JP6139731B2 - Method for manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、ヘテロ接合型の光電変換装置の作製方法および光電変換装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a heterojunction photoelectric conversion device and a photoelectric conversion device.
近年、二酸化炭素の排出量削減を可能にする発電手段として、光電変換装置が注目されて
いる。その代表例としては、単結晶シリコンや多結晶シリコンなどのシリコン基板を用い
た太陽電池が知られており、その変換効率を高めるための研究開発が活発に行われている
。
In recent years, photoelectric conversion devices have attracted attention as power generation means that can reduce carbon dioxide emissions. As a typical example, a solar cell using a silicon substrate such as single crystal silicon or polycrystalline silicon is known, and research and development for increasing its conversion efficiency is being actively conducted.
シリコン基板を用いた太陽電池では、導電型がp型のシリコン基板が多く用いられている
。p型シリコン基板は、n型シリコン基板よりも拡散長が長く、基板内で発生した少数キ
ャリアを効率良く収集しやすい。
In solar cells using a silicon substrate, a p-type silicon substrate is often used. A p-type silicon substrate has a longer diffusion length than an n-type silicon substrate, and it is easy to efficiently collect minority carriers generated in the substrate.
シリコン基板にp型の導電型を付与する不純物としては一般的にホウ素が用いられている
が、シリコン基板中にホウ素と酸素が共存していると深い準位が形成され、該準位にキャ
リアが捕獲されやすくなる。このため、ライフタイムが低下してしまう。この現象は、強
光照射時に発生することから光劣化ともいわれ、太陽電池の変換効率を低下させる一要因
となっている。
In general, boron is used as an impurity imparting p-type conductivity to a silicon substrate. However, when boron and oxygen coexist in the silicon substrate, a deep level is formed and carriers are present in the level. Becomes easier to capture. For this reason, lifetime will fall. This phenomenon is also referred to as light deterioration because it occurs during intense light irradiation, and is one factor that reduces the conversion efficiency of solar cells.
上記光劣化の対策として、p型の導電型を付与する不純物をガリウムとし、かつ低酸素濃
度のシリコン基板を太陽電池に用いる技術が特許文献1に開示されている。
As a countermeasure against the above-described photodegradation,
また、n型シリコン基板は、導電型を付与する不純物としてホウ素を含まず、光劣化の要
因を有さない。さらに、シリコン基板中の不純物汚染がある場合には、電子の捕獲断面積
が正孔の捕獲断面積より大きくなるため、汚染量が十分に少なければ、正孔が少数キャリ
アであるn型シリコン基板の方がライフタイムを大きくすることができる。したがって、
最近ではn型シリコン基板を用いた太陽電池の開発も進められている。
In addition, the n-type silicon substrate does not contain boron as an impurity imparting conductivity, and does not cause light degradation. Further, when there is impurity contamination in the silicon substrate, the electron capture cross section is larger than the hole capture cross section, and therefore, if the amount of contamination is sufficiently small, the n-type silicon substrate in which holes are minority carriers. Can increase the lifetime. Therefore,
Recently, solar cells using an n-type silicon substrate have been developed.
しかしながら、シリコン基板の実効的なライフタイムは、バルク特性だけでなく、表面欠
陥の影響も強く受ける。そのため、バルク特性改善の効果を得るには、表面欠陥の低減が
重要となる。
However, the effective lifetime of a silicon substrate is strongly influenced not only by bulk properties but also by surface defects. Therefore, in order to obtain the effect of improving the bulk characteristics, it is important to reduce surface defects.
特に、光学的効果付与のためにシリコン基板に表面凹凸を設ける場合などにおいては、表
面積が増加するため、表面欠陥の絶対量も増加してしまう。表面欠陥は表面再結合を促進
し、実効的なライフタイムを低下させる原因となる。
In particular, when a surface irregularity is provided on a silicon substrate for imparting an optical effect, the surface area increases, so the absolute amount of surface defects also increases. Surface defects promote surface recombination and reduce the effective lifetime.
すなわち、シリコン基板の表面欠陥を極力低減させることにより、実効的なライフタイム
を更に向上させることができ、光電変換装置の電気特性を向上させることができる。特に
、前述の理由から、n型シリコン基板を用いた場合に、ライフタイムを向上させやすい。
That is, by reducing the surface defects of the silicon substrate as much as possible, the effective lifetime can be further improved, and the electrical characteristics of the photoelectric conversion device can be improved. In particular, when an n-type silicon substrate is used, the lifetime is easily improved for the reasons described above.
したがって、本発明の一態様は、シリコン基板の表面欠陥を極力低減するパッシベーショ
ン層を設けた光電変換装置の作製方法を提供することを目的の一つとする。また、当該光
電変換装置を提供することを目的の一つとする。
Therefore, an object of one embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion device provided with a passivation layer that reduces surface defects of a silicon substrate as much as possible. Another object is to provide the photoelectric conversion device.
本明細書で開示する本発明の一態様は、シリコン基板の表面欠陥を極力低減するパッシベ
ーション膜を設けたヘテロ接合型の光電変換装置の作製方法および当該光電変換装置に関
する。
One embodiment of the present invention disclosed in this specification relates to a method for manufacturing a heterojunction photoelectric conversion device provided with a passivation film that reduces surface defects of a silicon substrate as much as possible, and the photoelectric conversion device.
本明細書で開示する本発明の一態様は、n型の導電型を有するシリコン基板を準備する第
1の工程と、シリコン基板の一方の面上に、i型またはn型の導電型を有しシリコン基板
よりもキャリア濃度の低い第1の半導体層を形成する第2の工程と、第1の半導体層上に
、n型の導電型を有しシリコン基板よりもキャリア濃度の高い第2の半導体層を形成する
第3の工程と、シリコン基板の他方の面上に、i型またはp型の導電型を有する第3の半
導体層を形成する第4の工程と、第3の半導体層上に、p型の導電型を有し第3の半導体
層よりもキャリア濃度の高い第4の半導体層を形成する第5の工程と、第4の半導体層上
に透光性導電膜を形成する第6の工程と、第2の半導体層上に第1の電極を形成する第7
の工程と、透光性導電膜上に第2の電極を形成する第8の工程と、を有し、第2の工程お
よび第4の工程は、原料ガスにアルゴンとモノシランを含み、両者の流量比X(X=アル
ゴン流量/モノシラン流量)を0<X<0.8とした条件のプラズマCVD法で行うこと
を特徴とする光電変換装置の作製方法である。
One embodiment of the present invention disclosed in this specification includes a first step of preparing a silicon substrate having an n-type conductivity type, and an i-type or n-type conductivity type on one surface of the silicon substrate. A second step of forming a first semiconductor layer having a carrier concentration lower than that of the silicon substrate; and a second step of forming an n-type conductivity type on the first semiconductor layer and having a carrier concentration higher than that of the silicon substrate. A third step of forming a semiconductor layer; a fourth step of forming a third semiconductor layer having an i-type or p-type conductivity type on the other surface of the silicon substrate; and And a fifth step of forming a fourth semiconductor layer having a p-type conductivity and a carrier concentration higher than that of the third semiconductor layer, and forming a light-transmitting conductive film on the fourth semiconductor layer. A sixth step and a seventh step of forming a first electrode on the second semiconductor layer;
And an eighth step of forming a second electrode on the translucent conductive film. The second step and the fourth step include argon and monosilane in the source gas, This is a method for manufacturing a photoelectric conversion device, which is performed by a plasma CVD method in which a flow rate ratio X (X = argon flow rate / monosilane flow rate) is set to 0 <X <0.8.
