(57)【要約】【課題】工程の複雑化、コストアップを招くことなく、ｐｎ逆接合部における横方向リークを低減でき、高い効率、高い歩留まりを実現することができる集積型光電変換装置を提供する。【解決手段】透光性基板上に、少なくとも光電変換機能を有する半導体光電変換ユニットを２つ積層した多接合半導体層を含む積層体を、分割溝によって発電領域を区画し、これらを相互に直列接続してなる集積型光電変換装置において、前記多接合半導体層の接合部は、互いに逆の導電性を有し、高ドーピング元素濃度を有する半導体膜同士が接合したｐｎ逆接合部となっており、このｐｎ逆接合部は、非発電領域において、発電領域よりも、ドーピング元素濃度が低くなっている低濃度ドープ領域が存在するような構成とした。【選択図】  図１
2005038907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板上に、表電極層、光電変換機能を有する半導体光電変換ユニットを２つ以上積層した多接合半導体層、裏電極層を順次積層して形成した積層体を、前記表電極層に設けた表電極分割溝と前記多接合半導体層に設けた半導体層分割溝および前記裏電極層に設けた裏電極分割溝によって複数の発電領域に分割し、かつ隣接する発電領域の表電極層および裏電極層を、前記半導体層分割溝を介して接続導体によって互いに直列接続した集積型光電変換装置において、
前記多接合半導体層に設けた半導体層分割溝は、前記表電極分割溝と前記裏電極分割溝とによって挟まれる非発電領域に位置するように、各層に設けた分割溝は互いに位置をずらして設けられ、
前記半導体光電変換ユニットは、一導電型半導体膜と逆導電型半導体膜とを含むとともに、隣接する双方の半導体光電変換ユニットは互いに逆導電型の半導体膜同士が接したｐｎ逆接合部を形成するように重畳接合してなり、
前記非発電領域内には、ｐｎ逆接合部のドーピング元素濃度が、前記発電領域内のｐｎ逆接合部のドーピング元素濃度に比べて低くなった低濃度ドープ領域が設けられていることを特徴とする集積型光電変換装置。
【請求項２】
前記低濃度ドープ領域は、前記半導体分割溝の両側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の集積型光電変換装置。
【請求項３】
前記低濃度ドープ領域のドーピング元素濃度が、前記発電領域内のｐｎ逆接合部のドーピング元素濃度の１／１０以下であることを特徴とする請求項１または２記載の集積型光電変換装置。
【請求項４】
前記ｐｎ逆接合部を構成する互いに逆の導電型を有する半導体膜に含有される少なくとも２種のドーピング元素が、前記低濃度ドープ領域において、相互の半導体膜内に拡散していることを特徴とする請求項１ないし３記載の集積型光電変換装置。
【請求項５】
前記低濃度ドープ領域はレーザー照射によって形成してなることを特徴とする請求項１ないし４記載の集積型光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁基板上に複数の発電領域を形成し、相互に直列に接続してなる薄膜太陽電池素子などの集積型光電変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽エネルギーを利用するため、光のエネルギーを直接電気エネルギーに変換する太陽電池の普及が始まっており、単結晶シリコンや多結晶シリコンなどに代表される結晶系太陽電池は、屋外の電力用太陽電池として既に実用化されている。これに対して、多結晶薄膜シリコン、非晶質シリコン、カルコパイライト構造半導体などを利用した薄膜太陽電池は、材料が少なくてすみ、低コストのため注目されている。
【０００３】
薄膜太陽電池は、直列抵抗の影響を抑えるために集積型構造を採るのが一般的である。これは、集積型構造を採ることで、出力特性は低電流×高電圧型となり、集積型構造を採らない場合の高電流×低電圧型に比べて電流が小さくて済むので直列抵抗の影響による曲線因子ＦＦの低下を小さくできるためである。
【０００４】
一方、高効率化のため、複数の半導体光電変換ユニットを積層した多接合型の素子構造が非常に有望視されている。例えば、Ｓｉ系薄膜太陽電池においては、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を光活性層にした非晶質半導体光電変換ユニットと、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）を光活性層にした結晶質半導体光電変換ユニットとを積層したタンデム型が周知であり、最近では前記半導体光電変換ユニットのうちいずれかをさらに追加して３つの半導体光電変換ユニットを積層したトリプル接合型の開発も進められている。
【０００５】
図２に従来の多接合型素子を用いた集積型光電変換装置の一例として半導体光電変換ユニットが２つ積層されたタンデム型の集積型光電変換装置の構造を示す。ここで図２中、１０１は透光性基板、１０２は表電極層、１０３は表電極分割溝、１０４は２つの半導体光電変換ユニットが積層したタンデム型半導体光電変換層、１０４ａはｐｉｎ接合からなり水素化アモルファスシリコンを光活性層に有する第１の半導体光電変換ユニット、１０４ｂはｐｉｎ接合からなり微結晶シリコンを光活性層に有する第２の半導体光電変換ユニット、１０５は半導体層分割溝、１０６は裏電極層、１０７は裏電極分割溝、１０８は、それぞれ逆導電性を有する半導体層、すなわち第１の半導体光電変換ユニット１０４ａのｎ型半導体層と第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂのｐ型半導体層とが接合したｐｎ逆接合部、１１０は発電領域、１１１は非発電領域、１１２は接続導体である。
