(57)【要約】【課題】  光の有効利用を図るためにアモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く抑えながらも、アモルファスカーボン層と透明電極との剥離を好適に防止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Ｍ１は、透明電極２および半導体層４を備えている。また、半導体層４は、ｐ型半導体層４１、i型半導体層４２、およびｎ型半導体層４３を備えている。さらに、透明電極２とｐ型半導体層４１との間には、高結合比アモルファスカーボン層３が形成されている。高結合比アモルファスカーボン層３におけるＳＰ３／ＳＰ２結合比は、ｐ型半導体層４１のＳＰ３／ＳＰ２結合比よりも高くされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のアモルファスカーボン層からなる第１半導体層と、前記第１半導体層の一面側に設けられた第２導電型の第２半導体層と、を備え、前記第１半導体層における前記第２半導体層が設けられた側の面と反対側の面に透明電極が設けられた光起電力素子において、
前記第１半導体層と前記透明電極層との間に、前記第１半導体層におけるアモルファスカーボンのＳＰ３／ＳＰ２結合比よりも高いＳＰ３／ＳＰ２結合比を有する高結合比アモルファスカーボン層が設けられていることを特徴とする光起電力素子。
【請求項２】
前記高結合比アモルファスカーボン層におけるＳＰ３／ＳＰ２結合比が、前記透明電極側から前記第１半導体層側に移行するにつれて低くなるようにされている請求項１に記載の光起電力素子。
【請求項３】
前記高結合比アモルファスカーボン層に、不純物がドープされている請求項２に記載の光起電力素子。
【請求項４】
前記高結合比アモルファスカーボン層は、ｐ型またはｎ型である請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に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、太陽光などの光が入射すること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】
太陽電池などに用いられる光起電力素子として、従来、炭素を主成分とする半導体層が形成された半導体装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この半導体装置は、ボロンがドープされたアモルファスカーボンからなる第１の層と、この第１の層に隣接され水素が添加されたアモルファス・シリコンからなる第２の層とを有している。これらの第１の層と第２の層との間には、半導体接合を有している。さらに、第１の層における第２の層の反対側の面には、半透明電極が形成されている。このような構成により、光起電力が高く、太陽電池等として好適に使用される半導体装置を得ることができるというものである。
【特許文献１】特開平７−２２６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、上記特許文献１に開示された半導体装置では、アモルファスカーボンからなる第１の層（アモルファスカーボン層）に半透明電極（透明電極）が直接的に形成されている。この種の半導体装置では、光を有効利用するためにアモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く設定している。ＳＰ３／ＳＰ２結合比が低いアモルファスカーボン層と、透明電極との間では高い密着力を得ることが困難である。このため、上記特許文献１に開示された半導体装置では、アモルファスカーボン層と透明電極とが剥離しやすいという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、光の有効利用を図るためにアモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く抑えながらも、アモルファスカーボン層と透明電極との剥離を好適に防止することができる光起電力素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決した本発明に係る光起電力素子は、第１導電型のアモルファスカーボン層からなる第１半導体層と、第１半導体層の一面側に設けられた第２導電型の第２半導体層と、を備え、第１半導体層における第２半導体層が設けられた側の面と反対側の面に透明電極が設けられた光起電力素子において、第１半導体層と透明電極層との間に、第１半導体層におけるアモルファスカーボンのＳＰ３／ＳＰ２結合比よりも高いＳＰ３／ＳＰ２結合比を有する高結合比アモルファスカーボン層が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
アモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比が低い場合、グラファイト的な特徴である層間剥離が顕在化される。このため、透明電極層との間での剥離を助長することとなる。この点、本発明に係る光起電力素子においては、第１半導体層と透明電極層との間に、第１半導体層におけるアモルファスカーボンのＳＰ３／ＳＰ２結合比よりも高いＳＰ３／ＳＰ２結合比を有する高結合比アモルファスカーボン層が設けられている。第１半導体層は、アモルファスカーボン層であることから、高結合比アモルファスカーボン層に対して高い密着性を発揮することができる。このとき、第１半導体層を構成するアモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く抑えておくことができる。また、ＳＰ３／ＳＰ２結合比が高いことから、透明電極層に対しても、比較的高い密着性を発揮することができる。その結果、光の有効利用を図るためにアモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く抑えながらも、アモルファスカーボン層と透明電極との剥離を好適に防止することができる。
【０００７】
ここで、高結合比アモルファスカーボン層におけるＳＰ３／ＳＰ２結合比が、透明電極側から第１半導体層側に移行するにつれて低くなるようにされている態様とすることができる。かかる構成により、光の有効利用を図るためにアモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く抑えながらも、アモルファスカーボン層と透明電極との剥離をさらに好適に防止することができる。
【０００８】
また、高結合比アモルファスカーボン層に、不純物がドープされている態様とすることができる。高結合比アモルファスカーボン層に、不純物がドープされていることにより、高結合比アモルファスカーボン層の厚さを大きくした場合でも、透明電極と第１半導体層との間の電気的接続を好適に保つことができる。したがって、高結合比アモルファスカーボン層を厚くすることができる分、高結合比アモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比の変化量を小さくすることができる。
【０００９】
さらに、高結合比アモルファスカーボン層は、ｐ型またはｎ型である態様とすることができる。このように、高結合比アモルファスカーボン層は、ｐ型またはｎ型のいずれともすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る光起電力素子によれば、光の有効利用を図るためにアモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く抑えながらも、アモルファスカーボン層と透明電極との剥離を好適に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００１２】
図１は本発明の第１の実施形態に係る光起電力素子の側断面図である。本実施形態に係る光起電力素子Ｍ１は、たと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Ｍ１は、透明基板１、透明電極２、高結合比アモルファスカーボン層３、半導体層４および金属電極５を備えている。これらの透明基板１、透明電極２、高結合比アモルファスカーボン層３、半導体層４および金属電極５は、光Ｌの進行方向に沿って、その進行方向の手前側（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。
【００１３】
また、半導体層４は、ｐ型半導体層４１、ｉ型半導体層４２およびｎ型半導体層４３を有している。これらのｐ型半導体層４１、ｉ型半導体層４２およびｎ型半導体層４３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。なお、ここでは、図１に示す各層における上側面を「表面」、下側面を「裏面」として表現している。
【００１４】
透明基板１は、透明電極２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１は、たとえば、ガラスを主成分とし、厚さが２ｍｍとされている。透明基板１は、その表面側から光が入射される一方、その裏面に透明電極２が接合されている。こうして、透明基板１の裏面と透明電極２の表面とが接触している。
【００１５】
