JPH07312436A - 半導体と金属の接合構造及び光起電力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体と金属とが接合する界面において金属
が半導体に侵入して半導体が合金化するのを防止し、ま
た半導体からなる光電変換層と高反射性金属からなる電
極とを接合させた光起電力装置においては、光電変換層
と電極とが接合する部分が高抵抗化するのを防止すると
共に、電極で光が十分に反射されるようにして光電変換
効率を向上させる。 【構成】 半導体２と金属４とが接合する界面に、未結
合手を持つ原子又は分子の層３を設けるようにし、また
半導体で構成された光電変換層２と高反射性金属で構成
された電極４ａとが接合した構造を有する光起電力装置
においては、光電変換層２と電極４ａとが接合する界面
に、未結合手を持つ原子又は分子の層３を設けるように
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体と金属とが接
合された半導体と金属の接合構造及び半導体で構成され
た光電変換層と高反射性金属で構成された電極とが接合
した構造を有する光起電力装置に関するものであって、
半導体と金属とが接合する界面及び光電変換層と電極と
が接合する界面の特性を改善した半導体と金属の接合構
造及び光起電力装置に関する発明である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光エネルギーを電気エネルギ
ーに変換させる光起電力装置等の様々な分野において、
半導体と金属とを接触させることが行われていた。

【０００３】ここで、このように半導体と金属とを接触
させた場合、半導体と金属とが接合する界面において半
導体と金属とが相互拡散し、これにより金属が半導体内
に侵入して界面部分における半導体が合金化し、半導体
と金属とが接合する界面部分が高抵抗化する等の問題が
あった。

【０００４】また、半導体で構成された光電変換層と金
属で構成された電極とが接合した構造を有する光起電力
装置においては、上記のように半導体と金属とが接合す
る界面において半導体が合金化するため、光電変換層と
電極とが接合する部分が高抵抗化して、この光起電力装
置における光電変換効率が低下するという問題があっ
た。

【０００５】また、上記の電極を高反射性金属で構成し
た光起電力装置において、この電極で光を反射させてこ
の反射光を再度光電変換層において光電変換に利用する
場合、上記のように半導体と金属とが接合する界面にお
いて金属が半導体内に侵入して半導体が合金化すると、
この電極における反射率が低下し、反射されて再度光電
変換層において光電変換に利用される光が少なくなり、
この光起電力装置における光電変換効率が低下するとい
う問題もあった。

【０００６】そこで、従来においては、上記のように半
導体と金属とが接合する界面において、金属が半導体内
に侵入するのを防止するため、半導体にＩＴＯ等をスパ
ッタリングによって蒸着させ、この半導体と金属とが接
合する界面にＩＴＯ等で構成されたブロッキング層を設
けるようにしていた。

【０００７】このように半導体と金属とが接合する界面
にＩＴＯ等をブロッキング層として設けると、金属が半
導体に侵入して界面部分が合金化するのがある程度抑制
されるようになり、これにより半導体と金属とが接合す
る部分の高抵抗化をある程度解消することができた。

【０００８】しかし、上記のような光起電力装置におい
て、半導体で構成された光電変換層と金属で構成された
電極とが接合する界面にＩＴＯ等で構成されたブロッキ
ング層を設けた場合であっても、半導体と金属とが接合
する部分がある程度高抵抗化し、また入射された光の一
部がこのＩＴＯ等で構成されたブロッキング層自体にお
いて吸収されてしまい、電極において反射される光の量
が低下し、これにより光起電力装置における変換効率が
低下するという問題が依然として残った。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記のよ
うに半導体と金属とを接合させた場合において、半導体
と金属とが接合する界面において半導体と金属とが相互
拡散し、金属が半導体に侵入し、界面における半導体が
合金化して、半導体と金属とが接合する界面部分が高抵
抗化するのを防止することを課題とするものである。

【００１０】また、この発明においては、半導体で構成
された光電変換層と高反射性金属で構成された電極とが
接合した構造を有する光起電力装置において、上記のよ
うに金属が半導体に侵入して光電変換層と電極とが接合
する部分が高抵抗化するのを防止すると共に、電極で光
を反射させて再度光電変換に利用する際に、電極におけ
る反射率が低下して光電変換に利用される光が低下する
のを防止し、また光電変換層と電極とが接合する界面に
ＩＴＯ等で構成されたブロッキング層を設けた場合のよ
うに、入射された光の一部がこのブロッキング層におい
て吸収されて反射される光の量が低下したりするという
こともなく、光電変換効率の高い光起電力装置が得られ
るようにすることを課題とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明における半導体
と金属の接合構造においては、上記のような課題を解決
するため、半導体と金属とが接合する界面に、未結合手
を持つ原子又は分子の層を設けるようにしたのである。