【０００６】
表電極分割溝１０３、裏電極分割溝１０７、半導体層分割溝１０５からなる分割溝によって分割された発電領域である光電変換セルは、半導体層分割溝１０５内に配された接続導体１１２によって、隣接する光電セル同士の表電極層１０２と裏電極層１０６とが直列接続される。
【０００７】
ここで、光が透光性基板１０１側から入射すれば、透明導電体からなる表電極層１０２を透過し、第１の半導体光電変換ユニット１０４ａ、および第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂにおいて光電変換され、光起電力が生ずる。特に、第１の半導体光電変換ユニット１０４ａは水素化アモルファスシリコンを光活性層に含んでいるので、短波長光に対して高い光吸収特性を有し、第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂは、結晶質シリコン膜を光活性層に含んでいるので、長波長光にまで高い光吸収特性を有する。そのため、入射光の広い波長範囲にわたって、光電変換が可能となり、装置全体としての変換効率の向上を図ることができる。
【０００８】
【特許文献１】
特公平７−１１４２９２号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開平７−８６６２３号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開２００１−３１３２７２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような２つ以上の半導体光電変換ユニットを重ねて用いる多接合型素子において、集積型構造を採用する場合には、半導体光電変換ユニット同士が接合されたｐｎ逆接合部を通しての横方向へのリークが問題となる。通常、多接合型素子におけるｐｎ逆接合部は、積層した半導体光電変換ユニット間での電気的接続特性、すなわち多数キャリアの再結合特性を高めるために、非常に高いドープ濃度状態（通常１×１０１８／ｃｍ３以上）となっている。そのため、このｐｎ逆接合部では多数キャリア濃度が非常に高く、横方向（水平方向）にも非常に電気伝導しやすい状態、特に高いドープ状態ではほとんど金属的な状態に近い低抵抗層として働く状態となっている。
【００１２】
したがって、図２に示す従来素子構造では、高濃度ドープを有するｐｎ逆接合部１０８が横方向へのリークパスとして働き、表電極層１０２とｐｎ逆接合部１０８、あるいは裏電極層１０６とｐｎ逆接合部１０８が短絡してしまう（つまりトップセル、あるいはボトムセルがそれぞれ短絡状態となってしまう）問題が避けられず、開放電圧Ｖｏｃや曲線因子ＦＦの低下、これにともなう歩留まりの低下を招いていた。
【００１３】
この問題については、例えば半導体層分割溝１０５の壁面を酸化させるなどして絶縁化する方法（特許文献１参照）や、ｐｎ逆接合部を縦断するように絶縁物を介在させる方法（特許文献２参照）が従来から知られている。これらを図３、図４にそれぞれ示す。ここで、図３中の３０１は酸化などによって形成された絶縁層、図４中の４０１は絶縁物であり、それ以外は図２と同じである。
【００１４】
しかしながら、特許文献１に示された方法では、例えば半導体層分割溝１０５形成時のレーザー加工において酸化雰囲気とする必要があるなど特殊な環境準備が必要であり、また酸化層の絶縁品質が非常に不安定で信頼性の高いリーク防止は非常に難しい状況にあった。
【００１５】
また、特許文献２に示された方法では、信頼性の高いリーク防止は実現できるが、絶縁物形成が必要となるため工程が複雑となりコストアップが避けられないという問題が生じていた。また絶縁膜の存在が半導体膜形成時の膜品質に悪影響を与えるという問題も生じていた。
【００１６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、工程の複雑化、コストアップを招くことなく、ｐｎ逆接合部における横方向リークを低減でき、高い効率、高い歩留まりを実現することができる集積型光電変換装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述に鑑みて、本発明の集積型光電変換装置は、透光性基板上に、表電極層、光電変換機能を有する半導体光電変換ユニットを２つ以上積層した多接合半導体層、裏電極層を順次積層して形成した積層体を、前記表電極層に設けた表電極分割溝と前記多接合半導体層に設けた半導体層分割溝および前記裏電極層に設けた裏電極分割溝によって複数の発電領域に分割し、かつ隣接する発電領域の表電極層および裏電極層を、前記半導体層分割溝を介して接続導体によって互いに直列接続した集積型光電変換装置において、前記多接合半導体層に設けた半導体層分割溝は、前記表電極分割溝と前記裏電極分割溝とによって挟まれる非発電領域に位置するように、各層に設けた分割溝は互いに位置をずらして設けられ、前記多接合半導体層をなす前記半導体光電変換ユニットは、それぞれ一導電型半導体膜と逆導電型半導体膜とを含むとともに、これら半導体光電変換ユニットは互いに逆導電型の半導体膜同士が接したｐｎ逆接合部を形成するように重畳接合してなり、前記非発電領域内には、ｐｎ逆接合部のドーピング元素濃度が、前記発電領域内のｐｎ逆接合部のドーピング元素濃度に比べて低くなった低濃度ドープ領域が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
