JP2004071763A

JP2004071763A - 光起電力素子

Info

Publication number: JP2004071763A
Application number: JP2002227633A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Okumura; 奥村　健一
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】拡散層により形成されるエネルギー障壁によるキャリア追い返し効果を維持しつつ、素子表面（受光面及び裏面）の欠陥数を減少させることで、表面再結合損失を低減して光電変換効率の更なる向上を図る。
【解決手段】半導体基板１０と、その裏面に形成され、半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型半導体層１２及びｐ^＋型半導体層１４と、それらにそれぞれ接続された負電極２２及び正電極２４と、を備えた裏面電極型の光起電力素子において、ｎ^＋型半導体層とｐ^＋型半導体層との間に半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有する内部拡散層１８が形成され、その内部拡散層の裏面側に半導体基板のキャリア濃度と同程度の又はより低いキャリア濃度を有する低キャリア濃度半導体層１９が形成される。また、受光面側にも、内部拡散層１１８及び低キャリア濃度半導体層１１９が形成される。
【選択図】　　　図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池等の、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光吸収により発生したキャリアが欠陥の多い最表面で再結合することを防止するため、従来の光起電力素子は、図１に示されるように、半導体基板１０の受光面及び裏面を拡散層１２、１４及び１６で覆い、更に表面保護膜（パッシベーション膜）３２及び３４を形成した構造とされている（例えば、特開平１１−３１２８１４号公報参照）。
【０００３】
これは、拡散層により形成されるエネルギー障壁を用いて、光吸収で発生したキャリアを基板内部へ追い返すとともに、表面保護膜（パッシベーション膜）により表面の欠陥を不活性化するためである。なお、符号２２及び２４は電極、符号４０は反射防止膜をそれぞれ示し、図１の光起電力素子は、裏面側にのみ電極を有する裏面電極型である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、拡散層は、ドーパント元素を結晶内に混入することで形成される。このドーパント元素は結晶を構成する材料（基板材料）に対して不純物となるため、多くのドーパント元素を含む、即ち高いキャリア濃度を有する拡散層では欠陥数が多くなる。
【０００５】
一般的に、拡散層を形成する手法として熱拡散法及びイオン注入法が用いられる。その形成された拡散層では、表面に向かうに従いキャリア濃度が高くなっていく。かくして、拡散層が形成された表面においては欠陥数が増加してしまうため、表面保護膜を用いても十分に表面の欠陥を不活性化することが困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、拡散層により形成されるエネルギー障壁によるキャリア追い返し効果を維持しつつ、素子表面（受光面及び裏面）の欠陥数を減少させることで、表面再結合損失を低減して光電変換効率の更なる向上を図った光起電力素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の面によれば、半導体基板と、前記半導体基板の裏面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型半導体層及びｐ^＋型半導体層と、前記ｎ^＋型半導体層及び前記ｐ^＋型半導体層にそれぞれ接続された負電極及び正電極と、を備えた裏面電極型の光起電力素子において、前記ｎ^＋型半導体層と前記ｐ^＋型半導体層との間に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有する内部拡散層と、前記内部拡散層の裏面側に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度と同程度の又はより低いキャリア濃度を有する低キャリア濃度半導体層と、を設けたことを特徴とする光起電力素子が提供される。
【０００８】
ここで、本発明の第二の面によれば、前記本発明の第一の面による光起電力素子において、前記ｎ^＋型半導体層及び前記ｐ^＋型半導体層は、上部よりも下部が狭くなるように形成される。
【０００９】
また、本発明の第三の面によれば、半導体基板と、前記半導体基板の裏面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型半導体層及びｐ^＋型半導体層と、前記ｎ^＋型半導体層及び前記ｐ^＋型半導体層にそれぞれ接続された負電極及び正電極と、を備えた裏面電極型の光起電力素子において、前記半導体基板の受光面側に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有する内部拡散層と、前記内部拡散層の受光面側に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度と同程度の又はより低いキャリア濃度を有する低キャリア濃度半導体層と、を設けたことを特徴とする光起電力素子が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図２は、本発明の第一実施形態に係る光起電力素子の断面図である。ｐ型（又はｎ型）半導体基板１０の裏面には、拡散法を用いて、ｎ^＋型半導体層１２とｐ^＋型半導体層１４とがそれぞれ交互に形成されている。キャリアを収集するために、これらのｎ^＋型半導体層１２及びｐ^＋型半導体層１４のキャリア濃度は、ｐ型（又はｎ型）半導体基板１０のキャリア濃度よりも高くされている。
