JP3585621B2

JP3585621B2 - Field effect type photoelectric energy converter

Info

Publication number: JP3585621B2
Application number: JP01662396A
Authority: JP
Inventors: 秀臣鯉沼
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2016-02-01
Also published as: JPH09213987A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電エネルギー変換装置、特に、太陽電池、半導体光センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子には、水素化非晶質珪素等の非晶質を利用したものと、珪素やガリウム砒素等の結晶材料を利用したものの二種類がある。
水素化非晶質珪素を用いた太陽電池および光センサは、図９に示すように、基板１上に上部透明電極２を形成し、その上部透明電極２上にｐ型水素化非晶質珪素３、ｉ型（不純物を添加していないもの）水素化非晶質珪素４、及びｎ型水素化非晶質珪素５を連続的に形成し、さらに下部電極６を形成する。そこで、ｐ型水素化非晶質珪素３、ｉ型水素化非晶質珪素４、ｎ型水素化非晶質珪素５によるｐｉｎ接合によって発生した電場を利用して、電子−正孔対を分離するようにしていた。しかしながら、水素化非晶質珪素においては、多量の結晶欠陥のために価電子制御が効率よく行えず、大きな電場が得られないという問題があった。
【０００３】
十分な電場が得られなければ、光エネルギーによって生成した電子−正孔対は電極に到達するまでに再結合し熱エネルギーに変換されるため、電気的なエネルギーとしては取り出せない。さらに再結合に伴って特性が劣化する（ステブラー・ロンスキー効果）ことも大きな問題である。
一方、結晶半導体を利用した太陽電池及び光センサの場合、従来の典型的な素子は、図１０に示すような構造を有している。つまり、ｐ（またはｎ）型珪素基板１２の下部に電極１１を形成し、その上部にｎ（またはｐ）型拡散層１３を形成し、そのｎ（またはｐ）型拡散層１３上に上部電極としての櫛型電極１４を配置するようにしている。そこで、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合することによって、接合界面に電場を形成し、光エネルギーによって生成された電子−正孔対を、この電場によって分離し、電気エネルギーとして取り出していた。
【０００４】
しかしながら、ｐｎ接合を形成するために多量の不純物（この図ではドナー）を表面から拡散する必要があり、このため少数キャリア寿命が縮まり、再結合によってエネルギー変換効率が低下するという問題があった。
この問題を解決するために、Ｐ．ＶａｎＨａｌｅｎらは不純物拡散層を不要とする素子を開発した。〔Ｐ．ＶａｎＨａｌｅｎｅｔａｌ．，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，ＥＤ−２５，５０７（１９７８）．〕。
【０００５】
この素子の断面を図１１に示す。すなわち、下部電極２１の上にｐ型珪素基板２２を形成し、その表面に極薄（２０〜３０Å）の酸化（ＳｉＯ_２）層（図示なし）を形成し、さらに仕事関数の低いＡｌなどの金属グリッド（櫛型電極）を形成して、ＳｉＯ_２に接するＳｉ界面にｎ型反転層２３を形成する。その表面に珪素酸化膜（ＳｉＯ_２膜）またはチタン酸化（ＴｉＯ_２）膜２５を形成してもよい。この素子においては、不純物を拡散させて接合を形成する代わりに、金属の仕事関数とｐ−Ｓｉのフェルミエネルギー準位の差に基づくショットキー効果によって、半導体表面を反対導電型に反転させ電場を形成する。
【０００６】
しかしながら、この素子構造も、半導体表面を十分に反転させるほどの電場の形成が困難で、実用に至っていない。
また、絶縁膜の表面に、珪素と異なる仕事関数を持った金属を全面に成長させるＭＩＳ構造によっても同様の効果を奏することができるが、入射光量が金属での反射や吸収によって低下するので、この方法はあまり好ましくない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の太陽電池（光センサ）においては、技術的に満足できるものではなかった。
