JP4169671B2

JP4169671B2 - 光起電力素子の製造方法

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Publication number: JP4169671B2
Application number: JP2003332548A
Authority: JP
Inventors: 武中島
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: JP2005101239A

Description

本発明は、半導体接合を用いた光起電力素子およびその製造方法に関する。

近年、ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との接合を有する光起電力素子が開発されている。このような光起電力素子においては、ｐ型非晶質シリコン膜等の半導体層と透明導電膜との界面において良好な接合を得るために、半導体層に不純物を高濃度にドープしている。

しかしながら、半導体層中において高濃度に不純物がドープされた部分で光が吸収されてしまうため、短絡電流Ｉｓｃが低下する。そのため、半導体層と透明導電膜との間の界面に高濃度に不純物をドープし、その他の部分に低濃度に不純物をドープすることにより、半導体層と透明導電膜との良好な接合を得るとともに、短絡電流Ｉｓｃの低下を防止することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６２−９３９８３号公報

ｎ型単結晶シリコン基板とｐ型非晶質シリコン膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン膜（ｉ型非晶質シリコン膜）が挿入されたＨＩＴ（真性薄膜を有するヘテロ接合：Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer）構造を有する光起電力素子においても、同様に半導体層と透明導電膜との界面側不純物濃度を増加させることで高い出力が得られる。

しかしながら、複数の光起電力素子を同一の製造装置を用いて連続生産する場合に、除々に光起電力素子の出力が低下する。すなわち、最初に生産された光起電力素子に比べて後で生産された光起電力素子の出力が低くなる。特に、透明導電膜と接合される半導体層中の不純物濃度を増加させた場合、光起電力素子の連続生産における出力低下の傾向が顕著となる。

本発明の目的は、高い出力特性を維持しつつ、連続生産しても出力特性が低下しない光起電力素子およびその製造方法を提供することである。

本明細書中における結晶系半導体には単結晶半導体および多結晶半導体が含まれるものとし、非晶質系半導体には非晶質半導体および微結晶半導体が含まれるものとする。

また、真性の非晶質系半導体膜とは、不純物が意図的にドープされていない非晶質系半導体膜であり、半導体原料に本来的に含まれる不純物または製造過程において自然に混入する不純物を含む非晶質系半導体膜も含む。

本発明に係る光起電力素子は、結晶系半導体と、一導電型を示す不純物を含む第１の非晶質系半導体膜と、透明導電膜とを順に備え、第１の非晶質系半導体膜は一導電型を示す不純物を含有し、第１の非晶質系半導体膜は、厚さ方向において結晶系半導体側から透明導電膜側へ第１の領域、第２の領域および第３の領域を順に含み、第１の領域の不純物の濃度および第３の領域の不純物の濃度が第２の領域の不純物の濃度よりも低いものである。

本発明に係る光起電力素子においては、透明導電膜と結晶系半導体との間の第１の非晶質系半導体膜に不純物の濃度が高い第２の領域が存在する。それにより、第１の非晶質系半導体膜と透明導電膜との間に良好な接合が得られる。

また、第１の非晶質半導体膜に第２の領域よりも不純物濃度が低い第１の領域および第３の領域が存在する。それにより、第１の非晶質半導体膜における光吸収が低減される。

さらに、不純物濃度が高い第２の領域を形成した後に第２の領域よりも不純物濃度が低い第３の領域を形成するため、チャンバ内の最表面部に高濃度の不純物が堆積することが防止される。それにより、同一チャンバ内において次の膜を形成する際にチャンバ内の最表面部に堆積した高濃度の不純物が混入することが防止される。それにより、本発明に係る光起電力素子を同一の製造装置を用いて連続生産しても出力特性が低下しない。

以上のことから、本発明に係る光起電力素子は、高い出力特性を維持しつつ、連続生産することができる。

結晶系半導体と第１の非晶質系半導体膜との間に真性の第２の非晶質系半導体膜をさらに備えてもよい。この場合、結晶系半導体と第２の非晶質系半導体との間のキャリアの再結合が防止され、発電効率が向上する。