このような構成としたことにより、低濃度ドープ領域のｐｎ逆接合部においては、多数キャリア密度が低減しているため、低濃度ドープ領域とこの外部の高濃度ドープ領域との間に多数キャリアの流れの障壁となるポテンシャルバリアが形成されて、横方向のリーク電流が流れにくくなり、集積型光電変換装置の効率を高くするとともに、特性を安定させて高い歩留まりを得ることができる。
【００１９】
さらに、前記低濃度ドープ領域を、前記半導体分割溝の両側に設けるようにすれば、前記半導体分割溝の両側の発電領域それぞれに対してｐｎ逆接合部を介しての前記横方向リーク電流の抑制を実現することができるので、特性を安定させて高い歩留まりを得る効果をより一層強めることができる。
【００２０】
また、本発明の集積型光電変換装置は、前記低濃度ドープ領域のドーピング元素濃度が、この低濃度ドープ領域外、少なくとも前記発電領域内のｐｎ逆接合部のドーピング元素濃度の１／１０以下であることを特徴とする。
【００２１】
この構成としたことによって、低濃度ドープ領域とこの外部の高濃度ドープ領域との間に形成されるポテンシャルバリアの効果をより確実なものとし、有効に多数キャリアを低減させ、本発明の目的を達成することが可能となる。
【００２２】
そして、本発明の集積型光電変換装置は、前記ｐｎ逆接合部を構成する互いに逆の導電型を有する半導体膜に含有される少なくとも２種のドーピング元素が、前記低濃度ドープ領域において、相互の半導体膜内に拡散していることを特徴とする。
【００２３】
このように、ｐｎ逆接合部の低濃度ドープ領域で、互いに逆導電型として働くｐ型ドーピング元素とｎ型ドーピング元素とを相互の半導体膜内に拡散させて存在させたことによって、ドーピング元素濃度自体が減ずると同時に、これらの元素同士がドーピング特性を互いに相殺し合うため、多数キャリア密度を極めて有効に低減させ、本発明の目的を達成することが可能となる。
【００２４】
また、本発明の集積型光電変換装置は、本発明の集積型光電変換装置の前記低濃度ドープ領域をレーザー照射によって形成したことを特徴とする。
【００２５】
このように、高濃度ドープ領域のｐｎ逆接合部にレーザー照射を行うことによって、局所的に加熱され、ドーピング元素を高濃度ドープ領域から半導体層中の上下方向に拡散させて、ごく簡単に低濃度ドープ領域を形成することができる。また、単純なドーピング元素の拡散だけではなく、ｐｎ逆接合部で互いに逆導電型として働くｐ型ドーピング元素とｎ型ドーピング元素とを相互拡散させる構造も同時に形成することができるので、レーザー照射によって形成された低濃度ドープ領域は、極めて有効に多数キャリアを低減させ、本発明の目的を達成することができる。
【００２６】
なお、本発明において、ドーピング元素の濃度はＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）によって求めることができ、その濃度値は、分析する領域内の異なるポイントを５箇所以上測定し、その平均値を採用するものとする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る集積型光電変換装置の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。
【００２８】
図１は、多接合型素子を用いた集積型光電変換装置の一例として、半導体光電変換ユニットが２つ積層されたタンデム型の集積型光電変換装置の構造を示す。
【００２９】
ここで図１中、１０１は透光性基板、１０２は表電極層、１０３は表電極分割溝、１０４はタンデム型半導体光電変換層、１０４ａは第１の半導体光電変換ユニット、１０４ｂは第２の半導体光電変換ユニット、１０５は半導体層分割溝、１０６は裏電極層、１０７は裏電極分割溝、１０８はｐｎ逆接合部（高濃度ドープ領域のｐｎ逆接合部）、１０９は低濃度ドープ領域のｐｎ逆接合部、１１０は発電領域、１１１は非発電領域、１１２は接続導体である。
【００３０】
透光性基板１０１はガラスよりなり、その上に、ＳｎＯ２などの透明導電体からなる表電極層１０２が形成されている。そして、水素化アモルファスシリコンを含有するｐｉｎ構造を有する第１の半導体光電変換ユニット１０４ａ、結晶質シリコンを含有するｐｉｎ構造を有する第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂが積層されている。このとき、第１の半導体光電変換ユニット１０４ａのｎ型半導体層と、第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂのｐ型半導体層とが、互いに接合し、ｐｎ逆接合部１０８を形成している。このｐｎ逆接合部１０８は、電気的接続特性（多数キャリアの再結合特性）を高めるために、１×１０１８／ｃｍ３以上の非常に高濃度なドープ領域となっている。
【００３１】
また、表電極分割溝１０３、裏電極分割溝１０７、半導体層分割溝１０５は、透光性基板１０１の上に積層された光電変換機能を有する積層体を分割する分割溝としての役割を有し、これらにより、上記積層体が分割されて、複数の光電変換セルが透光性基板１０１上に形成されている。
【００３２】
そして、半導体層分割溝１０５は、内部に表電極層１０２が露出するように形成されており、この半導体層分割溝１０５内に配された接続導体１１２によって、隣接する光電セル同士の表電極層１０２と裏電極層１０６とが直列接続される。なお、接続導体１１２は、半導体層分割溝１０５内部を埋めるように裏電極層１０６を形成することにより、裏電極層１０６の一部として形成されることが多い。
