(57)【要約】【課題】  カーボンを主成分とする太陽電池において量子井戸部を設けることにより、光電変換効率を向上する。【解決手段】  ｓｐ２結合を有するカーボン原子とｓｐ３結合を有するカーボン原子とが混在するカーボン半導体を材料として光電変換部（４）を形成した太陽電池において、ｐ型半導体層（７）とｎ型半導体層（５）間に、周囲（１１）よりもｓｐ２結合を有するカーボン原子数とｓｐ３結合を有するカーボン原子数との比が大きい複数の微小領域（１０）を設けて量子井戸部（６）を構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｓｐ２結合を有するカーボン原子とｓｐ３結合を有するカーボン原子とが混在するカーボン半導体を材料として光電変換部を形成した太陽電池において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層間に、周囲よりもｓｐ２結合を有するカーボン原子数とｓｐ３結合を有するカーボン原子数との比が大きい複数の微小領域を設けて構成した量子井戸部を有することを特徴とする、太陽電池。
【請求項２】
請求項1に記載の太陽電池において、前記量子井戸部における前記微小領域の水素またはハロゲン元素含有量を前記周囲の水素またはハロゲン元素含有量よりも小さくしたことを特徴とする、太陽電池。
【請求項３】
請求項1または２に記載の太陽電池において、前記量子井戸部の前記微小領域と前記周囲との界面に水素またはハロゲン元素の含有量が前記周囲よりも大きい中間層を設けたことを特徴とする、太陽電池。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の太陽電池において、前記微小領域は、量子ドット、量子井戸層あるいは量子細線のいずれかで構成される、太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンを主成分とする太陽電池に関し、特に広い波長範囲に受光感度を有する太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の低コスト太陽電池材料として、アモルファスカーボンまたはダイヤモンドライクカーボンと呼ばれるカーボンを主成分とする半導体薄膜が提案されている。カーボン材料には、導電体でありｓｐ２結合からなるグラファイトと、絶縁体でありｓｐ３結合からなるダイヤモンドと言う２つの安定した結晶構造がある。このｓｐ２、ｓｐ３結合を混合させることにより、半導体薄膜を形成することができる。さらにｓｐ２、ｓｐ３結合の混合比や添加する水素原子濃度を調整することにより、太陽電池に適した光吸収特性、電気特性等を有する半導体薄膜を形成することができる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このため、半導体薄膜を用いた太陽電池では、太陽光の幅広い波長領域に適した光吸収特性を単一材料の成分比を調節することにより得ることができる。従って、従来の結晶系材料であるＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ等を積層した太陽電池に比べてコストを低減することができると共に、従来の薄膜材料であるａ−ＳｉやＣｕＩｎＳｅ２系、ＣｄＳ系に比べて性能を向上させることができるという優れた特徴を有する。
【０００４】
また、太陽電池の光電変換効率を向上させる新しい手段として、太陽電池中に量子井戸層を形成して長波長感度を向上させる方法（例えば特許文献３参照）や、量子ドットを形成して幅広い波長範囲の光を吸収させてキャリア（電荷）生成量を増加させる方法（例えば特許文献２参照）が提案されている。
【０００５】
量子井戸構造を形成するためには、一般的に結晶系半導体材料ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ等に、バンドギャップが小さい１〜２０ｎｍ程度の厚みを有する薄膜や、同サイズ径の微細なドットを周期的に設ける必要がある。ＧａＡｓ中にＧａＩｎＡｓ量子井戸層やＩｎＡｓ量子ドットを設けた構造が提案され、長波長領域の光感度向上が確認されている。しかしながら、量子井戸層を設けるためには、ＣＶＤ（化学気相蒸着）法やＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用い、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｇｅ等を含有するガス等を供給する必要がある。これらの材料や製造装置は高価であるため、低コスト太陽電池を提供する上で大きな障害となっている。