結晶系半導体は、第１の非晶質系半導体膜とは異なる導電型を示してもよい。この場合、結晶系半導体と第１の非晶質系半導体膜との間にｐｎ接合が形成され、キャリアの取り出しが効率よく行われる。

本発明に係る光起電力素子の製造方法は、処理室内に一導電型を示す不純物を含むドーパントガスおよび原料ガスを導入し、プラズマ化学蒸着法により結晶系半導体上に第１の非晶質系半導体膜を形成する工程と、第１の非晶質系半導体膜上に透明導電膜を形成する工程とを備え、第１の非晶質系半導体膜を形成する工程は、原料ガスに対するドーパントガスの流量比を、第１の値、第１の値よりも高い第２の値、および第２の値よりも低い第３の値に、順に設定するものである。

本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、透明導電膜と結晶系半導体との間の第１の非晶質系半導体膜に不純物の濃度が高い第２の領域が形成される。それにより、第１の非晶質系半導体膜と透明導電膜との間に良好な接合が得られる。

また、第１の非晶質半導体膜に第２の領域よりも不純物濃度が低い第１の領域および第３の領域が形成される。それにより、第１の非晶質半導体膜における光吸収が低減される。

さらに、不純物濃度が高い第２の領域を形成した後に第２の領域よりも不純物濃度が低い第３の領域を形成するため、チャンバ内の最表面部に不純物が堆積することが防止される。それにより、同一チャンバ内で次の膜を形成する際にチャンバ内の最表面部に堆積した不純物が混入することが防止される。それにより、本発明に係る光起電力素子を連続生産しても出力特性が低下しない。

以上のことから、本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、光起電力素子の高い出力特性を維持しつつ、光起電力素子を連続生産することができる。

本発明に係る光起電力素子は、高い出力特性を維持しつつ連続生産することができる。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。

図１に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の主面（表側の面）上にｉ型非晶質シリコン膜２（ノンドープ非晶質シリコン膜）およびｐ型非晶質シリコン膜３が順に形成されている。ｐ型非晶質シリコン膜３上に表面電極４が形成され、表面電極４上にくし形の集電極５が形成されている。ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面には、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７が順に形成されている。ｎ型非晶質シリコン膜７上に裏面電極８が形成され、裏面電極８上にくし形の集電極９が形成されている。図１の光起電力素子では、ｎ型単結晶シリコン基板１が主たる発電層となる。

ｐ型非晶質シリコン膜３の膜厚は、例えば６０Åである。ｐ型非晶質シリコン膜３は、ｉ型非晶質シリコン膜２側から順にｐ型不純物が低濃度にドープされた低ドープ層３１、ｐ型不純物が高濃度にドープされた高ドープ層３２およびｐ型不純物が低濃度にドープされた低ドープ層３３を有する。それにより、高ドープ層３２が低ドープ層３１，３３に挟まれた３層構造となっている。

表面電極４および裏面電極８は、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＳｎＯ₂（酸化錫）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等からなる透明電極である。集電極５，９は、Ａｇ（銀）等からなる。

本実施の形態の光起電力素子は、ｐｎ接合特性を改善するためにｎ型単結晶シリコン基板１とｐ型非晶質シリコン膜３との間にｉ型非晶質シリコン膜２を設けたＨＩＴ構造を有するとともに、裏面でのキャリア再結合を防止するためにｎ型単結晶シリコン基板１の裏面にｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７を設けたＢＳＦ（Back Surface Field）構造を有する。

次に、図１の光起電力素子の製造方法を説明する。まず、洗浄したｎ型単結晶シリコン基板１を加熱用の第１の真空チャンバ内で加熱する。それにより、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面に付着した水分が除去される。その後、ｎ型単結晶シリコン基板１を第１の真空チャンバ内に移動し、第１の真空チャンバ内にＨ₂（水素）ガスを導入して、プラズマ放電によりｎ型単結晶シリコン基板１表面のクリーニングを行う。