本発明は、上記の状況に鑑みて、強誘電体の自発分極効果によって、強誘電体近傍の半導体内の電場を増大せしめ、光によって発生した電子−正孔対の再結合を抑制し、その結果、光エネルギーの電気エネルギーへの変換効率を向上させることができる電界効果型光電エネルギー変換装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
（Ａ）光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電エネルギー変換装置において、下部電極上に形成されるｐ−ｉ−ｎ又はｎ−ｉ−ｐ接合、あるいはｐ−ｉ又はｎ−ｉ接合を有する水素化非晶質珪素層と、この水素化非晶質珪素層上に形成される櫛型電極および強誘電体層と、上部電極とを備え、前記強誘電体層の自発分極効果によって前記水素化非晶質珪素層に電場を誘起するようにしたものである。
【０００９】
（Ｂ）光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電エネルギー変換装置において、下部電極上に形成されるｐ（又はｎ）型珪素基板と、このｐ（又はｎ）型珪素基板上に形成されるｎ（又はｐ）型反転層と、このｎ（又はｐ）型反転層上に形成される櫛型電極および強誘電体層と、上部電極とを備え、前記強誘電体層の自発分極効果によって前記ｐｎ接合を有する半導体層に電場を誘起するようにしたものである。
【００１０】
（Ｃ）上記（１）又は（２）記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、前記強誘電体層とその下層間に酸化珪素、窒化珪素、酸化セリウム等の絶縁体を挿入するようにしたものである。
（Ｄ）上記（１）又は（２）記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、出力された信号をＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）で転送するようにしたものである。
【００１１】
上記のように構成したので、太陽電池として使用した場合、変換効率が向上するために、同一面積の電池からより多くの出力が得られる。
また、光センサとして使用した場合、変換効率が向上するために、光検出の感度が向上し、この感度向上によって素子の面積を縮小でき、また、集積度を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す水素化非晶質珪素を用いた電界効果型太陽電池の断面図、図１（ａ）はそのｐ−ｉ−ｎ接合の場合を示す図、図１（ｂ）はそのｐ−ｉ又はｎ−ｉ接合で基板に金属を用いた場合を示す図である。
【００１３】
この図に示すように、ガラスやプラスチック等の基板３１の上に下部電極３２を形成し、この上にｐ型水素化非晶質珪素層３３、ｉ型水素化非晶質珪素層３４、ｎ型水素化非晶質珪素層３５を順次プラズマＣＶＤ法によって成長させる。もし、基板３１がガラスで、下部電極３２も透明ならば、当然光は下面から導入してもよい。基板３１として金属を用いた場合は、下部電極３２と共有できる。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、水素化非晶質珪素層にｎ−ｉ−ｐ構造を設けるようにしたが、当然ｐ−ｉ−ｎ構造でもよい。また、図１（ｂ）に示すように、最上層３５を省略し、ｉ−ｐ構造やｉ−ｎ構造だけでも電界効果によって十分な電界が得られる。
次に、ｎ型水素化非晶質珪素層３５上に櫛型電極３６を形成し、この上に強誘電体層３７を成長させる。強誘電体としてはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）やＰＺＴ（ＰｂＺｒｘＴ_{１１−Ｘ}Ｏ_３）等多くの材料が知られており、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積法などによって容易に形成できる。さらに、表面に上部電極としての透明導電膜３８（金属膜）を形成する。
【００１５】
このようにして得られた水素化非晶質珪素を用いた太陽電池をデバイスシミュレーター“ＭＥＤＩＣＩ”を使用して、強誘電体を用いた場合と用いない場合についてその特性を計算した。計算の条件を表１にまとめる。
【００１６】
【表１】

