(57)【要約】【課題】抵抗損失を増加させることなく、再結合損失を低減することができる光起電力素子を提供する。【解決手段】光起電力素子１では、ｐ層４４とｉ層４６との間に中間ｐ層４５が設けられている。この中間ｐ層４５にあっては、ｐ層４４に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きくされており且つドープ量が少なくされている。そのため、中間ｐ層４５でもって、ｐ層４４からｉ層４６に不純物が拡散して再結合損失が増加するのを抑制できる。さらに、中間ｐ層４５においては、ｐ層４４に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きくされてため、ドープ量が少なくされていても膜抵抗を同程度とすることができる。これは、中間ｐ層４５において、ＳＰ２／ＳＰ３結合比を大きくすると、導体であるグラファイトに近いものとなってその膜抵抗が低下することから、少ないドープ量であっても従来と同程度の膜抵抗が維持されるためである。【選択図】図１
2009152400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体層、第２導電型の第２半導体層、及び前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた真性半導体層を備えた光起電力素子であって、
前記第１半導体層と前記真性半導体層との間に設けられ、前記第１半導体層に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きく且つ不純物添加量が少ない前記第１導電型の第１中間半導体層と、前記第２半導体層と前記真性半導体層との間に設けられ、前記第２半導体層に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きく且つ不純物添加量が少ない前記第２導電型の第２中間半導体層と、の少なくとも一方を有すること、を特徴とする光起電力素子。
【請求項２】
前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記真性半導体層、前記第１中間半導体層及び前記第２中間半導体層は、アモルファスカーボンを含むこと、を特徴とする請求項１記載の光起電力素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の入射によって起電力を発生させる光起電力素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光起電力素子としては、第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第２半導体層と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図４に示すように、このような従来の光起電力素子１０では、真性半導体層１１が、第１半導体層１２と第２半導体層１３とに接触するようにこれらの間に設けられている。これにより、真性半導体層１１を光吸収部として機能させ、光吸収で生じたキャリアの再結合を防止して再結合損失を低下することが図られている。
【特許文献１】特開２００６−４１１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した光起電力素子では、次の問題がある。すなわち、通常、第１半導体層１２及び第２半導体層１３には多量の不純物が添加されている。そのため、前述のように第１半導体層１２及び第２半導体層１３に接触するように真性半導体層１１が設けられると、例えば製造工程中の熱処理において、第１半導体層１２及び第２半導体層１３から真性半導体層１１に不純物が拡散し易く、再結合損失が増加する問題がある。ここで、かかる不純物の拡散を抑制するため、第１半導体層１２及び第２半導体層１３の不純物添加量を少なくすることも考えられるが、この場合には、その膜抵抗が増加してしまい、光起電力素子１０の抵抗損失が増加する問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、抵抗損失を増加させることなく、再結合損失を低減することができる光起電力素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を達成するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、半導体層のＳＰ２／ＳＰ３結合比を大きくすると、半導体層が導体であるグラファイトに近いものとなり、その膜抵抗が低下することを見出した。そこで、半導体層においては、ＳＰ２／ＳＰ３結合比を大きくすることで、少ない不純物添加量であっても従来と同程度の膜抵抗を維持できるという知見を得て、本発明に想到するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明に係る光起電力素子は、第１導電型の第１半導体層、第２導電型の第２半導体層、及び第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた真性半導体層を備えた光起電力素子であって、第１半導体層と真性半導体層との間に設けられ、第１半導体層に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きく且つ不純物添加量が少ない第１導電型の第１中間半導体層と、第２半導体層と真性半導体層との間に設けられ、第２半導体層に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きく且つ不純物添加量が少ない第２導電型の第２中間半導体層と、の少なくとも一方を有すること、を特徴とする。
【０００７】