【０００６】
一方、低コスト太陽電池材料としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）やＣｕＩｎＳｅ２系、ＣｄＳ系材料を用いた薄膜型太陽電池が開発されている。これらの材料に量子井戸構造を形成するために、例えばａ−Ｓｉ中に量子井戸層としてアモルファスＳｉＧｅ層を設けた構造が提案されている。しかしながら、結晶系材料に匹敵する特性が得られておらず、高効率な太陽電池作製の障害となっている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−５１６０３号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１５３１号公報
【特許文献３】特開平６−３０２８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来の太陽電池のかかる点に関してなされたもので、太陽電池を構成するｎ層、ｐ層および量子井戸構造を共に安価なカーボンを主成分とする半導体材料で構成することにより、優れた光電変換効率を有しかつ安価に製造することが可能な太陽電池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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１の太陽電池は、ｓｐ２結合を有するカーボン原子とｓｐ３結合を有するカーボン原子とが混在するカーボン半導体を材料として光電変換部を形成した太陽電池において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層間に、周囲よりもｓｐ２結合を有するカーボン原子数とｓｐ３結合を有するカーボン原子数との比、すなわちｓｐ２／ｓｐ３結合比が大きい複数の微小領域を設けて構成した量子井戸部を有することを特徴とする。
【００１０】
ｓｐ２結合のカーボン原子とｓｐ３結合のカーボン原子が混在するカーボンの半導体薄膜において、ｓｐ２結合のカーボン原子数を多くしていくことによりその薄膜のバンドギャップが低下していくことが知られている。従って、カーボン半導体太陽電池の光電変換部に、周囲よりもｓｐ２結合のカーボン原子数とｓｐ３結合のカーボン原子数との比（以下、ｓｐ２／ｓｐ３結合比と言う）が大きい複数の微小領域を有する半導体層を設けることによって、この微小領域はそのバンドギャップが周囲すなわち壁層よりも小さくなるため量子井戸となり、壁層と共に量子井戸部を構成するようになる。その結果、光電変換部の長波長側受光感度が向上し、広い波長範囲で良好な受光特性を有しかつ光電変換効率の高い太陽電池が得られる。また、この太陽電池の材料はカーボンであるため、製造コストが小さい。
【００１１】
さらに本発明の第２の太陽電池では、第１の太陽電池において、前記量子井戸部における前記微小領域の水素またはハロゲン元素含有量を前記周囲の水素またはハロゲン元素含有量よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１２】
カーボン半導体薄膜において、水素またはハロゲン元素の含有量を小さくすることによって、その半導体薄膜のバンドギャップが小さくなることが知られている。従って、量子井戸を構成するカーボン薄膜の組成において、壁層よりも水素またはハロゲン元素の含有量を低下させることによってその部分のバンドギャップを壁層よりも小さくすることができる。これによって、量子井戸部分のｓｐ２／ｓｐ３結合比をあまり大きくすることなく、壁層中に量子井戸を構成することが可能となる。
【００１３】
その結果、量子井戸と壁層間でカーボン薄膜の組成差が小さくなり、その分量子井戸と壁層との界面に生じる格子不整合が小さくなり、欠陥の発生率が低下する。これによって欠陥によって引き起こされるキャリアの再結合損失が低下し、光電変換効率が向上する。
【００１４】
