特許 5692708 半導体ソーラーセルの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5692708

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月1日

(54)【発明の名称】半導体ソーラーセルの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/062 20120101AFI20150312BHJP

   H01L 31/0224 20060101ALI20150312BHJP

   H01L 31/18 20060101ALI20150312BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/06 150

   H01L31/04 260

   H01L31/04 400

【請求項の数】6

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2013-20693(P2013-20693)

(22)【出願日】2013年2月5日

(62)【分割の表示】特願2010-203532(P2010-203532)の分割

【原出願日】2010年9月10日

(65)【公開番号】特開2013-80980(P2013-80980A)

(43)【公開日】2013年5月2日

【審査請求日】2013年8月30日

(31)【優先権主張番号】特願2010-109708(P2010-109708)

(32)【優先日】2010年5月11日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2010-189029(P2010-189029)

(32)【優先日】2010年8月26日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年９月１８日付け平成２０年度、平成２１年度、平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「新エネルギー技術研究開発革新的太陽光発電技術研究開発（革新型太陽電池国際研究拠点整備事業）高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発（配列制御ナノ結晶シリコン、メカニカルスタック）」に係る業務委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504132881

【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000925

【氏名又は名称】特許業務法人信友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鮫島 俊之

【審査官】 堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／０２１２０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−０５０３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平３−２０９７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 GREEN M A，The MIS and MISIM solar cell，Photovoltaic Sol Enegy Conf，NL，１９７８年，Page.299-307

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０２２４

Ｈ０１Ｌ ３１／０４ − ３１／０７８

Ｈ０１Ｌ ３１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板の光入射される面の反対面に酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜に水蒸気熱処理を施して、前記半導体基板よりも絶縁性が高く、トンネル効果による電流導通可能な水蒸気熱酸化膜によるパッシベーション薄膜を形成する工程と、
前記パッシベーション薄膜上に仕事関数が異なる第１の電極及び第２の電極を形成する工程と、
前記第１の電極及び前記第２の電極に、異方性導電シートを接続する工程と、を有する
ことを特徴とする半導体ソーラーセルの製造方法。

【請求項2】

前記酸化膜として熱酸化膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体ソーラーセルの製造方法。

【請求項3】

前記酸化膜を水蒸気熱処理して前記水蒸気熱酸化膜を形成した後、前記水蒸気熱酸化膜上に真性非晶質半導体膜を形成して、前記水蒸気熱酸化膜と前記真性非晶質半導体膜とからなるパッシベーション薄膜を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体ソーラーセルの製造方法。

【請求項4】

前記第１の電極を、仕事関数が前記第２の電極及び前記半導体基板の仕事関数より小さい金属で形成し、
前記第２の電極を、仕事関数が前記第１の電極及び前記半導体基板の仕事関数より大きい金属で形成する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体ソーラーセルの製造方法。

【請求項5】

前記パッシベーション薄膜上に、一方向に向かって光誘起された少数キャリアの拡散距離以下の間隔を置いて交合に配列されるように、第１の電極同士及び第２の電極同士が電気的に接続された前記第１の電極と前記第２の電極を形成する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体ソーラーセルの製造方法。

