JPH01181575A - 接合型光電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野） 本発明は、太陽電池等の接合型光電変換装置に関し、特
に、そうした装置素子の物理的な強度問題を生起するこ
となく、その開放起電圧Ｖ。Ｃを高め得るようにする改
良に関する。

（従来の技術） 太陽電池等の接合型光電変換装置における開放起電圧Ｖ
。Ｃは、主として光を吸収する半導体層の厚さが、当該
光発生する少数キャリアの拡散長より薄くなると増大し
始め、表面再結合速度が小さければ、薄くなる程、大き
くなる。

しかし一般に、大面積の半導体結晶を、全体として上記
のように少数キャリアの拡散長等という極めて薄いオー
ダに作り、これをさらに素子までに加工することは、単
に機械的な強度だけを考えても不可能である。

そこで従来、実現可能な構造として提案されたのは、！
Ａ種基板上に薄い半導体結晶層を成長させ、これを光電
変換機能層とするものである。

（発明が解決しようとする問題点〉 しかし、上記従来の構造では、基板との結晶格子間隔の
不整合や熱膨張係数の差等が災いし、結晶欠陥や画を発
生し易く、さらにはまた、基板から結晶薄膜へ不純物が
拡散する等の不都合もあって、良質な半導体薄膜を得る
ことが実際には極めて難しく、薄膜化による光電変換特
性の向上という利点は生かされていなかった。

本発明はこうした点に鑑みて成されたもので、異種基板
上での結晶成長という技術を用いず、単一種の半導体基
板から構築することができ、それでいて物理的な脆弱性
の問題も生むことなく、光電変換特性の向上を図れる新
たな構成を提案せんとするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は上記目的を達成するため、 ■　所定の面積を有する半導体基板を、その厚さに関し
、該半導体基板の内部で光発生する少数キャリアの拡散
長よりも薄い薄層部と、該薄層部よりも厚く、物理的に
十分な強度を有する厚層部との混在構造から成るように
加工し：■　上記厚層部を、少なくとも隣合う一対の上
記薄層部間に位置させると共に： ■　上記半導体基板の一方の表面に沿って上記少数キャ
リアを集める接合形成層を、また他方の表面に沿って上
記少数キャリアを追返す障壁形成層を設け、該接合形成
層か障壁形成層のあるどちらか一方の半導体表面を受光
面、該受光面に対向する他方の表面を反射層付きの反射
面とした上で； ■　上記厚層部の幅を、上記少数キャリア拡散長の二倍
以下としたこと： を特徴とする接合型光電変換装置を提供する。

（作用および効果） 上記本発明の構成要素中において、半導体基板を薄層化
することで形成され、両表面の一方あてに沿ってそれぞ
れ光発生した少数キャリアを集める接合形成層と、自身
に向かって流れてくる少数キャリアを電気的に追返す障
壁形成層とを有する半導体薄層部は、その厚味が、ここ
の部分で光発生し得る少数キャリアの拡散長以下とされ
ているので、当該薄層部にて得られる開放起電圧は十分
高いものとなる。

そして、電気的に少数キャリアを接合形成層の側に追返
す障壁形成層は、まずこの薄層部だけに関しても、その
キャリア濃度自体を濃くする働きを有し、したがって、
単に少数キャリアの拡散長以下にこの薄層部を構成した
だけのときよりも、さらに−層、開放起電圧を向上し得
るものとなる。

一方、こうした薄層部だけでは、到底、装置素子として
の機械的ないし物理的な強度は期待できないが、本発明
に従って構成された光電変換装置においては、隣合う薄
層部間に、装置素子全体として物理的に十分な強度を得
るために厚くされた（と言っても、一般には供給された
出発部材としての半導体基板の板厚そのものであって良
いが）厚層部があり、この問題を解決している。

しかし、こうした厚層部自体°は、本来、開放起電圧を
低下させる傾向にあるから、単に上記のように厚層部を
設けただ°けでは、薄層部を設けたことによる光電変換
効率向上効果が大きく損われ、場合によっては何等の効
果を呈し得ないことも考えられる。

そこで本発明においては、さらにこの厚層部の幅に関し
、“少数キャリア拡散長の二倍以下”という重要な限定
を施し、そうした危惧を除いている。

これは端的に言えば、厚層部の幅をその程度に留める限
り、少なくとも、当該厚層部の両側にある一対の薄層部
の一方の表面に沿って設けられている障壁形成層が、こ
の厚層部に対し、横方向からも作用し得るからである。