さらに、本発明の第３の太陽電池では、第１または第２の太陽電池において、前記量子井戸部の前記微小領域、すなわち量子井戸と前記周囲、すなわち壁層との界面に水素またはハロゲン元素の含有量が前記壁層におけるものよりも大きい中間層を設けたことを特徴とする。
【００１５】
この中間層によって、中間層部分のバンドギャップが壁層部分のバンドギャップより大きくなり、壁層中を移動するキャリアに対してエネルギー障壁が形成される。これによって、壁層中を移動するキャリアが量子井戸中に移動し消滅する確率が小さくなり、再結合損失が低下する。その結果、より高い光電変換効率を有する太陽電池を得ることができる。
【００１６】
なお、量子井戸は、量子ドット、量子井戸層あるいは量子細線によって形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１にかかる太陽電池の概略構成を示す断面図である。１は多層光制御薄膜であり、光反射損失を減少させるための反射防止膜、あるいは半導体材料が電荷を発生させるために有用な光を透過し不要な光を反射するための光学フィルタとして動作する。２は光透過性基板であって、太陽光を透過させるガラス、プラスティック等で構成されている。３は、ＩＴＯ膜、あるいはＳｎＯ２等で構成される透明電極、４は太陽電池の光電変換部を構成する半導体層であり、ｓｐ２結合とｓｐ３結合が混合したカーボンを主成分とする薄膜より構成され、製造過程で混入する水素またはハロゲン元素を含有し、さらに導電性を制御する元素が添加されている。
【００１８】
半導体層４は基本的に、光電変換部を構成するｐ層とｎ層、さらにこのｐ層とｎ層間に設けた長波長側感度を向上させるための量子井戸部とを有する。本実施形態では、半導体層４は、ｎ＋層５、量子井戸部６、ｐ層７およびｐ＋層８で構成されており、量子井戸部６は層５および層７よりもキャリア濃度が低い半導体、例えばｎ−層、ｉ層あるいはｐ−層によって形成される。９は裏面電極であって、半導体層４に接続し、電子または正孔を収集する。
【００１９】
この太陽電池において、光を吸収することによって半導体層４に生じた電子、正孔は、ｐ層およびｎ層によって形成されるｐｎ接合によって電子はｎ＋層５へ、正孔はｐ＋層８へ移動し、電極１、９により光起電力として取り出される。なお、図１に示す太陽電池では、ｎ＋層５を受光側に設けているが、ｐ＋層８を受光側に設けても太陽電池として同様の効果を得ることができる。
【００２０】
図２は、量子井戸部６の構成を説明するための図である。図示するように、量子井戸部６は、量子効果を生成するための複数の量子井戸１０と、量子井戸１０の周囲の壁層１１とで構成される。図２に示す実施例では、量子井戸１０は量子ドットによって構成されている。後述するように、量子井戸１０は、量子ドット、量子細線あるいは量子井戸層によって壁層中に形成することが可能である。
【００２１】
量子井戸１０が量子ドットで構成される場合、量子効果を出現させるために量子ドットの直径は１０ｎｍ程度（２０ｎｍ以下）であり、また周囲の壁層１１よりも小さいバンドギャップを有するものとする必要がある。量子井戸１０のバンドギャップを壁層１１よりも小さくする手段として、本発明では量子井戸１０のカーボン薄膜のｓｐ２／ｓｐ３結合比を壁層１１のｓｐ２／ｓｐ３結合比よりも大きくしている。
【００２２】
図３は、図２の断面Ａにおけるバンドギャップとｓｐ２／ｓｐ３結合比の関係を示す図である。図示するように、量子ドットで構成される量子井戸１０のｓｐ２／ｓｐ３結合比を壁層１１におけるｓｐ２／ｓｐ３結合比よりも大きくすることによって、量子井戸１０のバンドギャップが壁層１１のバンドギャップよりも小さくなり、その結果、量子井戸部６は量子効果を出現させ、長波長側に受光感度を有するようになる。なお、図３において壁層１１と量子井戸１０との水素またはハロゲン元素の含有量を示しているが、本実施形態では、壁層１１と量子井戸１０間で含有量の差を設けてはいない。なお、水素またはハロゲン元素の含有量の差によって生じる効果については、実施形態２および３の説明の項において述べる。
【００２３】
図４〜図６は、量子井戸部６の各種の構成を示す図である。図４に示す量子井戸部６は、量子井戸を量子ドット１２で構成した場合を示す。通常、複数の量子ドット１２を平面配置した層と壁層１３とが２０〜３０サイクル積層されて量子井戸部６が構成される。量子効果を出現させるために、量子ドットの直径は１０ｎｍ程度、量子井戸部６の厚さは０．５μｍ程度である。