【００１７】
すなわち、（１）移動度は、電子の場合は２ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ、ホールの場合は１ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ、（２）寿命は、電子の場合は７ｎｓｅｃ、ホールの場合は７ｎｓｅｃ、（３）移動度ギャップは、１．５ｅＶ、（４）光強度は、４×１０^１７ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓｅｃ・ｃｍ^２、（５）吸収長は、０．２ｍｉｃｒｏｎ、（６）使用ソフトは、２次元デバイスシミュレーターＭＥＤＩＣＩ、（７）櫛型電極間隔は、３０μｍ、（８）非晶質珪素膜厚は、２μｍ、（９）ｎ型不純物濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３、（１０）ｐ型不純物濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３である。
【００１８】
図２に従来の強誘電体層なしの場合の太陽電池内での電子と正孔の再結合速度を、図３に本発明の強誘電体層を有する場合の太陽電池内での電子と正孔の再結合速度をそれぞれ示している。すなわち、図２及び図３において、Ｘ軸は太陽電池の縦断面方向、Ｙ軸は太陽電池の横断面方向、Ｚ軸はその部位のｌｏｇ電子・正孔再結合速度〔絶対値〕（ｃｍ^−３・ｓｅｃ^−１）を示している。
【００１９】
図４は従来の太陽電池と本発明の太陽電池の電流−電圧特性図であり、縦軸は電流（１０^−９Ａ／μｍ）、横軸は電圧（Ｖ）を示している。
この図において、曲線ａは従来の強誘電体層なしの場合の太陽電池、曲線ｂは本発明の強誘電体層を有する場合の太陽電池のそれぞれの電流−電圧特性を示している。
【００２０】
図５は従来の太陽電池と本発明の太陽電池の出力−負荷特性図であり、縦軸はパワー（１０^−３Ｗ／ｃｍ^２）、横軸は負荷（Ω−ｃｍ^２）を示している。
この図において、曲線ａは従来の強誘電体層なしの場合の太陽電池、曲線ｂは本発明の強誘電体層を有する場合の太陽電池のそれぞれの電流−電圧特性を示している。
【００２１】
これらの計算結果から明らかなように、強誘電体の自発分極効果によって誘起された電場の増大によって、電子と正孔の再結合速度が抑制され、電気的エネルギーの出力が向上していることがわかる。
この実施例の計算例は太陽電池を仮定したが、太陽電池と光センサは基本構造が同一である。したがって、この技術を光センサとして使用しても、同様の改善がみられることは言うまでもない。
【００２２】
図６は本発明の第２実施例を示す結晶珪素を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。
この図に示すように、下部に電極４１を付けたｐ型珪素基板４２上に、ドナー注入により形成したｎ型部４３と金属を組合わせた櫛型電極４３，４４を配置する。それ以外の表面に強誘電体層４５を形成するようにしている。さらに、その上に上部電極３８を形成する。この電極は強誘電体層を分極後、エッチングにより除去する。但し、透明電極の場合は、そのまま残しておいてもよく、反射防止効果も期待できる。つまり、この実施例は、第１実施例に示した水素化非晶質珪素のかわりにバルク結晶を使用すること以外は水素化非晶質珪素の構造とほぼ同一である。
【００２３】
図７は本発明の第３実施例を示す水素化非晶質（ａ）又は結晶珪素（ｂ）を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。なお、第１実施例〔水素化非晶質太陽電池（図１）〕と同じ部分については、同じ符号を付してそれらについての説明は省略する。
この実施例では、強誘電体層３７とｎ型水素化非晶質珪素層３５の間に、酸化珪素、窒化珪素、酸化セリウム等の絶縁体層３９を挿入する点が、第１実施例のものと相違し、その他の点は同じである。
【００２４】
このように構成することにより、第１実施例とほぼ同様な効果が得られ、半導体表面における再結合を抑制する効果がある。
強誘電体材料を分極させるための電極は、強誘電体材料を分極させた後、エッチングによって取り除かれるが、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）等の透明な電極を使用した場合はエッチングせず、強誘電体層３７の上に残しておいてもよい。
【００２５】
図８は本発明の第４実施例を示す水素化非晶質珪素太陽電池をＣＣＤ上に積層した２次元イメージセンサの断面図である。
この図に示すように、ｐ型珪素基板５１にｎ型拡散層からなる蓄積ダイオード５２とＣＣＤ５３を形成し、これらに対応した転送ゲート電極５４とＣＣＤゲート５５を形成する。絶縁層５６を形成し、蓄積ダイオード５２にコンタクトをとった下部電極５７を形成する。この下部電極５７上にｎ型水素化非晶質珪素層５８、ｉ型水素化非晶質珪素層５９、ｐ型水素化非晶質珪素層６０を順次プラズマＣＶＤ法によって成長させる。ｐ型水素化非晶質珪素層６０上には強誘電体層６１を形成する。
【００２６】
このように構成したので、上層の光センサで効率よく集められた信号（電子）は、下層のｐ型珪素基板５１内に作られた蓄積ダイオード５２に溜められ、転送ゲート電極５４に正電圧が加わったときに、ＣＣＤゲート５５により、ＣＣＤ５３に転送される。この信号はＣＣＤ５３中を伝わって増幅器（図示なし）まで転送される。
【００２７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）太陽電池として使用した場合、変換効率が向上するために、同一面積の電池から、より多くの出力が得られる。
【００２９】
（２）光生成キャリアの再結合が抑制されるため、水素化非晶質太陽電池の光劣化が低減され、信頼性が向上する。
（３）光センサとして使用した場合、変換効率が向上するために、光検出の感度が向上する。
（４）光センサとして使用した場合においては、この感度向上によって素子の面積を縮小でき、また、集積度を向上させることができる。
【００３０】
（５）また、強誘電体層の成長は安価にできるため、製造価格の増加はほとんどない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す水素化非晶質珪素を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。
【図２】従来の強誘電体層なしの場合の太陽電池内での電子と正孔の再結合速度を示す図である。
【図３】本発明の強誘電体層を有する場合の太陽電池内での電子と正孔の再結合速度を示す図である。
【図４】従来の太陽電池と本発明の太陽電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図５】従来の太陽電池と本発明の太陽電池の出力−負荷特性を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す結晶珪素を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。
【図７】本発明の第３実施例を示す水素化非晶質（ａ）または結晶珪素（ｂ）を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。
【図８】本発明の第４実施例を示す水素化非晶質珪素を用いた電界効果型太陽電池をＣＣＤ上に積層した２次元イメージセンサの断面図である。
【図９】従来の水素非晶質珪素を用いた太陽電池の断面図である。
【図１０】従来の結晶半導体を利用した太陽電池の断面図である。
【図１１】従来の不純物拡散層を不要とした太陽電池の断面図である。
【符号の説明】
３１基板
３２，４１，５７下部電極
３３，６０ｐ型水素化非晶質珪素層
３４，５９ｉ型水素化非晶質珪素層
３５，５８ｎ型水素化非晶質珪素層
３６，４４櫛型電極
３７，４５，６１強誘電体層
３８上部電極
３９絶縁体層
４２，５１ｐ型珪素基板
４３ｎ型珪素層
５２蓄積ダイオード
５３ＣＣＤ
５４転送ゲート電極
５５ＣＣＤゲート
５６絶縁層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric energy conversion device that converts light energy into electric energy, and particularly to a solar cell and a semiconductor light sensor.
[0002]
[Prior art]
There are two types of semiconductor elements that convert light energy into electric energy, those using amorphous materials such as hydrogenated amorphous silicon and those using crystalline materials such as silicon and gallium arsenide.
