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JP2934355B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents
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JP2934355B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents

Photoelectric conversion element

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JP2934355B2
JP2934355B2 JP4272742A JP27274292A JP2934355B2 JP 2934355 B2 JP2934355 B2 JP 2934355B2 JP 4272742 A JP4272742 A JP 4272742A JP 27274292 A JP27274292 A JP 27274292A JP 2934355 B2 JP2934355 B2 JP 2934355B2
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band gap
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conversion element
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光電変換素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric conversion device.

【0002】[0002]

【従来の技術】光電変換素子の効率を向上させるために
は、光吸収を増加させて、短絡電流を増加させることが
重要である。例えば、アモルファス太陽電池ではこれを
目的として従来よりバンドギャップの低いアモルファス
シリコンゲルマニュウムがi層として用いられている。
しかしアモルファスシリコンゲルマニュウムはアモルフ
ァスシリコンよりも膜中の欠陥密度が多くデバイスに応
用するために、なんらかのデバイス構造上の工夫が必要
とされてきた。このような方法として、アモルファスシ
リコン層とアモルファスシリコンゲルマニュウム層ない
しアモルファスゲルマニュウム層を積層した構造にする
方法が提案されている。
2. Description of the Related Art In order to improve the efficiency of a photoelectric conversion element, it is important to increase light absorption and increase short-circuit current. For example, in an amorphous solar cell, for this purpose, amorphous silicon germanium having a lower band gap is conventionally used as the i-layer.
However, since amorphous silicon germanium has a higher defect density in the film than amorphous silicon and is applied to devices, some device structure ingenuity has been required. As such a method, a method in which an amorphous silicon layer and an amorphous silicon germanium layer or an amorphous germanium layer are stacked is proposed.

【0003】このような積層構造にする理由について以
下に述べる。例えばアモルファスシリコン合金材料とし
てアモルファスシリコンゲルマニュウムを用いた場合、
短絡電流の増加を図るためにゲルマニュウムの組成比を
増加させるに従って膜質が低下するる。そのため光吸収
を増加させたにもかかわらず、生成されたホールと電子
は、膜中をp層ないしn層に向かって走行する際に、再結
合するため収集が困難になり、短絡電流は増加しない。
このような理由により、ある一定のバンドギャップ以下
にしても、短絡電流が増加しない限界が存在する。即
ち、光吸収を増加させることにより、短絡電流を増加さ
せるためには、生成されたキャリアを十分収集すること
が必要である。この問題は、膜質の低い領域と膜質の高
い領域を組み合わせることによって解決される。このよ
うな構造において膜質の低い領域が十分薄い場合には、
その領域で発生したキャリアは膜質の低い領域を走行す
る距離が短くてよく、再結合を極めて減少させることが
可能である。即ち、キャリア生成領域とキャリア走行領
域を分離した構造にすることによって、より低いバンド
ギャップをもつアモルファスシリコンゲルマニュウムを
用いることが可能となる。
[0003] The reason for such a laminated structure will be described below. For example, when amorphous silicon germanium is used as an amorphous silicon alloy material,
As the composition ratio of germanium increases in order to increase the short-circuit current, the film quality deteriorates. As a result, despite the increase in light absorption, the generated holes and electrons recombine when traveling through the film toward the p-layer or the n-layer, making it difficult to collect and increasing the short-circuit current. do not do.
For this reason, there is a limit that the short-circuit current does not increase even when the band gap is smaller than a certain value. That is, in order to increase the short-circuit current by increasing light absorption, it is necessary to sufficiently collect generated carriers. This problem is solved by combining the low film quality region and the high film quality region. In such a structure, if the region with low film quality is sufficiently thin,
Carriers generated in that region may travel a short distance in a region with low film quality, and recombination can be extremely reduced. That is, by forming a structure in which the carrier generation region and the carrier traveling region are separated, amorphous silicon germanium having a lower band gap can be used.