透明電極２は、起電力を取り出すための正電極（＋電極）として機能するものである。この透明電極２は、板状を呈しているとともに、光透過性を有している。透明電極２は、たとえば、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２は、その裏面に半導体層４が接合されている。こうして、透明電極２の裏面と高結合比アモルファスカーボン層３の表面とが接触している。
【００１６】
高結合比アモルファスカーボン層３は、透明電極２と半導体層４とを接続する接続層として機能するものである。高結合比アモルファスカーボン層３は、このｉ型半導体層４２は、不純物がドープされていないアモルファスカーボンを主成分とし、ＳＰ３／ＳＰ２結合比がアモルファスカーボン層４１〜４３よりも高く、２．０〜５．５の間とされている。また、高結合比アモルファスカーボン層３の厚さは、３ｎｍとされている。ここで、「ＳＰ２」とは、グラファイトに代表される結合構造である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であるいわゆるダイヤモンド結合をいう。
【００１７】
半導体層４におけるｐ型半導体層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型半導体層４１は、ホウ素が０．１〜３％の範囲でドープ（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型半導体層４１のキャリア濃度は、ｉ型半導体層４２よりも高くなっている。さらに、ｐ型半導体層４１のＳＰ３／ＳＰ２結合比は０．７〜１．０の間とされ、ｐ型半導体層４１の厚さは２０ｎｍとされている。
【００１８】
ｉ型半導体層４２は、光Ｌを吸収して電子およ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型半導体層４２は、不純物が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。また、ｉ型半導体層４２のＳＰ３／ＳＰ２結合比は、０．７〜１．０の間とされている。さらに、ｉ型半導体層４２の厚さは、０．５μｍとされている。
【００１９】
ｎ型半導体層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型半導体層４３は、リンが０．１〜３％の範囲で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型半導体層４３のキャリア濃度は、ｉ型半導体層４２よりも高くなっている。さらに、ｎ型半導体層４３のＳＰ３／ＳＰ２結合比は０．７〜１．０の間とされ、ｎ型半導体層４３の厚さは２０ｎｍとされている。
【００２０】
金属電極５は、起電力を取り出すための負電極（−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型半導体層４３の裏面に接合されている。金属電極５は、たとえば、Ａｇを主成分とし、厚さが２μｍとされている。
【００２１】
次に、本実施形態に係る光起電力素子の作用効果に従来の光起電力素子との比較に基づいて説明する。ここで、比較の対象となる従来の光起電力装置について図２を参照して説明する。図２に示すように、従来の光起電力素子Ｍでは、透明電極２の裏面と半導体層４におけるｐ型半導体層４１の表面とが直接接触している。
【００２２】
本実施形態に係る光起電力素子Ｍ１における表面深さに応じたＳＰ３／ＳＰ２結合比は、図３（ａ）に示すように、透明電極２よりも深い位置にある高結合比アモルファスカーボン層３では半導体層４におけるｐ型半導体層（ａ−Ｃｐ層）４１、ｉ型半導体層（ａ−Ｃｉ層）４２、ｎ型半導体層（ａ−Ｃｎ層）４３も高くなっている。また、ｐ型半導体層（ａ−Ｃｐ層）４１、ｉ型半導体層（ａ−Ｃｉ層）４２、ｎ型半導体層（ａ−Ｃｎ層）４３におけるＳＰ３／ＳＰ２結合比は、互いに同一とされている。
【００２３】
また、図２に示す従来の光起電力素子Ｍ１における表面深さに応じたＳＰ３／ＳＰ２結合比は、図３（ｂ）に示すように、透明電極２よりも深い位置にある半導体層４におけるｐ型半導体層（ａ−Ｃｐ層）４１、ｉ型半導体層（ａ−Ｃｉ層）４２、ｎ型半導体層（ａ−Ｃｎ層）４３では互いに同一とされている。
【００２４】
このような従来の光起電力素子Ｍにおいて、ｐ型半導体層４１において光の有効利用を図るために、たとえばバンドギャップを１〜１．５ｅＶに調整するためには、ＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く、具体的に０．７〜１．０の間とする必要がある。ＳＰ３／ＳＰ２結合比が低いアモルファスカーボン層と透明電極を接合しようとすると、密着力が低く剥離が生じ易くなる。
【００２５】