【００１２】
また、半導体基板１０の受光面には、基板１０のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型（又はｐ^＋型）半導体層（受光面拡散層）１６が形成されている。この半導体層１６により、受光面近傍で発生したキャリアが欠陥の多い受光面側に移動する割合が大きく減少する。
【００１３】
また、半導体基板１０の受光面側には、界面の欠陥を減少させて界面でのキャリアの消滅を減少させるべく表面保護膜（パッシベーション膜）３２が設けられている。さらに、半導体基板１０の受光面側においては、表面保護膜３２の上に反射防止膜４０が設けられている。
【００１４】
一方、半導体基板１０の裏面側には、ｎ^＋型半導体層１２に接続される負（−）電極２２とｐ^＋型半導体層１４に接続される正（＋）電極２４とが設けられ、裏面電極型構造を実現している。
【００１５】
また、半導体基板１０の裏面側においては、ｎ^＋型半導体層１２とｐ^＋型半導体層１４との間にｐ^＋型（又はｎ^＋型）内部拡散層１８が形成されている。この内部拡散層１８のキャリア濃度は、半導体基板１０のキャリア濃度よりも高くされている。
【００１６】
さらに、内部拡散層１８の下側すなわち裏面側には、ｐ型（又はｎ型）の低キャリア濃度半導体層１９が形成されている。この低キャリア濃度半導体層１９のキャリア濃度は、半導体基板１０のキャリア濃度と同程度又はそれよりも低くされている。
【００１７】
また、半導体基板１０の裏面側においては、半導体層１２及び１４と電極２２及び２４とがそれぞれ接続する部分以外の部分に表面保護膜（パッシベーション膜）３４が設けられている。
【００１８】
図２の光起電力素子では、受光面（上面）側から入射した光が半導体基板１０において吸収され、電子と正孔とが生成される。生成された電子は、ｎ^＋型半導体層１２の領域へと拡散していき負（−）電極２２に集められる一方、生成された正孔は、ｐ^＋型半導体層１４へと拡散していき正（＋）電極２４に集められる。かくして、光の吸収によって生成された電子と正孔とが分離され、光起電力が生ずることとなる。
【００１９】
そして、図２の光起電力素子では、裏面に低キャリア濃度半導体層１９が形成されているため、従来の光起電力素子よりも裏面の欠陥数が減少する。その結果、光起電力素子の特性、すなわち光電変換効率が向上する。
【００２０】
また、図２の光起電力素子では、裏面のｎ^＋型半導体層１２及びｐ^＋型半導体層１４を、従来の光起電力素子よりも小さくすることができるため、欠陥数が減少し、光起電力素子の特性が向上する。
【００２１】
さらに、表面保護膜（パッシベーション膜）と水素やハロゲン元素等の終端処理（パッシベーション処理）とを併用することで、より効果的に光起電力素子の特性を向上させることができる。
【００２２】
ここで、図２に示される光起電力素子の具体的構造について説明すると、例えば、半導体基板１０は、キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍを有するｐ型Ｓｉ基板である。
【００２３】
また、ｎ^＋型半導体層１２は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。同様に、ｐ^＋型半導体層１４は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。
【００２４】
受光面拡散層１６は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。また、内部拡散層１８は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．２μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。また、低キャリア濃度半導体層１９は、キャリア濃度１×１０^１５ｃｍ^−３、厚さ０．２μｍを有するｐ型Ｓｉ層である。
【００２５】
また、負（−）電極２２は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。同様に、正（＋）電極２４は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。
【００２６】
また、受光面側表面保護膜（パッシベーション膜）３２は、膜厚が５ｎｍのＳｉО_２　であり、裏面側表面保護膜３４は、膜厚が０．１μｍのＳｉО_２　である。反射防止膜４０は、それぞれ膜厚１１０ｎｍ及び５０ｎｍを有するＭｇＦ_２／ＺｎＳの２層膜である。
【００２７】
なお、半導体基板１０としては、Ｓｉ基板に代えて、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣＳｉＧｅ等の基板を用いることができる。また、上記具体例では、半導体基板１０をｐ型、受光面拡散層１６をｎ^＋型、内部拡散層１８をｐ^＋型、低キャリア濃度半導体層１９をｐ型としているが、それぞれ反対の伝導型でもよい。
【００２８】
図３は、本発明の第二実施形態に係る光起電力素子の断面図である。この第二実施形態は、前述の第一実施形態（図２）を一部変更したものであり、図３においては、図２における要素と同一の要素に同一の符号が付されることにより、その説明が省略される。図２の構造に対する図３の構造の相違点について説明すると、ｎ^＋型半導体層１２及びｐ^＋型半導体層１４は、上部よりも下部が狭くなるように形成されている。
【００２９】
この第二実施形態（図３）は、前述の第一実施形態（図２）が有する作用・効果と同一の基本的作用・効果を奏するのに加え、第一実施形態よりも低キャリア濃度半導体層１９が広範囲に形成されることとなるため、更に表面の欠陥を減少させることができ、結果として第一実施形態よりも光起電力素子の特性を向上させることができる。
【００３０】