次に、第１の真空チャンバ内にＳｉＨ₄（シラン）ガスおよびＨ₂ガスを導入し、プラズマＣＶＤ（化学蒸着）法によりｎ型単結晶シリコン基板１の主面上にｉ型非晶質シリコン膜２を形成する。

続いて、ｎ型単結晶シリコン基板１を第２の真空チャンバ内に移動し、第２の真空チャンバ内にＳｉＨ₄ガス、Ｈ₂ガスおよびＢ₂Ｈ₆ガスを導入して、ｉ型非晶質シリコン膜２上にプラズマＣＶＤ法によりｐ型非晶質シリコン膜３を形成する。このとき、Ｂ₂Ｈ₆ガスの流量を変化させることにより、低ドープ層３１、高ドープ層３２および低ドープ層３３を順に形成する。

本実施の形態においては、低ドープ層３１，３３を形成する場合に導入するＢ₂Ｈ₆ガスの流量がＳｉＨ₄ガスの流量に対して１％程度であり、高ドープ層３２を形成する場合に導入するＢ₂Ｈ₆ガスの流量がＳｉＨ₄ガスの流量に対して６％程度である。

なお、低ドープ層３１，３３および高ドープ層３２を形成する場合のＢ₂Ｈ₆ガスの流量は上記の流量に限られず、低ドープ層３１，３３を形成する場合のＢ₂Ｈ₆ガスの流量が高ドープ層３２を形成する場合のＢ₂Ｈ₆ガスの流量に対して小さければよい。

次いで、ｎ型単結晶シリコン基板１を第３の真空チャンバ内に移動し、第３の真空チャンバ内にＳｉＨ₄ガスおよびＨ₂ガスを導入して、プラズマＣＶＤ法によりｎ型単結晶シリコン基板１の裏面にｉ型非晶質シリコン膜６を形成する。続いて、ｎ型単結晶シリコン基板１を第４の真空チャンバ内に移動し、第４の真空チャンバ内にＳｉＨ₄ガス、Ｈ₂ガスおよびＰＨ₃（ホスフィン）ガスを導入して、ｉ型非晶質シリコン膜６上にプラズマＣＶＤ法によりｎ型非晶質シリコン膜７を形成する。

次に、スパッタリング法により、ｐ型非晶質シリコン膜３上に表面電極４を形成し、ｎ型非晶質シリコン膜７上に裏面電極８を形成する。さらに、スクリーン印刷法により、表面電極４上にくし形の集電極５を形成し、裏面電極８上にくし形の集電極９を形成する。なお、裏面電極８は全面電極であってもよい。

本実施の形態の光起電力素子においては、ｐ型非晶質シリコン膜３を形成する工程で高ドープ層３２に続いて低ドープ層３３を形成するため、第２の真空チャンバ内の最表面部に堆積する不純物量が抑制される。それにより、複数の光起電力素子を同一の製造装置を用いて連続生産する場合に、ノンドープのｉ型非晶質シリコン膜２上にｐ型の低ドープ層３１を形成する際の、界面への高濃度の不純物の混入が抑制される。したがって、ｉ型非晶質シリコン膜２とｐ型の低ドープ層３１との界面における再結合中心の増加が抑制される。その結果、複数の光起電力素子を連続生産しても光起電力素子の出力低下が抑制される。

また、ｉ型非晶質シリコン膜２を備えない光起電力素子の場合には、ｎ型単結晶シリコン基板１上にｐ型の低ドープ層３１を形成する際に、界面への高濃度のＢの混入が抑制される。したがって、ｎ型単結晶シリコン基板１とｐ型の低ドープ層３１との界面における再結合中心の形成が抑制される。その結果、複数の光起電力素子を連続生産しても光起電力素子の出力低下が抑制される。

また、本実施の形態のｐ型非晶質シリコン膜３には不純物としてＢをドープしたが、それに限られない。例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）等のIII 族元素を不純物としてドープしてもよい。また、ｎ型単結晶シリコン基板１の代わりにｎ型多結晶シリコン基板を用いてもよい。さらに、ｉ型非晶質シリコン膜２、ｐ型非晶質シリコン膜３、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７は微結晶シリコンを含んでもよい。