【請求項6】

前記第１の電極及び前記第２の電極を形成した後に、前記異方性導電シートを介して前記第１の電極及び前記第２の電極に電気的に接続された電流を取り出すための導電ブロック体を貼り合わせる工程を有し、
前記導電ブロック体は、絶縁体に埋め込まれた、前記第１の電極と電気的に接続される第１の金属ブロック部と、前記第２の電極と電気的に接続される第２の金属ブロック部とを有する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体ソーラーセルの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体ソーラーセルの製造方法、特に電極／パッシベーション膜／半導体構造の半導体ソーラーセルの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ソーラーセルは新エネルギー発電デバイスとして盛んに開発されている。ソーラーセルでは、光を吸収し電子及びホールの電荷に変換する材料として、半導体が広く用いられている。ソーラーセルにおいては、光を吸収し誘起した電子とホールを分離して電流を取り出すために、図２８に示すｐｎ接合が広く用いられている。図２８は半導体のｐｎ接合バンド図を示す。不純物ドーピングによって形成されたｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域は、それぞれ電子親和力及び仕事関数が異なるために、ｐｎ接合内部に電位差が生じる。ｐｎ接合を有するソーラーセルに光（ｈν）が照射されると、電子ｅとホールｈが生成され、この電子ｅ及びホールｈは上記のｐｎ接合内部に生じた電位差に沿って、それぞれ反対方向に流れ光誘起電流が生じる。すなわち、電子ｅがｎ型半導体領域側に流れ、ホールｈがｐ型半導体領域側に流れて光誘起電流が生じる。図２３において、Ｅｇはバンドギャップ、Ｅｃは伝導帯、Ｅｖは価電子帯を夫々示す。

【0003】

そして、図２７に示すようなソーラーセル特性が得られる。ソーラーセルの出力は、図２７で示すソーラーセルで発生する電圧Ｖと電流Ｉの相関関係曲線で表され、最大出力は動作電流Ｉｍｐと動作電圧Ｖｍｐと原点を結ぶ面積Ｐｍｐで示される。Ｉｓｃは短絡電流、Ｖｏｃは開放電圧を示す。

【0004】

ソーラーセルとしては、高光電力変換効率と低コストでの製造が望まれている。そして、優れた品質の結晶半導体を用いることで、光誘起キャリアを有効に電流に変換する素子が開発されている。

【0005】

一方、ソーラーセルとして、低製造コスト化とｐｎ接合の形成を要しない金属／絶縁膜／半導体構造のＭＩＳ型ソーラーセルが知られている。代表的なＭＩＳ型ソーラーセル４１は、図２６の概念図で示すように、例えばｎ型の半導体基板４２の光入射側の一方の面上に薄い絶縁膜（酸化膜）４３を介して一方の金属電極４４が形成され、他方の面上に直接、他方の金属電極４５が形成されて構成される。

【0006】

図２６に示すように、絶縁膜４３を挟む金属電極４４と半導体基板４２との仕事関数差で半導体基板４２内に電位差が生じてバンドの曲がりが誘発される。光（ｈν）が入射すると、光照射によって生成された電子ｅ及びホールｈは、電位差に沿ってそれぞれ反対方向に流れ、光誘起電流が生じる。すなわち、電子ｅが薄い絶縁膜４３を通過して一方の金属電極４４に流れ、ホールｈが他方の金属電極４５に流れて光誘起電流が流れる。図２６において、Ｅｇはバンドギャップ、Ｅｃは伝導帯、Ｅｖは価電子帯、Ｅｆはフェルミ準位を夫々示す。

【0007】

ＭＩＳ型ソーラーセル４１の場合、図２６の例では絶縁膜４３を通過する電子ｅのトンネル効果により電流を取り出す必要がある。十分な電流を取り出すためには、絶縁膜４３の膜厚を２ｎｍ以下にする必要があることが知られている。図２５の絶縁膜厚をパラメータとする電圧―電流密度特性図に示すように、膜厚２ｎｍ以下の絶縁膜４３では１Ｖ程度の電圧印加により十分大きい電流が流れることが知られている。

【0008】

特許文献１には、ＭＩＳ型もしくはショットキー接合型のソーラーセルの例が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平１１−１０３８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

ところで、従来のＭＩＳ型ソーラーセル４１は、図２６に示すように、半導体基板４２の光入射しない裏面側には、直接金属電極４５が形成されている。この金属電極４５と半導体基板４２との界面は、結晶欠陥が発生し易く、裏面側の金属電極４５へ流れた電子ｅが上記界面の結晶欠陥で再結合してしまい、光誘起電流が低減する。また、金属は電子ｅとホールｈのキャリアを再結合するキラーとして作用し、半導体基板面に直接形成した金属電極４５によりキャリアが消滅し、光誘起電流が低減する。