【００１２】ここで、上記の半導体は、単結晶，多結
晶，非晶質のどの形態のものであってもよく、またその
材料も特に限定されず、シリコン系半導体，化合物半導
体であってもよい。

【００１３】また、このような半導体と金属とが接合す
る界面に設ける未結合手を持つ原子又は分子としては、
例えば、水素、リチウム等のアルカリ金属、フッ素等の
ハロゲン元素、メチル，エチル等のアルキル基等を用い
ることができる。

【００１４】また、この発明における光起電力装置にお
いては、半導体で構成された光電変換層と高反射性金属
で構成された電極とが接合した構造を有する光起電力装
置における上記のような問題を解決するため、上記の光
電変換層と電極とが接合する界面に、未結合手を持つ原
子又は分子の層を設けるようにしたのである。

【００１５】ここで、光電変換層を構成するのに用いる
半導体や、光電変換層と電極とが接合する界面に設ける
未結合手を持つ原子又は分子は、上記の半導体と金属の
接合構造の場合と同様であり、また光電変換層と接合さ
せる電極を構成する高反射性金属としては、例えば、
銀，アルミニウム，銅，金，ニッケル，チタン等を用い
ることができる。

【００１６】

【作用】この発明における半導体と金属の接合構造にお
いては、上記のように半導体と金属とが接合する界面
に、未結合手を持つ原子又は分子の層を設けたため、こ
の発明者等の実験的知得によると、上記の原子又は分子
が半導体と結合し、これにより半導体と金属とが接合す
る界面における半導体と金属との相互拡散が抑制され、
金属が半導体に侵入して界面における半導体が合金化す
るということがなくなり、半導体と金属とが接合する界
面部分が高抵抗化するのが防止されると考えられる。

【００１７】また、この発明における光起電力装置にお
いても、上記のように半導体で構成された光電変換層と
高反射性金属で構成された電極とが接合する界面に未結
合手を持つ原子又は分子の層を設けたため、上記の場合
と同様に、光電変換層と電極とが接合する界面において
半導体と金属とが相互拡散して半導体が合金化するのが
抑制され、光電変換層と電極とが接合する界面部分が高
抵抗化したり、電極の反射率が低下したりするのが防止
されるようになると考えられる。

【００１８】また、上記のように光電変換層と電極とが
接合する界面に設けた未結合手を持つ原子又は分子の層
は、従来のＩＴＯ等で構成されたブロッキング層に比べ
て光の吸収が少なく、入射された光が電極において反射
される際における光の減少量が少なくなり、反射されて
再度光電変換に利用される光の量が従来に比べて増加
し、光起電力装置における光電変換効率が向上する。

【００１９】

【実施例】まず、この発明において、半導体と金属とを
接合させる半導体と金属との接合構造の実施例を添付図
面に基づいて具体的に説明すると共に、この実施例にお
ける接合構造が従来の半導体と金属との接合構造に比べ
て優れていることを明らかにする。

【００２０】この実施例においては、図１に示すよう
に、ガラス板等の透明基板１の上に膜厚が１０００Åに
なった非晶質シリコンからなる半導体２を設けた。そし
て、この半導体２の上に、未結合手を持つ原子又は分子
の層３として、厚みが５Å程度になった水素原子の層３
を設けた後、この水素原子の層３の上に、膜厚が１μｍ
になったアルミニウムの金属膜４を設け、上記半導体２
と金属膜４との間に水素原子の層３を介在させた。

【００２１】また、この実施例のものと比較する比較例
においては、図２に示すように、上記実施例の場合と同
様にして、透明基板１の上に膜厚が１０００Åになった
非晶質シリコンからなる半導体２を設けた後、この半導
体２の上に、従来行なわれているようにＩＴＯを用いて
膜厚が７００Åになったブロッキング層３０を設け、こ
のブロッキング層３０の上に、上記実施例の場合と同様
にして同じ膜厚が１μｍになったアルミニウムの金属膜
４を設け、上記半導体２と金属膜４との間にＩＴＯから
なるブロッキング層３０を介在させた。

【００２２】そして、上記の実施例のものと比較例のも
のとを比較するにあたっては、それぞれ透明基板１側か
ら波長が５５０ｎｍの同じ光を照射し、それぞれの金属
膜４において反射された反射光の強度を測定した。