また、本実施の形態のｎ型単結晶シリコン基板１、ｉ型非晶質シリコン膜２、ｐ型非晶質シリコン膜３、ｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７の代わりに、例えば、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）等のような他のIV族元素を用いてもよい。

また、本実施の形態の光起電力素子においては、ｎ型単結晶シリコン基板１の表裏面に膜を形成しているがそれに限られない。例えば、ｐ型単結晶シリコン基板の主面にｉ型非晶質シリコン膜およびｎ型非晶質シリコン膜を形成し、裏面にはｉ型非晶質シリコン膜およびｐ型非晶質シリコン膜を形成し、ｎ型非晶質シリコン膜にＮ、Ｐ、Ａｓ等のＶ族元素をドープした低ドープ層および高ドープ層を形成してもよい。

この場合、複数の光起電力素子を同一の製造装置を用いて連続生産する場合に、ノンドープのｉ型非晶質シリコン膜上にｎ型の低ドープ層を形成する際の、界面への高濃度のＶ族元素の混入が抑制される。したがって、ｉ型非晶質シリコン膜とｎ型の低ドープ層との界面における再結合中心の増加が抑制される。

さらに、ｐ型単結晶シリコン基板とｎ型非晶質シリコン膜との間にｉ型非晶質シリコン膜が設けられていない光起電力素子の場合には、ｐ型単結晶シリコン基板上にｎ型の低ドープ層を形成する際に、界面への高濃度のＶ族元素の混入が抑制される。したがって、ｐ型単結晶シリコン基板とｎ型の低ドープ層との界面における再結合中心の形成が抑制される。

さらに、本発明は、図１に示す光起電力素子の構造に限定されず、他の種々の構造を有する光起電力素子に適用することができる。例えば、ｎ型単結晶シリコン基板１の裏面のｉ型非晶質シリコン膜６およびｎ型非晶質シリコン膜７を設けなくてもよい。

また、第１〜第４の真空チャンバ間における基板の搬送を基板搬送トレイを用いて行う場合には、高ドープ層３２に続いて低ドープ層３３を形成することから基板搬送トレイの最表面部に堆積する不純物量が抑制される。それにより、複数の光起電力素子を同一の製造装置を用いて連続生産する場合に、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン膜２または６との間の界面への高濃度の不純物の混入が抑制される。

（実施例）
以下の実施例では、上記実施の形態の方法で図１の構造を有する光起電力素子を作製し、出力特性を測定した。実施例の光起電力素子の作製条件を表１に示す。

表１に示すように、ｐ型非晶質シリコン膜３を形成する際にはＨ₂ガス希釈したＢ₂Ｈ₆ガスを用い、ＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量を変化させた。低ドープ層３１，３３を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比は１％であり、高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比は６％である。なお、Ｂ₂Ｈ₆ガスの濃度を変化させても、ＳｉＨ₄ガスに対する水素希釈率は一定とする。

また、表２に示すように、低ドープ層３１の膜厚は３０Åであり、高ドープ層３２の膜厚は２０Åであり、低ドープ層３３の膜厚は１０Åである。

（比較例１〜４）
比較例１〜４においては、図２に示すように、ｐ型非晶質シリコン膜３は、均一にＢをドープしたｐ型非晶質シリコンからなる。

表２に示すように、比較例１〜４のｐ型非晶質シリコン膜３を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比は、それぞれ１％、２％、４％および６％である。また、比較例１〜４のｐ型非晶質シリコン膜３の膜厚は６０Åである。

（比較例５〜７）
比較例５〜７においては、図３に示すように、ｐ型非晶質シリコン膜３は低ドープ層３１および高ドープ層３２から構成される。低ドープ層３１がｉ型非晶質シリコン膜２側に形成され、高ドープ層３２が表面電極４側に形成される。

表２に示すように、比較例５〜７の低ドープ層３１を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比は１％である、また、比較例５〜７の高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比は、それぞれ２％、４％および６％である。また、比較例５〜７の低ドープ層３１の膜厚は３０Åであり、高ドープ層３２の膜厚は３０Åである。