【0011】

一方、ＭＩＳ型構造において、例えば良質のシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜で覆われたシリコン基板表面には、電荷捕獲欠陥準位密度が少なく、電荷が蓄積しない。このため、図２３に示すように、良質のシリコン酸化膜６３を挟む金属電極６４とシリコン基板６２との仕事関数差が有効にシリコン基板６２中のバンドの曲がりを生じ、内蔵電位Ψを形成する。なお、図２３では、シリコン基板６２としてｐ型シリコン基板が用いられ、このｐ型シリコン半導体基板６２の面に絶縁膜（ＳｉＯ２膜）６３を介して金属電極６４を形成したＭＩＳ構造の概念図である。ｑψｍは金属電極の仕事関数を示す。

【0012】

これに対して、図２４に、良質でないシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜６５で覆われたシリコン基板６２の表面において、主にバンドギャップの中央に形成される電荷捕獲欠陥準位６６が非常に多い場合を示す。この場合、半導体基板６２中のバンドの曲がり及び内部電位Ψは、電荷捕獲欠陥準位６６によって決まる。半導体基板６２の表面には電荷が蓄積され、金属電極６４との仕事関数差は絶縁膜６５に掛かる電位として消費されるので、金属電極６４と半導体基板６２との仕事関数差を有効に利用することができない。

【0013】

また、半導体基板表面の上記電荷捕獲欠陥準位６６は、光誘起キャリアの再結合準位として働き、光照射によって生成されたキャリアが消滅し、光誘起電流を低減する大きな要因となる。

【0014】

本発明は、上述の点に鑑み、高光電力変換効率と低コスト化を可能にし、且つ電極／パッシベーション膜／半導体構造として実用可能にした半導体ソーラーセル及びその製造方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明に係る半導体ソーラーセルは、半導体基板と、半導体基板の光入射される面の反対面に形成され、半導体基板よりも絶縁性が高く電流導通可能なパッシベーション薄膜と、パッシベーション薄膜上に形成された仕事関数が異なる第１の電極及び第２の電極と、第１の電極及び第２の電極に電気的に接続する異方性導電シートとを有する。

【0016】

本発明の半導体ソーラーセルでは、第１の極及び第２の電極が共に、半導体基板に該半導体基板に対して絶縁性が高く、かつ電流導通可能なパッシベーション薄膜を介して形成される。それぞれが電極／パッシベーション薄膜／半導体構造とした所謂ダブル構成により、光誘起キャリアの消滅が可及的に低減され、第１の電極、第２の電極にそれぞれ効率よく電子、ホールを流すことができる。

【0017】

本発明に係る半導体ソーラーセルの製造方法は、半導体基板の光入射される面の反対面に、半導体基板に対して絶縁性が高く電流導通可能なパッシベーション薄膜を形成する工程と、パッシベーション薄膜上に仕事関数が異なる第１の電極及び第２の電極を形成する工程と、第１の電極及び第２の電極に、異方性導電シートを接続する工程とを有する。

【0018】

本発明の半導体ソーラーセルの製造方法では、半導体基板に該半導体基板に対して絶縁性が高く、かつ電流導通可能なパッシベーション薄膜を形成するので、このパッシベーション薄膜による半導体界面のパッシベーション効果で、低欠陥密度の界面が形成される。また、この絶縁薄膜上に仕事関数の異なる第１の電極及び第２の電極を形成するので、それぞれが電極／パッシベーション薄膜／半導体構造とした所謂ダブル構造が形成される。