【0004】このような積層構造を用いたアモルファス
シリコンゲルマニュウム層の特性改善あるいはそれを用
いた光電変換素子に関しては、例えば特開平2-65121お
よび特開平3-174778に記載されている。また一方、バン
ドギャップにプロファイルを設けた構造が、素子特性を
改善するために用いられてきた。バンドギャッププロフ
ァイル技術に関しては、例えば特開平1-71182に記載さ
れている。バンドギャッププロファイル技術とは図3に
示すように、i層中のバンドギャップを連続的に変化さ
せ、p層、n層側両端ではバンドギャップが広く、受光面
側であるp層よりにバンドギャップの最も狭い領域が設
けられた、鼓型のバンドギャップ構造にする技術であ
る。このような構造は、例えばアモルファスシリコンカ
ーボン、アモルファスシリコンゲルマニュウム等の材料
を用いてその組成比を変えることにより形成することが
できる。このような構造にすることによって、3種類の
効果により特性が改善される。まず受光面側、即ちp層
側におけるキャリア発生を多くし、ホールの収集を容易
にする。次に低品質膜をp層側に、高品質膜をn層側に配
置することにり、ホールの輸送特性を改善する。最後に
内部電界がバンドギャップの傾斜により強化されるた
め、キャリアの収集が改善される。
The improvement of the characteristics of the amorphous silicon germanium layer using such a laminated structure or the photoelectric conversion element using the same is described in, for example, JP-A-2-65121 and JP-A-3-74778. On the other hand, a structure in which a band gap is provided with a profile has been used to improve device characteristics. The bandgap profile technique is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-71182. As shown in FIG. 3, the bandgap profile technique changes the bandgap in the i-layer continuously, the bandgap is wide at both ends of the p-layer and the n-layer, and the bandgap is higher than that of the p-layer on the light receiving surface side. This is a technique for forming a drum-shaped band gap structure in which the narrowest region is provided. Such a structure can be formed by changing the composition ratio of a material such as amorphous silicon carbon and amorphous silicon germanium. With such a structure, characteristics are improved by three kinds of effects. First, the number of carriers generated on the light-receiving surface side, that is, the p-layer side, is increased to facilitate hole collection. Next, by placing a low-quality film on the p-layer side and a high-quality film on the n-layer side, hole transport characteristics are improved. Finally, carrier collection is improved because the internal electric field is enhanced by the bandgap slope.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記バンドギャッププ
ロファイル技術では膜質の低下のため、例えばアモルフ
ァスシリコンゲルマニュウムを用いる場合にはバンドギ
ャップの低い領域において1.4eV程度にしかバンドギャ
ップを下げることができず、アモルファスシリコンカー
ボンを用いる場合にはバンドギャップの高い領域におい
て2.0eV程度までにしかそのバンドギャップを上げるこ
とができない。そのため短絡電流、開放電圧、信頼性の
改善には限界があった。
In the above-described band gap profile technique, the film quality is deteriorated. For example, when amorphous silicon germanium is used, the band gap can be reduced only to about 1.4 eV in a low band gap region. When amorphous silicon carbon is used, the band gap can be increased only up to about 2.0 eV in a high band gap region. Therefore, there is a limit in improving the short-circuit current, open-circuit voltage, and reliability.

【0006】一方、上記積層構造素子では、アモルファ
スシリコン層が用いられるため、この層の光吸収が少な
くなり、そのぶん光の利用効率が低くなる。またもう一
方の層に用いられるアモルファスゲルマニュウムは膜質
が低くなりやすいため、生成されたキャリアを有効に取
り出すのが難しい。このため、やはり短絡電流、開放電
圧、信頼性の改善に限界があった。さらに異なる材料を
積層するため、製造方法が煩雑となる欠点もある。
On the other hand, in the above-mentioned laminated structure element, since an amorphous silicon layer is used, light absorption of this layer is reduced, and light utilization efficiency is reduced accordingly. In addition, since amorphous germanium used for the other layer tends to have a low film quality, it is difficult to effectively extract generated carriers. For this reason, the short-circuit current, the open-circuit voltage, and the improvement of the reliability were also limited. Furthermore, since different materials are laminated, there is a disadvantage that the manufacturing method is complicated.

【0007】本発明は、材料と膜厚を最適化した積層構
造とすることにより、光電変換素子の光の利用効率及び
信頼性を上げると共に、製造方法を簡略化することを目
的とする。
[0007] It is an object of the present invention to improve the light use efficiency and reliability of the photoelectric conversion element and to simplify the manufacturing method by adopting a laminated structure in which the material and the film thickness are optimized.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の光電変換素子
は、pin構造を有する光電変換素子であって、i層の実質
的な部分がアモルファスシリコン合金材料により形成さ
れ、該合金材料の組成比を変化させることにより、i層
の膜厚方向にバンドギャップの大小を交互に生じるよう
に組成比の異なる複数の層が積層され、シリコン組成比
の少ない層の膜厚が1〜8nmであることを特徴とする。こ
こでi層の実質的な部分とはp/i界面、n/i界面近傍を除
く、i層を意味する。これはp/i界面、n/i界面において
は、界面近傍でのキャリアの再結合を減少させるため
に、その界面から2〜30nmの領域を異なる材料やバンド
ギャップ構造で構成することがあるからである。また上
記複数の層は、隣あう各層が互いに異なる組成比を有し
ており、製造上各層の界面において連続的に組成が変化
する領域が存在する場合もあるが、各層内では組成比が
一定となっている。上記i層の膜厚は好ましくは50〜150
nmである。また、上記実質的なi層のn層側に、実質的な
i層を構成する各層のうちで最大のシリコン組成比を有
する層以上のシリコン組成比を有するように、実質的な
i層と同じ材料でシリコン組成比を多くしたi層を設ける
ことが好ましい。また、上記i層は、アモルファスシリ
コンゲルマニュウムまたはアモルファスシリコンカーボ
ンで形成するのが好ましい。
The photoelectric conversion element of the present invention is a photoelectric conversion element having a pin structure, wherein a substantial part of an i-layer is formed of an amorphous silicon alloy material, and the composition ratio of the alloy material is By changing the thickness, a plurality of layers having different composition ratios are stacked so as to alternately generate the magnitude of the band gap in the thickness direction of the i layer, and the thickness of the layer having a small silicon composition ratio is 1 to 8 nm. It is characterized by. Here, the substantial part of the i-layer means the i-layer except for the vicinity of the p / i interface and the n / i interface. This is because at the p / i interface and n / i interface, a region of 2 to 30 nm from the interface may be composed of a different material or band gap structure in order to reduce carrier recombination near the interface. It is. In the plurality of layers, adjacent layers have different composition ratios from each other, and there may be a region where the composition continuously changes at the interface of each layer in manufacturing, but the composition ratio is constant in each layer. It has become. The thickness of the i-layer is preferably 50 to 150
nm. Further, on the n-layer side of the substantial i-layer, a substantial
Among the layers constituting the i-layer, a layer having a silicon composition ratio equal to or higher than the layer having the largest silicon composition ratio is substantially used.
It is preferable to provide an i-layer made of the same material as the i-layer and having a high silicon composition ratio. Preferably, the i-layer is formed of amorphous silicon germanium or amorphous silicon carbon.