（比較例８，９）
比較例８，９においては、図４に示すように、ｐ型非晶質シリコン膜３は高ドープ層３２および低ドープ層３３から構成される。高ドープ層３２がｉ型非晶質シリコン膜２側に形成され、低ドープ層３３が表面電極４側に形成される。

表２に示すように、比較例８，９の低ドープ層３３を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比は１％である、また、比較例８，９の高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比は、それぞれ４％および６％である。また、比較例８，９の低ドープ層３３の膜厚は１０Åであり、高ドープ層３２の膜厚は５０Åである。

（評価１）
実施例および比較例１〜９の光起電力素子の出力特性を測定した。表３、図５および図６に実施例および比較例１〜９の光起電力素子の出力特性を示す。

表３の比較例２〜９および実施例の各特性値は、比較例１の各特性値を１．０００として規格化した値である。

図５（ａ）は、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃを示す図である。

図５（ａ）の横軸は、高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比を示す。また、図５（ａ）の縦軸は、比較例１の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃを１．０００として規格化し、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の規格化した開放電圧Ｖｏｃの値を示す。

図５（ａ）および表３に示すように、高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比が増加するにつれて、規格化した開放電圧Ｖｏｃの値も増加した。

これは、表面電極４側に高ドープ層３２を形成することにより、ｎ型単結晶シリコン基板１とｐ型非晶質シリコン膜３との間の拡散電位が高くなったこととによって、開放電圧Ｖｏｃが向上したためであると考えられる。

その結果、実施例の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃは、比較例４，７，９の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃとほぼ同様の値となった。

図５（ｂ）は、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の曲線因子Ｆ．Ｆ．を示す図である。

図５（ｂ）の横軸は、高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比を示す。また、図５（ｂ）の縦軸は、比較例１の光起電力素子の曲線因子Ｆ．Ｆ．を１．０００として規格化し、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の規格化した曲線因子Ｆ．Ｆ．の値を示す。

図５（ｂ）および表３に示すように、高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比が増加するにつれて、規格化した曲線因子Ｆ．Ｆ．の値も増加した。

これは、比較例４，７の光起電力素子では高ドープ層３２が表面電極４と接する構造であるため、表面電極４とｐ型非晶質シリコン膜３との接合が良好になったことによって、曲線因子Ｆ．Ｆ．が向上したためであると考えられる。

一方、実施例および比較例９の光起電力素子の曲線因子Ｆ．Ｆ．は、比較例４，７，９の光起電力素子の曲線因子Ｆ．Ｆ．とほぼ同様の値となった。

これは、表面電極４を形成する際の加熱により、高ドープ層３２から低ドープ層３１にＢが拡散し、低ドープ層３１と表面電極４との接合が良好になったためであると考えられる。

図６（ａ）は、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の短絡電流Ｉｓｃを示す図である。

図６（ａ）の横軸は、高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比を示す。また、図６（ａ）の縦軸は、比較例１の光起電力素子の短絡電流Ｉｓｃを１．０００として規格化し、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の規格化した短絡電流Ｉｓｃの値を示す。

図６（ａ）および表３に示すように、同じ構造であれば高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比が増加するにつれて、規格化した短絡電流Ｉｓｃの値は減少した。

これは、ｐ型非晶質シリコン膜３中の不純物濃度の増加によってｐ型非晶質シリコン膜３の光吸収量が増加したためであると考えられる。

また、比較例４，９の光起電力素子の短絡電流Ｉｓｃの値が極度に小さいのは、高ドープ層３２の膜厚が大きいため、ｐ型非晶質シリコン膜３中の不純物量が実施例および比較例７に比較して多いからであると考えられる。

一方、実施例の光起電力素子の短絡電流Ｉｓｃは、比較例２と同じ値を示した。

図６（ｂ）は、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の最大出力Ｐｍａｘを示す図である。

図６（ｂ）の横軸は、高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比を示す。また、図６（ｂ）の縦軸は、比較例１の光起電力素子の最大出力Ｐｍａｘを１．０００として規格化し、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の規格化した最大出力Ｐｍａｘの値を示す。