つまり、障壁形成層の存在による電気的なキャリア追返
し作用は、当該障壁形成層の端部から少数キャリア拡散
長の距離程度の部分であれば、単に上下方向に限らず、
横方向を含む全方向に及び得る。

したがって、各厚層部の幅を上記のように少数キャリア
拡散長の二倍以下として置けば、障壁形成層が横方向や
斜め上方向にもキャリア適過し機能を営む結果、厚層部
中においてもその中に存在し得る少数キャリアは、当該
障壁形成層部分の影響により、望ましい追返し作用を受
は得るのである。ただし、実施例によっては、厚層部自
体に備えられている障壁形成層が、より近い位置から直
接にキャリア適過し作用を発揮することもある。

いずれにしろこのようにして、厚層部を設けたにもかか
わらず、その存在に基づく開放起電圧の低下は無視し得
る程度にでき、悪い場合ても、従来に比せば十分高い値
に維持し得る。

結局、本発明の効果としてまとめれば、光電変換特性と
機械的強度特性との間に横たわる相反性を良く調和し、
十分に丈夫でありながら高効率の光電変換装置を提供し
得るもの、と言える。

また、これを逆に言えば、高効率効果を幾分か抑え目と
しても、それでなお十分である場合には、本発明装置に
用いる半導体材質は、従来よりも低品質なものであって
良いこともあり、これはこれで、現実的に極めて望まし
い効果となる。

（実　施　例） 第１図には、本発明に従って構成された一実施例である
接合型光電変換装置の要部断面構成が概略的に示されて
いる。

図示の状態は素子完成状態であるから、もちろん、出発
材料として一般的な適当なる材質の半導体ウェハに対し
、すでに幾何的な形態加工を終えた状態で示しており、
当該半導体基板ｌＯは、相対的に薄い薄層部１１と相対
的に厚い厚層部１２との混在状態となっており、特に、
本発明要旨に従い、厚層部１２は、少なくとも横方向に
対向する一対の薄層部１１．１１間に位置している。

図示実施例においては、半導体基板１０の図中、上方の
表面は一連に平らな面となっており、これとは反対側の
表面（裏面）が、薄層部１１と厚層部１２の厚味の差に
応じた凸凹な面となっている。

そして、各薄層部１１は、その部分に右ける半導体内部
にて光発生した少数キャリアの拡散長よりも薄い厚さｄ
とされており、一方、厚層部１２の厚さは、上記薄層部
１１より厚いことはもちろん、機械的に図示の素子構造
を支持し得るように、十分な厚さに設定される。

しかし、本発明の趣旨に従い、この厚層部１２の半導体
基板表面に平行な方向の寸法Ｗ、すなわち幅Ｗは、当該
少数キャリア拡散長の二倍以下の寸法とされている。

本発明の光電変換装置においては、受光面は半導体基板
の二表面のいずれにも設定することができるが、ここに
示されている実施例では、図中で上方に位置する平らな
側の面としている。

この表面側には、接合形成層１３が設けられているが、
これは半導体基板ｌＯと同一材料で、逆導電型の不純物
を含む薄層であっても良いし、半導体基板とは異なる材
料で、ペテロ接合を形成する関係にある材質製であって
も良い。

要は、半導体基板ｌＯの薄層部１１にて光発生した少数
キャリアを集める機能を示せれば良く、場合によっては
光を透過し得る程度に薄い限り、この接合形成層１３と
して適゛当なる金属層を選択することも可能である。

図示の場合には、この接合形成層１３の上にさらに、保
護膜を兼ねた反射防止膜３１が設けられているが、これ
は必要に応じて設ければ良く、反射防止機能を営む層と
保護機能を営む層とを別個な層とし、多層構造にする等
しても良い。

なお、便宜的に、この接合形成層１３のある方の半導体
基板表面を図示実施例の場合、そのままに″表面”と呼
び、他面側を“裏面”と呼ぶ。

半導体基板表面側にはまた、当該表面に沿って形成され
た接合形成層１３に電気的な導通を採るための引き出し
端子１４も適宜に設けられるが、特にこの場合は、厚層
部１２の上に位置する個所に各設けられている。

これは、光電変換特性的に最も優れた結果の得られる薄
層部１１の面積部分をできるだけ有効利用し、至上、そ
の全面積部分を全て光の入射領域とし得るようにする意
味もあり、また、当該引き出し端子の製造工程後、これ
ら端子群に外部回路の接続を採る工程において、仮に大
きな外力が印加されることがあっても、機械的に強度の
高い厚層部１２上であれば、これに少しでも良く抵抗し
得るようになるとの意図からでもある。