【００２４】
図５は、量子井戸部６を量子井戸層１４と壁層１５の積層構造によって構成した場合を示す。通常、層１４と層１５が２０〜３０サイクル積層されて量子井戸部６が構成される。量子井戸層１４の厚さは量子ドット１２の直径と同程度、また量子井戸部６の厚さも図４の場合と同程度である。
【００２５】
図６は、量子井戸部６を量子細線１６と壁層１７で構成した場合を示す。通常、量子細線１６の層と壁層１７とを２０〜３０サイクル積層することによって、量子井戸部６を構成している。量子細線１６および量子井戸部６の厚さは、図４および５に示す場合と同程度である。
【００２６】
以下に、図１に示す太陽電池の具体的構造の一例を示す。
【００２７】
多層光制御薄膜１
・材料：    ＭｇＦ２、ＺｎＳ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２等
光透過性基板２
・材料：    石英、ガラス、プラスティック等
・厚さ：    ０．２〜５ｍｍ程度
・サイズ：  １×１ｃｍ〜１００×１００ｃｍ程度
透明電極３
・材料：    ＩＴＯ、ＳｎＯ２等
・厚さ：    ０．０１〜２μｍ
半導体層４
・材料：    カーボンを主成分とする。
・添加元素：水素またはハロゲン元素を０．０１〜３０％（ａｔｍ％、以下同様）
含有する。導電性制御のために必要に応じてＳｉ、Ｇｅを添加
・バンドギャップ：０．２〜２．０ｅＶ程度
・ｎ＋層５：厚さ０．０２〜１μｍ、キャリア濃度１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３
・ｐ層７：厚さ１〜３０μｍ、キャリア濃度１×１０１４〜１×１０１８ｃｍ−３
・ｐ＋層８：厚さ０．０２〜１μｍ、キャリア濃度１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３
量子井戸部６
ａ）壁層１１
・導電型：ｎ−（キャリア濃度１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）
・ｓｐ２／ｓｐ３結合比：０．１〜２．０
・バンドギャップ：０．２〜２．０ｅＶ程度
ｂ）量子井戸１０（量子ドット、なお、量子井戸層および量子細線も同様の構成）
・ドットサイズ：直径１０ｎｍ程度
・導電型：ｎ−（キャリア濃度１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）
・ｓｐ２／ｓｐ３結合比：０．２〜５．０
・バンドギャップ：０．１〜１．８ｅＶ程度（壁層の４０〜９５％程度）
裏面電極９
・材料：    Ａｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ等
・厚さ：    ０．２〜５μｍ
なお、上記実施例におけるｐ層、ｎ層の組み合わせは上記の場合に限定されず、勿論逆の組み合わせが可能である。
【００２８】
（実施形態２）
実施形態１に示したように、量子井戸１０のｓｐ２／ｓｐ３結合比を壁層１１のｓｐ２／ｓｐ３結合比よりも大きくすることによって、量子井戸１０の部分のバンドギャップが壁層１１の部分よりも小さくなり、量子井戸部６において量子効果が発生し長波長側の受光感度が向上する。しかしながら、この場合、量子井戸１０と壁層１１間でｓｐ２／ｓｐ３結合比が大きく異なるため、格子不整合によって界面に歪みが増加し、格子欠陥が増加する。このような格子欠陥はキャリアの再結合中心を形成するので、結果的にキャリアの再結合損失を増加させると言う問題を生じる。
【００２９】
本実施形態では、このような問題を解決するために、量子井戸１０の部分の水素またはハロゲン元素の含有量を減少させることによりその部分のバンドギャップを大きくし、ｓｐ２／ｓｐ３結合比をあまり大きくすることなく、壁層１１との間に所望のバンドギャップ差を設けるようにしている。
【００３０】