従来の光起電力素子Ｍでは、透明電極２の裏面と半導体層４におけるｐ型半導体層４１の表面とが直接接触していた。このため、ｐ型半導体層４１と透明基板１との間における剥離が生じ易くなってしまっていた。
【００２６】
これに対して、本実施形態に係る光起電力素子Ｍ１では、透明電極２と半導体層４との間に、高結合比アモルファスカーボン層３が介在されている。高結合比アモルファスカーボン層３は、アモルファスカーボン層との密着性が高いのはもちろん、透明電極などの異種材料との密着性も高いものである。このため、透明電極２と半導体層４との間に、高結合比アモルファスカーボン層３が介在されていることにより、透明電極２と半導体層４との間における密着性を高めることができ、透明電極２と半導体層４との間の剥離を好適に防止することができる。
【００２７】
また、高結合比アモルファスカーボン層３は、数ｎｍ、具体的には３ｎｍ程度の極めて薄い厚さで形成されている。ＳＰ３／ＳＰ２結合比が高い高結合比アモルファスカーボン層３は、電気抵抗が高いが、このように数ｎｍ程度という極めて薄い厚さで形成することにより、トンネル効果を用いて透明電極２と半導体層４との電気的な接続を保つことができる。
【００２８】
よって、本実施形態に係る光起電力素子Ｍ１では、透明電極２と半導体層４との電気的な接続を保つとともに、光の有効利用を図るためにアモルファスカーボン層のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く抑えながらも、アモルファスカーボン層と透明電極との剥離を好適に防止することができる。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る光起電力素子は、上記第１の実施形態と比較して、高結合比アモルファスカーボン層３の構造が主に異なっている。以下、この相違点を中心として、本実施形態に係る光起電力素子について説明する。
【００３０】
図４は、本実施形態に係る光起電力素子の側断面図である。図４に示すように、本実施形態に係る光起電力素子Ｍ２は、上記第１の実施形態と同様、透明電極２と半導体層４との間に高結合比アモルファスカーボン層３１が形成されている。また、本実施形態に係る高結合比アモルファスカーボン層３１におけるＳＰ３／ＳＰ２結合比は、ｐ型半導体層４１のＳＰ３／ＳＰ２結合比よりも高くされている。この点は、上記第１の実施形態と同様である。さらに、本実施形態に係る光起電力素子Ｍ２では、高結合比アモルファスカーボン層３１におけるＳＰ３／ＳＰ２結合比は、図５（ａ）に示すように、透明電極２側からｐ型半導体層４１側に移行するにつれて徐々に低くなるようにされている。具体的には、たとえば、高結合比アモルファスカーボン層３１における透明電極２側のＳＰ３／ＳＰ２結合比を２．０〜５．５の範囲のいずれかとし、高結合比アモルファスカーボン層３１におけるｐ型半導体層４１側のＳＰ３／ＳＰ２結合比を０．７〜１．０の範囲のいずれかとすることができる。その他の点については、上記第１の実施形態と同様の構成を有している。
【００３１】
以上の構成を有する本実施形態に係る光起電力素子Ｍ２は、上記第１の実施形態と同様、透明電極２と半導体層４との電気的な接続を保つとともに、光の有効利用を図るために高結合比アモルファスカーボン層３１のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く抑えながらも、アモルファスカーボン層と透明電極との剥離を好適に防止することができる。
【００３２】
また、図５（ｂ）に示すように、第１の実施形態に係る光起電力素子Ｍ１では、高結合比アモルファスカーボン層３１のｐ型半導体層４１側の界面におけるＳＰ３／ＳＰ２結合比が急激に変化することになる。これに対して、本実施形態に係る光起電力素子Ｍ２では、本実施形態に係る光起電力素子Ｍ２では、透明電極２側からｐ型半導体層４１側に移行するにつれて徐々に低くなるようにされている。このため、高結合比アモルファスカーボン層３１のｐ型半導体層４１側の界面におけるＳＰ３／ＳＰ２結合比の急激な変化を抑制することができる。その結果、透明電極２と半導体層４との間の密着力をさらに向上させることができる。
【００３３】
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る光起電力素子Ｍ３は、上記第１の実施形態と比較して、高結合比アモルファスカーボン層の構造が主に異なっている。以下、この相違点を中心として本実施形態に係る光起電力素子について説明する。
【００３４】
図６は、本実施形態に係る光起電力素子の側断面図である。図６に示すように、本実施形態に係る光起電力素子Ｍ３は、上記第１の実施形態と同様、透明電極２と半導体層４との間に高結合比アモルファスカーボン層３２が形成されている。また、本実施形態に係る高結合比アモルファスカーボン層３２におけるＳＰ３／ＳＰ２結合比は、ｐ型半導体層４１のＳＰ３／ＳＰ２結合比よりも高くされている。この点は、上記第１の実施形態と同様である。