【００２３】この結果、上記実施例のものにおいては比
較例のものに比べて反射光の強度が３％程度増加してい
た。これは、上記実施例において半導体２と金属膜４と
の間に介在させた水素原子の層３の方が、比較例におい
て半導体２と金属膜４との間に介在させたＩＴＯのブロ
ッキング層３０に比べて光の吸収が少なく、また界面部
分における半導体２の合金化による反射率の低下も、上
記実施例における水素原子の層３の方が、比較例におけ
るＩＴＯのブロッキング層３０に比べて少なくなった結
果に基づくものであると考えられる。

【００２４】次に、この発明において、半導体からなる
光電変換層と金属からなる電極とが接合された構造を有
する光起電力装置の実施例を添付図面に基づいて具体的
に説明する。

【００２５】この実施例における光起電力装置において
は、図３に示すように、ガラス板等の透明基板１の上に
酸化錫等で構成された透明導電性膜からなる透明電極５
を設け、この透明電極５の上に半導体２で構成された光
電変換層２を設けるようにした。

【００２６】このように透明電極５上に光電変換層２を
設けるにあたり、この実施例においては、先ずＢ₂ Ｈ
₆ ，ＳｉＨ₄ ，ＣＨ₄ ，Ｈ₂ の混合ガスを用いて、プラ
ズマＣＶＤ法により上記の透明電極５上に膜厚が１２０
Åになったｐ型非晶質シリコンカーバイド層２１を設
け、この上にＳｉＨ₄ ガスを用いて膜厚が１０００〜６
０００Åになったｉ型非晶質シリコン層２２を設け、さ
らにこの上にＳｉＨ₄ ，ＰＨ₃ の混合ガスを用いて膜厚
が約２００Åになったｎ型非晶質シリコン層２３を設け
た。

【００２７】そして、上記のようにｐ型非晶質シリコン
カーバイド層２１とｉ型非晶質シリコン層２２とｎ型非
晶質シリコン層２３とが積層された光電変換層２上に、
未結合手を持つ原子又は分子の層３として、厚みが数原
子層になった水素原子の層３を設けた。

【００２８】ここで、光電変換層２上に水素原子の層３
を設ける方法はどのような方法であってもよいが、この
実施例においては、下記の２つの方法を紹介する。

【００２９】まず第１の方法においては、図４に示すよ
うに、上記のように光電変換層２が形成された試料Ａを
反応室１０内にセットし、この反応室１０に水素供給路
１１を通して水素ガスを圧力が１×１０^-6 Ｔｏｒｒに
なるまで導入させた後、この反応室内１０内に設けられ
たタングステンのフィラメント１２を１２００℃に加熱
し、上記のように導入された水素ガスをこのフィラメン
ト１２の熱エネルギーで解離させて原子状水素にし、こ
の原子状水素を試料Ａにおける光電変換層２に結合させ
て、光電変換層２上に水素原子の層３を設けるようにな
っている。

【００３０】また、第２の方法においては、図５に示す
ように、反応室１０内に上記のように光電変換層２が形
成された試料Ａをセットし、この反応室１０に水素供給
路１１を通して水素ガスを供給し、マイクロ波発生装置
１３によるマイクロ波によってプラズマ反応をおこし、
これにより導入された水素ガスを解離させて原子状水素
にし、この原子状水素を試料Ａにおける光電変換層２に
結合させ、光電変換層２上に水素原子の層３を設けるよ
うになっている。

【００３１】そして、上記のように光電変換層２上に水
素原子の層３を形成した後は、この水素原子の層３上に
銀等の高反射金属４ａを蒸着させて膜厚が２０００Åに
なった電極４ａを形成し、この実施例の光起電力装置を
得た。

【００３２】次に、この実施例の光起電力装置と比較す
る比較例においては、上記の光電変換層３上に従来一般
に行われているようにスパッタリングにより膜厚が７０
０ÅになったＩＴＯのブロッキング層を設け、それ以外
は上記実施例の場合と同様にして光起電力装置を製造し
た。

【００３３】そして、上記の実施例の光起電力装置と比
較例の光起電力装置に対して、それぞれ同じ光照射条件
（ＡＭ１．５，１００ｍＷ／ｃｍ² ）の光を照射し、各
光起電力装置の面積１ｃｍ² における特性をソーラシュ
ミレータによって測定して、それぞれの光起電力装置に
おける開放電圧（Ｖｏｃ），短絡電流（Ｉｓｃ），曲線
因子（Ｆ．Ｆ．）及び変換効率（Ｐｍａｘ）を求め、そ
の結果を下記の表１に示した。