図７は、図１の太陽電池を実施形態２に従って構成した場合の断面Ａにおけるバンドギャップ、ｓｐ２／ｓｐ３結合比および水素またはハロゲン元素の含有量を示している。図示するように、量子井戸１０と壁層１１間では、量子井戸１０の部分のｓｐ２／ｓｐ３結合比の増加と水素またはハロゲン元素含有量の低下とによって、量子効果を生じるために必要なバンドギャップ差ΔＥｇを壁１１と量子井戸１０間に形成している。従って、水素またはハロゲン元素含有量を低下させることによって生じた量子井戸１０におけるバンドギャップの低下分だけ、壁層１１と井戸１０間のｓｐ２／ｓｐ３結合比の増加量を少なくすることができる。
【００３１】
この結果、所望のバンドギャップ差ΔＥｇを得るための、量子井戸１０と壁層１１間のｓｐ２／ｓｐ３結合比の差は、図１の場合に比べて小さくすることが可能となり、その分、量子井戸１０と壁層１１間での格子不整合が小さくなり、欠陥の発生が少なくなってキャリアの再結合損失が低下する。これによって、実施形態１の場合よりも光電変換効率の高い太陽電池を得ることができる。
【００３２】
以下に、実施形態２にかかる太陽電池の具体的構成例を示す。なお、量子井戸部６の構成以外は実施形態１の場合と同じであるため、量子井戸部６の構成例のみを示す。
【００３３】
量子井戸部６
ａ）壁層１１
・導電型：    ｎ−（キャリア濃度１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）
・ｓｐ２／ｓｐ３結合比：  ０．１〜２．０
・バンドギャップ：      ０．２〜２．０ｅＶ程度
・水素またはハロゲン元素含有量：  ０．５〜３０％
ｂ）量子井戸１０（量子ドット、量子細線、量子井戸層についても同様）
・ドットサイズ：    直径１０ｎｍ程度
・導電型：    ｎ−（キャリア濃度１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）
・ｓｐ２／ｓｐ３結合比：  ０．１５〜３．０
・バンドギャップ：  ０．１〜１．８ｅＶ程度（壁層の４０〜９０％程度）
・水素またはハロゲン含有量：  ０．０１〜１５％
【００３４】
（実施形態３）
図８は、実施形態３にかかる量子井戸部６の構成を示す図である。図示するように、本実施形態では、量子井戸１０と壁層１１との界面に中間層１２を設けたことを特徴とする。中間層１２では水素またはハロゲン元素の含有量が壁層１１の水素またはハロゲン元素の含有量よりも大きくされている。量子井戸１０のｓｐ２／ｓｐ３結合比および水素またはハロゲン元素の含有量は、図７に示す実施形態２の場合と同じである。その結果、図８の断面Ｂにおける壁層１１、量子井戸１０および中間層１２のバンドギャップ、ｓｐ２／ｓｐ３結合比および水素またはハロゲン元素の含有量は、図９に示すものとなる。
【００３５】
図９から明らかなように、本実施形態では、水素またはハロゲン元素の含有量の高い中間層１２を設けたことによって、量子井戸１０と壁層１１の界面部分のバンドギャップが大きくなり、その部分にエネルギー障壁が形成される。このエネルギー障壁によって、壁層１１中を移動するキャリアが量子井戸１０へ移動するのが阻止され、キャリアが界面に存在する高濃度の格子欠陥にトラップされ消滅する確率が低下する。すなわち、キャリアの再結合損失が低下する。
【００３６】
本実施形態では、量子井戸１０のｓｐ２／ｓｐ３結合比および水素またはハロゲン元素の含有量を、図７に示す実施形態２の場合と同様としているので、実施形態２において説明した格子不整合によるキャリアの再結合損失の低下効果に加えて、中間層１２の形成による上記キャリアの再結合損失低下効果により、太陽電池の光電変換効率が実施形態２に示したものよりさらに向上する。
【００３７】
なお、図８では、量子井戸１０を量子ドットで構成した場合を示しているが、本実施形態の量子井戸は図５に示す量子井戸層であっても、図６に示す量子細線であっても良い。量子井戸層の場合は、量子井戸層と壁層との界面に中間層１２と同様の構成および特性を有する層を設ければよく、また量子細線の場合も細線の周囲に同様の中間層を設ければよい。
【００３８】
以下に、実施形態３にかかる太陽電池の具体的構成例を示す。なお、量子井戸部６の構成以外は実施形態１の構成と同じであるため、量子井戸部６の構成例のみを示す。
【００３９】
量子井戸部６
ａ）壁層１１
・厚さ：    ０．５μｍ
・導電型：    ｎ−（キャリア濃度１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）
・ｓｐ２／ｓｐ３結合比：  ０．１〜２．０