【００３３】
また、発電領域１１０は、光電変換セルの中で光電変換機能を有するとともに、変換した電気エネルギーが有効に利用される部分であり、一素子内での表電極層１０２と裏電極層１０６が光入射側から見て重なっている部分が該当する。これに対して、非発電領域１１１は、上記発電領域１１０以外の部分が該当する。図１では、半導体層分割溝１０５を挟んで表電極分割溝１０３と裏電極分割溝１０７で挟まれた部分が該当し、この部分は、光が入射されれば光励起キャリアを生成する部分であるが、接続導体１１２によって短絡状態にあるので、光電変換した電気エネルギーが有効に利用されないばかりか、むしろ、非発電領域１１１の素子全体に占める面積割合が大きいと、この部分での光電流（発電領域で生成する光電流とは回路的に反対方向となる）の存在によって素子の短絡電流値Ｊｓｃを低下させる作用さえ有する。なお、図は説明のため、非発電領域１１１を大きく横に引き延ばして記載しているが、実際は可能な限り効率を高めるよう、発電領域１１０の全面積に対して、非発電領域１１１は５〜１０％程度以下となるよう小さく作製される。
【００３４】
ここで、本発明においては、非発電領域１１１におけるｐｎ逆接合部１０８のドーピング元素濃度が、発電領域１１０におけるｐｎ逆接合部１０８のドーピング元素濃度よりも、低くなっている低濃度ドープ領域１０９が存在することを特徴とするが、この本発明の構成を有する集積型光電変換装置が奏する具体的な作用について、説明する。
【００３５】
まず、光が透光性基板１０１側から入射すれば、透明導電体からなる表電極層１０２を透過し、第１の半導体光電変換ユニット１０４ａ、および第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂにおいて光電変換され光起電力が生ずる。特に、第１の半導体光電変換ユニット１０４ａは水素化アモルファスシリコンを光活性層に含んでいるので、短波長光に対して高い光吸収特性を有し、第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂは、結晶質シリコン膜を光活性層に含んでいるので、長波長光にまで高い光吸収特性を有する。そのため、入射光の広い波長範囲にわたって、光電変換が可能となり、装置全体としての変換効率の向上を図ることができる。
【００３６】
そして、半導体層分割溝１０５内に配された接続導体１１２によって、隣接する光電セル同士の表電極層１０２と裏電極層１０６とが直列接続され、必要とする電圧を得ることができる。
【００３７】
ここで、従来の構造では、高濃度ドープ領域となったｐｎ逆接合部１０８と分割溝中の接続導体１１２とが接触して、横方向にリークが生じ、素子特性を悪化させる。それに対して、本発明においては、光電変換セルの発電領域１１０の端部から分割溝中の接続導体１１２までの非発電領域１１１に、非発電領域１１１におけるｐｎ逆接合部１０８のドーピング元素濃度が、発電領域１１０におけるｐｎ逆接合部１０８のドーピング元素濃度よりも、低くなっている低濃度ドープ領域１０９が存在するので、低濃度ドープ領域１０９とその領域外にある高濃度ドープ領域との間に多数キャリアの流れの障壁となるポテンシャルバリアが形成されて、横方向のリーク電流が流れにくくなるという効果を奏する。その結果、本発明を適用した集積型光電変換装置は、高効率となり、特性が安定するので、高い歩留まりを得ることができる。
【００３８】
このような本発明にかかる集積型光電変換装置を実現する工程の一例について以下説明する。なお、以下では、光電変換ユニットにＳｉ系膜を用いた場合（薄膜Ｓｉ系太陽電池）を例にとって説明するが、他の材料を用いた場合でも本発明の有効性に本質的な差異はない。
【００３９】
まず透光性基板１０１を用意する。ここで透光性基板１０１としては、ガラス、プラスチック、樹脂などを材料とした板材あるいはフィルム材を用いることができる。
【００４０】
次に、透光性基板１０１上に表電極層１０２を形成する。表電極層１０２としては、公知の酸化物透明導電膜を用いることができる。具体的には、スズ酸化物であるＳｎＯ２、インジウム−スズ酸化物であるＩＴＯ、亜鉛酸化物であるＺｎＯなど材料を用いることができる。なお、透明導電膜は、後にこの膜上にＳｉ膜を形成するときに、ＳｉＨ４とＨ２を使用することに起因した活性水素ガス雰囲気に曝されることになるので、耐還元性に優れるＺｎＯ膜を少なくとも最終表面として形成するのが望ましい。製膜方法としては、ＣＶＤ法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、スプレー法、及びゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。透明導電膜の膜厚は、反射防止効果と低抵抗化を考慮して６０〜６００ｎｍ程度の範囲で調節する。低抵抗化の目安としてはシート抵抗を約１０Ω／□程度以下とするのが望ましい。
【００４１】