【発明の効果】

【0019】

本発明に係る半導体ソーラーセルによれば、高光電力変換効率と低コスト化を可能にし、且つ実用可能にしたソーラーセルを提供することができる。

【0020】

本発明に係る半導体ソーラーセルの製造方法によれば、高光電力変換効率と低コスト化を可能にし、且つ実用可能にしたソーラーセルを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明に係る半導体ソーラーセルの原理的構成を示す第１実施の形態の概略構成図である。

【図2】本発明に係る半導体ソーラーセルの原理的構成を示す第１実施の形態の他の例の概略構成図である。

【図3】本発明の説明に供する水蒸気熱処理により絶縁薄膜を形成したときの、光誘起少数キャリア（電子）のライフタイムを示すグラフである。

【図4】本発明の説明に供する各種元素の仕事関数φｅｘｐ（ｅＶ）と原子番号Ｚの関係を示すグラフである。

【図5】Ａ，Ｂ 本発明に係る半導体ソーラーセルの第２実施の形態の概略断面図及び概略平面図である。

【図6】Ａ〜Ｃ 本発明に係る半導体ソーラーセルの第３実施の形態を示す概略構成及びその製造工程図である。

【図7】第３実施の形態の動作説明図である。

【図8】Ａ、Ｂ 本発明に係る半導体ソーラーセルの第４実施の形態を示す概略断面図及び概略底面図である。

【図9】Ａ、Ｂ 第４実施の形態の第１及び第２の電極のパターンの例を示す平面図である。

【図10】第４実施の形態の第１及び第２の電極のパターンの更に他の例を示す平面図である。

【図11】Ａ、Ｂ 本発明に係る半導体ソーラーセルの第５実施の形態を示す概略断面図及び概略底面図である。

【図12】本発明に係る半導体ソーラーセルの第６実施の形態を示す概略構成図である。

【図13】ソーラーセル特性を測定ための本発明の半導体ソーラーセルの試料を示す概略構成図である。

【図14】比較のためのソーラーセルの試料の概略構成図である。

【図15】Ａ、Ｂ 本発明に係る半導体ソーラーセル及び比較のソーラーセルのソーラーセル特性を示す絶対電流密度−電圧特性図である。

【図16】本発明に係る半導体ソーラーセルの表面及び裏面から光照射したときの、ソーラーセル特性を示す絶対電流密度−電圧特性図である

【図17】本発明に係る半導体ソーラーセルの電極間の間隔、電極幅、半導体基板の板厚の設定に供するモデル図である。

【図18】本発明に係る半導体ソーラーセルの第７実施の形態を示す概略構成図である。

【図19】本発明に係る半導体ソーラーセルの第８実施の形態を示す概略構成図である。

【図20】第７、第８実施の形態のパッシベーション薄膜に適用される高誘電率材の電子及びホールにたいするポテンシャル障壁を示す表図である。

【図21】Ａ、Ｂ 本発明に係る半導体ソーラーセルの第９実施の形態を示す概略構成図、及び動作説明図である。

【図22】本発明に係る半導体ソーラーセルの第１０実施の形態を示す概略構成図である。

【図23】ＭＩＳ型構造において、半導体基板表面に電荷捕獲欠陥準位が少ない場合のバンド図である。

【図24】ＭＩＳ型構造において、半導体基板表面に電荷捕獲欠陥準位が多い場合のバンド図である。

【図25】ＭＩＳ型ソーラーセルの絶縁膜をパラメータとする電圧―電流密度特性図である。

【図26】従来のＭＩＳ型ソーラーセルの概念図である。

【図27】ソーラーセル特性を示す、ソーラーセルで発生する電圧Ｖと電流Ｉの相関関係曲線図である。

【図28】従来のｐｎ接合型のソーラーセルの説明に供するバンド図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明に係る半導体ソーラーセルの実施の形態は、第１導電型、例えばｐ型あるいはｎ型の半導体基板に、この半導体基板に対して絶縁性が高く、かつ電流導通可能なパッシベーション薄膜を形成し、このパッシベーション薄膜上に仕事関数が異なる第１の電極及び第２の電極を形成して構成される。第１の電極としては、仕事関数が第２の電極及び半導体基板の仕事関数より小さい金属で形成される。第２の電極としては、仕事関数が第１の電極及び半導体基板の仕事関数より大きい金属で形成される。あるいは、第１の電極及び第２の電極は、仕事関数が異なる金属と透明導電膜との組み合わせで形成することもできる。