半導体基板１０の裏面は、先に述べたように、薄層部１
１の部分の底と厚層部１２の部分の底が連続することか
ら、結果として凸凹な面となるが、とにかくもこの裏面
に沿い（したがって同様に凸凹になるが）、障壁形成層
２０が設けられている。

この障壁形成層２０は、半導体基板ｌＯと同一導電型で
、より高濃度な不純物層として形成されても良いし、異
種材料層であっても良い。

この障壁形成層２０についても、要は、薄層部ｌｌで発
生した少数キャリアに対して障壁を形成し、この層の側
に流れてくる少数キャリアを電気的に追返すような機能
が見込めれば良く、例えば薄層部１１に対する異種材料
層としても、当該少数キャリアに対して障壁を形成し得
るように、薄層部１１よりもさらにワイド・ギャップな
半導体または絶縁膜を選択することができる。

特にこの障壁形成層２０として、上記のように適当なる
絶縁膜を選択した場合には、この実施例でこれを覆うよ
うに設けられている保護層４１は、当該絶縁膜自体で兼
用することもできる。

また、望ましくは設けられる保護層４１の上には（と言
っても、図中ではさらに下方の位置になるが）、一般に
適当なる金属層で成る反射層４２も設けられており、こ
の実施例ではやはり、端子１４に関して述べたと同様の
理由で、厚層部１２のある所でこの反射層４２が保護層
４１を貫通し、半導体基板ｌＯに対する電気的接触部分
２１を構成している。

このような構造において、本発明の有意性を考えて見る
と、半導体薄層部１１の厚さｄは、先に述べたように少
数キャリア拡散長よりも薄いので。

この部分で発生する開放起電圧ＶＯＣは、望ましい程に
十分高くし得る。従来にあけるように、厚さの均一性を
保ったまま、機械的に耐え得る限界にまで、半導体基板
を葎＜シて得られた光電変換装置に比しても、なお十分
に高い値となる。

換言すれば、従来の光電変換装置では、特に低品位の半
導体基板を使した場合、当該基板の全面積領域に関し、
その厚さを少数キャリア拡散長以下とすること等は到底
できなかったのに対し、本発明に従って構成された光電
変換装置においては、上記のように少数キャリア拡散長
以下の部分を作っても、厚層部１２の存在により、全体
としての機械強度を満足な程度に維持し得るのである。

しかしもし、このように機械的な強度を稼ぐために設け
た厚層部１２の存在により、向上し得る筈の光電変換特
性が大きく損われたのでは、せつかくにして薄層部１１
を設けた意味も失われてしまう可能性があるが、本発明
の場合には、当該厚層部１２の幅Ｗに関し、少数キャリ
ア拡散長の二倍以下という重要な限定を施しているため
、そうした危惧は回避できるのである。

その理由はすでに作用の項でも述べているが、念のため
、この実施例に即しても触れて置くと、図示実施例の場
合、半導体基板！Ｏの裏面側に設けられている障壁形成
層２０は、まずもって薄層部１１のキャリア濃度自体を
濃くする働きを有し、したがって、単に少数キャリアの
拡散長以下にこの半導体薄層部１１を構成しただけのと
きよりも、さらに−層の開放起電圧向上効果を期待し得
る。

一方、この障壁形成層２０の存在による電気的なキャリ
ア適過し作用は、当該障壁形成層の端部から少数キャリ
ア拡散長の距離程度の部分であれば、単に上下方向に限
らず、横方向を含む全方向（ただしもちろん、半導体領
域のない所は除く）に及ぶものとなる。

したがって、各厚層部１２の幅Ｗを既述のように少数キ
ャリア拡散長の二倍以下として置けば、この厚層部１２
に関し、図中で左右方向の両端部分を見ると明らかなよ
うに、当該両端には右隣り、左隣りの各薄層部１１．１
１の下面に備わっている障壁形成層部分の折れ下がる端
部が臨んでおり、したがってここから、当該厚層部１２
の幅Ｗの半分づつにわたり、それら障壁形成層２０の端
部が横方向や斜め上方向にも影響を及ぼし得るのである
。

言い換えれば、厚層部１２の実効厚味が、こと、少数キ
ャリアに関しては、薄層部１１の厚味ｄと余り変わらな
い厚味となったに等価と見ても良く、厚層部１２中にお
いても、その中に存在し得る少数キャリアは、特に表面
から深さｄの範囲内で顕著に、当該厚層部両側の薄層部
下の障壁形成層部分の影響を横方向から受けて、望まし
い追返し作用を受は得るようになる。