【００３４】

【表１】

【００３５】この結果から明らかなように、光電変換層
２と電極４ａとの間に水素原子の層３を形成したこの実
施例における光起電力装置は、従来のように光電変換層
２と電極４ａとの間にＩＴＯからなるブロッキング層を
形成した比較例の光起電力装置に比べて、短絡電流及び
変換効率が向上していた。

【００３６】これは、光電変換層２と電極４ａとが接合
する界面においての光の吸収が、比較例のＩＴＯからな
るブロッキング層に比べて、実施例の水素原子の層３の
方が少なく、これにより電極４ａにおいて反射される光
が比較例の光起電力装置に比べて実施例の光起電力装置
の方が多くなり、このように多く反射された光が光電変
換層２において利用された結果によるものと考えられ
る。

【００３７】なお、この実施例における光起電力装置に
おいては、光電変換層２を構成する半導体に、非晶質の
シリコン及びシリコン化合物を使用するようにしたが、
単結晶や多結晶の結晶系半導体を用いたり、シリコン以
外の化合物半導体を用いた場合であってもほぼ同様の結
果が得られる。

【００３８】また、この実施例においては、光電変換層
２と電極４ａとが接合する界面に、未結合手を持つ分子
又は原子の層３として水素原子の層３を設けるようにし
たが、この水素原子の層３の代わりに、リチウム等のア
ルカリ金属や、フッ素等のハロゲン元素や、メチル，エ
チル等のアルキル基等の未結合手を持つ分子又は原子の
層３を設けた場合においてもほぼ同様の結果が得られ
る。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明における
半導体と金属の接合構造においては、半導体と金属とが
接合する界面に未結合手を持つ原子又は分子の層を設
け、半導体と金属とが接合する界面において半導体と金
属とが相互拡散するのを抑制したため、この界面におい
て金属が侵入して半導体が合金化がするということが少
なくなり、半導体と金属とが接合する界面部分が高抵抗
化するということがなく、半導体と金属とを良好な状態
で接合できるようになった。

【００４０】また、この発明における光起電力装置にお
いても、半導体で構成された光電変換層と高反射性金属
で構成された電極とが接合する界面に未結合手を持つ原
子又は分子の層を設けたため、上記の場合と同様に、光
電変換層と電極とが接合する界面において半導体と金属
とが相互拡散するのが抑制され、従来のように光電変換
層と電極とが接合する界面部分が高抵抗化したり、電極
の反射率が低下したりするということがなくなった。

【００４１】この結果、この発明における光起電力装置
においては、光電変換層と電極とを直接接合させた従来
の光起電力装置に比べて、光電変換層におけるキャリア
の発生や、発生したキャリアの収集が著しく向上し、光
起電力装置における光電変換効率が著しく向上した。

【００４２】また、この発明における光起電力装置にお
いては、光電変換層と電極とが接合する界面に上記のよ
うに未結合手を持つ原子又は分子の層を設けたため、光
電変換層と電極とが接合する界面にＩＴＯ等で構成され
たブロッキング層を設けた場合に比べて、この部分にお
ける光の吸収が少なくなり、入射された光が電極におい
て十分に反射され、この反射された光が光電変換層にお
いて再度有効に利用されるようになり、光電変換層と電
極とが接合する界面にＩＴＯ等で構成されたブロッキン
グ層を設けた従来の光起電力装置に比べてもその光電変
換効率が向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例における半導体と金属との
接合構造を示した概略構造図である。

【図２】比較例における半導体と金属との接合構造を示
した概略構造図である。

【図３】この発明の一実施例における光起電力装置を示
した概略断面図である。

【図４】同実施例の光起電力装置において、光電変換層
上に水素原子の層を設ける装置の一例を示した概略図で
ある。

【図５】同実施例の光起電力装置において、光電変換層
上に水素原子の層を設ける他の装置を示した概略図であ
る。

【符号の説明】

２ 半導体（光電変換層） ３ 未結合手を持つ原子又は分子の層（水素原子の層） ４ 金属膜 ４ａ 高反射金属（電極）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体と金属とが接合する界面に、未結
   合手を持つ原子又は分子の層を設けたことを特徴とする
   半導体と金属の接合構造。
2. 【請求項２】 半導体で構成された光電変換層と高反射
   性金属で構成された電極とが接合した構造を有する光起
   電力装置において、上記の光電変換層と電極とが接合す
   る界面に、未結合手を持つ原子又は分子の層を設けたこ
   とを特徴とする光起電力装置。