【0009】[0009]

【作用】本発明の光電変換素子では、i層の膜厚方向に
バンドギャップの大小を交互に生じるように組成比の異
なる複数の層が積層されることで、シリコン組成比の多
い層が主としてキャリア走行領域となって、連続して膜
質の低い領域が存在する場合と比較して素子特性が改善
される。これはシリコン組成比が少ないために膜質が低
い層をキャリアが走行する距離が短くてよく、再結合が
極めて減少されるからである。尚、アモルファスシリコ
ン合金材料を形成する材料により、シリコン組成比を少
なくするとバンドギャップが低くなる場合と高くなる場
合がある。前者の材料としてはバンドギャップを減少さ
せるゲルマニュウムや錫等、後者の材料としてはバンド
ギャップを拡大させるカーボン、窒素、酸素等がある。
いずれの材料を用いてもシリコン組成比が少なくなるに
従い、膜質は低下する。またシリコン組成比の低い層
は、1nmより膜厚が薄いと、合金化してしまい均一なバ
ンドギャップを持つ素子に近い特性となり、8nmより大
きくなると図4に示したように、曲線因子の低下によ
り、素子として用いることができる限界を越えてしま
う。図4に示すように、8nmは曲線因子が0.42であり、
例えば光センサとして用いる場合には、正バイアスを大
きくかけて使用しないため、このような特性でも使用で
きる。またi層の実質的な部分がアモルファスシリコン
合金で形成されているので、ガス流量の変化のみによっ
て連続的に素子を作製できる。さらに各層の組成比が一
定であるので、ガス流量の制御が簡単になり、素子の作
製が一層容易となる。また、本発明の光電変換素子は、
上記のような積層構造素子であるので、薄いi層膜厚で
光を吸収させることができる。このため、i層の膜厚を5
0〜150nmとすると従来のバンドギャッププロファイル素
子の200nmより薄くなり、このi層の薄膜化によってキャ
リアの走行距離が短縮され、内部電界が強くなり、より
信頼性が向上する。また、シリコン組成比の多い領域を
n層側に所定の膜厚で設けると、i層全域で異なるバンド
ギャップを交互に繰り返す構造にするよりも、n層側で
の光吸収が少なくなって、ホールの走行距離が減少す
る。これにより、曲線因子がさらに向上する。
In the photoelectric conversion device of the present invention, a plurality of layers having different composition ratios are laminated so as to alternately generate a band gap in the thickness direction of the i-layer. The element characteristics are improved as compared with the case where a region having a low film quality is continuously formed as a carrier traveling region. This is because, since the silicon composition ratio is small, the distance that the carrier travels in a layer having a low film quality may be short, and the recombination is extremely reduced. Note that, depending on the material forming the amorphous silicon alloy material, the band gap may be reduced or increased when the silicon composition ratio is reduced. Examples of the former material include germanium and tin that reduce the band gap, and examples of the latter material include carbon, nitrogen, and oxygen that increase the band gap.
Regardless of which material is used, the film quality decreases as the silicon composition ratio decreases. When the thickness of the layer having a low silicon composition ratio is smaller than 1 nm, the layer is alloyed and has characteristics close to a device having a uniform band gap. When the thickness is larger than 8 nm, as shown in FIG. , Exceeding the limit that can be used as an element. As shown in FIG. 4, 8 nm has a fill factor of 0.42,
For example, when used as an optical sensor, it is not used with a large positive bias, so that such characteristics can be used. Further, since a substantial part of the i-layer is formed of an amorphous silicon alloy, the device can be manufactured continuously only by changing the gas flow rate. Further, since the composition ratio of each layer is constant, the control of the gas flow rate is simplified, and the fabrication of the device is further facilitated. Further, the photoelectric conversion element of the present invention,
Since the element has the above-described laminated structure, light can be absorbed with a small i-layer thickness. Therefore, the thickness of the i-layer is set to 5
When the thickness is set to 0 to 150 nm, the thickness becomes thinner than the conventional band gap profile element of 200 nm. By thinning the i-layer, the traveling distance of the carrier is shortened, the internal electric field is increased, and the reliability is further improved. In addition, regions with a large silicon composition ratio
When a predetermined thickness is provided on the n-layer side, light absorption on the n-layer side is reduced and the travel distance of holes is reduced as compared with a structure in which different band gaps are alternately repeated in the entire i-layer. Thereby, the fill factor is further improved.