As shown in FIG. 9, a solar cell and an optical sensor using hydrogenated amorphous silicon have an upper transparent electrode 2 formed on a substrate 1 and a p-type hydrogenated amorphous silicon formed on the upper transparent electrode 2. 3. An i-type (without adding impurities) hydrogenated amorphous silicon 4 and an n-type hydrogenated amorphous silicon 5 are continuously formed, and a lower electrode 6 is further formed. Therefore, an electron-hole pair is separated using an electric field generated by a pin junction of the p-type hydrogenated amorphous silicon 3, the i-type hydrogenated amorphous silicon 4, and the n-type hydrogenated amorphous silicon 5. I was trying to do it. However, hydrogenated amorphous silicon has a problem that valence electrons cannot be controlled efficiently due to a large number of crystal defects, and a large electric field cannot be obtained.
[0003]
If a sufficient electric field is not obtained, electron-hole pairs generated by light energy recombine and reach thermal energy before reaching the electrode, and therefore cannot be extracted as electrical energy. Further, it is also a major problem that the characteristics are deteriorated due to the recombination (Stepler-Lonski effect).
On the other hand, in the case of a solar cell and an optical sensor using a crystalline semiconductor, a typical conventional element has a structure as shown in FIG. That is, the electrode 11 is formed below the p (or n) type silicon substrate 12, the n (or p) type diffusion layer 13 is formed thereon, and the upper electrode is formed on the n (or p) type diffusion layer 13. Is arranged. Therefore, an electric field is formed at the junction interface by joining a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, and electron-hole pairs generated by light energy are separated by the electric field and extracted as electric energy.
[0004]
However, in order to form a pn junction, a large amount of impurities (donor in this figure) must be diffused from the surface, which has the problem that the minority carrier lifetime is shortened and the energy conversion efficiency is reduced by recombination.
In order to solve this problem, P.S. Van Hallen et al. Have developed an element that does not require an impurity diffusion layer. [P. Van Hallen et al. , IEEE Transactions on Electron Devices, ED-25,507 (1978). ].
[0005]
FIG. 11 shows a cross section of this element. That is, a p-type silicon substrate 22 is formed on the lower electrode 21, an ultra-thin (20-30 °) oxide (SiO ₂ ) layer (not shown) is formed on the surface thereof, A metal grid (comb-shaped electrode) is formed, and an n-type inversion layer 23 is formed at the Si interface in contact with SiO ₂ . A silicon oxide film (SiO ₂ film) or a titanium oxide (TiO ₂ ) film 25 may be formed on the surface. In this device, instead of diffusing impurities to form a junction, the semiconductor surface is inverted to the opposite conductivity type by the Schottky effect based on the difference between the work function of the metal and the Fermi energy level of p-Si, and the electric field is changed. Form.
[0006]
However, this element structure is not practical because it is difficult to form an electric field enough to sufficiently reverse the semiconductor surface.
A similar effect can also be obtained by a MIS structure in which a metal having a work function different from that of silicon is grown on the entire surface of the insulating film, but the amount of incident light is reduced by reflection or absorption by the metal. This method is less preferred.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventional solar cells (optical sensors) have not been technically satisfactory.
In view of the above situation, the present invention increases the electric field in the semiconductor near the ferroelectric by the spontaneous polarization effect of the ferroelectric, suppresses the recombination of electron-hole pairs generated by light, As a result, an object of the present invention is to provide a field effect type photoelectric energy conversion device capable of improving the conversion efficiency of light energy into electric energy.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object,