次に、表電極層１０２に表電極分割溝１０３を形成するパターニング加工を施す。これによって、表電極層１０２は複数の領域（複数の素子領域）に分割される。このとき表電極分割溝１０３は、レーザースクライブ法で加工形成するのが望ましい。このときレーザーとしては、例えばＹＡＧの基本波（波長１．０６μｍ）を用い、パワーは表電極層１０２の厚さによって調節する。例えば表電極層１０２としてＳｎＯ２を５００ｎｍとした場合、レーザーパワーは加工点において１〜４Ｗ程度の範囲で調節すればよい。なお加工幅については５０〜１００μｍ程度にする。またレーザーの照射はガラス面側からの照射とし、ガラス面側が重力的に上側になるようにして（すなわち膜面側が重力的に下側になるようにして）、レーザー加工時に発生するアブレーション屑が膜表面（デバイスが作製される面）に付着しにくくすることが望ましい（これは以下に述べるいずれのレーザー加工工程においても適用されることが望ましい）。
【００４２】
なお、表電極分割溝１０３の形成には、レーザースクライブ法の他に、酸性液をもちいたウェットエッチング法を用いることもできる。例えば、ＳｎＯ２のウェットエッチングには、亜鉛ＺｎをＳｎＯ２膜上に均一に散布しておいて、この上に塩酸ＨＣｌを霧状に噴霧すれば、ＺｎとＨＣｌとの反応によって大量の活性水素が発生し、これがＳｎＯ２を金属Ｓｎに還元し、金属Ｓｎが酸に溶けることによってＳｎＯ２膜がエッチングされる。しかしながら、簡便かつ低コスト加工を実現できるレーザースクライブ法を用いる方が望ましい。
【００４３】
次に、第１の半導体光電変換ユニット１０４ａと第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂとを積層形成し、タンデム型半導体光電変換層１０４を形成する。
【００４４】
まず、前工程でパターニング加工された表電極層１０２上に第１の半導体光電変換ユニット１０４ａを形成する。第１の半導体光電変換ユニット１０４ａは、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層が順次積層されたｐｉｎ接合からなる（不図示）。
【００４５】
製法としては公知のＰＥＣＶＤ法やＣａｔ−ＣＶＤ法の他に、本発明者らが既に特許文献３、特願２００１−２９３０３１号明細書、および特願２００２−３８６８６号明細書などにおいて開示しているＣａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いることができる。
【００４６】
ここで、ｐ型層については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は前記材料に応じて２〜１００ｎｍ程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３程度として、実質的にはｐ＋型とする。なお製膜時に用いるＳｉＨ４、Ｈ２およびドーピング用ガスであるＢ２Ｈ６などのガスに加えてＣＨ４などのＣ（炭素）を含むガスを適量混合すればＳｉｘＣ１−ｘ膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、Ｃ以外にもＯ（酸素）を含むガスやＮ（窒素）を含むガスを適量混合させても同様な効果を得ることができる。
【００４７】
また、光活性層であるｉ型層については、水素化アモルファスシリコン膜を用い、膜厚は０．１〜０．５μｍ程度の範囲で調節する。実際にはノンドープ膜はわずかにｎ型特性を示すのが通例であるので、この場合はｐ型化ドーピング元素をわずかに含ませて実質的にｉ型となるように調整することができる。
【００４８】
また、ｎ型層については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて２〜１００ｎｍ程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については１×１０１８〜１０２１／ｃｍ３程度として、実質的にはｎ＋型とする。なお製膜時に用いるＳｉＨ４、Ｈ２、およびドーピング用ガスであるＰＨ３などのガスに加えてＣＨ４などのＣ（炭素）を含むガスを適量混合すればＳｉｘＣ１−ｘ膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、Ｃ以外にもＯ（酸素）を含むガスやＮ（窒素）を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。
【００４９】
また、接合特性をより改善するために、前記ｐ型層と光活性層との間や光活性層とｎ型層との間に実質的にｉ型の非単結晶Ｓｉ層や非単結晶ＳｉｘＣ１−ｘ層を挿入してもよい。このときの挿入層の厚さは０．５〜５０ｎｍ程度とする。
【００５０】
ここで、第１の半導体光電変換ユニット１０４ａと次に述べる第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂとのｐｎ逆接合部１０８において良好な電気的接続特性を実現するためには、前記第１の半導体光電変換ユニット１０４ａに含まれるｎ型層と後記第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂに含まれるｐ型層において、少なくとも両者が接する部分では結晶化率を高めておくことが望ましい。これによってより高い確率で両ユニット間での多数キャリアの再結合を生ぜしめることができるので、より優れた電気的接続特性を有するｐｎ逆接合部１０８を実現することができる。
【００５１】
次に、前記第１の半導体光電変換ユニット１０４ａ上に、第２の半導体光電変換ユニット１０４ｂを形成する。半導体光電変換ユニット１０４ｂは、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層が順次積層されたｐｉｎ接合からなり（不図示）、これによって、第１の半導体光電変換ユニット１０４ａのｎ型層との間に、ｐｎ逆接合部１０８を形成することができる。