【0010】また、i層のアモルファスシリコン合金材
料としてアモルファスシリコンゲルマニュウムを用いる
と、光の吸収量が増加し、短絡電流が増加する。さら
に、i層にアモルファスシリコン合金材料としてアモル
ファスシリコンカーボンを用いると、バンドギャップが
高くなり、開放電圧が増加する。
Further, when amorphous silicon germanium is used as the amorphous silicon alloy material of the i-layer, the amount of light absorption increases and the short-circuit current increases. Further, when amorphous silicon carbon is used as the amorphous silicon alloy material for the i-layer, the band gap increases and the open-circuit voltage increases.

【0011】[0011]

【実施例】以下実施例によって本発明を具体的に説明す
る。
The present invention will be specifically described below with reference to examples.

【0012】本発明の一例である単層型アモルファスシ
リコンゲルマニュウム素子に関する実施例を示す。実施
例の単層型アモルファスシリコンゲルマニュウム素子の
構造概略図を図1に、バンドギャップ構造の概略図を図
2に示す。まず実施例の単層型アモルファスシリコンゲ
ルマニュウム素子の構造について述べる。ステンレス基
板1上にTi層2を50nm、Ag層3を100nm、ZnO層4を100n
m、アモルファスシリコンn層5を100nm形成した後、i層
を形成する。次にi層の構造について示す。ワイドバン
ドギャップアモルファスシリコンゲルマニュウムi層6
のバンドギャップは1.56eV、膜厚は2.5nm、ナローバン
ドギャップアモルファスシリコンゲルマニュウムi層7
のバンドギャップは1.34eV、膜厚は2nm、それぞれの境
界領域の膜厚は0.25nmである。それぞれの繰り返し回数
は12回であり、変調領域の膜厚は全体で60nmとなってい
る。p層側からバンドギャップ変調領域まではバンドギ
ャップ1.75eVから1.56eVまで直線的にバンドギャップが
低下する領域があり、その膜厚は15nmである。またバン
ドギャップが変調領域からn層側まではバンドギャップ
が1.56eV一定で、その膜厚は60nmである。この上にアモ
ルファスシリコンカーボンp層8を10nm、透明導電膜9
としてITOを60nm、金属集電極10としてAlを600nmを順
次積層した構造である。実施例において基板1は特にス
テンレスに限られるものではなく、ガラス等の基板を用
いても作製できる。またガラス等の透光性基板を用いた
場合には透光性基板側から光を入射する構造にしてもよ
い。Ti層2は基板との密着性を改善するために用いてい
る。Ag層3は裏面における光の反射層として用いている
が、反射率が高い他の金属で代用することも可能であ
る。またその表面は凹凸構造であることが望ましい。即
ち、凹凸構造にすることにより、裏面で反射した光は散
乱され、膜中における光の光路長が伸びるため、光の吸
収が多くなるからである。ZnO層4を挿入していること
も、光の散乱を一層大きくする効果があるからである。
アモルファス層はnipという順序で積層されているが、
透光性基板側を用いた場合にはpinという順序になる。
いずれの場合にもこのように、光入射側はp層であるこ
とが望ましい。透明導電膜9はITOに限らずSnO2、ZnOを
用いることが可能である。金属集電極10はAl以外でも
よいが、電気伝導の良い金属のほうが望ましい。
An embodiment relating to a single-layer type amorphous silicon germanium element which is an example of the present invention will be described. FIG. 1 shows a schematic diagram of the single-layer amorphous silicon germanium element of the embodiment, and FIG. 2 shows a schematic diagram of the band gap structure. First, the structure of the single-layer amorphous silicon germanium element of the embodiment will be described. 50 nm Ti layer 2, 100 nm Ag layer 3 and 100 nm ZnO layer 4 on stainless steel substrate 1
After forming an amorphous silicon n-layer 5 with a thickness of 100 nm, an i-layer is formed. Next, the structure of the i-layer will be described. Wide band gap amorphous silicon germanium i-layer 6
Has a band gap of 1.56 eV, a film thickness of 2.5 nm, and a narrow band gap amorphous silicon germanium i-layer 7.
Has a band gap of 1.34 eV, a thickness of 2 nm, and a thickness of each boundary region of 0.25 nm. The number of times of each repetition is 12, and the film thickness of the modulation region is 60 nm in total. There is a region where the band gap linearly decreases from 1.75 eV to 1.56 eV from the p-layer side to the band gap modulation region, and its film thickness is 15 nm. The band gap is constant at 1.56 eV from the modulation region to the n-layer side, and the film thickness is 60 nm. An amorphous silicon carbon p layer 8 having a thickness of 10 nm and a transparent conductive film 9
The structure is such that ITO of 60 nm and Al of 600 nm as the metal collecting electrode 10 are sequentially laminated. In the embodiment, the substrate 1 is not particularly limited to stainless steel, but can be manufactured using a substrate such as glass. When a light-transmitting substrate such as glass is used, a structure in which light is incident from the light-transmitting substrate side may be employed. The Ti layer 2 is used for improving the adhesion to the substrate. Although the Ag layer 3 is used as a light reflection layer on the back surface, another metal having a high reflectance can be used instead. It is desirable that the surface has an uneven structure. That is, the light reflected by the back surface is scattered by the uneven structure, and the optical path length of the light in the film is extended, so that the light absorption increases. This is because the insertion of the ZnO layer 4 also has the effect of further increasing light scattering.
The amorphous layers are stacked in the order of nip,
When the translucent substrate side is used, the order is pin.
In any case, it is desirable that the light incident side be the p-layer. The transparent conductive film 9 is not limited to ITO, and may be made of SnO 2 or ZnO. The metal collecting electrode 10 may be made of a material other than Al, but is preferably a metal having good electric conductivity.