【0023】

第１の電極と第２の電極は、後に詳述するように、それぞれ半導体基板の一方の面と他方の面にパッシベーション薄膜を介して形成することができる。すなわち、半導体基板の光入射される一方の面上にパッシベーション薄膜を介して一方の電極となる第１の電極又は第２の電極が形成され、光入射されない他方の面上にパッシベーション薄膜を介して他方の電極となる第２の電極又は第１の電極が形成される。あるいは、後に詳述するように、第１の電極と第２の電極は、半導体基板の光入射されない他方の面に、パッシベーション薄膜を介して互いに離間するように、共存して形成される。このとき、半導体基板の光入射される一方の面には光透過性の絶縁膜、いわゆる透明絶縁膜が形成される。

【0024】

半導体基板としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、化合物半導体基板、その他の半導体基板を用いることができる。

【0025】

半導体基板に対してより絶縁性が高くてかつ電流導通可能なパッシベーション薄膜としては、トンネル効果による電流導通可能な絶縁薄膜、あるいは真性非晶質半導体膜を用いることができる。さらに後述で明らかになるが、パッシベーション薄膜として、電子が導通する側のパッシベーション薄膜に電子に対してポテンシャル障壁が小さい絶縁膜を用い、ホールが導通する側のパッシベーション薄膜にホールに対してポテンシャル障壁が小さい絶縁膜を用いることができる。

【0026】

本実施の形態に係るパッシベーション薄膜は、半導体基板に対して絶縁性が高い膜、いわゆる絶縁体的特徴を有する膜である。この絶縁性ないし絶縁体の定義について説明する。異種金属間の仕事関数差を利用してシリコン等の半導体に内蔵電位を生じさせるためには、金属と半導体の仕事関数差により半導体内の電荷が移動し、それによって金属に近い半導体表面層が帯電し、電位変化が生じなければならない。例えばアルミニウムの近くの半導体表面は電子がより多く集まり負に帯電しており、それに伴う内蔵電位が形成されている。半導体と金属間に存在する薄膜は、半導体表面のパッシベーションを司る。このとき、半導体と金属間に存在する薄膜内に可動電荷（キャリア）が存在しないか、少ないことが必要である。

【0027】

半導体と金属間に存在する薄膜内に可動電荷（キャリア）が多くあると、金属の仕事関数差をバランスすべく薄膜内の可動電荷（キャリア）が動いてしまい、半導体内に大きな内蔵電位を生じせしめることができない。従って、半導体と金属間の薄膜内に存在する可動電荷（キャリア）数は、半導体内のキャリア体積濃度の１０分の１以下が望ましい。これは半導体から見て、薄膜すなわち上記のパッシベーション薄膜が、絶縁性の高い膜である、つまり絶縁体的特徴を有することを意味する。換言すると、この薄膜すなわち上記のパッシベーション薄膜は、半導体よりもバンドギャップの大きい薄膜である必要がある。

【0028】

例えば半導体として結晶シリコンを用いた場合、結晶シリコンのバンドギャップは１．１２ｅＶである。ここで、結晶シリコンは、単結晶シリコン、あるいは多結晶シリコンである。１０分の１以下のキャリア濃度の条件は、常温の場合、バンドギャップが１．１８ｅＶ以上あれば実現できる。従って、半導体と金属間に存在する薄膜のバンドギャップは、半導体より０．００６ｅＶ以上大きければ良い。シリコンの場合は、バンドギャップ１．１８以上の薄膜を用いれば良い。バンドギャップ１．１８以上の薄膜としては、絶縁膜、非晶質シリコン等が挙げられる。ＳｉＯ２膜は１０ｅＶのバンドギャップを持ち、非常に優秀な絶縁体であり、本発明の絶縁性薄膜としてのパッシベーション薄膜に用いて好適である。また、非晶質シリコンは１．７〜２．０ｅＶのバンドギャップを持ち、本発明の絶縁性薄膜としてのパッシベーション薄膜に用いることができる。

