(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型を有する結晶系半導体と、
前記結晶系半導体の表面上に形成され、水素を含有するとともに、実質的に真性の第１非晶質半導体層と、
前記第１非晶質半導体層の表面上に形成された第２非晶質半導体層と、
前記結晶系半導体と前記第１非晶質半導体層との間に配置され、前記第１非晶質半導体層から前記結晶系半導体に前記水素が拡散するのを抑制する機能を有する水素拡散抑制層とを備え、
前記水素拡散抑制層は、前記結晶系半導体と同じ第１導電型の第３非晶質半導体層を含む、光起電力装置。
【請求項２】
前記第２非晶質半導体層は、前記結晶系半導体と同じ第１導電型である、請求項１に記載の光起電力装置。
【請求項３】
前記結晶系半導体の前記第１非晶質半導体層が形成された側とは反対側の表面上に形成されるとともに、実質的に真性の第４非晶質半導体層と、
前記第４非晶質半導体層の表面上に形成された第５非晶質半導体層とをさらに備え、
前記第２非晶質半導体層は、前記結晶系半導体と同じ第１導電型であり、
前記第５非晶質半導体層は、前記結晶系半導体と異なる第２導電型である、請求項１または２に記載の光起電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電力装置に関し、特に、結晶系半導体上に非晶質半導体層が形成された光起電力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、結晶系半導体上に非晶質半導体層が形成された光起電力装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、ｎ型単結晶シリコン基板（結晶系半導体）の受光面上に、真性の非晶質シリコン層およびｎ型非晶質シリコン層が順次形成されるとともに、ｎ型単結晶シリコン基板の裏面上に、真性の非晶質シリコン層およびｐ型非晶質シリコン層が順次形成された太陽電池素子（光起電力装置）が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２３７４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された太陽電池素子の構造では、明記はされていないものの、通常、真性の非晶質シリコン層には、ｎ型単結晶シリコン基板よりも多くの水素が含有されている。このため、真性の非晶質シリコン層の形成後の、たとえば、電極形成工程やラミネート工程において、約２００℃以上の高温で加熱する際に、真性の非晶質シリコン層からｎ型単結晶シリコン基板に不所望な量の水素が拡散するという不都合がある。また、上記特許文献１に開示された太陽電池素子の構造では、真性の非晶質シリコン層に内蔵電界が生じるとともに、真性の非晶質シリコン層の水素が、その電界によりｎ型単結晶シリコン基板に移動（ドリフト）して拡散する場合がある。以上のように、真性の非晶質シリコン層からｎ型単結晶シリコン基板中に不所望な量の水素が拡散する場合、ｎ型単結晶シリコン基板の非晶質シリコン層近傍の欠陥密度が増加するので、ｎ型単結晶シリコン基板内で光生成したキャリアがｎ型単結晶シリコン基板の非晶質シリコン層近傍で再結合して消失しやすくなる。これにより、太陽電池素子（光起電力装置）の出力が低下するという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、結晶系半導体への不所望な量の水素拡散に起因する出力の低下を抑制することが可能な光起電力装置を提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における光起電力装置は、結晶系半導体と、結晶系半導体の表面上に形成され、水素を含有するとともに、実質的に真性の第１非晶質半導体層と、第１非晶質半導体層の表面上に形成された第２非晶質半導体層と、結晶系半導体と第１非晶質半導体層との間に配置され、第１非晶質半導体層から結晶系半導体に水素が拡散するのを抑制する機能を有する水素拡散抑制層とを備える。なお、本発明における結晶系半導体は、結晶系半導体基板や基板上に形成した薄膜多結晶半導体などを含む広い概念である。また、本発明における非晶質半導体は、微結晶半導体も含む広い概念である。
【０００８】