(A) In a photoelectric energy conversion device for converting light energy into electric energy, hydrogenation having a pin or nip junction formed on a lower electrode, or having a pi or ni junction An amorphous silicon layer; a comb-shaped electrode and a ferroelectric layer formed on the hydrogenated amorphous silicon layer; and an upper electrode, and the hydrogenated non-hydrogenated layer is formed by a spontaneous polarization effect of the ferroelectric layer. An electric field is induced in the crystalline silicon layer.
[0009]
(B) In a photoelectric energy conversion device for converting light energy into electric energy, a p (or n) silicon substrate formed on a lower electrode and an n (n) formed on the p (or n) silicon substrate are formed. Or a p) type inversion layer, a comb-shaped electrode and a ferroelectric layer formed on the n (or p) type inversion layer, and an upper electrode, and the pn is formed by a spontaneous polarization effect of the ferroelectric layer. An electric field is induced in a semiconductor layer having a junction.
[0010]
(C) In the field effect type photoelectric energy conversion device according to the above (1) or (2), an insulator such as silicon oxide, silicon nitride, cerium oxide or the like is inserted between the ferroelectric layer and the lower layer. Things.
(D) In the field effect type photoelectric energy conversion device according to the above (1) or (2), the output signal is transferred by a CCD (Charge Coupled Device).
[0011]
With the configuration described above, when used as a solar cell, more output can be obtained from a battery having the same area because the conversion efficiency is improved.
In addition, when used as an optical sensor, the conversion efficiency is improved, so that the sensitivity of light detection is improved. With the improvement in sensitivity, the area of the element can be reduced and the degree of integration can be improved.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a field-effect solar cell using hydrogenated amorphous silicon showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 (a) is a view showing the case of a pin junction thereof. FIG. 1 (b) is a diagram showing a case where a metal is used for the substrate in the pi or ni junction.
[0013]
As shown in this figure, a lower electrode 32 is formed on a substrate 31 such as glass or plastic, and a p-type hydrogenated amorphous silicon layer 33, an i-type hydrogenated amorphous silicon layer 34, Type hydrogenated amorphous silicon layer 35 is sequentially grown by plasma CVD. If the substrate 31 is glass and the lower electrode 32 is also transparent, light may naturally be introduced from the lower surface. When a metal is used as the substrate 31, it can be shared with the lower electrode 32.
[0014]
As shown in FIG. 1A, the nip structure is provided in the hydrogenated amorphous silicon layer. However, a pin structure may be used as a matter of course. Further, as shown in FIG. 1B, the uppermost layer 35 is omitted, and a sufficient electric field can be obtained by the electric field effect only by the ip structure or the inn structure.
Next, a comb electrode 36 is formed on the n-type hydrogenated amorphous silicon layer 35, and a ferroelectric layer 37 is grown thereon. Strength known barium titanate (BaTiO ₃₎ or _{_{PZT (PbZrxT 1 1-X O}} 3) , etc. Many materials as dielectric, a sputtering method, a vacuum deposition method, can be easily formed by a pulsed laser deposition . Further, a transparent conductive film 38 (metal film) as an upper electrode is formed on the surface.
[0015]
The characteristics of the thus obtained solar cell using hydrogenated amorphous silicon were calculated using a device simulator “MEDICI” with and without using a ferroelectric. Table 1 summarizes the calculation conditions.
[0016]
[Table 1]