【0029】

本実施の形態では、半導体基板の電極を形成する側の面を覆うパッシベーション薄膜として例えば絶縁薄膜を用いた場合、絶縁薄膜としては、電荷捕獲欠陥準位密度が可及的に少ない良質の絶縁薄膜を形成しなければならない。このため、本実施の形態では、半導体基板がシリコン基板の場合、低温で良質のシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜／シリコン（Ｓｉ）界面を得る手法として、好ましくは絶縁薄膜として水蒸気熱処理によるシリコン酸化薄膜を用いる。この水蒸気熱処理法は、文献１で知られている。また、半導体基板がシリコン基板の場合、良質のシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜は、１０００℃でシリコン基板を加熱酸化する熱酸化手法により実現することができる。

【0030】

文献１：T. Sameshima and M. Satoh“Improvement of SiO2 Properties by Heating Treatment in High Pressure H2O Vapor“, Jpn. J. Appl. Phys. 36 (1997) L687-L689

【0031】

図３に、ｐ型シリコン表面に水蒸気熱処理で絶縁薄膜となるシリコン酸化薄膜を形成した場合の少数キャリアライフタイムを、水蒸気熱処理前のシリコン表面を洗浄した直後のシリコン酸化膜が無い状態での少数キャリアライフタイムと比較して示す。図３の横軸のＡは水蒸気熱処理前のシリコン表面洗浄直後の試料、Ｂは水蒸気熱処理によりシリコン酸化薄膜形成した後の試料を示す。

【0032】

図３は、ｐ型シリコン表面を２６０℃、１．３×１０^６Ｐａの水蒸気熱処理により酸化処理を施したときの、光誘起電子キャリアのライフタイムの測定値である。水蒸気熱処理により、ｐ型シリコン表面に膜厚１．５ｎｍのシリコン酸化薄膜が形成され、光誘起電子キャリアのライフタイムは水蒸気熱処理前の２０μｓ（同図の点ａ参照）から７００μｓ（同図の点ｂ参照）に大幅に増大している。

【0033】

水蒸気熱処理を用いれば、低温プロセスにおいてもＳｉＯ_２／Ｓｉ界面のキャリアの再結合密度を大幅に低減することができ、少数キャリアライフタイムが増大する。本実施の形態では、この実証に基づいて、ＭＩＳ構造における半導体基板と電極との間の絶縁薄膜に水蒸気熱酸化処理による絶縁薄膜を用い、より好ましいＭＩＳ型ソーラーセルの構成を可能にしている。なお、本実施の形態におけるＭＩＳ構造は、金属（電極）／絶縁薄膜／半導体構造、透明導電膜（電極）／絶縁薄膜／半導体構造を含む。

【0034】

図４に、各種元素の仕事関数φ_ｅｘｐ（ｅＶ）と原子番号Ｚの関係を示す。元素に応じて仕事関数は、２ｅＶから６ｅＶにわたって分布している。

【0035】

仕事関数は真空エネルギー準位とフェルミレベルとのエネルギー差で与えられるので、半導体は不純物ドーピングによって仕事関数を変えることができる。例えば、シリコンでは、４．０５ｅＶ〜５．１７ｅＶの間で変化することができる。ｎ型ドーピングを施すとフェルミレベルは伝導帯に近づき仕事関数は小さくなり、４．０５ｅＶに近くなる。ドーピング量を大きくすればフェルミレベルはさらに伝導帯に近づくので、仕事関数はさらに小さくなる。これに対し、ｐ型ドーピングを施すとフェルミレベルは価電子帯に近づき仕事関数は大きくなり、５．１７ｅＶに近づく。よって、仕事関数の小さい金属と仕事関数の大きいｐ型半導体を選択すれば、半導体のバンド曲がりを誘発することができ、ＭＩＳ界面がｎ型に転じる。逆に、仕事関数の大きい金属と仕事関数の小さいｎ型半導体を選択すれば、半導体のバンド曲がりを誘発できＭＩＳ界面がｐ型に転ずる。

