膜１２７として酸化錫を用いた。そして、第１の半導体層１２２としてアモルファスシリコンを用いるとともに、第２の半導体層１２５として微結晶シリコンを用いた。また、第１の荷電可能物質１２３および第３の荷電可能物質１２６には正に荷電可能なセシウムを用いるとともに、第２の荷電可能物質１２８および第４の荷電可能物質１２９には負に荷電可能な白金を用いた。
【０１５６】
上記の各実施例によって作製された光電変換装置は、従来の光電変換装置に比して光電変換効率が高いものであった。
【０１５７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１５８】
本発明の光電変換装置は、たとえば太陽電池などに好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１５９】
１１，５１  透明導電膜、１２，５２，７２  半導体層、１３，５３  荷電可能物質、１４，５４  導電膜、７１，８１，１０１，１１１，１２１  第１の透明導電膜、７３，８３，１０３，１１３，１２３  第１の荷電可能物質、７４，８４，１０４，１１４，１２４  第２の透明導電膜、７５，８６，１０６，１１６，１２６  第２の荷電可能物質、８２，１０２，１１２，１２２  第１の半導体層、８５，１０５  第２の半導体層、８７，１０７，１１７  導電膜、１１５，１２５  第２の半導体層、１１８，１２８  第３の荷電可能物質、１２７  第３の透明導電膜、１２９  第４の荷電可能物質。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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