・バンドギャップ：        ０．２〜２．０ｅＶ程度
・水素またはハロゲン元素含有量：  ０．５〜３０％
ｂ）量子井戸（量子ドット）１０（量子細線、量子井戸層についても同様）
・ドットサイズ：  直径１０ｎｍ程度
・導電型：        ｎ−型（キャリア濃度１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）
・ｓｐ２／ｓｐ３結合比：  ０．１５〜３．０
・バンドギャップ：  ０．１〜１．８ｅＶ程度（壁層の４０〜９０％程度）
・水素またはハロゲン含有量：  ０．０１〜１５％
ｃ）中間層１２
・厚さ：    １〜２０ｎｍ
・導電型：  ｎ−型（キャリア濃度１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３）
・ｓｐ２／ｓｐ３結合比：  ０．１〜２．０
・バンドギャップ：０．２５ｅＶ〜２．４ｅＶ程度（壁層の約１０２〜１２０％）
・水素またはハロゲン含有量：  ０．２〜４０％
【００４０】
なお、図９に示す実施形態では、量子井戸１０の水素またはハロゲン元素含有量を壁層１１部分の含有量よりも低下させているが、量子井戸１０と壁層１１の水素またはハロゲン元素含有量を同じとしても、中間層１２によってエネルギー障壁が形成される効果を得ることはできる。
【００４１】
以上に示した本発明独得の構成を有する太陽電池は、一般的な半導体素子の製造方法を用いて製造することができるが、以下に、図１０および図１１を参照して、量子井戸をカーボン量子ドットで構成する場合の製造方法について、簡単に説明する。
【００４２】
図１０は、図４に示すカーボン量子ドットの製造に用いられるプラズマＣＶＤ装置を示す。２０ａ〜２０ｆはガスボンベであって、図示するように、水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、フォスフィン（ＰＨ３）、アンモニア（ＮＨ３）を収容している。これらは、壁層１０および量子井戸１１を構成するカーボン（Ｃ）、水素（Ｈ）、導電型（ｐ型、ｎ型）を制御する元素となるホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）の原料となる。２１ａ〜２１ｆは圧力調整器、２２ａ〜２２ｆは流量調整器、２３ａ〜２３ｆはバルブである。これらを用いてガス流量を調節し、減圧容器２４内に所定の容積比でガスを供給する。
【００４３】
減圧容器２４はポンプ２５によって排気され減圧される。減圧容器２４内には、ガス放出部を構成する電極２６と、半導体基板２８を載置しかつ基板２８を加熱するためのヒーターとして作用する電極２７とが設けられている。電極２６にはガス配管が接続され、かつ高周波電源２９が接続されている。電極２７にはバイアス電源３０が接続されている。一対の電極２６および２７間には、減圧容器２４内に導入されたガスの分解部を構成する空間が設けられている。
【００４４】
図４に示す壁層１１を形成するため、例えば水素、エチレンのガス流量比を４：１とし、エチレンガスに対してフォスフィンガスを０．０１〜１ｐｐｍ程度加える。微量の原料ガス流量を精度良く調節するため、水素中にフォスフィンガスが０．０１〜１ｐｐｍ程度含まれるガスボンベを準備しても良い。減圧容器２４内のヒーターを兼ねた電極２７に基板２８を設置する。基板２８は、第１図に示す光透過性基板２上に透明電極３を形成し、さらにｎ＋層５を形成した状態のものである。
【００４５】
ポンプ２５で容器２４内を減圧しつつ圧力を調節し、高周波電源２９を用いて電極２６、２７間に放電を発生させてガスを活性化、または分解し、基板２８上、すなわち光透過性基板２、透明電極３上に設けたｎ＋層５表面上に壁層１１となるカーボン薄膜を堆積する。
【００４６】
続いて、壁層１１に比べて水素含有量が少ない量子井戸１０を形成する手段を示す。前記壁層１１を形成する場合と同様に混合ガスを減圧容器２４内に供給する。壁層形成時に対し、光透過性基板の温度を５０〜１５０℃程度高くする。基板温度を高くすることにより、エチレンガスの分解が促進されて、堆積させるカーボン材料中の水素含有量を減少させることができる。高周波電源２９を用いて、壁層を形成する場合と同様にガスを分解し活性化させる。壁層表面に堆積しようとするカーボン材料を自己的に凝集させ、直径３〜３０ｎｍ程度のカーボンドットを形成する。なお、水素含有量を減少させる手段として、ガスを分解する高周波電源２９の出力を２０〜７０％高くする、あるいは水素ガス流量比を減少（または増加）させる手段を用いても良い。