なお、本明細書等における「第1」、「第2」などの序数詞は、構成要素の混同を避ける
ために付すものであり、順序や数を限定するものではないことを付記する。
It should be noted that ordinal numbers such as “first” and “second” in this specification and the like are added to avoid confusion between components, and do not limit the order or number.
上記光電変換装置の作製方法において、第4の工程が省かれ、シリコン基板の他方の面上
に第4の半導体層を形成する方法でもよい。
In the above method for manufacturing a photoelectric conversion device, the fourth step may be omitted and a fourth semiconductor layer may be formed on the other surface of the silicon substrate.
上記シリコン基板に含まれる酸素の濃度は、8×1017atoms/cm3以下である
ことが好ましい。
The concentration of oxygen contained in the silicon substrate is preferably 8 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
上記、第1の半導体層、第2の半導体層、第3の半導体層および第4の半導体層には、シ
リコン半導体層を用いることができる。または、第1の半導体層、第2の半導体層、第3
の半導体層をシリコン半導体層とし、第4の半導体層を酸化物半導体層としてもよい。
A silicon semiconductor layer can be used for the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer. Alternatively, the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the third
The semiconductor layer may be a silicon semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer may be an oxide semiconductor layer.
上記酸化物半導体層は、第4族乃至第8族に属する金属の酸化物で形成することが好まし
い。
The oxide semiconductor layer is preferably formed using an oxide of a metal belonging to
また、上記酸化物半導体層は、バンドギャップが2eV以上である材料で形成することが
好ましい。
The oxide semiconductor layer is preferably formed using a material having a band gap of 2 eV or more.
また、上記酸化物半導体層は、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム
、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化マンガン、酸化レニウムで形成することが好
ましい。
The oxide semiconductor layer is preferably formed using vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, manganese oxide, or rhenium oxide.
本明細書で開示する本発明の他の一態様は、一対の電極間に、n型の導電型を有するシリ
コン基板と、シリコン基板の一方の面上に形成された、i型またはn型の導電型を有し、
シリコン基板よりもキャリア濃度の低い第1の半導体層と、第1の半導体層上に形成され
た、n型の導電型を有し、第1の半導体層よりもキャリア濃度の高い第2の半導体層と、
シリコン基板の他方の面上に形成された、i型またはp型の導電型を有する第3の半導体
層と、第3の半導体層上に形成された、p型の導電型を有し、第3の半導体層よりもキャ
リア濃度の高い第4の半導体層と、第4の半導体層上に形成された透光性導電膜と、を有
し、第1の半導体層および第3の半導体層に含有されるアルゴンの濃度は、1.2×10
18atoms/cm3以上2.2×1018atoms/cm3以下であることを特徴
とする光電変換装置である。
Another embodiment of the present invention disclosed in this specification is a silicon substrate having an n-type conductivity between a pair of electrodes, and an i-type or n-type formed on one surface of the silicon substrate. Have conductivity type,
A first semiconductor layer having a carrier concentration lower than that of the silicon substrate, and a second semiconductor formed on the first semiconductor layer and having an n-type conductivity and having a carrier concentration higher than that of the first semiconductor layer. Layers,
A third semiconductor layer having an i-type or p-type conductivity type formed on the other surface of the silicon substrate; and a p-type conductivity type formed on the third semiconductor layer; A fourth semiconductor layer having a carrier concentration higher than that of the third semiconductor layer, and a light-transmitting conductive film formed on the fourth semiconductor layer, the first semiconductor layer and the third semiconductor layer having The concentration of argon contained is 1.2 × 10
The photoelectric conversion device is characterized by being 18 atoms / cm 3 or more and 2.2 × 10 18 atoms / cm 3 or less.
上記光電変換装置の構成において、第3の半導体層が省かれ、シリコン基板の他方の面上
に第4の半導体層が形成されていてもよい。
In the structure of the photoelectric conversion device, the third semiconductor layer may be omitted, and the fourth semiconductor layer may be formed on the other surface of the silicon substrate.
上記シリコン基板に含まれる酸素の濃度は、8×1017atoms/cm3以下である
ことが好ましい。
The concentration of oxygen contained in the silicon substrate is preferably 8 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
上記、第1の半導体層、第2の半導体層、第3の半導体層および第4の半導体層には、シ
リコン半導体層を用いることができる。または、第1の半導体層、第2の半導体層、第3
の半導体層をシリコン半導体層とし、第4の半導体層を酸化物半導体層としてもよい。
A silicon semiconductor layer can be used for the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer. Alternatively, the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the third
The semiconductor layer may be a silicon semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer may be an oxide semiconductor layer.
上記酸化物半導体層は、第4族乃至第8族に属する金属の酸化物で形成されていることが
好ましい。
The oxide semiconductor layer is preferably formed using an oxide of a metal belonging to
また、上記酸化物半導体層は、バンドギャップが2eV以上である材料から形成されてい
ることが好ましい。
The oxide semiconductor layer is preferably formed of a material having a band gap of 2 eV or more.
また、上記酸化物半導体層は、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化クロム
、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化マンガン、酸化レニウムで形成されているこ
とが好ましい。
The oxide semiconductor layer is preferably formed using vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, manganese oxide, or rhenium oxide.
本発明の一態様を用いることにより、シリコン基板の実効的なライフタイムを向上させる
ことができ、光電変換装置の電気特性を向上させることができる。また、電気特性が良好
な光電変換装置を提供することができる。
By using one embodiment of the present invention, the effective lifetime of the silicon substrate can be improved, and the electrical characteristics of the photoelectric conversion device can be improved. In addition, a photoelectric conversion device with favorable electrical characteristics can be provided.
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は
以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれ
ば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈さ
れるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分または同
様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することがある
。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed. In addition, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof may be omitted.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様における光電変換装置の構成および作製方法について
説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a structure and a manufacturing method of a photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention will be described.
図1は、本発明の一態様における光電変換装置の断面図である。該光電変換装置は、シリ
コン基板100の一方の面上に第1の半導体層110、第2の半導体層120、第1の電
極170が順に積層され、シリコン基板100の他方の面上には、第3の半導体層130
、第4の半導体層140、透光性導電膜160、第2の電極190が順に積層された構成
を有している。なお、第2の電極190はグリッド電極であり、第2の電極190が形成
された面側が受光面となる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention. In the photoelectric conversion device, a
The
また、図2に示すように、第1の電極170もグリッド電極とし、両面を受光面とする構
成としても良い。その場合は、第4の半導体層140と第1の電極170との間に、透光
性導電膜180を設けることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 2, the
また、図3に示すように、第3の半導体層130を設けずに、シリコン基板100上に第
4の半導体層140が形成される構造としてもよい。第4の半導体層140によるシリコ
ン表面のパッシベーション効果が高い場合は、第3の半導体層130を省くことができる
。
Further, as shown in FIG. 3, the
また、図1では、シリコン基板100の表裏に凹凸加工を施した例を示している。凹凸加
工された面では入射光が多重反射し、光電変換領域内には光が斜めに進行することから光
路長が増大する。また、裏面反射光が表面で全反射する、所謂光閉じ込め効果を起こさせ
ることもできる。
Further, FIG. 1 shows an example in which unevenness processing is performed on the front and back of the
なお、図4に例示したように、シリコン基板100の表裏のどちらか一方のみに凹凸加工
を施した構成であっても良い。凹凸加工によって上記光学的効果が得られる一方で、シリ
コン基板の表面積が増大するため、表面欠陥の絶対量が増大してしまう。したがって、光
学的効果と表面欠陥量のバランスを考慮し、より良好な電気特性が得られるように実施者
が構造を決定すればよい。
In addition, as illustrated in FIG. 4, a configuration in which unevenness processing is performed on only one of the front and back sides of the
なお、図1、図2、および図4のそれぞれの構成を任意に複合した構成、または、図2、
図3、および図4のそれぞれの構成を任意に複合した構成としてもよい。
In addition, the structure which combined each structure of FIG.1, FIG.2, and FIG. 4 arbitrarily, or FIG.