【００５２】
なお、製法としては公知のＰＥＣＶＤ法やＣａｔ−ＣＶＤ法の他に、本発明者らが既に特許文献３、特願２００１−２９３０３１号明細書、および特願２００２−３８６８６号明細書などにおいて開示しているＣａｔ−ＰＥＣＶＤ法を用いることができる。
【００５３】
ここで、ｐ型層については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて２〜１００ｎｍ程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については１×１０１８〜１１０２１／ｃｍ３程度として、実質的にはｐ＋型とする。なお、製膜時に用いるＳｉＨ４、Ｈ２、およびドーピング用ガスであるＢ２Ｈ６などのガスに加えてＣＨ４などのＣ（炭素）を含むガスを適量混合すればＳｉｘＣ１−ｘ膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、Ｃ以外にもＯ（酸素）を含むガスやＮ（窒素）を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。
【００５４】
また、光活性層であるｉ型層については、微結晶シリコン膜に代表される結晶質シリコン膜を用い、膜厚は１〜３μｍ程度の範囲で調節する。実際にはノンドープ膜はわずかにｎ型特性を示すのが通例であるので、この場合はｐ型化ドーピング元素をわずかに含ませて実質的にｉ型となるように調整することができる。このとき、膜構造としては、結晶面のうち（１１０）面が優先的に成長した結果として生ずる（１１０）面配向の柱状結晶粒の集合体として製膜後の表面形状が光閉じ込めに適した自生的な凹凸構造となるようにするのが望ましい。
【００５５】
また、ｎ型層については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン相を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて２〜１００ｎｍ程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については１×１０１８〜１０２１／ｃｍ３程度として、実質的にはｎ＋型とする。なお製膜時に用いるＳｉＨ４、Ｈ２、およびドーピング用ガスであるＰＨ３などのガスに加えてＣＨ４などのＣ（炭素）を含むガスを適量混合すればＳｉｘＣ１−ｘ膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、Ｃ以外にもＯ（酸素）を含むガスやＮ（窒素）を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。
【００５６】
なお、接合特性をより改善するために前記ｐ型層と光活性層の間や光活性層とｎ型層の間に実質的にｉ型の非単結晶Ｓｉ層を挿入してもよい。このときの挿入層の厚さは０．５〜５０ｎｍ程度とする。
【００５７】
次に半導体層分割溝１０５を形成する。このとき半導体層分割溝１０５は、レーザースクライブ法で加工形成するのが望ましい。レーザーとしては、表電極層１０２が露出された状態で貫通穴深さを止めるために、例えばＹＡＧの第２高調波（波長０．５３μｍ）を用い、パワーは０．１〜０．５Ｗ程度の範囲で半導体光電変換ユニットの厚さによって調節する。こうすることで表電極層１０２は残しつつ、半導体光電変換ユニット１０４ａ及び１０４ｂを優先的・選択的に除去することができる。なお加工幅については５０〜１００μｍ程度にする。
【００５８】
なお、半導体層分割溝１０５の形成には、上述のレーザースクライブ法の他に、酸性液をもちいたウェットエッチング法を用いることもできるが（例えばＨＦ液とＨＮＯ３液を混合した混酸によってエッチングできるが）、レジストの塗布と剥離の工程が必要となり、また廃液酸液の処理にも多大のコストがかかるため、簡便かつ低コスト加工を実現できるレーザースクライブ法を用いる方が望ましい。
【００５９】
なお、半導体層分割溝１０５は、表電極層１０２が露出すればその機能を果たしうるのであって、必ずしも連続した溝状である必要はなく、複数の貫通穴で構成してあってもよい。
【００６０】
次に、裏電極層１０６として、金属膜を形成する。この金属膜材料としては、導電特性および光反射特性に優れるＡｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）などを用いるのが望ましい。製膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スクリーン印刷法などの公知の技術を使用できる。このとき膜厚は、０．１μｍ程度以上とする。
【００６１】
なお、裏電極層１０６は、内部に表電極層１０２が露出した半導体層分割溝１０５を埋めるように形成することが望ましく、これによれば、半導体層分割溝１０５内に配する接続導体１１２も同時に形成することができる。
【００６２】
さらに、裏電極層１０６は、半導体層に接する面側から透明導電膜／金属膜の順に積層された構造とすることがより好ましい。このように半導体層と金属膜の間に透明導電膜を挿入することによって、金属膜成分が半導体層中に拡散して素子特性を劣化させる現象を抑えることができる。また、透明導電膜形成表面に適当な凹凸構造をもたせれば光が有効に散乱されるようになるので太陽電池の効率向上に有効な光閉じ込め効果を増進させることができる。ここで透明導電膜材料としては、前記したようなＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＺｎＯなどを用いることができ、製膜方法としては、ＣＶＤ法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、スプレー法、およびゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。