【0013】次に本発明の製造方法を示す。まずステン
レス基板1上に電子ビーム蒸着によりTi層2を50nm形成
する。その後Ag層3を基板温度350℃で100nm蒸着するこ
とにより凹凸をつける。その上にZnO層4を100nm形成す
る。このようにして形成した基板上にアモルファスシリ
コンn層5、アモルファスシリコンゲルマニュウムi層、
アモルファスシリコンカーボンp層8をプラズマCVD
法により順次積層する。アモルファス層の形成条件とし
ては、基板温度は200℃、RFパワーは10W、圧力は0.1〜
0.3Torrであり、ガス流量条件は表1に示した。
Next, the manufacturing method of the present invention will be described. First, a Ti layer 2 is formed to a thickness of 50 nm on a stainless steel substrate 1 by electron beam evaporation. After that, the Ag layer 3 is deposited at 100 ° C. at a substrate temperature of 350 ° C. to form irregularities. A ZnO layer 4 is formed thereon to a thickness of 100 nm. An amorphous silicon n layer 5, an amorphous silicon germanium i layer,
Plasma CVD of amorphous silicon carbon p layer 8
The layers are sequentially laminated by a method. As the conditions for forming the amorphous layer, the substrate temperature is 200 ° C., the RF power is 10 W, and the pressure is 0.1 to
0.3 Torr and the gas flow conditions are shown in Table 1.

【0014】[0014]

【表1】 [Table 1]

【0015】アモルファスシリコンn層5を100nm形成し
た後、ワイドバンドギャップアモルファスシリコンゲル
マニュウムi層6及びナローバンドギャップシリコンゲ
ルマニュウムi層7を形成する。このとき、図2のよう
なバンドギャップ構造になるようにGeH4ガスとSiH4ガス
の流量をコンピュータにより自動制御することにより形
成する。このようにして形成されたi層の上にアモルフ
ァスシリコンカーボンp層8を10nm形成する。その後、
マグネトロンスパッタリング法で透明導電膜9であるIT
Oを60nm、電子ビーム蒸着法でAl10の集電極を600nm形
成する。次にi層の形成方法についての詳細な説明をす
る。
After forming the amorphous silicon n layer 5 to 100 nm, a wide band gap amorphous silicon germanium i layer 6 and a narrow band gap silicon germanium i layer 7 are formed. At this time, it is formed by automatically controlling the flow rates of the GeH 4 gas and the SiH 4 gas by a computer so as to form a band gap structure as shown in FIG. An amorphous silicon carbon p-layer 8 is formed to a thickness of 10 nm on the i-layer thus formed. afterwards,
IT that is transparent conductive film 9 by magnetron sputtering
O is formed to 60 nm, and a collector electrode of Al10 is formed to 600 nm by electron beam evaporation. Next, a method for forming the i-layer will be described in detail.

【0016】GeH4ガスとSiH4ガスの流量はマスフローコ
ントローラーに接続した流量制御装置によって行う。こ
れは電源とコンピュータが一体となった装置であるが、
それぞれが別になったもので制御してもよい。通常の光
電変換素子においては、本実施例のような複雑なバンド
ギャップ構造は必要としないため、このような流量制御
装置は必要としないが、本実施例のような複雑な流量制
御を再現性よく行うためには、このような流量制御装置
を用いることが必要不可欠である。次に実際の成膜を行
う前に、流量制御装置にプログラムを行う。プログラム
は流量の値と時間の設定を、流量を変化させるポイント
で設定するだけでよい。また積層領域を一定の周期で繰
り返すような構造とした場合は、繰り返し回数を設定す
ることにより、プログラムを簡略化することができる。
n層側から具体的に流量変化について以下に示す。まずS
iH4ガスを5sccm、GeH4ガスを0.6sccmで20分55秒間形成
する。次に5秒間でGeH4ガスのみを1.6sccmまで増加させ
る。その状態で42秒間維持し、次に5秒間でGeH4ガスの
みを0.6sccmまで減少させる。その状態で52秒間維持す
る。これを13回繰り返した後、5分14秒間で0.03sccmま
でGeH4ガスのみを減少させる。
The flow rates of the GeH 4 gas and the SiH 4 gas are controlled by a flow control device connected to a mass flow controller. This is an integrated power supply and computer,
Each may be controlled separately. The ordinary photoelectric conversion element does not require such a complicated band gap structure as in the present embodiment, and thus does not require such a flow rate control device. In order to perform well, it is essential to use such a flow control device. Next, before the actual film formation, a program is executed in the flow rate control device. The program only needs to set the value of the flow rate and the time at the point where the flow rate changes. In the case where the laminated region is configured to be repeated at a constant cycle, the program can be simplified by setting the number of repetitions.
Specific changes in flow rate from the n-layer side are shown below. First S
The iH 4 gas 5 sccm, to form 20 minutes 55 seconds GeH 4 gas 0.6 sccm. Next, only GeH 4 gas is increased to 1.6 sccm in 5 seconds. The state is maintained for 42 seconds, and then only GeH 4 gas is reduced to 0.6 sccm in 5 seconds. Hold in that state for 52 seconds. After repeating this 13 times, only GeH 4 gas is reduced to 0.03 sccm in 5 minutes and 14 seconds.