The configurations shown in FIGS. 3 and 4 may be arbitrarily combined.
シリコン基板100には単結晶シリコン基板、または多結晶シリコン基板を用いることが
できる。ただし、本発明の一態様においては、n型の単結晶シリコン基板を用いることが
好ましい。極力不純物を低減した単結晶シリコン基板においても少なからず不純物が含ま
れており、該不純物が形成する準位にキャリアは捕獲される。該不純物の濃度が十分に小
さく、かつ同程度であるp型単結晶シリコン基板およびn型単結晶シリコン基板の比較に
おいては、電子捕獲断面積が、正孔捕獲断面積より大きいため、正孔が少数キャリアとな
るn型シリコン基板の方がライフタイムは大きくなる。
As the
しかしながら、一般的な単結晶シリコン基板では、電子を少数キャリアとするp型単結晶
シリコン基板の方が拡散長は大きい。そのため、n型単結晶シリコン基板を用いる場合に
は、拡散長を考慮して基板厚を薄くすることが好ましい。ただし、基板厚を薄くすると光
の利用効率が低下するため、短絡電流密度が低下してしまう問題がある。
However, in a general single crystal silicon substrate, a p-type single crystal silicon substrate using electrons as minority carriers has a larger diffusion length. Therefore, when an n-type single crystal silicon substrate is used, it is preferable to reduce the substrate thickness in consideration of the diffusion length. However, if the substrate thickness is reduced, the light utilization efficiency is lowered, and there is a problem that the short-circuit current density is lowered.
基板厚を薄くせずにn型単結晶シリコン基板の拡散長を高めるには、不純物および欠陥を
極力低減することが必要となる。本発明の一態様においては、低酸素濃度のn型単結晶シ
リコン基板を用いる。例えば、酸素濃度が8×1017atoms/cm3以下、好まし
くは5×1017atoms/cm3以下、更に好ましくは3×1017atoms/c
m3以下のn型単結晶シリコン基板を用いる。ここで、単結晶シリコン中の酸素とは、格
子間酸素を指す。このような低酸素濃度のシリコンウェハは、FZ(Floating
Zone)法や、MCZ(Magnetic field applied Czoch
ralski)法などで作製することができる。また、上記酸素濃度は、フーリエ変換赤
外分光法(換算係数4.81×1017/cm2)で求めることができる。
In order to increase the diffusion length of the n-type single crystal silicon substrate without reducing the substrate thickness, it is necessary to reduce impurities and defects as much as possible. In one embodiment of the present invention, a low oxygen concentration n-type single crystal silicon substrate is used. For example, the oxygen concentration is 8 × 10 17 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less, more preferably 3 × 10 17 atoms / c.
An n-type single crystal silicon substrate of m 3 or less is used. Here, oxygen in single crystal silicon refers to interstitial oxygen. Such a low oxygen concentration silicon wafer is FZ (Floating).
Zone) method and MCZ (Magnetic field applied Czoch)
ralski) method or the like. The oxygen concentration can be determined by Fourier transform infrared spectroscopy (conversion factor: 4.81 × 10 17 / cm 2 ).
第1の半導体層110および第3の半導体層130には、水素を含む欠陥の少ないシリコ
ン半導体層を用いることができ、シリコン基板100の表面の欠陥を終端することができ
る。例えば、第1の半導体層110および第3の半導体層130には、プラズマCVD法
で形成される非晶質シリコンを用いることができる。
As the
シリコン基板100の導電型がn型であるならば、第1の半導体層110には、シリコン
基板100よりもキャリア濃度の低いi型またはn型のシリコン層、第3の半導体層13
0には、i型またはp型のシリコン層を用いることができる。
If the conductivity type of the
For 0, an i-type or p-type silicon layer can be used.
なお、本明細書において、i型の半導体とは、フェルミ準位がバンドギャップの中央に位
置する所謂真性半導体の他、半導体に含まれるp型を付与する不純物およびn型を付与す
る不純物が共に1×1018cm−3以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度が高
い半導体を指す。
Note that in this specification, an i-type semiconductor includes not only a so-called intrinsic semiconductor whose Fermi level is located in the center of a band gap but also an impurity imparting p-type and an impurity imparting n-type contained in the semiconductor. A semiconductor having a concentration of 1 × 10 18 cm −3 or less and high photoconductivity with respect to dark conductivity.
なお、本明細書では、同じ導電型でキャリア濃度の異なる材料を区別する必要がある場合
には、相対的にキャリア濃度の高いn型材料またはp型材料の導電型をn+型またはp+
型、相対的にキャリア濃度の低いn型材料またはp型材料の導電型をn−型またはp−型
と呼称する。
Note that in this specification, when it is necessary to distinguish materials having the same conductivity type and different carrier concentrations, the conductivity type of an n-type material or p-type material having a relatively high carrier concentration is defined as n + type or p +.
The conductivity type of the n-type material or p-type material having a relatively low carrier concentration is referred to as n - type or p - type.
第1の半導体層110にn型のシリコン層を用いる場合には、n−型のシリコン層を用い
ることが好ましい。このとき、n−型のシリコン層の暗伝導度は、1×10−9S/cm
〜1×10−4S/cm、好ましくは1×10−8S/cm〜1×10−5S/cm、さ
らに好ましくは1×10−8S/cm〜1×10−6S/cmとする。
In the case where an n - type silicon layer is used for the
˜1 × 10 −4 S / cm, preferably 1 × 10 −8 S / cm to 1 × 10 −5 S / cm, more preferably 1 × 10 −8 S / cm to 1 × 10 −6 S / cm And
第3の半導体層130にp型のシリコン層を用いる場合には、p−型のシリコン層を用い
ることが好ましい。このとき、p−型のシリコン層の暗伝導度は、1×10−10S/c
m〜1×10−5S/cm、好ましくは1×10−9S/cm〜1×10−6S/cm、
さらに好ましくは1×10−9S/cm〜1×10−7S/cmとする。
In the case where a p - type silicon layer is used for the
m to 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −9 S / cm to 1 × 10 −6 S / cm,
More preferably, it is 1 × 10 −9 S / cm to 1 × 10 −7 S / cm.
また、本発明の一態様では、第1の半導体層110および第3の半導体層130にアルゴ
ンを含むシリコン層を用いる。アルゴンを含む原料ガスを用いてシリコン層をパッシベー
ション層としてシリコン基板表面に形成することで、シリコン基板の表面欠陥を極力低減
させることができる。
In one embodiment of the present invention, a silicon layer containing argon is used for the
図5は、アルゴンを含む原料ガスを用いて、パッシベーション層として非晶質シリコンを
n型単結晶シリコン基板の両面に形成したサンプルのライフタイムを示す図である。該非
晶質シリコンは、プラズマCVDを用い、反応室に原料ガス(アルゴン:モノシラン=1
:(0〜1))を導入し、反応室内の圧力を160Pa、電極間隔を17mm以下、カソ
ード電極の面積を基準とする電力密度を40mW/cm2(RF電源60MHz)、基板
温度を220℃以下とする条件で抵抗率約9Ω・cmのn型単結晶シリコン基板上に膜厚
100nmで形成している。また、ライフタイムは、μPCD(microwave d
etected photoconductivity decay)法を用いて測定し
ている。
FIG. 5 is a diagram illustrating the lifetime of a sample in which amorphous silicon is formed on both surfaces of an n-type single crystal silicon substrate as a passivation layer using a source gas containing argon. The amorphous silicon is formed by plasma CVD using a source gas (argon: monosilane = 1) in a reaction chamber.