このようにして、厚層部＋２があるにもかかわらず、そ
の存在に基づく開放起電圧Ｖ。Ｃの低下は無視し得る程
度とし得るし、悪い場合でも、従来に比せば十分高い値
に維持し得る。

さらに言うなら、本発明のように、障壁形成層２０との
関係において厚層部１２の幅を上記のように規定して始
めて、少数キャリア拡散長以下にまで薄くした薄層部１
１の存在と、それによる開放起電圧向上作用が大きな意
味を持ってくるのである。

なお、この実施例においては、受光面ないし光入射面の
側に接合形成層１３が、裏面側に障壁形成層２０が設け
られていたが、これらは相対的に逆の位置関係とするこ
ともできる。

さらに、この第１図示実施例のように、半導体基板を全
体として見て平らな面の方を入射面ないし受光面とする
のではなく、薄層部１１と厚層部１２の厚味の差が表れ
て凸凹している方の面を受光面とすることもできるので
、そうした場合の一例を第２図に挙げ、説明する。

ただし、本図中において第１図中と同一の符号を付した
構成子は、当該第１図中の対応する構成子と同一または
同様な機能を営むものてあり、場合により先の説明を援
用するものとして、以下での説明は省略するものもある
。

薄層部１１と厚層部１２とが混在した結果、凸凹した面
の方が半導体基板】Ｏの表面となってあり、この表面側
に必要に応じて設けられる反射防止膜３１を介し、接合
形成層１３が設けられている。

半導体基板全体として見た平らな裏面側には、これも先
の実施例と同様、障壁形成層２０と、必要に応じて別途
設けられる保護層４１を挟み、反射層４２が設けられて
いる。

もちろん、薄層部Ｈの厚さｄはここで光発生し得る少数
キャリアの拡散長以下とされており、厚層部１２の横方
向寸法ないし幅Ｗは６、当該少数キャリア拡散長の二倍
以下とされている。

こうした構成により、先に説明したとほぼ同様の理由に
より、機械的な強度と電気的な光電変換特性の双方を共
に良く満足した光電変換装置が提供されるが、ただこの
実施例の場合、一つ一つの各厚層部１２に関し、その両
側の薄層部１１　、１１下の障壁形成層が横方向から少
数キャリア適過し機能を営み得るのみならず、自身の下
に設けられている障壁形成層部分も併せて同様の機能を
営む。

特にこの実施例で望ましいのは、厚層部！２の突き出た
部分の側面が斜面とされていること、そしてこの斜面部
分には反射膜５０が設けられていることである。

このようになっていると、図示されているように、受光
面中に当該厚層部１２が突き出ていて、この突出部分に
当たってしまった光があっても、この光は斜めの反射膜
５０により、薄層部１１の表面方向に反射され、光電変
換エネルギの生成に寄与し得るものとなる。つまり、突
出物１２があっても、これが“影”を作らないのである
。

また、この反射膜５０を、第２図中、左手の部分で一ケ
所、仮想線で模式的に示すように、接合形成層１３の引
き出し端子１４として兼用すれば、こうした引き出し端
子が作るであろう“影”の問題も解消することができる
。

もっとも、実際上、第１図示のように、各厚層部１２の
側面をほぼ完全に切り立った側面として形成することの
方が難しいので、第１図示のように平らな方の半導体基
板表面側を受°光面とする場合にはともかく、この第２
図示実施例にあけるように、凸凹面を受光面とする場合
には、上記のような反射膜５０の付与構成を採用するこ
とが実際的にも望ましい。

もちろん、この第二の実施例においても、接合形成層１
３と障壁形成層２０の位置的な置換は可能である。

なお、本発明によると、薄層部１１をそれこそ薄くでき
るということは、逆に余りに薄過ぎて光の吸収が不十分
にならないかとの恐れも生じるが、先のように、受光面
と反対側の面に反射層４２を形成することにより、この
点は部分と改善され得るし、また、いわゆるテクスチャ
構造ないし微細凸凹面形状を受光面や反射面側に形成す
れば、薄層部１１への光入射経路は斜めとなり、光路が
長くなるので、十分な光吸収を得ることができる。