【００３５】
さらに、本実施形態に係る光起電力素子Ｍ３では、高結合比アモルファスカーボン層３２に対して、不純物としてホウ素がドープされており、高結合比アモルファスカーボン層３２の厚さが１０ｎｍとされている。なお、ホウ素以外のドーパントとして、たとえばホウ素以外のIII族元素やヨウ素などを用いることもできる。その他の点については、上記第１の実施形態と同様の構成を有している。
【００３６】
以上の構成を有する本実施形態に係る光起電力素子Ｍ３では、上記第１の実施形態と同様、透明電極２と半導体層４との電気的な接続を保つとともに、光の有効利用を図るために高結合比アモルファスカーボン層３２のＳＰ３／ＳＰ２結合比を低く抑えながらも、アモルファスカーボン層と透明電極との剥離を好適に防止することができる。
【００３７】
また、上記第２の実施形態のように、高結合比アモルファスカーボン層３２のＳＰ３／ＳＰ２結合比を変化させることを考えた場合、ＳＰ３／ＳＰ２結合比の変化量を小さくするためには、高結合比アモルファスカーボン層３２の厚さを大きくすることが考えられる。しかしながら、高結合比アモルファスカーボン層３２の厚さを大きくすると、透明電極２と半導体層４と電気的接続が満足できなくなる可能性が生じる。この点、本実施形態に係る光起電力素子Ｍ３では、高結合比アモルファスカーボン層３２に不純物としてホウ素をドープし、図７（ａ）に示すように不純物ドーピング量を変化させている。このため、図７（ｂ）に示す第２の実施形態に係る光起電力素子Ｍ１の不純物ドーピング量の場合と比較して、高結合比アモルファスカーボン層３２の厚さを大きくでき、１０ｎｍ程度の膜厚としても、透明電極２と半導体層４との間の電気的接続を好適に保つことができる。したがって、高結合比アモルファスカーボン層３２のＳＰ３／ＳＰ２結合比の変化量を小さくしながら、透明電極２と半導体層４との間の電気的接続を好適に保つことができる。
【００３８】
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。たとえば、上記各実施形態では、半導体層４におけるアモルファスカーボン層を、光Ｌの入射側から順にｐ型半導体層４１、ｉ型半導体層４２、ｎ型半導体層４３としているが、ｎ型半導体層、ｉ型半導体層、ｐ型半導体層の順とすることもできる。この場合、透明電極２が負（−）電極、金属電極５が正（＋）電極となる。
【００３９】
また、上記各実施形態では、ｐ型半導体層４１のドーパントとしてホウ素を用いているが、その他のドーパントを用いることもできる。その他のドーパントとしては、たとえばホウ素以外のIII族元素やヨウ素などを用いることができる。さらに、上記実施形態では、ｎ型半導体層４３のドーパントとしてリンを用いているが、その他のドーパントを用いることもできる。その他のドーパントとしては、たとえばリン以外のＶ族元素や窒素などを用いることができる。
【００４０】
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】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光起電力素子の側断面図である。
【図２】従来の光起電力素子の側断面図である。
【図３】（ａ）は第１の実施形態に係る光起電力素子におけるＳＰ２／ＳＰ３結合比を示す線図、（ｂ）は従来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４】第２の実施形態に係る光起電力素子の側断面図である。
【図５】（ａ）は第２の実施形態に係る光起電力素子におけるＳＰ２／ＳＰ３結合比を示す線図、（ｂ）は第１の実施形態に係る光起電力素子におけるＳＰ２／ＳＰ３結合比を示す線図である。
【図６】第３の実施形態に係る光起電力素子の側断面図である。
【図７】（ａ）は第３の実施形態に係る光起電力素子における不純物ドーピング量を示す線図、（ｂ）は第１の実施形態に係る光起電力素子における不純物ドーピング量を示す線図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…透明基板、２…透明電極、３，３１，３２…高結合比アモルファスカーボン層、４…半導体層、４１…ｐ型半導体層、４２…ｉ型半導体層、４３…ｎ型半導体層、５…金属電極、Ｌ…光、Ｍ１〜Ｍ３…光起電力素子。
【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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