: (0-1)), the pressure in the reaction chamber is 160 Pa, the electrode spacing is 17 mm or less, the power density based on the area of the cathode electrode is 40 mW / cm 2 (RF power supply 60 MHz), and the substrate temperature is 220 ° C. The film is formed to a thickness of 100 nm on an n-type single crystal silicon substrate having a resistivity of about 9 Ω · cm under the following conditions. The lifetime is μPCD (microwave d).
Measured using the detected photoconductivity decay method.
図5に示すように、原料ガス中のアルゴン比率を変化させることで、ライフタイムは極大
値を有するように変化する傾向を示す。すなわち、原料ガス中のアルゴン比率には適切な
範囲があることがわかる。アルゴン添加なしで形成したサンプルを基準にすると、原料ガ
スの流量比X(X=アルゴン流量/モノシラン流量)は、0<X<0.8(0より大きく
0.8より小さい値)が好ましく、0.1≦X≦0.7(0.1以上0.7以下の値)が
より好ましく、0.1≦X≦0.6(0.1以上0.6以下の値)がさらに好ましいとい
える。
As shown in FIG. 5, the lifetime tends to change to have a maximum value by changing the argon ratio in the source gas. That is, it can be seen that the argon ratio in the source gas has an appropriate range. Based on a sample formed without adding argon, the flow rate ratio X of raw material gas (X = argon flow rate / monosilane flow rate) is preferably 0 <X <0.8 (value greater than 0 and less than 0.8), 0.1 ≦ X ≦ 0.7 (value of 0.1 or more and 0.7 or less) is more preferable, and 0.1 ≦ X ≦ 0.6 (value of 0.1 or more and 0.6 or less) is more preferable. I can say that.
アルゴンを含む原料ガスを用いた場合においては、被成膜面を適度にアルゴンが覆い、プ
ラズマ化したモノシランからのプラズマダメージを緩和することができる。ただし、アル
ゴンを多く含む原料ガスでは、プラズマ化したアルゴン自身によっても被成膜面にプラズ
マダメージを与えるため、アルゴンは適切な上記範囲の量を添加することが好ましい。
In the case where a source gas containing argon is used, the film formation surface is appropriately covered with argon, and plasma damage from monosilane that has been turned into plasma can be mitigated. However, in the case of a source gas containing a large amount of argon, it is preferable to add an amount of argon in an appropriate range described above because plasma damage is caused to the film formation surface by the argon itself.
また、図6は昇温脱離ガス分析(TDS:Thermal Desorption Sp
ectrometry)を用い、ガラス基板上に非晶質シリコン層を形成したサンプルの
アルゴン(m/z=40)の挙動を調べた結果である。比較したサンプルには、モノシラ
ンのみを原料ガスとして形成したサンプルA、およびアルゴン/モノシラン=0.25の
比率の原料ガスで形成したサンプルBを用いている。サンプルAでは、アルゴンは検出さ
れず、サンプルBでは、約300℃〜500℃の昇温でアルゴンが検出されていることが
わかる。
FIG. 6 shows a thermal desorption gas analysis (TDS: Thermal Destruction Sp).
It is the result of investigating the behavior of argon (m / z = 40) in a sample in which an amorphous silicon layer was formed on a glass substrate using (electrometry). For the sample to be compared, sample A formed using only monosilane as a source gas and sample B formed using a source gas having a ratio of argon / monosilane = 0.25 are used. In sample A, argon is not detected, and in sample B, it can be seen that argon is detected at a temperature rise of about 300 ° C. to 500 ° C.
また、図7は、アルゴン添加量の異なる複数のサンプルのTDS分析とライフタイム測定
を行い、非晶質シリコン層中のアルゴン濃度とライフタイムとの関係を調べた結果である
。なお、非晶質シリコン層中のアルゴン濃度は、TDS分析を室温(25℃)〜600℃
で行い、その間に放出されるアルゴン(m/z=40)の総量、サンプル面積、およびサ
ンプルの膜厚から算出している。また、ライフタイムは、ヨウ素アルコール溶液によるケ
ミカルパッシベーションを行ったn型の単結晶シリコン基板のライフタイムを1として規
格化した相対値で表している。
FIG. 7 shows the results of TDS analysis and lifetime measurement of a plurality of samples with different amounts of argon added, and examining the relationship between the argon concentration in the amorphous silicon layer and the lifetime. Note that the argon concentration in the amorphous silicon layer is determined by TDS analysis from room temperature (25 ° C.) to 600 ° C.
And calculated from the total amount of argon (m / z = 40) released in the meantime, the sample area, and the film thickness of the sample. The lifetime is expressed as a relative value normalized with the lifetime of an n-type single crystal silicon substrate subjected to chemical passivation with iodine alcohol solution as 1.
図5と同様に、ライフタイムは極大値を有するように変化し、膜中のアルゴン濃度には適
切な範囲があることがわかる。ケミカルパッシベーションのサンプルを基準にすると、膜
中のアルゴン濃度は、1.2×1018atoms/cm3以上2.2×1018ato
ms/cm3以下が好ましく、1.3×1018atoms/cm3以上2.1×101
8atoms/cm3以下がより好ましいといえる。膜中に含まれるアルゴンはシリコン
と結合を作らず、適量の場合は膜の応力緩和などの効用があり、パッシベーション層の品
質向上に作用する。ただし、膜中に含まれるアルゴンが上記値より多い場合は、膜応力を
誘発、シリコン同士の結合を阻害、不純物準位の形成などの不具合が生じることがあり、
パッシベーション層としての品質を低下させてしまう。
Similar to FIG. 5, the lifetime changes to have a maximum value, and it can be seen that the argon concentration in the film has an appropriate range. Based on the sample of chemical passivation, the argon concentration in the film is 1.2 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 2.2 × 10 18 atoms.
ms / cm 3 or less is preferable, 1.3 × 10 18 atoms / cm 3 or more and 2.1 × 10 1
It can be said that 8 atoms / cm 3 or less is more preferable. Argon contained in the film does not form a bond with silicon, and when it is in an appropriate amount, it has effects such as stress relaxation of the film and acts to improve the quality of the passivation layer. However, when the amount of argon contained in the film is larger than the above value, problems such as inducing film stress, inhibiting bonding between silicon, and forming impurity levels may occur.
The quality as a passivation layer will be reduced.
また、本発明の一態様では、第1の半導体層110および第3の半導体層130に含まれ
る不純物元素を極力低減させることが好ましい。プラズマCVD法等で形成されるシリコ
ン層などには、原料ガスが高純度であっても成膜チャンバー中に残留する大気成分やクリ
ーニングガス成分が不純物として膜中に取り込まれやすい。これらの不純物はエネルギー
ギャップ中に不純物準位を形成し、キャリアの捕獲などの悪影響を与える。
In one embodiment of the present invention, it is preferable to reduce impurity elements contained in the
発明者らの実験結果では、窒素、酸素などの大気成分については、膜中の濃度を1×10
17atoms/cm3以下とすることで、その影響をほとんど排除できることが判明し
ている。また、クリーニングガスの成分であるフッ素の膜中濃度は、窒素および/または
酸素の膜中濃度以下にすることが好ましいことも判明している。
According to the results of experiments conducted by the inventors, for atmospheric components such as nitrogen and oxygen, the concentration in the film is 1 × 10.