ここで、図３に示される光起電力素子の具体的構造について説明すると、例えば、半導体基板１０は、キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍを有するｐ型Ｓｉ基板である。
【００３１】
また、ｎ^＋型半導体層１２は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。同様に、ｐ^＋型半導体層１４は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。
【００３２】
受光面拡散層１６は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。また、内部拡散層１８は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．２μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。また、低キャリア濃度半導体層１９は、キャリア濃度１×１０^１５ｃｍ^−３、厚さ０．２μｍを有するｐ型Ｓｉ層である。
【００３３】
また、負（−）電極２２は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。同様に、正（＋）電極２４は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。
【００３４】
また、受光面側表面保護膜（パッシベーション膜）３２は、膜厚が５ｎｍのＳｉО_２　であり、裏面側表面保護膜３４は、膜厚が０．１μｍのＳｉО_２　である。反射防止膜４０は、それぞれ膜厚１１０ｎｍ及び５０ｎｍを有するＭｇＦ_２／ＺｎＳの２層膜である。
【００３５】
なお、半導体基板１０としては、Ｓｉ基板に代えて、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣＳｉＧｅ等の基板を用いることができる。また、上記具体例では、半導体基板１０をｐ型、受光面拡散層１６をｎ^＋型、内部拡散層１８をｐ^＋型、低キャリア濃度半導体層１９をｐ型としているが、それぞれ反対の伝導型でもよい。
【００３６】
また、図３の例では、ｎ^＋型半導体層１１２及びｐ^＋型半導体層１１４が逆凸型形状に形成されているが、これに限定されるものではなく、図４（ａ）、（ｂ）等に示されるように、下部が狭くなるように形成されているものであればよい。
【００３７】
図５は、本発明の第三実施形態に係る光起電力素子の断面図である。図５においては、図２における要素と同一の要素に同一の符号が付されることにより、その説明が省略される。図２の構造に対する図５の構造の相違点について説明すると、図２の光起電力素子では、内部拡散層１８及び低キャリア濃度半導体層１９が裏面側に形成されているのに対し、図５の光起電力素子では、内部拡散層１１８及び低キャリア濃度半導体層１１９が受光面側に形成されている。
【００３８】
図５の光起電力素子では、受光面に低キャリア濃度半導体層１１９が形成されているため、従来の光起電力素子よりも受光面の欠陥数が減少する。その結果、光起電力素子の特性、すなわち光電変換効率が向上する。
【００３９】
さらに、表面保護膜（パッシベーション膜）と水素やハロゲン元素等の終端処理（パッシベーション処理）とを併用することで、より効果的に光起電力素子の特性を向上させることができる。
【００４０】
ここで、図５に示される光起電力素子の具体的構造について説明すると、例えば、半導体基板１０は、キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍを有するｐ型Ｓｉ基板である。
【００４１】
また、ｎ^＋型半導体層１２は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。同様に、ｐ^＋型半導体層１４は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。
【００４２】
内部拡散層１１８は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。また、低キャリア濃度半導体層１１９は、キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ１０ｎｍを有するｐ型Ｓｉ層である。
【００４３】
また、負（−）電極２２は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。同様に、正（＋）電極２４は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。
【００４４】
また、受光面側表面保護膜（パッシベーション膜）３２は、膜厚が５ｎｍのＳｉО_２　であり、裏面側表面保護膜３４は、膜厚が０．１μｍのＳｉО_２　である。反射防止膜４０は、それぞれ膜厚１１０ｎｍ及び５０ｎｍを有するＭｇＦ_２／ＺｎＳの２層膜である。
【００４５】
なお、半導体基板１０としては、Ｓｉ基板に代えて、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣＳｉＧｅ等の基板を用いることができる。また、上記具体例では、半導体基板１０をｐ型、内部拡散層１１８をｎ^＋型、低キャリア濃度半導体層１１９をｐ型としているが、それぞれ反対の伝導型でもよい。
【００４６】
図６は、本発明の第四実施形態に係る光起電力素子の断面図である。この第四実施形態は、前述した第一実施形態（図２）と第三実施形態（図５）とを合体したものとなっている。図５においては、図２又は図５における要素と同一の要素に同一の符号が付されることにより、その説明が省略される。
【００４７】
この第四実施形態では、内部拡散層１８及び低キャリア濃度半導体層１９が裏面側に形成されるとともに、内部拡散層１１８及び低キャリア濃度半導体層１１９が受光面側にも形成されている。したがって、受光面及び裏面の欠陥数が減少することから、光起電力素子の特性、すなわち光電変換効率が向上する。