図６（ｂ）および表３に示すように、同じ構造であれば、高ドープ層３２を形成する際のＳｉＨ₄ガスに対するＢ₂Ｈ₆ガスの流量比が増加するにつれて、光起電力素子の規格化した最大出力Ｐｍａｘの値は増加し、実施例の光起電力素子の最大出力Ｐｍａｘが最大となった。

なお、比較例３，４，８，９の光起電力素子の最大出力Ｐｍａｘが低い値となったのは、短絡電流Ｉｓｃの値が低いからである。

以上のように、実施例の光起電力素子の曲線因子Ｆ．Ｆ．は、比較例１〜９の光起電力素子の曲線因子Ｆ．Ｆ．に比して比較的高い値となることがわかった。また、実施例の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃおよび最大出力Ｐｍａｘは、比較例１〜９の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃおよび最大出力Ｐｍａｘよりも大きい値になることがわかった。さらに、実施例の光起電力素子の短絡電流Ｉｓｃは、比較例２の光起電力素子の短絡電流Ｉｓｃと同等になることがわかった。

（評価２）
実施例および比較例１〜９の光起電力素子を連続生産した場合の光起電力素子の出力特性の変化を測定した。表４〜６、図７および図８に実施例および比較例１〜９の光起電力素子の出力特性を示す。

なお、上記の表３は、実施例および比較例１〜９の光起電力素子を連続生産した場合の初回の生産時の光起電力素子の出力特性を示している。

表４に実施例および比較例１〜９の光起電力素子を連続生産した場合の３００回の連続生産後の光起電力素子の出力特性を示す。

表５に実施例および比較例１〜９の光起電力素子を連続生産した場合の６００回の連続生産後の光起電力素子の出力特性を示す。

表６に実施例および比較例１〜９の光起電力素子を連続生産した場合の８００回の連続生産後の光起電力素子の出力特性を示す。

表４〜６に示す比較例２〜９および実施例の各特性値は、表３の比較例１の各特性値を１．０００として規格化した値を示す。

図７は、連続生産した場合の実施例および比較例１〜９の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃの変化を示す図である。

図７の横軸は、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の生産回数を示す。また、図７の縦軸は、比較例１の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃを１．０００として規格化し、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の規格化した開放電圧Ｖｏｃの値を示す。

図７および表３〜６に示すように、比較例３，４，６，７の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃは、初回の生産時には比較的高い値を示すが、生産回数の増加にしたがって低下した。特に、比較例７の光起電力素子は、初回生産の場合には高い開放電圧Ｖｏｃとなったが、生産回数の増加にしたがって開放電圧Ｖｏｃが極度に低下した。これに対して、実施例および比較例１，２，５，８，９は、生産回数の増加に関係なく、開放電圧Ｖｏｃはほぼ一定値となった。特に、実施例の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃは高い値を維持した。

比較例３，４，６，７の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃが生産回数とともに低下するのは、ｐ型非晶質シリコン膜３を形成する際に高濃度のＢ₂Ｈ₆ガスを流すことから、第２の真空チャンバ内の最表面部に過剰なＢ等の不純物が堆積するからであると考えられる。

真空チャンバ内の最表面部に過剰なＢ等の不純物が堆積すると、ｉ型非晶質シリコン膜２上にｐ型非晶質シリコン膜３を形成する際にＢ等の不純物が混入する。それにより、ｉ型非晶質シリコン膜２とｐ型非晶質シリコン膜３との間の界面準位が増加する。その結果、開放電圧Ｖｏｃが低下する。

一方、実施例および比較例１，２，５，８，９の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃが生産回数に関係なく開放電圧Ｖｏｃがほぼ一定となるのは、ｐ型非晶質シリコン膜３中の最も表面電極４側の層を形成する際に低濃度のＢ₂Ｈ₆ガスを流すことから、第２の真空チャンバ内の最表面部に堆積するＢ等の不純物量が少なくなるからであると考えられる。