It has been found that the influence can be almost eliminated by setting it to 17 atoms / cm 3 or less. It has also been found that the concentration of fluorine, which is a component of the cleaning gas, in the film is preferably less than or equal to the concentration of nitrogen and / or oxygen in the film.
上述したアルゴンを含むシリコン層を第1の半導体層110および第3の半導体層130
としてシリコン基板100の表面に形成することで、該シリコン基板のライフタイムを向
上させることができ、電気特性が良好な光電変換装置を形成することができる。特に、該
シリコン基板の表面に凹凸を設ける場合には、その効果が顕著となる。
The above-described silicon layer containing argon is formed using the
As described above, the lifetime of the silicon substrate can be improved and a photoelectric conversion device with favorable electrical characteristics can be formed. In particular, when unevenness is provided on the surface of the silicon substrate, the effect becomes remarkable.
第2の半導体層120は、シリコン基板100と同じ導電型を有し、該シリコン基板より
もキャリア密度の高い層である。例えば、第2の半導体層120には、n型となる不純物
が添加された非晶質シリコンまたは微結晶シリコンを用いることができる。
The
本発明の一態様において、シリコン基板100がn型である場合には、シリコン基板10
0と第2の半導体層120との間には、第1の半導体層110を介してn−n+接合が形
成される。つまり、第2の半導体層120は、BSF層(Back Surface F
ield層)として作用する。BSF層を形成することにより、少数キャリアがp−n接
合側にはね返されることから、第1の電極170近傍でのキャリアの再結合を防止するこ
とができる。
In one embodiment of the present invention, when the
An n−n + junction is formed between the zero and the
iield layer). By forming the BSF layer, minority carriers are bounced back to the pn junction side, so that carrier recombination in the vicinity of the
第4の半導体層140は、シリコン基板100の導電型とは逆の導電型を有し、第3の半
導体層130よりもキャリア密度の高い層である。シリコン基板100がn型の場合には
、第4の半導体層140はp型(p+型)であり、シリコン基板100と第4の半導体層
140との間には、第3の半導体層130を介してp−n接合が形成される。例えば、第
4の半導体層140には、p型となる不純物が添加された非晶質シリコンまたは微結晶シ
リコンを用いることができる。
The
次に、図1に示した光電変換装置の作製方法について図8および図9を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the photoelectric conversion device illustrated in FIG. 1 is described with reference to FIGS.
本実施の形態では、シリコン基板100にMCZ法で形成した酸素濃度が8×1017a
toms/cm3以下のn型単結晶シリコン基板を用いる。なお、表裏に凹凸加工を行う
場合は、単結晶シリコン基板の表面に(100)面を有する基板を用いることが好ましい
。
In this embodiment, the oxygen concentration formed on the
An n-type single crystal silicon substrate of toms / cm 3 or less is used. Note that in the case where uneven processing is performed on the front and back surfaces, it is preferable to use a substrate having a (100) plane on the surface of a single crystal silicon substrate.
次に、シリコン基板100の表裏に凹凸加工を行う。なお、以下の説明は、表面に(10
0)面を有する単結晶シリコン基板をシリコン基板100として用いる場合に適用できる
。シリコン基板100に多結晶シリコン基板を用いる場合は、ドライエッチング法などで
凹凸加工を行えばよい。
Next, uneven processing is performed on the front and back of the
The present invention can be applied to the case where a single crystal silicon substrate having a (0) plane is used as the
初期のシリコン基板100がスライス加工のみである基板の場合は、シリコン基板100
の表面から10〜20μmに残留するダメージ層をウエットエッチング工程にて取り除く
。エッチング液には、比較的高濃度のアルカリ溶液、例えば、10〜50%の水酸化ナト
リウム水溶液、または同濃度の水酸化カリウム水溶液を用いることができる。または、フ
ッ酸と硝酸を混合した混酸や、それらに酢酸を混合した混酸を用いても良い。
When the
The damaged layer remaining at 10 to 20 μm from the surface is removed by a wet etching process. As the etching solution, a relatively high concentration alkaline solution, for example, a 10 to 50% sodium hydroxide aqueous solution or a potassium hydroxide aqueous solution having the same concentration can be used. Alternatively, a mixed acid in which hydrofluoric acid and nitric acid are mixed, or a mixed acid in which acetic acid is mixed with them may be used.
次に、ダメージ層除去後のシリコン基板表面に付着している不純物を酸洗浄で取り除く。
酸としては、例えば、0.5%フッ酸と1%過酸化水素水の混合液(FPM)などを用い
ることができる。またはRCA洗浄などを行っても良い。なお、この酸洗浄工程は省いて
も良い。
Next, the impurities adhering to the silicon substrate surface after removing the damaged layer are removed by acid cleaning.
As the acid, for example, a mixed solution (FPM) of 0.5% hydrofluoric acid and 1% hydrogen peroxide water can be used. Alternatively, RCA cleaning or the like may be performed. This acid cleaning step may be omitted.
凹凸は、結晶シリコンのアルカリ溶液によるエッチングにおいて、面方位に対するエッチ
ングレートの違いを利用して形成する。エッチング液には比較的低濃度のアルカリ溶液、
例えば、1〜5%の水酸化ナトリウム水溶液、または同濃度の水酸化カリウム水溶液を用
いることができ、好ましくは、数%のイソプロピルアルコールを添加する。エッチング液
の温度は70〜90℃とし、30〜60分間、シリコン基板をエッチング液に浸漬する。
この処理により、シリコン基板100表面に、微細な略四角錐状の複数の凸部、および隣
接する凸部間で構成される凹部からなる凹凸を形成することができる。
The unevenness is formed by utilizing the difference in etching rate with respect to the plane orientation in etching with an alkaline solution of crystalline silicon. The etching solution contains a relatively low concentration alkaline solution,
For example, a 1 to 5% aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution having the same concentration can be used, and preferably several percent of isopropyl alcohol is added. The temperature of the etching solution is 70 to 90 ° C., and the silicon substrate is immersed in the etching solution for 30 to 60 minutes.