この一の局面による光起電力装置では、上記のように、結晶系半導体と第１非晶質半導体層との間に配置され、第１非晶質半導体層から結晶系半導体に不所望な量の水素が拡散するのを抑制する機能を有する水素拡散抑制層を備えることによって、結晶系半導体に水素が拡散するのを抑制することができるので、結晶系半導体の第１非晶質半導体層側の界面近傍の欠陥密度が増加するのを抑制することができる。これにより、結晶系半導体内で光生成したキャリア（電子および正孔）が結晶系半導体の第１非晶質半導体層側の界面近傍で再結合して消失するのを抑制することができるので、光起電力装置の出力が低下するのを抑制することができる。
【０００９】
上記構成において、好ましくは、結晶系半導体は、第１導電型であり、第２非晶質半導体層は、結晶系半導体と同じ第１導電型である。
【００１０】
上記構成において、好ましくは、水素拡散抑制層は、第１非晶質半導体層の水素濃度よりも低い水素濃度を有する。
【００１１】
この場合、好ましくは、水素拡散抑制層は、フッ素、酸素、炭素および窒素の少なくともいずれか１つを含有する。
【００１２】
上記構成において、好ましくは、水素拡散抑制層は、実質的に真性の半導体層からなる。
【００１３】
上記構成において、好ましくは、水素拡散抑制層は、結晶系半導体と同じ第１導電型の第３非晶質半導体層を含む。
【００１４】
上記構成において、好ましくは、結晶系半導体の第１非晶質半導体層が形成された側とは反対側の表面上に形成されるとともに、実質的に真性の第４非晶質半導体層と、第４非晶質半導体層の表面上に形成された第５非晶質半導体層とをさらに備え、結晶系半導体は、第１導電型であり、第２非晶質半導体層は、結晶系半導体と同じ第１導電型であり、第５非晶質半導体層は、結晶系半導体と異なる第２導電型である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による光起電力装置の構造を示した断面図である。図２は、図１に示した第１実施形態による光起電力装置の水素濃度プロファイルを示した図である。図３は、比較例による光起電力装置の水素濃度プロファイルを示した図である。まず、図１〜図３を参照して、第１実施形態による光起電力装置の構造について説明する。
【００１７】
第１実施形態による光起電力装置では、図１に示すように、約１Ω・ｃｍの抵抗率を有するとともに、水素処理されたｎ型単結晶シリコン基板１の受光面上に、非晶質シリコン層２、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなる表面電極３、および、銀からなる集電極４が順次形成されている。なお、ｎ型単結晶シリコン基板１は、本発明の「結晶系半導体」の一例である。非晶質シリコン層２は、ｎ型単結晶シリコン基板１の受光面上に形成され、水素を含有するとともに、約０．５ｎｍ〜約２ｎｍの厚みを有する実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層２ａと、ｉ型非晶質シリコン層２ａ上に形成された約３．５ｎｍ〜約８ｎｍの厚みを有する実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層２ｂと、ｉ型非晶質シリコン層２ｂ上に形成され、約２ｎｍ〜約８ｎｍの厚みを有するとともに、リン（Ｐ）がドープされたｎ型非晶質シリコン層２ｃとによって構成されている。なお、ｉ型非晶質シリコン層２ａは、本発明の「水素拡散抑制層」の一例であり、ｉ型非晶質シリコン層２ｂは、本発明の「第１非晶質半導体層」の一例である。また、ｎ型非晶質シリコン層２ｃは、本発明の「第２非晶質半導体層」の一例である。
【００１８】
ここで、第１実施形態では、図２に示すように、光入射側のｉ型非晶質シリコン層２ａは、ｉ型非晶質シリコン層２ｂの水素濃度よりも小さい水素濃度を有するように形成されている。すなわち、第１実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板１は、ｉ型非晶質シリコン層２ｂの水素濃度よりも低い水素濃度を有するｉ型非晶質シリコン層２ａに隣接するように配置されている。これに対して、図３に示した比較例の水素濃度プロファイルは、ｉ型非晶質シリコン層２ａを設けることなくｎ型単結晶シリコン基板１に隣接してｉ型非晶質シリコン層２ｂが設けられている比較例による光起電力装置の水素濃度プロファイルを示している。すなわち、比較例による光起電力装置では、ｎ型単結晶シリコン基板１は、水素濃度の高いｉ型非晶質シリコン層２ｂに直接隣接するように配置されている。図２および図３に示すように、第１実施形態による光起電力装置では、ｉ型非晶質シリコン層２ｂに隣接するようにｎ型単結晶シリコン基板１が配置される比較例（図３参照）による光起電力装置に比べて、ｎ型単結晶シリコン基板１の水素濃度と、ｎ型単結晶シリコン基板１に隣接する層の水素濃度との差を小さくすることが可能となるので、ｎ型単結晶シリコン基板１に隣接する層からｎ型単結晶シリコン基板１に不所望な量の水素が拡散するのを抑制することが可能となる。すなわち、ｉ型非晶質シリコン層２ａは、ｉ型非晶質シリコン層２ｂからｎ型単結晶シリコン基板１に不所望な量の水素が拡散するのを抑制する機能を有する。このように、第１実施形態による光起電力装置では、水素濃度差に起因する不所望な量の水素の拡散を抑制することが可能である。なお、第１実施形態による光起電力装置では、水素濃度差に起因する水素の拡散を抑制することができる一方、電界に起因する水素の移動（ドリフト）による拡散については抑制することができない。