【0017】本実施例ではi層を1個のチャンバーで作製
する場合について述べたが、複数のチャンバーで分割し
て作製してもかまわない。
In this embodiment, the case where the i-layer is formed in one chamber has been described. However, the i-layer may be formed in a plurality of chambers.

【0018】本実施例においてもわかるように、素子構
造を決定するためのパラメータが非常に多く、均一なバ
ンドギャップを持つ素子のように試行錯誤による最適化
は非常に困難である。そのため素子設計を行うために、
あらかじめi層における光吸収量を計算しておくことが
望ましい。素子特性のシミュレーションができればさら
に望ましいが、短絡電流の目安にする目的であれば、比
較的容易に計算できる光吸収量の計算で十分である。光
吸収量をできるだけ多くする目的で素子を設計する場
合、ナローバンドギャップ層のバンドギャップは1.45eV
以下で膜厚は8nm以下、望ましくは2nm程度が良い。ナロ
ーバンドギャッップ層のバンドギャップを1.45eV以下に
するのは、従来のバンドギャッププロファイル技術で作
製した素子以上の短絡電流を得るためである。本実施例
においてナローバンドギャップ層の膜厚を変化させた場
合における、曲線因子の変化を図4に示す。この場合ナ
ローバンドギャップ層の総膜厚を30nm一定とし、積層回
数を変化させて特性の変化を調べた。8nm以上の膜厚で
は曲線因子は0.4以下となり、素子に適用することは困
難となる。太陽電池等に利用するためには曲線因子は高
いほど良いので、2nm前後の膜厚が望ましいことがわか
る。またワイドバンドギャップ領域のバンドギャップは
1.5eV以上で膜厚は10nm以下が望ましい。また、繰り返
し回数は10回以上が望ましい。さらにi層全体の膜厚は1
50nm以下が望ましい。さらに曲線因子を改善するために
は、受光面側である、p層側での光吸収を多く、n層側で
光吸収を少なくする方が望ましく、具体的にはi層膜厚
の半分以下の膜厚で、n層側にワイドバンドギャップ層
のバンドギャップと等しいかそれ以上のバンドギャップ
を有する領域、例えば本実施例のような一定領域を設け
ることが望ましい。
As can be seen from this embodiment, the parameters for determining the device structure are very large, and it is very difficult to optimize by trial and error like a device having a uniform band gap. Therefore, to design the device,
It is desirable to calculate the amount of light absorption in the i-layer in advance. It is more desirable to be able to simulate the device characteristics, but for the purpose of setting a short circuit current as a guide, it is sufficient to calculate the light absorption amount which can be calculated relatively easily. When designing a device to maximize the amount of light absorption, the band gap of the narrow band gap layer is 1.45 eV.
Below, the film thickness is 8 nm or less, preferably about 2 nm. The reason why the band gap of the narrow band gap layer is set to 1.45 eV or less is to obtain a short-circuit current higher than that of an element manufactured by a conventional band gap profile technique. FIG. 4 shows a change in the fill factor when the thickness of the narrow band gap layer is changed in this embodiment. In this case, the total film thickness of the narrow band gap layer was kept constant at 30 nm, and the change in the characteristics was examined by changing the number of laminations. At a film thickness of 8 nm or more, the fill factor becomes 0.4 or less, which makes it difficult to apply the device to an element. It can be seen that a higher fill factor is better for use in solar cells and the like, and a film thickness of about 2 nm is desirable. The band gap of the wide band gap region is
The film thickness is desirably 1.5 eV or more and 10 nm or less. The number of repetitions is desirably 10 or more. Furthermore, the thickness of the entire i-layer is 1
50 nm or less is desirable. In order to further improve the fill factor, it is desirable to increase the light absorption on the p-layer side, which is the light-receiving surface side, and to reduce the light absorption on the n-layer side, specifically, not more than half of the i-layer thickness. It is desirable to provide a region having a band gap equal to or greater than the band gap of the wide band gap layer on the n-layer side with a film thickness of, for example, a constant region as in this embodiment.