By this treatment, the surface of the
次に、上述の凹凸を形成するためのエッチング工程では、シリコン基板100の表層に不
均一な酸化層が形成されるため、該酸化層を取り除く。また、該酸化層にはアルカリ溶液
の成分が残存しやすいため、それを取り除く目的もある。アルカリ金属、例えばNaイオ
ンやKイオンがシリコン中に侵入するとライフタイムが劣化し、光電変換装置の電気特性
が著しく低下してしまう。なお、この酸化層を除去するには、1〜5%の希フッ酸を用い
れば良い。
Next, in the etching process for forming the unevenness described above, since a non-uniform oxide layer is formed on the surface layer of the
次に、フッ酸と硝酸を混合した混酸、または、それらに酢酸を混合した混酸を用いてシリ
コン基板100の表面をエッチングし、金属成分などの不純物を除去することが好ましい
。酢酸を混合することで、硝酸の酸化力を維持し、エッチング工程を安定にする効果、お
よびエッチングレートを調整する効果が得られる。例えば、各酸の体積比率は、フッ酸:
硝酸:酢酸=1:(1.5〜3):(2〜4)とすることができる。なお、本明細書では
、フッ酸、硝酸および酢酸の混酸液をフッ硝酢酸と呼ぶ。また、このフッ硝酢酸を用いた
エッチング工程では、凸部の頂点の断面における角度を大きくする方向に変化させること
から、表面積が低減し、表面欠陥の絶対量を低減することができる。なお、このフッ硝酢
酸を用いたエッチングを行う場合は、上述の希フッ酸を用いた酸化層の除去工程を省くこ
ともできる。ここまでの工程により、図8(A)に示すシリコン基板100の断面形状が
形成される。
Next, it is preferable that the surface of the
Nitric acid: acetic acid = 1: (1.5-3) :( 2-4). In the present specification, a mixed acid solution of hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid is referred to as fluorinated acetic acid. Further, in the etching process using this fluorinated acetic acid, the angle in the cross section at the apex of the convex portion is changed in the increasing direction, so that the surface area can be reduced and the absolute amount of surface defects can be reduced. Note that in the case of performing etching using this fluorinated acetic acid, the step of removing the oxide layer using dilute hydrofluoric acid can be omitted. Through the steps so far, the cross-sectional shape of the
次いで、適切な洗浄の後、シリコン基板100の一方の面上にプラズマCVD法を用いて
第1の半導体層110を形成する。第1の半導体層110の厚さは3nm以上100nm
以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第1の半導体層110は、アルゴン
が添加されたi型の非晶質シリコン層であり、膜厚は5nmとする。
Next, after appropriate cleaning, the
The following is preferable. In this embodiment, the
第1の半導体層110は、例えば、反応室に原料ガス(アルゴンおよびモノシラン)を導
入し、反応室内の圧力を100Pa以上200Pa以下、電極間隔を10mm以上40m
m以下、カソード電極の面積を基準とする電力密度を8mW/cm2以上120mW/c
m2以下、基板温度を150℃以上300℃以下とする条件で形成することができる。前
述したように、反応室に導入する原料ガス中のアルゴンおよびモノシランの流量比X(X
=アルゴン流量/モノシラン流量)は、0<X<0.8とすることが好ましい。なお、該
流量比率が遵守されていれば、原料ガスに水素などを加えてもよい。また、第1の半導体
層110をn−型のシリコン層とするには、上記原料ガスにホスフィンなどのn型のドー
パントを含むガスを添加すればよい。
In the
m or less, the power density based on the area of the cathode electrode is 8 mW / cm 2 or more and 120 mW / c
m 2 or less, and the substrate temperature can be set to 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. As described above, the flow rate ratio X (X of argon and monosilane in the raw material gas introduced into the reaction chamber
= Argon flow rate / monosilane flow rate) is preferably 0 <X <0.8. Note that hydrogen or the like may be added to the source gas as long as the flow rate ratio is observed. In order to make the
次いで、第1の半導体層110上に第2の半導体層120を形成する(図8(B)参照)
。第2の半導体層120の厚さは3nm以上100nm以下とすることが好ましい。本実
施の形態において、第2の半導体層120はn型(n+型)の非晶質シリコンであり、膜
厚は10nmとする。
Next, the
. The thickness of the
第2の半導体層120は、例えば、反応室にモノシランおよび水素ベースのホスフィン(
0.5%)を1:(1〜50)の流量比率で導入し、反応室内の圧力を100Pa以上2
00Pa以下とし、電極間隔を10mm以上40mm以下とし、カソード電極の面積を基
準とする電力密度を8mW/cm2以上120mW/cm2以下、基板温度を150℃以
上300℃以下とする条件で形成することができる。
The
0.5%) at a flow rate ratio of 1: (1-50), and the pressure in the reaction chamber is 100 Pa or more 2
And 00Pa or less, the electrode interval is 10mm or more 40mm or less, the power density relative to the area of the
次いで、シリコン基板100の他方の面上に、プラズマCVD法を用いて第3の半導体層
130を形成する。第3の半導体層130の厚さは、3nm以上100nm以下とするこ
とが好ましい。本実施の形態において、第3の半導体層130は、アルゴンが添加された
i型の非晶質シリコン層であり、膜厚は5nmとする。
Next, a
第3の半導体層130は、第1の半導体層110と同様の条件にて形成することができる
。なお、第3の半導体層130をp−型のシリコン層とするには、上記原料ガスにジボラ
ンなどのp型のドーパントを含むガスを添加すればよい。
The
次いで、第3の半導体層130上に第4の半導体層140を形成する(図8(C)参照)
。第4の半導体層140の厚さは3nm以上100nm以下とすることが好ましい。本実
施の形態において、第4の半導体層140はp型(p+型)の非晶質シリコンであり、膜
厚は10nmとする。
Next, the
. The thickness of the
第4の半導体層140は、例えば、反応室にモノシランおよび水素ベースのジボラン(0
.1%)を1:(2〜50)の流量比率で導入し、反応室内の圧力を100Pa以上20
0Pa以下とし、電極間隔を8mm以上40mm以下とし、カソード電極の面積を基準と
する電力密度を8mW/cm2以上50mW/cm2以下、基板温度を150℃以上30
0℃以下とする条件で形成することができる。
For example, the
. 1%) is introduced at a flow rate ratio of 1: (2 to 50), and the pressure in the reaction chamber is increased to 100 Pa or more and 20
And 0Pa less, the electrode interval is less than 8mm 40mm or less, the power density relative to the area of the
It can be formed under conditions of 0 ° C. or less.
なお、本実施の形態において、上記シリコンの層の形成に用いる電源には、原料ガスの分
解効率の良い周波数60MHzのRF電源を用いることが好ましい。原料ガスの分解効率
を上げることで、シリコン表面の未結合手を終端しやすくなる。ただし、13.56MH
z、27.12MHz、または100MHzのRF電源を用いても良い。また、連続放電
だけでなく、パルス放電にて形成を行っても良い。ON/OFF制御、またはHigh/
Low制御のパルス放電を行うことで、膜質の向上や気相中で発生するパーティクルを低
減することができる。
Note that in this embodiment mode, an RF power source having a frequency of 60 MHz with high decomposition efficiency of the source gas is preferably used as the power source used for forming the silicon layer. By increasing the decomposition efficiency of the source gas, it becomes easier to terminate dangling bonds on the silicon surface. However, 13.56MH
An RF power source of z, 27.12 MHz, or 100 MHz may be used. Further, not only continuous discharge but also pulse discharge may be used. ON / OFF control or High /
By performing low-control pulse discharge, the film quality can be improved and particles generated in the gas phase can be reduced.
次いで、第2の半導体層120上に第1の電極170を形成する(図9(A)参照)。第
1の電極170には、銀、アルミニウム、銅などの低抵抗金属を用いることができ、スパ
ッタ法や真空蒸着法などで形成することができる。または、スクリーン印刷法を用いて、
銀ペーストや、銅ペーストなどの導電性樹脂で形成しても良い。
Next, the
You may form with conductive resin, such as silver paste and copper paste.