[0017]
That is, (1) mobility in the case of electronic ^{2cm 2} / V · sec, in the case of holes ^{1cm 2 / V · sec, (} 2) life, in the case of electronic 7Nsec, in the case of holes 7Nsec, ( 3) Mobility gap is 1.5 eV, (4) light intensity is 4 × 10 ¹⁷ photons / sec · cm ² , (5) absorption length is 0.2 micron, (6) software used is a two-dimensional device Simulator MEDICI, (7) interdigital electrode spacing is 30 μm, (8) amorphous silicon film thickness is 2 μm, (9) n-type impurity concentration is 5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ , (10) p-type impurity The concentration is 5 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ .
[0018]
FIG. 2 shows the recombination rate of electrons and holes in a solar cell without the conventional ferroelectric layer, and FIG. 3 shows the electron and positive recombination rates in the solar cell with the ferroelectric layer of the present invention. The rate of recombination of the pores is indicated. That is, in FIG. 2 and FIG. 3, the X axis is the longitudinal section direction of the solar cell, the Y axis is the transverse section direction of the solar cell, and the Z axis is the log electron / hole recombination velocity [absolute value] (cm ^{− 3} · sec ⁻¹ ).
[0019]
FIG. 4 is a current-voltage characteristic diagram of a conventional solar cell and the solar cell of the present invention. The vertical axis indicates current (10 ⁻⁹ A / μm), and the horizontal axis indicates voltage (V).
In this figure, curve a shows the current-voltage characteristics of the conventional solar cell without the ferroelectric layer, and curve b shows the current-voltage characteristics of the solar cell with the ferroelectric layer of the present invention.
[0020]
FIG. 5 is an output-load characteristic diagram of a conventional solar cell and the solar cell of the present invention. The vertical axis indicates power (10 ⁻³ W / cm ² ), and the horizontal axis indicates load (Ω-cm ² ). .
In this figure, curve a shows the current-voltage characteristics of the conventional solar cell without the ferroelectric layer, and curve b shows the current-voltage characteristics of the solar cell with the ferroelectric layer of the present invention.
[0021]
As is evident from these calculations, the increase in the electric field induced by the spontaneous polarization effect of the ferroelectric suppresses the recombination rate of electrons and holes and improves the output of electrical energy. Understand.
Although the calculation example of this embodiment assumes a solar cell, the solar cell and the optical sensor have the same basic structure. Therefore, it goes without saying that a similar improvement can be obtained even when this technology is used as an optical sensor.
[0022]
FIG. 6 is a sectional view of a field-effect solar cell using crystalline silicon according to a second embodiment of the present invention.
As shown in this figure, comb