【００１９】
また、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面上には、図１に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面に近い方から順に、非晶質シリコン層５、ＩＴＯからなる裏面電極６、および、銀からなる集電極７が形成されている。非晶質シリコン層５は、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面上に形成された約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有する実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層５ａと、ｉ型非晶質シリコン層５ａの裏面上に形成された約６ｎｍ〜約８０ｎｍの厚みを有するボロン（Ｂ）がドープされたｐ型非晶質シリコン層５ｂとによって構成されている。なお、ｉ型非晶質シリコン層５ａは、本発明の「第４非晶質半導体層」の一例であり、ｐ型非晶質シリコン層５ｂは、本発明の「第５非晶質半導体層」の一例である。そして、ｉ型非晶質シリコン層５ａ、ｐ型非晶質シリコン層５ｂおよび裏面電極６によって、いわゆるＢＳＦ（Ｂａｃｋ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ）構造が構成されている。
【００２０】
図４は、図１に示した第１実施形態による光起電力装置のエネルギーバンドおよび電界領域を示した図である。図５は、比較例による光起電力装置のエネルギーバンドおよび電界領域を示した図である。次に、図２〜図５を参照して、第１実施形態による光起電力装置、および、比較例による光起電力装置の電界領域について説明する。
【００２１】
第１実施形態による光起電力装置では、図２および図４に示すように、ｉ型非晶質シリコン層２ａ、ｉ型非晶質シリコン層２ｂおよびｉ型非晶質シリコン層５ａに電界（内蔵電界）が生じている。また、ｎ型単結晶シリコン基板１に直接隣接するようにｉ型非晶質シリコン層２ｂが配置される比較例による光起電力装置においても、図３および図５に示すように、ｉ型非晶質シリコン層２ｂおよびｉ型非晶質シリコン層５ａに電界が生じている。第１実施形態では、ｉ型非晶質シリコン層２ａによる電界により、ｉ型非晶質シリコン層２ａ中の水素（水素イオン）が、ｎ型単結晶シリコン基板１側に引っ張られて拡散されるとともに、比較例では、ｉ型非晶質シリコン層２ｂによる電界により、ｉ型非晶質シリコン層２ｂ中の水素（水素イオン）が、ｎ型単結晶シリコン基板１側に引っ張られて拡散される。しかし、第１実施形態による光起電力装置では、比較例による光起電力装置と異なり、水素濃度差に起因する不所望な量の水素の拡散を抑制することが可能であるので、ｎ型単結晶シリコン基板１に到達する水素の量を有効に減少させることが可能である。
【００２２】
次に、図１を参照して、第１実施形態による光起電力装置の製造プロセスについて説明する。まず、図１に示すように、約１Ω・ｃｍの抵抗率を有するとともに、洗浄されたｎ型単結晶シリコン基板１を真空チャンバ（図示せず）内に設置した後、約２００℃以下の温度条件下で、ｎ型単結晶シリコン基板１を加熱することによって、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面に付着した水分を極力除去する。これにより、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面に付着した水分中の酸素がシリコンと結合して欠陥になるのが抑制される。
【００２３】
次に、基板温度を約１７０℃に保持した状態で、水素（Ｈ２）ガスを導入するとともに、プラズマ放電を行うことによって、ｎ型単結晶シリコン基板１の上面を水素処理する。これにより、ｎ型単結晶シリコン基板１の上面がクリーニングされるとともに、ｎ型単結晶シリコン基板１の上面近傍に水素原子が吸着される。この吸着した水素原子によって、ｎ型単結晶シリコン基板１の上面の欠陥は終端されて不活性化される。