次いで第4の半導体層140上に透光性導電膜160をスパッタ法で形成する(図9(B
)参照)。透光性導電膜160には、例えば、インジウム錫酸化物、珪素を含むインジウ
ム錫酸化物、亜鉛を含む酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛、アルミニ
ウムを含む酸化亜鉛、酸化錫、フッ素を含む酸化錫、アンチモンを含む酸化錫、またはグ
ラフェン等を用いることができる。また、透光性導電膜160は単層に限らず、異なる膜
の積層でも良い。例えば、インジウム錫酸化物とアルミニウムを含む酸化亜鉛の積層や、
インジウム錫酸化物とフッ素を含む酸化錫の積層などを用いることができる。膜厚は総厚
で10nm以上1000nm以下とする。
Next, a light-transmitting
)reference). The light-transmitting
A stack of indium tin oxide and tin oxide containing fluorine can be used. The total thickness is 10 nm or more and 1000 nm or less.
なお、シリコン基板100の表裏に設ける膜の形成順序は、上記の方法に限らず、図9(
B)に示した構造が形成できればよい。例えば、第1の半導体層110を形成し、その次
に第3の半導体層130を形成しても良い。
Note that the order of forming the films provided on the front and back sides of the
It is sufficient if the structure shown in B) can be formed. For example, the
次いで、スクリーン印刷法を用いて、透光性導電膜160上に導電性樹脂を供給し、焼成
して第2の電極190を形成する。ここで用いる導電性樹脂には、銀ペースト、銅ペース
ト、ニッケルペースト、モリブデンペーストなどを用いることができる。また、第2の電
極190は、銀ペーストと銅ペーストを積層するなど、異なる材料の積層であっても良い
。また、導電性樹脂の供給は、ディスペンス法やインクジェット法を用いてもよい。
Next, using a screen printing method, a conductive resin is supplied over the light-transmitting
なお、図2の構成の光電変換装置を形成するには、透光性導電膜180を第2の半導体層
120上に設け、該透光性導電膜状に第1の電極170をグリッド状に形成する工程を行
えばよい。
Note that in order to form the photoelectric conversion device having the structure in FIG. 2, the light-transmitting
また、図3の構成の光電変換装置を形成するには、第3の半導体層130の形成工程を省
けばよい。
In addition, in order to form the photoelectric conversion device having the structure of FIG. 3, the step of forming the
また、図4の構成の光電変換装置を形成するには、凹凸加工工程前に凹凸を形成しない面
にレジストマスクなどを設ければよい。
In addition, in order to form the photoelectric conversion device having the structure shown in FIG.
以上により、本発明の一態様である光電変換装置を作製することができる。 Through the above, the photoelectric conversion device which is one embodiment of the present invention can be manufactured.
本実施の形態は、他の実施の形態、および実施例と自由に組み合わせることができる。 This embodiment can be freely combined with any of the other embodiments and examples.
(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1とは異なる光電変換装置、およびその作製方法について
説明する。なお、実施の形態1と共通する点については、その詳細を省略する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a photoelectric conversion device which is different from that in
本実施の形態に示す光電変換装置は、実施の形態1で説明した図1乃至図4の構成におけ
る第4の半導体層140の構成材料のみが異なり、その他は同じである。
The photoelectric conversion device described in this embodiment is different in only the constituent material of the
なお、本実施の形態に示す光電変換装置は、図1、図2、および図4のそれぞれの構成を
任意に複合した構成、または、図2、図3、および図4のそれぞれの構成を任意に複合し
た構成としてもよい。
Note that in the photoelectric conversion device described in this embodiment, the structures in FIGS. 1, 2, and 4 are arbitrarily combined, or the structures in FIGS. 2, 3, and 4 are arbitrarily combined. It is good also as a structure compounded.
本実施の形態に示す光電変換装置の第4の半導体層140には、バンドギャップが2eV
以上、好ましくは2.5eV以上の遷移金属酸化物を主成分とする酸化物半導体層を用い
ることができる。特に元素周期表における第4族乃至第8族に属する金属の酸化物である
ことが好ましい。該金属の酸化物は、シリコンが光吸収を示す波長範囲において、高い透
光性を有する。
The
As described above, an oxide semiconductor layer mainly containing a transition metal oxide of 2.5 eV or more can be used. In particular, an oxide of a metal belonging to
具体的に上記酸化物半導体層としては、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸
化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化マンガン、酸化レニウムなどを用い
ることができる。中でも特に、酸化モリブデンは大気中でも安定であり、吸湿性が低く、
扱いやすいため好ましい。
Specifically, vanadium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, manganese oxide, rhenium oxide, or the like can be used for the oxide semiconductor layer. In particular, molybdenum oxide is stable in the air, has low hygroscopicity,
It is preferable because it is easy to handle.
また、上記酸化物半導体層は、不純物を添加することにより、導電型を変化させることが
できる。また、上記酸化物半導体は、故意に不純物を添加しない場合においても、金属酸
化物中の欠陥や成膜工程中に取り込まれた微量の不純物がドナー準位またはアクセプタ準
位を形成するため、n型またはp型の導電型を示す。
The conductivity type of the oxide semiconductor layer can be changed by adding an impurity. In the oxide semiconductor, even when no impurity is intentionally added, a defect in a metal oxide or a small amount of impurities taken in during a film formation process forms a donor level or an acceptor level. Type or p-type conductivity.
例えば、高純度化学研究所社製三酸化モリブデン粉末(4N MOO03PB)をフルウ
チ化学社製タングステンボート(BB−3)に入れ、1×10−4Pa以下の真空下で、
0.2nm/秒の成膜速度でシリコン基板上に抵抗加熱蒸着を行うと、シリコン基板の導
電型の違いでI−V特性の異なる素子が形成される。図10(A)はn型のシリコン基板
上に、図10(B)はp型のシリコン基板上に、それぞれ上記方法で酸化モリブデン膜を
形成した素子のI−V特性である。図10(A)は整流性を示し、図10(B)はオーム
性を示していることから、図10(A)の特性を示す素子はp−n接合が形成されている
といえる。したがって、上記方法で成膜した酸化モリブデン膜の導電型はp型であること
がわかる。
For example, molybdenum trioxide powder (4N MOO03PB) manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd. is placed in a tungsten boat (BB-3) manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd. under a vacuum of 1 × 10 −4 Pa or less.
When resistance heating vapor deposition is performed on a silicon substrate at a deposition rate of 0.2 nm / second, elements having different IV characteristics are formed due to the difference in conductivity type of the silicon substrate. FIG. 10A shows IV characteristics of an element in which a molybdenum oxide film is formed by the above method on an n-type silicon substrate, and FIG. 10B shows a p-type silicon substrate. Since FIG. 10A shows rectification and FIG. 10B shows ohmic property, it can be said that a pn junction is formed in the element having the characteristics shown in FIG. Therefore, it can be seen that the conductivity type of the molybdenum oxide film formed by the above method is p-type.
なお、上記蒸着法によって形成した酸化モリブデン膜の電気伝導度は、2×10−6〜3
.8×10−3S/cm(暗伝導度)、屈折率1.6〜2.2(波長550nm)、消衰
係数6×10−4〜3×10−3(波長550nm)、Taucプロットから求めたバン
ドギャップは、2.8〜3eVであった。
The electric conductivity of the molybdenum oxide film formed by the above evaporation method is 2 × 10 −6 to 3
. 8 × 10 −3 S / cm (dark conductivity), refractive index 1.6 to 2.2 (wavelength 550 nm),
また、上記酸化物半導体層はパッシベーション効果が高く、シリコン表面の欠陥を低減さ
せることができ、キャリアのライフタイムを向上させることができる。
The oxide semiconductor layer has a high passivation effect, can reduce defects on the silicon surface, and can improve carrier lifetime.