この光起電力素子は、第１半導体層と真性半導体層との間に設けられた第１中間半導体層と、第２半導体層と真性半導体層との間に設けられた第２中間半導体層と、の少なくとも一方を有している。そして、第１中間半導体層は第１半導体層に対して不純物添加量が少なくされ、第２中間半導体層は第２半導体層に対して不純物添加量が少なくされている。そのため、第１及び第２中間半導体層の少なくとも一方でもって、第１及び第２半導体層の少なくとも一方から真性半導体層に不純物が拡散するのが抑制され、再結合損失が低減されることとなる。ここで、第１及び第２中間半導体層では、上記のように不純物添加量が少なくされていることから、膜抵抗の増加が懸念される。この点、第１及び第２中間半導体層においては、第１及び第２半導体層に対しＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きくされているため、前述したように、第１及び第２半導体層と同程度の膜抵抗とすることができる。従って、本発明によれば、抵抗損失を増加させることなく、再結合損失を低減することができる。なお、この「真性半導体」は、不純物が添加されていない半導体だけでなく、不純物をほとんど含まない半導体や、添加された不純物の影響が十分に小さい半導体を含むものである。
【０００８】
ここで、上記作用効果を好適に奏する構成としては、具体的には、第１半導体層、第２半導体層、真性半導体層、第１中間半導体層及び第２中間半導体層がアモルファスカーボンを含む構成が挙げられる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、抵抗損失を増加させることなく、再結合損失の増加を抑制することが可能となる。その結果、光起電力素子の性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る光起電力素子の概略断面構成図である。本実施形態の光起電力素子１は、例えば太陽電池等の発電機構や光センサ等に採用されるｐ−ｉ−ｎ接合型の光起電力素子であり、光の入射に応じて起電力を発生する。図１に示すように、光起電力素子１は、透明基板２、透明電極３、半導体層４及び金属電極５を備えている。これら透明基板２、透明電極３、半導体層４及び金属電極５は、光Ｌの進行方向に沿って、該進行方向の手前側（図示上側）からこの順に積層されるように配置されている。
【００１２】
透明基板２は、透明電極３と半導体層４と金属電極５とを保持する保持基板として機能するものであり、光透過性を有している。この透明基板２は、例えば、ガラスを主成分とし、厚さが２ｍｍとされている。透明基板２は、その表面２ａ側から光が入射される一方、その裏面２ｂに透明電極３が接合（接触）されている。
【００１３】
透明電極３は、起電力を取り出すための正電極として機能するものである。この透明電極３は、板状を呈していると共に、光透過性を有している。透明電極３は、例えば、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）を主成分とし、抵抗値が２×１０−４Ω・ｃｍ、厚さが０．５μｍとされている。この透明電極３は、その裏面３ｂに半導体層４が接合されている。
【００１４】
半導体層４は、ｐ型半導体領域４１、ｉ型半導体領域４２及びｎ型半導体領域４３を有し、これらは光Ｌの進行方向手前側からこの順に積層されるように設けられている。
【００１５】
ｐ型半導体領域４１は、正孔を収集する正孔収集部として機能するものである。このｐ型半導体領域４１は、ホウ素がドープ（添加）されたアモルファスカーボンを主成分とする半導体からなり、導電型がｐ型（第１導電型）とされている。また、ｐ型半導体領域４１のキャリア濃度は、ｉ型半導体領域４２よりも高くなっている。ｐ型半導体領域４１は、透明電極３の裏面３ｂに形成されたｐ層（第１半導体層）４４と、このｐ層４４の裏面４４ｂに形成された中間ｐ層（第１中間半導体層）４５と、を含んで構成されている。ｐ層４４の厚さは、例えば２０ｎｍとされ、中間ｐ層４５の厚さは、例えば５ｎｍとされている。
【００１６】
ｉ型半導体領域４２は、光Ｌを吸収して電子及び正孔を生成する光吸収部として機能するものである。このｉ型半導体領域４２は、ドープされていないアモルファスカーボンを主成分とする真性半導体からなり、導電型がｉ型（intrinsic semiconductor）とされている。ｉ型半導体領域４２は、中間ｐ層４５の裏面４５ｂに形成されたｉ層（真性半導体層）４６を含んで構成されている。ｉ層４６の厚さは、例えば０．５μｍとされている。
【００１７】
ｎ型半導体領域４３は、電子を収集する電子収集部として機能するものである。このｎ型半導体領域４３は、リンがドープされたアモルファスカーボンを主成分とする半導体からなり、導電型がｎ型（第２導電型）とされている。また、ｎ型半導体領域４３のキャリア濃度は、ｉ型半導体領域４２よりも高くなっている。ｎ型半導体領域４１は、ｉ層４６の裏面４６ｂに形成された中間ｎ層（第２中間半導体層）４７と、この中間ｎ層４７の裏面４７ｂに形成されたｎ層（第２半導体層）４８と、を含んで構成されている。中間ｎ層４７の厚さは、例えば５ｎｍとされ、ｎ層４８の厚さは、例えば２０ｎｍとされている。
【００１８】
金属電極５は、起電力を取り出すための負電極として機能するものである。この金属電極５は、板状を呈しており、ｎ層４８の裏面４８ｂに接合されている。金属電極５は、例えば、Ａｇを主成分とし、厚さが２μｍとされている。
【００１９】
ここで、本実施形態の光起電力素子１では、上述したように、中間ｐ層４５が、ｐ層４４の裏面４４ｂに形成されると共に、ｉ層４６が、中間ｐ層４５の裏面４５ｂに形成されている。つまり、中間ｐ層４５は、ｐ層４４とｉ層４６との間に設けられている。詳言すると、中間ｐ層４５は、ｐ層４４とｉ層４６との双方に接触するようにこれらの間に介在されている。
【００２０】