【００２４】
この後、ＲＦプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ｎ型単結晶シリコン基板１の受光面上に、ｉ型非晶質シリコン層２ａ、ｉ型非晶質シリコン層２ｂおよびｎ型非晶質シリコン層２ｃを順次形成する。このｉ型非晶質シリコン層２ａ、ｉ型非晶質シリコン層２ｂおよびｎ型非晶質シリコン層２ｃの形成条件を以下の表１に示す。
【００２５】
【表１】
0004711851.tif 000002
具体的には、ｎ型単結晶シリコン基板１の受光面上に、基板温度：約１９０℃、シラン（ＳｉＨ４）ガス流量：約４０ｓｃｃｍ、圧力：約２０Ｐａ、ＲＦパワー密度：約５ｍＷ／ｃｍ２〜約１５ｍＷ／ｃｍ２の条件下で、約０．５ｎｍ〜約２ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層２ａを形成する。
【００２６】
また、ｉ型非晶質シリコン層２ａ上に、基板温度：約１７０℃、シラン（ＳｉＨ４）ガス流量：約４０ｓｃｃｍ、圧力：約４０Ｐａ、ＲＦパワー密度：約８．３３ｍＷ／ｃｍ２の条件下で、約３．５ｎｍ〜約８ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層２ｂを形成する。なお、上記したように、ｉ型非晶質シリコン層２ａを形成する際の基板温度および圧力を、ｉ型非晶質シリコン層２ｂを形成する際の基板温度および圧力よりも低く設定することによって、ｉ型非晶質シリコン層２ａの水素濃度を、ｉ型非晶質シリコン層２ｂの水素濃度に比べて、低くすることが可能である。また、ＲＦパワー密度を低く設定することによっても、同様の効果が得られる。
【００２７】
また、ｉ型非晶質シリコン層２ｂ上に、基板温度：約１７０℃、水素（Ｈ２）ガス流量：０ｓｃｃｍ〜約１００ｓｃｃｍ、シラン（ＳｉＨ４）ガス流量：約４０ｓｃｃｍ、ホスフィン（ＰＨ３）／ＳｉＨ４（ＳｉＨ４に対するＰＨ３ガスの濃度：約１％）ガス流量：約４０ｓｃｃｍ、圧力：約４０Ｐａ、ＲＦパワー密度：約８．３３ｍＷ／ｃｍ２の条件下で、約２ｎｍ〜約８ｎｍの厚みを有するリン（Ｐ）がドープされたｎ型非晶質シリコン層２ｃを形成する。
【００２８】
次に、スパッタリング法を用いて、ｎ型非晶質シリコン層２ｃ上に、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなる表面電極３を形成する。この後、スクリーン印刷法を用いて、表面電極３上の所定領域に、銀からなる集電極４を形成する。
【００２９】
次に、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面上に、ｉ型非晶質シリコン層５ａおよびｐ型非晶質シリコン層５ｂを順次形成する。このｉ型非晶質シリコン層５ａおよびｐ型非晶質シリコン層５ｂの形成条件を以下の表２に示す。
【００３０】
【表２】
0004711851.tif 000003
具体的には、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面上に、基板温度：約１５０℃〜約１８０℃、水素（Ｈ２）ガス流量：０ｓｃｃｍ〜約１００ｓｃｃｍ、シラン（ＳｉＨ４）ガス流量：約４０ｓｃｃｍ、圧力：約４０Ｐａ〜約１２０Ｐａ、ＲＦパワー密度：約５ｍＷ／ｃｍ２〜約１５ｍＷ／ｃｍ２の条件下で、約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層５ａを形成する。
【００３１】
また、ｉ型非晶質シリコン層５ａの裏面上に、基板温度：約１５０℃〜約１８０℃、水素（Ｈ２）ガス流量：０ｓｃｃｍ〜約１００ｓｃｃｍ、シラン（ＳｉＨ４）ガス流量：約４０ｓｃｃｍ、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）／Ｈ２（Ｈ２に対するＢ２Ｈ６ガスの濃度：約２％）ガス流量：約２０ｓｃｃｍ、圧力：約４０Ｐａ〜約１２０Ｐａ、ＲＦパワー密度：約５ｍＷ／ｃｍ２〜約１５ｍＷ／ｃｍ２の条件下で、約６ｎｍ〜約８０ｎｍの厚みを有するボロン（Ｂ）がドープされたｐ型非晶質シリコン層５ｂを形成する。
【００３２】
最後に、スパッタリング法を用いて、ｐ型非晶質シリコン層５ｂの裏面上に、ＩＴＯからなる裏面電極６を形成した後、裏面電極６上の所定領域に、銀からなる集電極７を形成する。このようにして、図１に示した第１実施形態による光起電力装置が形成される。
【００３３】