例えば、酸化モリブデンを抵抗率約9Ω・cmのn型の単結晶シリコン基板の両面に成膜
し、パッシベーション層としたときのキャリアのライフタイムは、約400μsecであ
ることがμPCD(microwave detected photoconduct
ivity decay)法で確かめられている。
For example, the carrier lifetime when molybdenum oxide is deposited on both surfaces of an n-type single crystal silicon substrate having a resistivity of about 9 Ω · cm and used as a passivation layer is about 400 μsec. ΜPCD (microwave detected photoconductor
(ivity decay) method.
また、図11は、上記蒸着法でガラス基板上に形成した酸化モリブデン膜、およびプラズ
マCVD法で形成した非晶質シリコン膜の光吸収係数の比較である。酸化モリブデン膜は
、広い波長範囲で光吸収係数が小さいことがわかる。
FIG. 11 is a comparison of light absorption coefficients of a molybdenum oxide film formed on a glass substrate by the above evaporation method and an amorphous silicon film formed by a plasma CVD method. It can be seen that the molybdenum oxide film has a small light absorption coefficient in a wide wavelength range.
上記のように広い波長範囲で光吸収係数が小さい酸化物半導体層を第4の半導体層140
に用いることによって、光電変換装置の窓層での光吸収損失が低減し、光吸収領域におい
て効率良く光電変換を行うことできるようになる。
As described above, the
As a result, the light absorption loss in the window layer of the photoelectric conversion device is reduced, and the photoelectric conversion can be efficiently performed in the light absorption region.
また、上述したように第4の半導体層140に用いる酸化物半導体層はシリコン表面の欠
陥を低減するパッシベーション効果が高い。したがって、本実施の形態における光電変換
装置は、特に第3の半導体層130が不要な図3の構成を含む構造とすることが好ましい
。
As described above, the oxide semiconductor layer used for the
本実施の形態における光電変換装置は、第4の半導体層140を除き、実施の形態1にお
いて図8および図9を説明する工程を用いて作製することができる。
The photoelectric conversion device in this embodiment can be manufactured using the steps described in
また、第4の半導体層140として上述した酸化物半導体層を形成するには、蒸着法、ス
パッタ法、またはイオンプレーティング法などの気相法により成膜することができる。膜
厚は10〜100nmとすることが好ましい。
In addition, the above-described oxide semiconductor layer can be formed as the
例えば、第4の半導体層140としてp型の酸化モリブデンを形成する場合、蒸着法では
、酸化モリブデン材料単体の蒸着、または酸化モリブデン材料とp型の導電型を付与する
不純物を共蒸着する方法を用いればよい。共蒸着とは、一つの処理室内で複数の蒸発源か
ら同時に蒸着を行う蒸着法である。また、スパッタ法では、酸化モリブデン、モリブデン
、またはそれらにp型の導電型を付与する不純物を含む材料をターゲットとし、酸素、ま
たは酸素とアルゴンなどの希ガスとの混合ガスをスパッタガスとする方法を用いればよい
。また、イオンプレーティング法では、上記スパッタ法と同様の材料を用いて、酸素を含
むプラズマ中で膜を形成すればよい。
For example, in the case where p-type molybdenum oxide is formed as the
本実施の形態は、他の実施の形態、および実施例と自由に組み合わせることができる。 This embodiment can be freely combined with any of the other embodiments and examples.
本実施例では、光電変換装置のセル特性について説明する。 In this embodiment, cell characteristics of a photoelectric conversion device will be described.
本実施例で説明する光電変換装置は、図1に示す構造であり、実施の形態1の作製方法で
説明した材料および方法を用いて作製した。セルサイズは132.25cm2であり、測
定には、ソーラーシミュレータにより発生させた疑似太陽光(AM1.5、照射強度は1
00mW/cm2)を用いた。
The photoelectric conversion device described in this example has the structure illustrated in FIG. 1 and was manufactured using the materials and methods described in the manufacturing method of
00 mW / cm 2 ) was used.
図12は、パッシベーション層(第1の半導体層110および第3の半導体層130)の
作製工程において、アルゴン/モノシラン流量比が0のセルAと、アルゴン/モノシラン
流量比が0.25のセルBとのI−V特性を比較した図である。
FIG. 12 shows a cell A in which the argon / monosilane flow ratio is 0 and a cell B in which the argon / monosilane flow ratio is 0.25 in the manufacturing process of the passivation layers (the
セルAとセルBの比較において、特にセルBの開放電圧および曲線因子が良好であること
がわかる。すなわち、パッシベーション層へのアルゴン添加によるライフタイム向上が光
電変換装置の電気特性向上に寄与していることがわかる。
In comparison between cell A and cell B, it can be seen that the open circuit voltage and the fill factor of cell B are particularly good. That is, it can be seen that the improvement of the lifetime due to the addition of argon to the passivation layer contributes to the improvement of the electrical characteristics of the photoelectric conversion device.
本実施例は、他の実施の形態と自由に組み合わせることができる。 This embodiment can be freely combined with any of the other embodiments.
100 シリコン基板
110 第1の半導体層
120 第2の半導体層
130 第3の半導体層
140 第4の半導体層
160 透光性導電膜
170 第1の電極
180 透光性導電膜
190 第2の電極
100
Claims (1)
前記シリコン基板の一方の面上に、n型の導電型を有し前記シリコン基板よりもキャリア濃度の低い第1の半導体層を形成する第2の工程と、
前記第1の半導体層上に、n型の導電型を有し前記シリコン基板よりもキャリア濃度の高い第2の半導体層を形成する第3の工程と、
前記シリコン基板の他方の面上に、p型の導電型を有する第3の半導体層を形成する第4の工程と、
前記第3の半導体層上に、p型の導電型を有し前記第3の半導体層よりもキャリア濃度の高い第4の半導体層を形成する第5の工程と、
前記第4の半導体層上に透光性導電膜を形成する第6の工程と、
前記第2の半導体層上に第1の電極を形成する第7の工程と、
前記透光性導電膜上に第2の電極を形成する第8の工程と、
を有し、
前記第1の半導体層、前記第2の半導体層および前記第3の半導体層は、シリコンを有し、
前記第4の半導体層は、酸化モリブデンで形成され、
前記第2の工程および前記第4の工程は、原料ガスにアルゴンとモノシランを含み、両者の流量比X(X=アルゴン流量/モノシラン流量)を0<X<0.8とした条件のプラズマCVD法で行うことを特徴とする光電変換装置の作製方法。 a first step of preparing a silicon substrate having n-type conductivity;
A second step of forming a first semiconductor layer having an n-type conductivity and having a carrier concentration lower than that of the silicon substrate on one surface of the silicon substrate;
A third step of forming, on the first semiconductor layer, a second semiconductor layer having an n-type conductivity type and having a carrier concentration higher than that of the silicon substrate;
A fourth step of forming a third semiconductor layer having a p-type conductivity type on the other surface of the silicon substrate;
A fifth step of forming, on the third semiconductor layer, a fourth semiconductor layer having a p-type conductivity and having a carrier concentration higher than that of the third semiconductor layer;
A sixth step of forming a translucent conductive film on the fourth semiconductor layer;
A seventh step of forming a first electrode on the second semiconductor layer;
An eighth step of forming a second electrode on the translucent conductive film;
Have
The first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer have silicon,
The fourth semiconductor layer is formed of molybdenum oxide;
In the second step and the fourth step, plasma CVD under the condition that the source gas contains argon and monosilane and the flow ratio X (X = argon flow rate / monosilane flow rate) of the two is 0 <X <0.8. A method for manufacturing a photoelectric conversion device, which is performed by a method.
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