【００４８】
ここで、図６に示される光起電力素子の具体的構造について説明すると、例えば、半導体基板１０は、キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ１５０μｍを有するｐ型Ｓｉ基板である。
【００４９】
また、ｎ^＋型半導体層１２は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。同様に、ｐ^＋型半導体層１４は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ１μｍを有するｐ^＋型Ｓｉ層である。
【００５０】
裏面側内部拡散層１８は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。また、裏面側低キャリア濃度半導体層１９は、キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍを有するｎ型Ｓｉ層である。
【００５１】
受光面側内部拡散層１１８は、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．５μｍを有するｎ^＋型Ｓｉ層である。また、受光面側低キャリア濃度半導体層１１９は、キャリア濃度１×１０^１６ｃｍ^−３、厚さ１０ｎｍを有するｐ型Ｓｉ層である。
【００５２】
また、負（−）電極２２は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。同様に、正（＋）電極２４は、膜厚２μｍを有するＡｌ電極である。
【００５３】
また、受光面側表面保護膜（パッシベーション膜）３２は、膜厚が５ｎｍのＳｉО_２　であり、裏面側表面保護膜３４は、膜厚が０．１μｍのＳｉО_２　である。反射防止膜４０は、それぞれ膜厚１１０ｎｍ及び５０ｎｍを有するＭｇＦ_２／ＺｎＳの２層膜である。
【００５４】
なお、半導体基板１０としては、Ｓｉ基板に代えて、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＣＳｉＧｅ等の基板を用いることができる。また、上記具体例では、半導体基板１０をｐ型、受光面側内部拡散層１１８をｎ^＋型、受光面側低キャリア濃度半導体層１１９をｐ型、裏面側内部拡散層１８をｎ^＋型、裏面側低キャリア濃度半導体層１９をｎ型としているが、それぞれ反対の伝導型でもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による光起電力素子によれば、拡散層により形成されるエネルギー障壁によるキャリア追い返し効果を維持しつつ、素子表面（受光面及び裏面）の欠陥数が減少せしめられることで、表面再結合損失が低減され、光電変換効率の更なる向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光起電力素子の断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る光起電力素子の断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る光起電力素子の断面図である。
【図４】第二実施形態におけるｎ^＋型半導体層及びｐ^＋型半導体層の他の形状を例示する断面図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係る光起電力素子の断面図である。
【図６】本発明の第四実施形態に係る光起電力素子の断面図である。
【符号の説明】
１０…ｐ型（又はｎ型）半導体基板
１２…ｎ^＋型半導体層
１４…ｐ^＋型半導体層
１６…受光面拡散層
１８…裏面側内部拡散層
１９…裏面側低キャリア濃度半導体層
２２…負（−）電極
２４…正（＋）電極
３２…表面保護膜（パッシベーション膜）
３４…表面保護膜（パッシベーション膜）
４０…反射防止膜
１１８…受光面側内部拡散層
１１９…受光面側低キャリア濃度半導体層

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の裏面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型半導体層及びｐ^＋型半導体層と、
前記ｎ^＋型半導体層及び前記ｐ^＋型半導体層にそれぞれ接続された負電極及び正電極と、
を備えた裏面電極型の光起電力素子において、
前記ｎ^＋型半導体層と前記ｐ^＋型半導体層との間に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有する内部拡散層と、
前記内部拡散層の裏面側に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度と同程度の又はより低いキャリア濃度を有する低キャリア濃度半導体層と、
を設けたことを特徴とする光起電力素子。
前記ｎ^＋型半導体層及び前記ｐ^＋型半導体層は、上部よりも下部が狭くなるように形成されている、請求項１に記載の光起電力素子。
半導体基板と、
前記半導体基板の裏面に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有するｎ^＋型半導体層及びｐ^＋型半導体層と、
前記ｎ^＋型半導体層及び前記ｐ^＋型半導体層にそれぞれ接続された負電極及び正電極と、
を備えた裏面電極型の光起電力素子において、
前記半導体基板の受光面側に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度よりも高いキャリア濃度を有する内部拡散層と、
前記内部拡散層の受光面側に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度と同程度の又はより低いキャリア濃度を有する低キャリア濃度半導体層と、
を設けたことを特徴とする光起電力素子。