第１実施形態では、上記のように、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ｂとの間に、ｉ型非晶質シリコン層２ｂよりも水素濃度が低いｉ型非晶質シリコン層２ａを設けることによって、ｎ型単結晶シリコン基板１の水素濃度と、ｎ型単結晶シリコン基板１に隣接する層（ｉ型非晶質シリコン層２ａ）の水素濃度との差を小さくすることができるので、ｎ型単結晶シリコン基板１に隣接する層（ｉ型非晶質シリコン層２ａ）からｎ型単結晶シリコン基板１に不所望な量の水素が拡散するのを抑制することができる。これにより、ｎ型単結晶シリコン基板１のｉ型非晶質シリコン層２ａ近傍の欠陥密度が増加するのを抑制することができるので、ｎ型単結晶シリコン基板１内で光生成したキャリア（電子および正孔）がｎ型単結晶シリコン基板１のｉ型非晶質シリコン層２ａ近傍で再結合して消失するのを抑制することができる。その結果、光起電力装置の出力が低下するのを抑制することができる。
【００３４】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態による光起電力装置の構造を示した断面図である。図７は、図６に示した第２実施形態による光起電力装置の水素濃度プロファイルを示した図である。図６および図７を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ｂとの間に、ｎ型非晶質シリコン層１２ａが配置される場合について説明する。
【００３５】
第２実施形態による光起電力装置では、図６に示すように、約１Ω・ｃｍの抵抗率を有するとともに、水素処理されたｎ型単結晶シリコン基板１の受光面上に、非晶質シリコン層１２、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなる表面電極３、および、銀からなる集電極４が順次形成されている。
【００３６】
ここで、第２実施形態では、非晶質シリコン層１２は、ｎ型単結晶シリコン基板１の受光面上に形成された約１ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン層１２ａと、ｎ型非晶質シリコン層１２ａ上に形成された約３．５ｎｍ〜約８ｎｍの厚みを有する実質的に真性のｉ型非晶質シリコン層２ｂと、ｉ型非晶質シリコン層２ｂ上に形成され、約２ｎｍ〜約８ｎｍの厚みを有するとともに、リン（Ｐ）がドープされたｎ型非晶質シリコン層２ｃとによって構成されている。なお、ｎ型非晶質シリコン層１２ａは、本発明の「水素拡散抑制層」および「第３非晶質半導体層」の一例である。
【００３７】
また、第２実施形態では、図７に示すように、光入射側のｎ型非晶質シリコン層１２ａは、ｉ型非晶質シリコン層２ｂの水素濃度と同程度の水素濃度を有するように形成されている。第２実施形態による光起電力装置のその他の構造は、上記第１実施形態と同様である。
【００３８】
図８は、図６に示した第２実施形態による光起電力装置のエネルギーバンドおよび電界領域を示した図である。次に、図８を参照して、第２実施形態による光起電力装置の電界領域について説明する。
【００３９】
第２実施形態による光起電力装置では、図８に示すように、ｉ型非晶質シリコン層２ｂおよびｉ型非晶質シリコン層５ａに電界が生じている。すなわち、第２実施形態による光起電力装置では、上記第１実施形態による光起電力装置、および、比較例による光起電力装置と異なり、ｎ型単結晶シリコン基板１の端面から電界が生じている領域（ｉ型非晶質シリコン層２ｂ）を遠ざけて配置することにより、ｎ型単結晶シリコン基板１の受光面側の隣接する層（ｎ型非晶質シリコン層１２ａ）には電界が生じないように構成している。これにより、第２実施形態による光起電力装置では、電界によりｎ型非晶質シリコン層１２ａの不所望な量の水素がｎ型単結晶シリコン基板１に移動（ドリフト）して拡散するのを抑制することが可能となる。すなわち、ｎ型非晶質シリコン層１２ａは、ｉ型非晶質シリコン層２ｂからｎ型単結晶シリコン基板１に不所望な量の水素が移動（ドリフト）して拡散するのを抑制する機能を有する。このように、第２実施形態による光起電力装置では、上記第１実施形態による光起電力装置と異なり、電界により水素が移動（ドリフト）して拡散するのを抑制することが可能である。これにより、ｎ型単結晶シリコン基板１に到達する水素の量を有効に減少させることが可能である。なお、第２実施形態による光起電力装置では、水素濃度差に起因する水素の拡散については抑制することができない。
【００４０】