electrodes

43 and 44 in which an n-type part 43 formed by donor implantation and a metal are combined are arranged on a p-type silicon substrate 42 having an electrode 41 provided below. The ferroelectric layer 45 is formed on the other surface. Further, an upper electrode 38 is formed thereon. This electrode is removed by etching after polarization of the ferroelectric layer. However, in the case of a transparent electrode, it may be left as it is, and an antireflection effect can be expected. In other words, the structure of this embodiment is almost the same as that of the hydrogenated amorphous silicon except that a bulk crystal is used instead of the hydrogenated amorphous silicon shown in the first embodiment.
[0023]
FIG. 7 is a sectional view of a field-effect solar cell using hydrogenated amorphous (a) or crystalline silicon (b) showing a third embodiment of the present invention. The same parts as in the first embodiment [hydrogenated amorphous solar cell (FIG. 1)] are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
This embodiment is different from the first embodiment in that an insulator layer 39 such as silicon oxide, silicon nitride, or cerium oxide is inserted between the ferroelectric layer 37 and the n-type hydrogenated amorphous silicon layer 35. It is different from the above, and the other points are the same.
[0024]
With this configuration, substantially the same effects as in the first embodiment can be obtained, and there is an effect of suppressing recombination on the semiconductor surface.
The electrode for polarizing the ferroelectric material is removed by etching after polarizing the ferroelectric material. However, when a transparent electrode such as ITO (Indium Tin Oxide) is used, the electrode is not etched. It may be left on the body layer 37.
[0025]
FIG. 8 is a sectional view of a two-dimensional image sensor in which a hydrogenated amorphous silicon solar cell according to a fourth embodiment of the present invention is stacked on a CCD.
As shown in the figure, a storage diode 52 and a CCD 53 formed of an n-type diffusion layer are formed on a p-type silicon substrate 51, and a transfer gate electrode 54 and a CCD gate 55 corresponding to these are formed. An insulating layer 56 is formed, and a lower electrode 57 in contact with the storage diode 52 is formed. On this lower electrode 57, an n-type hydrogenated amorphous silicon layer 58, an i-type hydrogenated amorphous silicon layer 59, and a p-type hydrogenated amorphous silicon layer 60 are sequentially grown by a plasma CVD method. A ferroelectric layer 61 is formed on the p-type hydrogenated amorphous silicon layer 60.
[0026]
With this configuration, signals (electrons) efficiently collected by the upper-layer optical sensor are stored in the storage diode 52 formed in the lower-layer p-type silicon substrate 51, and a positive voltage is applied to the transfer gate electrode 54. When it is added, it is transferred to the CCD 53 by the CCD gate 55. This signal is transmitted through the CCD 53 to an amplifier (not shown).
[0027]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
(1) When used as a solar cell, more output can be obtained from a battery having the same area because the conversion efficiency is improved.
[0029]
(2) Since the recombination of photogenerated carriers is suppressed, photodeterioration of the hydrogenated amorphous solar cell is reduced, and the reliability is improved.
(3) When used as an optical sensor, the sensitivity of light detection is improved because the conversion efficiency is improved.
(4) When used as an optical sensor, the area of the element can be reduced and the degree of integration can be improved by improving the sensitivity.
[0030]
(5) Since the ferroelectric layer can be grown at low cost, there is almost no increase in the manufacturing cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a field-effect solar cell using hydrogenated amorphous silicon according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the recombination speed of electrons and holes in a solar cell without a conventional ferroelectric layer.
FIG. 3 is a diagram showing a recombination speed of electrons and holes in a solar cell having a ferroelectric layer of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics of a conventional solar cell and the solar cell of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing output-load characteristics of a conventional solar cell and the solar cell of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of a field-effect solar cell using crystalline silicon according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a field-effect solar cell using hydrogenated amorphous (a) or crystalline silicon (b) showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a two-dimensional image sensor in which a field-effect solar cell using hydrogenated amorphous silicon according to a fourth embodiment of the present invention is stacked on a CCD.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional solar cell using hydrogen amorphous silicon.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional solar cell using a crystalline semiconductor.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a conventional solar cell that does not require an impurity diffusion layer.
[Explanation of symbols]
31