第３図は、第１図示の実施例構造ないしそれに近い構造
を実際に得た場合の製作工程例を示している。

順を追って説明すると、まず第３図（Ａ）に示されるよ
うに、　（１００）面シリコン基板ｌＯの表裏面を酸化
し、それぞれ約１障厚の酸化シリコン膜を成長させる。

次いで、表面の酸化シリコン膜１５はそのままにし、裏
面の酸化シリコン膜を、将来形成されるべき厚層部】２
の二次元平面パターンに応じてフォト・リソグラフィ工
程によりパターニングし、エツチング・マスク１６とす
る。

このマスク１６の存在の下に、ＫＯＨまたはヒドラジン
によって、面指数依存性のエツチングを行なう。

エツチング後、マスクとして用いた酸化シリコン膜１６
にはアルカリ溶液からの汚染の危険があるため、これを
バッフアートＨＦ　（ｂｕｆｆｅｒｅｄ　ＨＦ　）等、
適当なる溶液で除去すると、第３図（Ｂ）に示されるよ
うに、本発明の趣旨に従い、薄層部１１と厚層部Ｉ２と
が入れ子、ないし井桁状に組合された基本構造が得られ
る。

明らかなように、厚層部１２の厚味は、意図的に調整さ
れたものではなく、上記酸化工程等における板厚変動を
考慮しなければ、供給された半導体基板の板厚自体と言
って良い。実際にもこのように、厚層部１２に関しては
特にその意図的な厚味加工をしない方が経済的、−数的
であると思われるが、要すれば、適当なエツチング手法
ないしスライシング手法を採用することにより、この厚
層部１２の厚味自体も所望の値に調整して良い。

一方、少数キャリアの拡散長の二倍以下という厚層部１
２の幅Ｗに関する限定は、当該厚層部１２が隣の薄層部
Ｕに交わる部分での寸法として規定され、もちろん、上
記エツチングに際するマスク寸法に応じ、実現される。

なお、本図から明らかなように、第１．２図示の実施例
は、単に平面方向で一方向にのみ、厚層部と薄層部とが
混在していることに限らず（そうであっても良いが）、
二次元平面の互いに直交する二方向に、共に同様の断面
構造となっていることを含むものである。あたかもこの
第３図（Ｂ）に示されている構造は、−昔前からの“板
チョロ”のようである。

第３図（Ｂ）の工程からは、先に少し述べたように、必
要に応じては表面をテクスチャ化した後、第３図（Ｃ）
に示されているように、ＣＶＤないし熱酸化技術等によ
り、表面に拡散マスク１７を形成した状態で裏面に半導
体基板ＩＯと同一導電型の不純物を拡散し、障壁形成層
２０を形成する。

こうした拡散技術による形成に代え、ＣＶＤにより、同
一導電型であるが、よりワイド・ギャップな半導体層を
形成し、これをして障壁形成層２０としても良い。

この後、第３図（Ｄ）に示されるように、ＣＶＤまたは
熱酸化によりて障壁形成層２０を覆う拡散マスク兼パッ
シベイションｙＡ４１を設けた上で、表面側で半導体基
板とは逆導電型の不純物拡散を行ない、接合形成層１３
を形成する。ただし、この接合形成層１３についても、
要すればＣＶＤでの形成も可能である。

このようにした後、表面に反射防止膜３１と引き出し端
子（電極）１１を、裏面に反射層兼用き出し端子（電極
）４２を公知既存の適当なる方法により形成すれば、本
発明光電変換装置の第一実施例に近い基本構造が完成す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って構成された光電変換装置の要部
概略構成図、第２図は本発明の他の実施例の概略構成図
、第３図は製作工程を追いながら本発明の実施例を示す
説明図、である。 図中、ｌＯは半導体基板、１１は半導体薄層部１，１２
は半導体厚層部、１３は接合形成層、２０は障壁形成層
、４２は反射層、５０は厚層部の突出した側面部に備え
られる反射膜、である。 第１区 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　所定の面積を有する半導体基板を、その厚さに関し、
   該半導体基板の内部で光発生する少数キャリアの拡散長
   よりも薄い薄層部と、該薄層部よりも厚く、物理的に十
   分な強度を有する厚層部との混在構造から成るように加
   工し； 上記厚層部を、少なくとも隣合う一対の上記薄層部間に
   位置させると共に； 上記半導体基板の一方の表面に沿って上記少数キャリア
   を集める接合形成層を、また他方の表面に沿って上記少
   数キャリアを追返す障壁形成層を設け、該接合形成層か
   障壁形成層のあるどちらか一方の半導体表面を受光面、
   該受光面に対向する他方の表面を反射層付きの反射面と
   した上で；上記厚層部の幅を、上記少数キャリア拡散長
   の二倍以下としたこと； を特徴とする接合型光電変換装置。