次に、図６を参照して、第２実施形態による光起電力装置の製造プロセスについて説明する。図６に示すように、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて、ｎ型単結晶シリコン基板１の受光面上に、約１ｎｍの厚みを有するｎ型非晶質シリコン層１２ａを形成する。このｎ型非晶質シリコン層１２ａの形成条件を以下の表３に示す。
【００４１】
【表３】
0004711851.tif 000004
上記表３に示すように、ｎ型非晶質シリコン層１２ａを形成する際には、基板温度：約１７０℃、水素（Ｈ２）ガス流量：０ｓｃｃｍ〜約１００ｓｃｃｍ、シラン（ＳｉＨ４）ガス流量：約７６ｓｃｃｍ、ホスフィン（ＰＨ３）／ＳｉＨ４（ＳｉＨ４に対するＰＨ３ガスの濃度：約１％）ガス流量：約４０ｓｃｃｍ、圧力：約４０Ｐａ、ＲＦパワー密度：約８．３３ｍＷ／ｃｍ２の条件下で形成する。第２実施形態による光起電力装置のその他の製造プロセスは、上記第１実施形態と同様である。
【００４２】
第２実施形態では、上記のように、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ｂとの間に、電界が生じないｎ型非晶質シリコン層１２ａを設けることによって、電界によりｎ型非晶質シリコン層１２ａの不所望な量の水素がｎ型単結晶シリコン基板１に移動（ドリフト）して拡散するのを抑制することができるので、ｎ型単結晶シリコン基板１のｉ型非晶質シリコン層１２ａ近傍の欠陥密度が増加するのを抑制することができる。これにより、ｎ型単結晶シリコン基板１内で光生成したキャリア（電子および正孔）がｎ型単結晶シリコン基板１のｉ型非晶質シリコン層１２ａ近傍で再結合して消失するのを抑制することができるので、光起電力装置の出力が低下するのを抑制することができる。
【００４３】
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００４４】
次に、第１および第２実施形態による光起電力装置の効果を確認するために行った実験について説明する。
【００４５】
この実験では、第１および第２実施形態にそれぞれ対応する実施例１および実施例２による試料と、図３および図５に示した比較例に対応する比較例１による試料とを作製するとともに、それらの作製した試料について出力特性を測定した。
【００４６】
実施例１による試料は、上記第１実施形態による光起電力装置と同様の製造プロセスを用いて、上記第１実施形態による光起電力装置と同様の構造に作製した。また、実施例２による試料は、上記第２実施形態による光起電力装置と同様の製造プロセスを用いて、上記第２実施形態による光起電力装置と同様の構造に作製した。また、比較例１による試料は、上記比較例と同様、第１および第２実施形態と異なり、ｎ型単結晶シリコン基板１の受光面上にｉ型非晶質シリコン層２ａやｎ型非晶質シリコン層１２ａを形成せずに、ｉ型非晶質シリコン層２ｂおよびｎ型非晶質シリコン層２ｃを順次形成する構造とした。なお、比較例１による試料のその他の構造および製造プロセスは、上記第１および第２実施形態による光起電力装置と同様である。
【００４７】
これらの試料について、アニール（熱処理）前後における開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流（Ｉｓｃ）、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）およびセル出力（Ｐｍａｘ）をそれぞれ測定するとともに、アニール前後における開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流（Ｉｓｃ）、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）およびセル出力（Ｐｍａｘ）の変化率を算出した。その結果を以下の表４に示す。なお、試料のアニールは、大気中において、約２８０℃の温度で約３時間行った。
【００４８】
【表４】
0004711851.tif 000005
上記表４を参照して、実施例１による試料では、開放電圧（Ｖｏｃ）の変化率（−０．５７％）の絶対値およびセル出力（Ｐｍａｘ）の変化率（−２．１９％）の絶対値が、比較例１による試料の開放電圧（Ｖｏｃ）の変化率（−０．９９％）の絶対値およびセル出力（Ｐｍａｘ）の変化率（−２．６１％）の絶対値に比べて小さくなることが判明した。これは、実施例１による試料では、比較例１による試料に比べて、開放電圧（Ｖｏｃ）およびセル出力（Ｐｍａｘ）が、アニールにより低下しにくいことを意味する。なお、実施例１による試料の短絡電流（Ｉｓｃ）の変化率（−０．２１％）の絶対値および曲線因子（Ｆ．Ｆ．）の変化率（−１．４３％）の絶対値は、比較例１による試料の短絡電流（Ｉｓｃ）の変化率（−０．