【００６３】
次に、裏電極層１０６に裏電極分割溝１０７を形成するパターニング加工を施す。これによって、裏電極層１０６は光電変換素子の発電領域１１０に対応した複数の領域に分割される。このとき裏電極分割溝１０７は、レーザースクライブ法で加工形成するのが望ましい。ｐｎ逆接合部１０８が裏電極分割溝１０７の壁面に露出しないように、裏電極分割溝１０７の溝深さは、半導体光電変換ユニット１０４ｂの途中までとするのが望ましいので、例えばＹＡＧの第２高調波（波長０．５３μｍ）を用い、パワーは０．１〜０．５Ｗ程度の範囲で半導体光電変換ユニット１０４ｂの厚さによって調節する。こうすることで半導体光電変換ユニット１０４ｂの一部を残しつつ、裏電極層１０６を優先的に除去することができる。なお加工幅については５０〜１００μｍ程度にする。
【００６４】
以上によって集積型光電変換装置の基本的構造（従来の素子構造）が形成されるが、さらに以下に述べるレーザー照射を行うことで本発明の素子構造が実現される。
【００６５】
すなわち、前記工程までで得られた集積型光電変換装置の非発電領域１１１に対して、透光性基板１０１側からレーザー光照射を行うことによって、局所加熱を行い、高濃度ドープのｐｎ逆接合部１０８のドーピング元素を半導体層中の上下方向に拡散せしめて分散させ、レーザー光照射領域のｐｎ逆接合部１０８のドープ濃度を低減し、ドーピング元素プロファイルを変化させて、低濃度ドープ領域１０９を得る。
【００６６】
このようにｐｎ逆接合部１０８に高濃度で存在していたドーピング元素を半導体層上下方向に拡散分散させて、当初の高濃度ドープ領域を低濃度ドープ領域に変質させることで、従来構造では問題であったｐｎ逆接合部１０８の横方向リークを低下できる。これは、低濃度ドープ領域１０９での多数キャリア密度が低減し、高濃度ドープ領域との間に多数キャリアの流れの障壁となるポテンシャルバリアが形成されて、リーク電流が流れにくくなるからであると考えられる。
【００６７】
さらに、低濃度ドープ領域１０９は、半導体分割溝１０５の両側に設けることが望ましい。これは半導体分割溝１０５の両側の発電領域それぞれに対してｐｎ逆接合部を介しての前記横方向リーク電流の抑制を実現することができるからである。
【００６８】
また、低濃度ドープ領域１０９におけるドーピング元素濃度は、発電領域１１０におけるｐｎ逆接合部１０８のドーピング元素濃度の少なくとも１／１０以下にすることが望ましい。これより大きい値では高抵抗化の効果（リーク電流の低減効果）はほとんど現れてこないからである。
【００６９】
そして、上記低濃度ドープ領域１０９においては、ｐ型ドーピング元素とｎ型ドーピング元素が相互に相手の半導体膜内に拡散した状態となっていることが望ましく、これによって、多数キャリア密度を低下させる効果が一段と高くなる。その理由としては、多数キャリア密度を低下させる効果は、上記の単純なドーピング元素の拡散のみならず、ｐｎ逆接合部１０８で互いに逆導電型として働くｐ型ドーピング元素とｎ型ドーピング元素が相互に拡散してドープ特性を互いに相殺し合っているためではないかと推測される。
【００７０】
なお、このようなレーザー光照射によるｐｎ逆接合部１０８の変質を制御するには、レーザー光の波長と照射強度（パワー）を最適化する必要がある。このときレーザー波長は半導体材料の吸収特性に適した波長を選択する。本実施形態のようにＳｉ系膜を用いている場合は、例えばＹＡＧの第２高調波（波長０．５３μｍ）を用いる。またパワーは半導体光電変換ユニットの厚さによって調節する。本実施形態のようにＳｉ系膜を２〜３μｍ程度積層している場合には、０．１Ｗ程度以下とし、レーザー光照射によって半導体層が不必要に溶融してしまわないように注意してパワー条件を設定する。半導体層が溶融してしまうと不純物はほぼ均一な分布状態となり、半導体光電変換ユニット１０４ａ、１０４ｂそのものの接合特性が破壊され、なおかつ大粒径の状態で結晶固化するので、再結晶化部分が縦方向のリーク領域となってしまうという問題があるからである。
【００７１】
以上によって本発明の集積型光電変換装置を実現することができる。
【００７２】
上述の説明では、２つの半導体光電変換ユニットからなりｐｎ逆接合部をひとつ含むタンデム型薄膜Ｓｉ太陽電池を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができる。
【００７３】
すなわち、本発明は、３つ以上の半導体光電変換ユニットからなりｐｎ逆接合部を２つ以上含む多接合型の光電変換素子にも適用できる。
【００７４】
また、本発明は、Ｓｉ系半導体に限定されることなく、化合物系や有機物系の半導体を用いた場合にも適用できる。
【００７５】
なお、上述の説明では、レーザー照射によるｐｎ逆接合部の作製工程を工程の最後尾にした場合について述べたが、工程順序はこれに限るものではなく、本発明の集積型光電変換装置構造を実現できる限り、任意の工程順序とすることができる。すなわち、ｐｎ逆接合部の作製工程は、複数の半導体光電変換ユニットが積層された後の工程であれば、いずれの工程の前に挿入してもよい。