substrate

32, 41, 57 lower electrode 33, 60 p-type hydrogenated amorphous silicon layer 34, 59 i-type hydrogenated amorphous silicon layer 35, 58 n-type hydrogenated

amorphous silicon layer

36, 44

comb type Electrodes

37, 45, 61 Ferroelectric layer 38 Upper electrode 39 Insulator layers 42, 51 P-type silicon substrate 43 N-type silicon layer 52 Storage diode 53 CCD
54 transfer gate electrode 55 CCD gate 56 insulating layer

Claims

In a photoelectric energy conversion device that converts light energy into electric energy,
(A) a hydrogenated amorphous silicon layer formed on a lower electrode;
(B) a comb electrode and a ferroelectric layer formed on the hydrogenated amorphous silicon layer;
(C) an upper electrode;
(D) A field-effect photoelectric energy conversion device that induces an electric field in the hydrogenated amorphous silicon layer by a spontaneous polarization effect of the ferroelectric layer.

In a photoelectric energy conversion device that converts light energy into electric energy,
(A) a p (or n) type silicon substrate having a lower electrode formed on the back surface;
(B) a comb-shaped electrode formed by laminating an n (or p) -type injection layer formed on the silicon substrate and a metal;
(C) a ferroelectric layer formed on the upper surface of the silicon substrate and the comb-shaped electrode;
(D) an upper electrode;
(E) A field-effect photoelectric energy conversion device in which an inversion layer is induced above the silicon substrate (near the interface) by the spontaneous polarization effect of the ferroelectric layer to form a pn junction.

3. The field effect type photoelectric energy conversion device according to claim 1, wherein an insulator such as silicon oxide, silicon nitride, or cerium oxide is inserted between the ferroelectric layer and a lower layer.

3. The field effect type photoelectric energy conversion device according to claim 1, wherein the output signal is transferred by a CCD.

3. The field effect type photoelectric energy conversion device according to claim 1, wherein an oxide transparent conductive film is used as an upper electrode.

3. The field effect type photoelectric energy conversion device according to claim 1, wherein an electric field is applied to upper and lower electrodes to polarize the dielectric, and then the upper electrode is removed by etching.

7. The field-effect photoelectric energy conversion device according to claim 1, wherein the hydrogenated amorphous silicon layer has the same pin or ni as a normal amorphous silicon solar cell. A field-effect photoelectric energy conversion device having a p-junction structure;

7. The electric field effect type photoelectric energy conversion device according to claim 1, wherein the ferroelectric is not polarized, and the hydrogenated amorphous silicon layer has a p-i or n-i junction structure. Type photoelectric energy conversion device.