２１％）の絶対値および曲線因子（Ｆ．Ｆ．）の変化率（−１．４３％）の絶対値と同じであった。また、実施例２による試料では、開放電圧（Ｖｏｃ）の変化率（−０．２８％）の絶対値、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）の変化率（−１．０４％）の絶対値およびセル出力（Ｐｍａｘ）の変化率（−１．６８％）の絶対値が、実施例１による試料の開放電圧（Ｖｏｃ）の変化率（−０．５７％）の絶対値、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）の変化率（−１．４３％）の絶対値、セル出力（Ｐｍａｘ）の変化率（−２．１９％）の絶対値、および、比較例１による試料の開放電圧（Ｖｏｃ）の変化率（−０．９９％）の絶対値、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）の変化率（−１．４３％）の絶対値およびセル出力（Ｐｍａｘ）の変化率（−２．６１％）の絶対値に比べて小さくなることが判明した。これは、実施例２による試料では、実施例１および比較例１による試料に比べて、開放電圧（Ｖｏｃ）、曲線因子（Ｆ．Ｆ．）およびセル出力（Ｐｍａｘ）が、アニールにより低下しにくいことを意味する。
【００４９】
上記のように、実施例１および２による試料のアニール前後におけるセル出力（Ｐｍａｘ）の変化率を比較例１による試料に比べて小さくすることができたのは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、実施例１による試料では、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ｂとの間に、ｉ型非晶質シリコン層２ｂよりも水素濃度が低いｉ型非晶質シリコン層２ａを設けることによって、ｎ型単結晶シリコン基板１の水素濃度と、ｎ型単結晶シリコン基板１に隣接する層（ｉ型非晶質シリコン層２ａ）の水素濃度との差を、比較例１による試料に比べて小さくすることができるので、ｎ型単結晶シリコン基板１に隣接する層（ｉ型非晶質シリコン層２ａ）から不所望な量の水素が拡散するのを抑制することができたと考えられる。また、実施例２による試料では、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ｂとの間に、電界が生じないｎ型非晶質シリコン層１２ａを設けることによって、ｎ型単結晶シリコン基板１に隣接するｉ型非晶質シリコン層２ｂに電圧が生じている比較例１による試料と異なり、電界によりｎ型非晶質シリコン層１２ａの不所望な量の水素がｎ型単結晶シリコン基板１に移動（ドリフト）して拡散するのを抑制することができたと考えられる。これらにより、実施例１および２による試料では、ｎ型単結晶シリコン基板１のｉ型非晶質シリコン層２ｂ側の界面近傍の欠陥密度が増加するのを抑制することができるので、ｎ型単結晶シリコン基板１内で光生成したキャリア（電子および正孔）がｎ型単結晶シリコン基板１のｉ型非晶質シリコン層２ｂ側の界面近傍で再結合して消失するのを抑制することができ、その結果、光起電力装置の出力が低下するのを抑制することができたと考えられる。
【００５０】
なお、今回開示された実施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、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。
【００５１】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板の受光面上に、ｉ型非晶質シリコン層を介してｎ型非晶質シリコン層を形成するとともに、ｎ型単結晶シリコン基板の裏面上に、ｉ型非晶質シリコン層を介してｐ型非晶質シリコン層を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、ｐ型単結晶シリコン基板の受光面上に、ｉ型非晶質シリコン層を介してｎ型非晶質シリコン層またはｐ型非晶質シリコン層を形成するとともに、ｐ型単結晶シリコン基板の裏面上に、ｉ型非晶質シリコン層を介してｐ型非晶質シリコン層またはｎ型非晶質シリコン層を形成してもよい。この場合、ｐ型単結晶シリコン基板の受光面と、ｉ型非晶質シリコン層との間に、水素濃度の低いｉ型非晶質シリコン層、または、ｎ型非晶質シリコン層を設けるのが好ましい。
【００５２】