【００７６】
【実施例】
以下、本発明の集積型光電変換装置の実施例を示す。表１に本発明を適用した集積型光電変換装置と従来技術によるものとの比較を示す。実験素子は、素子面積＝１ｃｍ２、集積数＝１０直列の条件で作製し、半導体光電変換ユニットの光活性層（Ｓｉ膜）は、１ｎｍ／ｓ以上の高速製膜条件で形成し、ｐｎ逆接合部１０８の低濃度ドープ領域１０９はいずれもレーザー照射により形成したものである。また、歩留まりは、変換効率１０％以上を良品としてカウントした場合のものである。
【００７７】
【表１】
2005038907.tif 000003
【００７８】
このように、本発明により特性と歩留まりの双方が向上していることがわかる。これは、本発明の構成により、半導体光電変換ユニット同士のｐｎ逆接合部における横方向リークを低減できたためと考えられる。
【００７９】
また、ＳＩＭＳにより、発電領域１１０のｐｎ逆接合部１０８と低濃度ドープ領域１０９のドーピング元素濃度の測定を行ったところ、低濃度ドープ領域１０９においては、発電領域１１０のｐｎ逆接合部１０８の１／１０以下となっているときに最も良好な素子特性、歩留まりが得られた。
【００８０】
さらに、レーザー照射により形成された低濃度ドープ領域は、ｐ型ドーピング元素であるＢと、ｎ型ドーピング元素であるＰの双方が観測され、いずれも一方の半導体層から他方の半導体層へと拡散し、濃度勾配が生じていることがわかった。このように双方のドーピング元素が拡散した低濃度ドープ領域を有する試料については、いずれも良好な素子特性、歩留まりが得られていた。
【００８１】
なお、ＳＩＭＳ測定は、ドーピング元素のうち、Ｂについては１次イオン源としてＯ２＋を用い、Ｐについては１次イオン源としてＣｓ＋を用いた。また、元素濃度を見積もるにあたっては、分析目的領域内の異なる点を５箇所測定してその平均をとることで行った。
【００８２】
【発明の効果】
本発明の集積型光電変換装置によれば、透光性基板上に、表電極層、光電変換機能を有する半導体光電変換ユニットを２つ以上積層した多接合半導体層、裏電極層を順次積層して形成した積層体を、前記表電極層に設けた表電極分割溝と前記多接合半導体層に設けた半導体層分割溝および前記裏電極層に設けた裏電極分割溝によって複数の発電領域に分割し、かつ隣接する発電領域の表電極層および裏電極層を、前記半導体層分割溝を介して接続導体によって互いに直列接続した集積型光電変換装置において、前記多接合半導体層に設けた半導体層分割溝は、前記表電極分割溝と前記裏電極分割溝とによって挟まれる非発電領域に位置するように、各層に設けた分割溝は互いに位置をずらして設けられ、前記多接合半導体層をなす前記半導体光電変換ユニットは、それぞれ一導電型半導体膜と逆導電型半導体膜とを含むとともに、これら半導体光電変換ユニットは互いに逆導電型の半導体膜同士が接したｐｎ逆接合部を形成するように重畳接合してなり、前記非発電領域内には、ｐｎ逆接合部のドーピング元素濃度が、前記発電領域内のｐｎ逆接合部のドーピング元素濃度に比べて低くなった低濃度ドープ領域が設けられている構成としたので、ｐｎ逆接合部における横方向リークの原因となっている多数キャリア密度を有効に低減させることができ、その結果として、横方向リークを低減させ、高い効率、高い歩留まりを実現することができる。
【００８３】
さらに、低濃度ドープ領域を、半導体分割溝の両側に設けるようにしたので、半導体分割溝の両側の発電領域それぞれに対してｐｎ逆接合部を介しての前記横方向リーク電流の抑制を実現することができ、特性を安定させて高い歩留まりを得る効果をより一層強めることができる。
【００８４】
また、低濃度ドープ領域におけるドーピング元素濃度は、発電領域におけるドーピング元素濃度の１／１０以下としたので、ｐｎ逆接合部における横方向リークを充分に低減することができる。
【００８５】
さらに、低濃度ドープ領域において、相互に逆の導電性を有する２つの半導体層に含有されるドーピング元素が、相手の半導体膜に相互に拡散した構造としたことから、これらの元素同士がドーピング特性を互いに相殺し合わせるため、多数キャリア密度を極めて有効に低減させ、横方向リークを低減させ、より高い効率、より高い歩留まりを得ることができる。
【００８６】
さらに、低濃度ドープ領域は、レーザー照射により形成したので、工程の複雑化、コストアップを招くことなく、容易に本発明の構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る集積型光電変換装置の構造を説明するための図である。
【図２】従来の集積型光電変換装置の一構造を説明するための図である。
【図３】従来の集積型光電変換装置の他の構造を説明するための図である。
【図４】従来の集積型光電変換装置の他の構造を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１：透光性基板
１０２：表電極層
１０３：表電極分割溝
１０４：タンデム型半導体光電変換層
１０４ａ：第１の半導体光電変換ユニット
１０４ｂ：第２の半導体光電変換ユニット
１０５：半導体層分割溝
１０６：裏電極層
１０７：裏電極分割溝
１０８：ｐｎ逆接合部
１０９：低濃度ドープ領域
１１０：発電領域
１１１：非発電領域
１１２：接続導体
【図１】
2005038907.tif 000004
【図２】
2005038907.tif 000005
【図３】
2005038907.tif 000006
【図４】
2005038907.tif 000007