真空チャンバ内の最表面部に堆積するＢ等の不純物量が減少すると、ｉ型非晶質シリコン膜２上にｐ型非晶質シリコン膜３を形成する際に不純物が混入しにくくなる。それにより、ｉ型非晶質シリコン膜２とｐ型非晶質シリコン膜３との間の界面準位の形成が抑制され、開放電圧Ｖｏｃの低下が防止される。

図８は、連続生産した場合の実施例および比較例１〜９の光起電力素子の最大出力Ｐｍａｘの変化を示す図である。

図８の横軸は、実施例および比較例１〜９の光起電力素子生産回数を示す。また、図８の縦軸は、比較例１の光起電力素子の最大出力Ｐｍａｘを１．０００として規格化し、実施例および比較例１〜９の光起電力素子の規格化した最大出力Ｐｍａｘの値を示す。

図８および表３〜６に示すように、比較例３，４，６，７の光起電力素子の最大出力Ｐｍａｘは、生産回数の増加にしたがって低下した。特に、比較例７の光起電力素子は、初回生産の場合には高い最大出力Ｐｍａｘを示すが、生産回数の増加にしたがって最大出力Ｐｍａｘが極度に低下した。

これに対して、実施例および比較例１，２，５，８，９は、生産回数の増加に関係なく、最大出力Ｐｍａｘはほぼ一定値を維持した。特に、実施例の光起電力素子の最大出力Ｐｍａｘは高い値を維持した。これは、図７で説明した開放電圧Ｖｏｃと同様の理由と考えられる。

以上のことから、比較例６，７の光起電力素子のようにｐ型非晶質シリコン膜３内に高濃度の高ドープ層３２を形成することにより初回生産の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃおよび最大出力Ｐｍａｘの値は大きくなるが、生産回数の増加とともに開放電圧Ｖｏｃおよび最大出力Ｐｍａｘの値は低下することがわかった。

これに対して、実施例の光起電力素子ようにｐ型非晶質シリコン膜３内に高濃度の高ドープ層３２を形成することにより初回生産の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃおよび最大出力Ｐｍａｘの値は大きくなり、低ドープ層３３を表面電極４側に形成することにより、生産回数に関係なく実施例の光起電力素子の開放電圧Ｖｏｃおよび最大出力Ｐｍａｘは高い値を維持することがわかった。

以上のように、本発明に係る光起電力素子は、高い出力特性を維持しつつ連続生産することができる。また、本発明に係る光起電力素子の製造方法においては、上記光起電力素子を高い出力特性を維持しつつ連続生産することができる。したがって、本発明に係る光起電力素子は、半導体接合を用いた光起電力素子としての用途に適しており、本発明に係る光起電力素子の製造方法は、半導体接合を用いた光起電力素子を製造する用途に適している。

第１の実施の形態に係る光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。比較例１〜４の光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。比較例５〜７の光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。比較例８，９の光起電力素子の構造を示す模式的断面図である。実施例および比較例１〜９の光起電力素子の出力特性を示す図である。実施例および比較例１〜９の光起電力素子の出力特性を示す図である。実施例および比較例１〜９の光起電力素子の出力特性を示す図である。実施例および比較例１〜９の光起電力素子の出力特性を示す図である。

符号の説明

１ｎ型単結晶シリコン基板
２，６ｉ型非晶質シリコン膜
３ｐ型非晶質シリコン膜
４，８表面電極
７ｎ型非晶質シリコン膜
３１低ドープ層
３２高ドープ層
３３低ドープ層

Claims

結晶系半導体基板がセットされた基板搬送トレイを、処理室内に搬送する工程と、
前記処理室内に一導電型を示す不純物を含むドーパントガスおよび原料ガスを導入し、プラズマ化学蒸着法により前記結晶系半導体基板上に第１の非晶質系半導体膜を形成する工程と、
前記第１の非晶質系半導体膜上に透明導電膜を形成する工程とを備え、
前記第１の非晶質系半導体膜を形成する工程は、前記原料ガスに対する前記ドーパントガスの流量比を、第１の値、前記第１の値よりも高い第２の値、および前記第２の値よりも低い第３の値に、順に設定することを特徴とする光起電力素子の製造方法。