また、上記第１および第２実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板の受光面側であるｎ側のみに水素拡散抑制層を設けた例について示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型単結晶シリコン基板のｎ側およびｐ側の両方またはｐ側のみに水素拡散抑制層を設けてもよい。
【００５３】
また、上記第１実施形態では、低い水素濃度を有するｉ型非晶質シリコン層（水素拡散抑制層）を約０．５ｎｍ〜約２ｎｍの厚みに形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、ｉ型非晶質シリコン層を約０．５ｎｍよりも小さい厚みに形成してもよいし、約２ｎｍよりも大きい厚みに形成してもよい。なお、低い水素濃度を有するｉ型非晶質シリコン層（水素拡散抑制層）を約２ｎｍよりも大きい厚みに形成する場合は、ｉ型非晶質シリコン層のバンドギャップが小さくなり光の吸収損失が増加するのを抑制するために、ｉ型非晶質シリコン層にフッ素、酸素、炭素および窒素の少なくともいずれか１つを含有させればよい。この場合、フッ素原子、酸素原子、炭素原子および窒素原子は水素原子に比べて大きいので、ｉ型非晶質シリコン層からｎ型単結晶シリコン基板にフッ素、酸素、炭素および窒素が拡散するのを抑制しながら、ｉ型非晶質シリコン層のバンドギャップを大きくすることができる。
【００５４】
また、上記第１実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板とｉ型非晶質シリコン層２ｂとの間に低い水素濃度を有するｉ型非晶質シリコン層（水素拡散抑制層）２ａを設けることによって、水素濃度差により不所望な量の水素が拡散するのを抑制するとともに、上記第２実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板とｉ型非晶質シリコン層２ｂとの間に電界が生じないｎ型非晶質シリコン層（水素拡散抑制層）１２ａを設けることによって、電界により不所望な量の水素が移動（ドリフト）して拡散するのを抑制する例について示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型単結晶シリコン基板とｉ型非晶質シリコン層２ｂとの間に低い水素濃度を有するとともに、電界が生じないｎ型非晶質シリコン層を設けることによって、水素濃度差および電界の両方に起因する不所望な量の水素の拡散を抑制してもよい。このように構成すれば、より有効にｎ型単結晶シリコン基板への不所望な量の水素の拡散を抑制することができる。
【００５５】
また、上記第１および第２実施形態では、ｎ型単結晶シリコン基板の受光面側の層を形成した後に裏面側の層を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型単結晶シリコン基板の裏面側の層を形成した後に受光面側の層を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態による光起電力装置の構造を示した断面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による光起電力装置の水素濃度プロファイルを示した図である。
【図３】比較例による光起電力装置の水素濃度プロファイルを示した図である。
【図４】図１に示した第１実施形態による光起電力装置のエネルギーバンドおよび電界領域を示した図である。
【図５】比較例による光起電力装置のエネルギーバンドおよび電界領域を示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態による光起電力装置の構造を示した断面図である。
【図７】図６に示した第２実施形態による光起電力装置の水素濃度プロファイルを示した図である。
【図８】図６に示した第２実施形態による光起電力装置のエネルギーバンドおよび電界領域を示した図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  ｎ型単結晶シリコン基板（結晶系半導体）
２ａ  ｉ型非晶質シリコン層（水素拡散抑制層）
２ｂ  ｉ型非晶質シリコン層（第１非晶質半導体層）
２ｃ  ｎ型非晶質シリコン層（第２非晶質半導体層）
５ａ  ｉ型非晶質シリコン層（第４非晶質半導体層）
５ｂ  ｐ型非晶質シリコン層（第５非晶質半導体層）
１２ａ  ｎ型非晶質シリコン層（水素拡散抑制層、第３非晶質半導体層）
【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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