そして、この中間ｐ層４５にあっては、図２に示すように、ｐ層４４に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きくされており、且つ、図３に示すように、ドープ量（不純物添加量）が少なくされている。具体的には、ｐ層４４では、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が０．７以上１．０未満、ドープ量が０．１％以上３．０％未満とされているのに対し、中間ｐ層４５では、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が１．０以上１．５未満、ドープ量が０．０１％以上０．１％未満とされている。ちなみに、「ＳＰ２」とは、グラファイトに代表される結合構造（いわゆるグラファイト結合）をいい、「ＳＰ３」とは、ダイヤモンドに代表される結合構造（いわゆるダイヤモンド結合）をいう。
【００２１】
さらに、光起電力素子１では、上述したように、中間ｎ層４７が、ｉ層４６の裏面４６ｂに形成されると共に、ｎ層４８が、中間ｎ層４７の裏面４７ｂに形成されている。つまり、中間ｐ層４７は、ｎ層４８とｉ層４６との間に設けられている。詳言すると、中間ｐ層４７は、ｎ層４８とｉ層４６との双方に接触するようにこれらの間に介在されている。
【００２２】
そして、この中間ｎ層４７にあっては、図２に示すように、ｎ層４８に対しＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きく、且つ、図３に示すように、ドープ量が少なくされている。具体的には、ｎ層４８は、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が０．７以上１．０未満、ドープ量が０．１％以上３．０％未満とされているのに対し、中間ｎ層４７は、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が１．０以上１．５未満、ドープ量が０．１％以上３．０％未満とされている。
【００２３】
従って、本実施系形態の光起電力素子１では、中間ｐ層４５及び中間ｎ層４７でもって、ｐ層４４及びｎ層４８からｉ層４６に不純物が拡散して再結合損失が増加するのを抑制することができ、その結果、再結合損失を低減することができる。
【００２４】
さらに、中間ｐ層４５及び中間ｎ層４７においては、ｐ層４４及びｎ層４８に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きくされてため、ドープ量が少なくされていても膜抵抗を同程度とすることができる。これは、中間ｐ層４５及び中間ｎ層４７において、ＳＰ２／ＳＰ３結合比を大きくすると、導体であるグラファイトに近づくことからその膜抵抗が低下し、少ないドープ量であっても従来と同程度の膜抵抗が維持されるためである。
【００２５】
その結果、光起電力素子１によれば、抵抗損失を増加させることなく、再結合損失を低減することができる。つまり、抵抗損失と再結合損失と高水準で両立させることができ、ひいては光起電力素子１の出力及び性能を向上させることができる。
【００２６】
また、光起電力素子１では、上述したように、ｐ型半導体領域４１、ｉ型半導体領域４２及びｎ型半導体領域４３がアモルファスカーボンを主成分としており、半導体層４（ｐ層４４、中間ｐ層４５、ｉ層４６、中間ｎ層４７及びｎ層４８）がアモルファスカーボンを主成分とする（含む）半導体となっている。よって、光起電力素子１によれば、従来のシリコン半導体に比して低コスト化しつつ、上記効果、すなわち抵抗損失を増加させることなく再結合損失を低減するという効果が奏される。
【００２７】
なお、ｉ層４６への不純物の拡散は、例えば製造工程中の熱処理に発生し易い。また、ｉ層４６の再結合損失は、ｉ層４６のライフタイム（寿命）が短くなるのに伴って増加し易い。よって、これらの場合には、抵抗損失を増加させることなく再結合損失を低減するという上記効果の有効性は、顕著となる。
【００２８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００２９】
例えば、上記実施形態の半導体層４では、ｐ型半導体領域４１、ｉ型半導体領域４２及びｎ型半導体領域４３を、光Ｌの入射側からこの順に配置しているが、ｎ型半導体領域４３、ｉ型半導体領域４２及びｐ型半導体領域４１の順に配置してもよい。この場合、透明電極３が負極を構成し、金属電極５が正極を構成する。
【００３０】
また、上記実施形態では、中間ｐ層４５及び中間ｎ層４７を有しているが、これらの何れか一方を有して入ればよい。また、上記実施形態では、ｐ型半導体領域４１のドーパントとしてホウ素を用いたが、ホウ素以外のIII族元素やヨウ素を用いてもよい。また、上記実施形態では、ｎ型半導体領域４３のドーパントとして、リンを用いたが、例えばリン以外のＶ族元素や窒素を用いてもよい。
【００３１】
また、上記実施形態の「真性半導体」には、不純物がドープされていない半導体だけでなく、不純物をほとんど含まない半導体や、ドープされた不純物の影響が十分に小さい半導体を含んでいる。また、本発明は、タンデム型等の多接合型の光起電力素子にも勿論適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る光起電力素子を示す概略断面構成図である。
【図２】図１の光起電力素子におけるＳＰ２／ＳＰ３結合比を示す線図である。
【図３】図１の光起電力素子におけるドープ量を示す線図である。
【図４】従来の光起電力素子を示す概略断面構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…光起電力素子、１０…従来の光起電力素子、４４…ｐ層（第１半導体層）、４５…中間ｐ層（第１中間半導体層）、４６…ｉ層（真性半導体層）、４７…中間ｎ層（第２中間半導体層）、４８…ｎ層（第２半導体層）。
【図１】
2009152400.tif 000003
【図２】
2009152400.tif 000004
【図３】
2009152400.tif 000005
【図４】
2009152400.tif 000006