【0019】次に本実施例の素子と従来のバンドギャッ
プ素子において、650nm以上の長波長光下における素子
特性の比較を表2に示す。特性としては短絡電流が向上
したが、開放電圧が低下したため、最大出力としてはほ
ぼ同等の値となった。しかしi層の膜厚は従来素子と比
較してほぼ半分となっているため、信頼性の向上が期待
できる。そこでこれらの素子にAM1.5,100mW/cm2の光照
射を200時間行ったところ、本実施例の素子では初期効
率の71%、従来のバンドギャップ素子では初期効率の52%
となり、信頼性は大きく改善した。
Next, Table 2 shows a comparison of device characteristics between the device of this embodiment and the conventional band gap device under long-wavelength light of 650 nm or more. As a characteristic, the short-circuit current was improved, but the open-circuit voltage was reduced, so that the maximum output was almost the same value. However, since the thickness of the i-layer is almost half that of the conventional device, an improvement in reliability can be expected. Therefore, these elements were subjected to light irradiation of AM1.5, 100 mW / cm 2 for 200 hours, and the device of the present example was 71% of the initial efficiency, and the conventional band gap device was 52% of the initial efficiency.
And the reliability has greatly improved.

【0020】[0020]

【表2】 [Table 2]

【0021】本実施例では図2に示したように、i層のn
層側にバンドギャップ一定領域があるが、この領域がな
い、あるいはn層側に向かってバンドギャップが次第に
広くなるような構造であっても類似した効果が得られ
る。図5ではナローバンドギャップ層がn層側に近づく
に従いバンドギャップが大きくなっているが、このよう
な構造にすることにより、さらに曲線因子を改善するこ
とができる。これは光入射側でキャリア生成を多くする
ことで、ホールの走行距離を減少させる事ができるの
で、より素子特性を改善することができる。また同様の
効果を得るために図6のようにワイドバンドギャップ層
がn層側に近づくに従い次第に大きくなるような構造で
も良い。さらに図5と図6を組み合わせたような構造で
あっても同様な効果が得られる。さらに図7のような構
造にしてもn層側に近づくに従いキャリア生成が減少す
るので、このような周期性を持たない構造であっても同
様な素子特性改善効果がある。
In the present embodiment, as shown in FIG.
A similar effect can be obtained even when there is a band gap constant region on the layer side, but this region is absent or the band gap gradually increases toward the n-layer side. In FIG. 5, the bandgap increases as the narrow bandgap layer approaches the n-layer side, but with such a structure, the fill factor can be further improved. This is because the traveling distance of the hole can be reduced by increasing the carrier generation on the light incident side, so that the element characteristics can be further improved. In order to obtain the same effect, a structure in which the wide band gap layer gradually increases as approaching the n-layer side as shown in FIG. 6 may be used. Further, a similar effect can be obtained even if the structure is a combination of FIG. 5 and FIG. Further, even in the structure as shown in FIG. 7, since the carrier generation decreases as approaching the n-layer side, the same device characteristic improving effect can be obtained even with such a structure having no periodicity.

【0022】また本実施例においては光電変換素子の1
例として単層型アモルファスシリコンゲルマニュウム合
金素子を示したが、この素子を、2層ないし3層に積層し
た光電変換素子に用いてもよく、さらにアモルファスシ
リコンゲルマニュウム合金材料の代わりにアモルファス
シリコンカーボン合金材料を用いてもよい。アモルファ
スシリコンカーボンを用いて光電変換素子を形成した場
合のバンドギャップ構造を図8に示す。アモルファスシ
リコンゲルマニュウムとアモルファスシリコンカーボン
は、バンドギャップは異なるが、その組成比がシリコン
に対し多くなるに従い膜質が低下するという点では共通
しており、バンドギャッププロファイル構造を適用した
場合にも同樣の素子特性改善効果が得られることから、
積層構造の場合においても同様の効果があることは明ら
かである。
In this embodiment, one of the photoelectric conversion elements is used.
As an example, a single-layer type amorphous silicon germanium alloy element has been described, but this element may be used for a photoelectric conversion element laminated in two or three layers, and an amorphous silicon carbon alloy material may be used instead of the amorphous silicon germanium alloy material. May be used. FIG. 8 shows a band gap structure when a photoelectric conversion element is formed using amorphous silicon carbon. Amorphous silicon germanium and amorphous silicon carbon have different band gaps, but they are common in that the film quality deteriorates as the composition ratio increases with respect to silicon. Similar elements are used when a band gap profile structure is applied. Because a characteristic improvement effect is obtained,
It is clear that a similar effect is obtained even in the case of a laminated structure.