【００４７】
続いて、再度、壁層形成条件を用いて壁層１１を形成し、その後再度、井戸層形成条件を用いて井戸１０を形成する。この操作を５〜５０回程度繰り返すことにより、壁層１１の内部に埋め込まれた井戸１０を有する、図４に示す量子井戸部６が形成される。
【００４８】
図１１は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いた半導体製造装置の概略構成を示す。図１１に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ装置においては、外部に設けた電磁石３５によって形成された磁場が印加されるプラズマ発生部３７に、水素ガスを流量調整器２２ａ’およびバルブ２３ａ’を介してボンベ２０ａから供給する。別途、減圧容器３６内にメタン、エチレン、ジボラン、フォスフィン、アンモニアなどのカーボン薄膜を構成する元素を含有するガスを供給する。プラズマ発生部３７に供給した水素はマイクロ波放電により活性化、または分解され減圧容器内に供給される。３８はマイクロ波電源を示す。
【００４９】
マイクロ波によって活性化、または分解された水素ガスと減圧容器３６内に別途供給されたカーボン薄膜を構成する元素を含有するガス（エチレン等）を混合することにより、カーボン薄膜を構成する元素を含有するガス（エチレン等）が活性化、または分解され、基板表面にカーボン薄膜を堆積する。なお、減圧容器３６内にはヒーターを兼ねる電極３９が設置され、この電極３９上に図１０の場合と同様の半導体基板２８が載置される。
【００５０】
本方法において、壁層１１と量子井戸１０の多層構造は、図１０で示した方法と同様の方法で形成できる。また、図１０に示したものと同じ符号は、同一または類似の構成要素を示している。本方法では、プラズマ発生部３７における放電に堆積中のカーボン薄膜がさらされないため、カーボン薄膜の欠陥量発生を減少させることができると言う効果を有している。
【００５１】
以上、種々の実施形態を示して説明したように、本発明の太陽電池では、光電変換部をカーボンを主成分とする材料で形成し、かつカーボン薄膜におけるｓｐ２／ｓｐ３結合比を制御することにより光電変換部に量子井戸を形成している。その結果、安価な材料で広い波長範囲に受光感度を有する光電変換効率の高い太陽電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態１にかかる太陽電池の概略構成を示す断面図。
【図２】図１の要部拡大図。
【図３】実施形態１にかかる太陽電池のバンドギャップ特性および成分特性を示す図。
【図４】図１の量子井戸部を量子ドットで構成した場合を示す図。
【図５】図１の量子井戸部を量子井戸層で構成した場合を示す図。
【図６】図１の量子井戸部を量子細線で構成した場合を示す図。
【図７】本発明の実施形態２にかかる太陽電池のバンドギャップ特性および成分特性を示す図。
【図８】本発明の実施形態３にかかる太陽電池の量子井戸部の構成を示す概略図。
【図９】図８に示す量子井戸部のバンドギャップ特性および成分特性を示す図。
【図１０】図１に示す太陽電池を製造するための装置の概略構成を示す図。
【図１１】図１に示す太陽電池を製造するための他の装置の概略構成を示す図。
【符号の説明】
【００５３】
１…多層光制御薄膜
２…光透過性基板
３…透明電極
４…半導体層
５…ｎ＋層
６…量子井戸部
７…ｐ層
８…ｐ＋層
９…裏面電極
１０…量子井戸
１１…壁層
１２…中間層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005332945.tif 000006
【図５】
2005332945.tif 000007
【図６】
2005332945.tif 000008
【図７】
2005332945.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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