【0023】[0023]

【発明の効果】以上のように本発明によればi層のn層
側に実質的なi層のシリコン組成比を持つi層領域を設
けることにより曲線因子を改善することができ、太陽電
池の効率を向上させることができた。また、i層の膜厚
を50〜150nmにすることにより信頼性が向上した。さら
に、アモルファスシリコン合金材料としてアモルファス
シリコンゲルマニュウムを用いることにより、光吸収が
多くなり短絡電流が改善された。また、アモルファスシ
リコン合金材料としてアモルファスシリコンカーボンを
用いることにより、i層の平均的なバンドギャップが大
きくなり解放電圧が向上した。
As described above, according to the present invention, the i-layer and the n-layer
Side, an i-layer region having a substantial i-layer silicon composition ratio is provided.
The fill factor can be improved by
The efficiency of the pond could be improved. Also, the thickness of the i-layer
The reliability was improved by setting the thickness to 50 to 150 nm. Further
Further, by using amorphous silicon germanium as an amorphous silicon alloy material, light absorption was increased and short circuit current was improved. Also, by using amorphous silicon carbon as the amorphous silicon alloy material, the average band gap of the i-layer was increased, and the release voltage was improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明実施例の光電変換素子の素子構造を説明
する構造概略図である。
FIG. 1 is a schematic structural diagram illustrating an element structure of a photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明実施例の光電変換素子のバンドギャップ
構造を説明する概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a band gap structure of a photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention.

【図3】従来の光電変換素子のバンドギャップ構造を説
明する概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a band gap structure of a conventional photoelectric conversion element.

【図4】本発明実施例の光電変換素子における曲線因子
のナローバンドギャップ領域膜厚に対する依存性を説明
する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating the dependence of the fill factor on the film thickness of the narrow band gap region in the photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention.

【図5】本発明実施例の光電変換素子のバンドギャップ
構造を説明する概略図である。
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a band gap structure of a photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention.

【図6】本発明実施例の光電変換素子のバンドギャップ
構造を説明する概略図である。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a band gap structure of a photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention.

【図7】本発明実施例の光電変換素子のバンドギャップ
構造を説明する概略図である。
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a band gap structure of a photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention.

【図8】本発明実施例の光電変換素子のバンドギャップ
構造を説明する概略図である。
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a band gap structure of a photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ステンレス基板 2 Ti層 3 Ag層 4 ZnO層 5 アモルファスシリコンn層 6 ワイドバンドギャップアモルファスシリコンゲルマ
ニュウムi層 7 ナローバンドギャップアモルファスシリコンゲルマ
ニュウムi層 8 アモルファスシリコンカーボンp層 9 透明導電膜 10 金属集電極 11 i層膜厚 12 バンドギャップ極小部分 13 ワイドバンドギャップアモルファスシリコンカー
ボンi層 14 ナローバンドギャップアモルファスシリコンカー
ボンi層
Reference Signs List 1 stainless steel substrate 2 Ti layer 3 Ag layer 4 ZnO layer 5 amorphous silicon n layer 6 wide band gap amorphous silicon germanium i layer 7 narrow band gap amorphous silicon germanium i layer 8 amorphous silicon carbon p layer 9 transparent conductive film 10 metal collecting electrode 11 i Layer thickness 12 Band gap minimum portion 13 Wide band gap amorphous silicon carbon i layer 14 Narrow band gap amorphous silicon carbon i layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−104383(JP,A) 特開 昭61−120480(JP,A) 特開 昭62−158316(JP,A) 特開 平2−177371(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-63-104383 (JP, A) JP-A-61-120480 (JP, A) JP-A-62-158316 (JP, A) JP-A-2- 177371 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 31/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 pin構造を有する光電変換素子におい
て、i層の実質的な部分がアモルファスシリコン合金材
料により形成され、該合金材料の組成比を変化させるこ
とにより、i層の膜厚方向にバンドギャップの大小を交
互に生じるように組成比の異なる複数の層が積層され、
シリコン組成比の少ない層の膜厚が1〜8nmであり、上記
実質的なi層のn層側に、最大シリコン組成比と等しい
か、それ以上のシリコン組成比を有しているi層を設け
ことを特徴とする光電変換素子。
In a photoelectric conversion element having a pin structure, a substantial part of an i-layer is formed of an amorphous silicon alloy material, and a band ratio is changed in a thickness direction of the i-layer by changing a composition ratio of the alloy material. A plurality of layers having different composition ratios are stacked so as to alternately generate the size of the gap,
Thickness of less layer of silicon composition ratio Ri 1~8nm der, the
Substantially equal to the maximum silicon composition ratio on the n-layer side of the i-layer
Or an i-layer having a silicon composition ratio higher than that
The photoelectric conversion device characterized by that.
【請求項2】 i層の膜厚が50〜150nmであることを特
徴とする請求項1記載の光電変換素子。
2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the i-layer has a thickness of 50 to 150 nm.
【請求項3】 アモルファスシリコン合金材料がアモル
ファスシリコンゲルマニュウムであることを特徴とする
請求項1記載の光電変換素子。
3. An amorphous silicon alloy material comprising :
2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is made of fass silicon germanium .
【請求項4】 アモルファスシリコン合金材料がアモル
ファスシリコンカーボンであることを特徴とする請求項
1記載の光電変換素子。
4. An amorphous silicon alloy material comprising :
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element is fac silicon carbon .
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