【0036】

ソーラーセルは、電流を取り出す素子であるから２つの電極構造を要する。そして、本実施の形態は、前述したように、少なくとも２種類の仕事関数の異なる電極を用いてソーラーセルを構成することを特徴とする。さらに、本実施の形態は、薄い良質の絶縁膜を用いたＭＩＳ構造を構成することで、電極の仕事関数差を効率よく半導体の内蔵電位形成に用いることを特徴とする。薄い良質の絶縁膜の形成には、前述した水蒸気熱酸化処理法がより好ましいが、その他、シリコンの場合、前述した熱酸化法やプラズマＣＶＤ法あるいはスパッタ法を用いても、良質のシリコン酸化膜を形成することができる。

【0037】

次に、図面を参照して本発明のソーラーセル及びその製造方法の実施の形態について説明する。

【0038】

［第１実施の形態］
図１に、本発明に係る半導体ソーラーセルの第１実施の形態、すなわち原理的構成例を示す。本実施の形態では、パッシベーション薄膜として良質の絶縁薄膜を用いる。本実施の形態に係る半導体ソーラーセル１は、第１導電型の半導体基板２の一方の面（表面）上に良質の絶縁薄膜３を介して仕事関数の小さい金属を用いた第１の電極４を形成し、半導体基板２の他方の面（裏面）上に良質の絶縁薄膜５を介して仕事関数の大きい金属を用いた第２の電極６を形成して構成される。例えば、ｐ型のシリコン半導体基板２を用い、このシリコン半導体基板２の一方の面上に前述した良質のシリコン酸化膜による絶縁薄膜３を介して仕事関数の小さい金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）あるいはハフニウム（Ｈｆ）あるいはタンタル（Ｔａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）あるいはジルコニウム（Ｚｒ）を用いた第１の電極４が形成される。また、シリコン半導体基板２の一方の面とは反対側の他方の面上に良質のシリコン酸化膜による絶縁薄膜５を介して仕事関数の大きい金属、例えば金（Ａｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）あるいは白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）を用いた第２の電極６が形成される。絶縁薄膜３、５としては、光誘起キャリア再結合欠陥密度の小さい良質の絶縁薄膜を用いる。水蒸気熱処理法で形成したシリコン酸化薄膜を用いることが好ましい。さらに熱酸化法やプラズマＣＶＤ法あるいはスパッタ法を用いても、良質のシリコン酸化薄膜を形成することができる。シリコン酸化薄膜は、トンネル電流が流れる膜厚とし、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ程度が好適な膜厚である。本実施の形態では、いわゆるダブルＭＩＳ構造の形となる。

【0039】

一方のアルミニウム（Ａｌ）あるいはハフニウム（Ｈｆ）あるいはタンタル（Ｔａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）あるいはジルコニウム（Ｚｒ）による第１の電極４側の半導体面は、バンド曲がりが誘発され、ＭＩＳ界面がｎ型に転じる。他方の金（Ａｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）あるいは白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）による第２の電極６側の半導体面は、逆向きのバンド曲がりが誘発され、ＭＩＳ界面がより強いｐ型に転じる。

【0040】

半導体基板２に光ｈνが照射されると、光照射により発生したキャリアのうちの少数キャリアである電子ｅは、バンド曲がりにより形成された内蔵電位に沿って第１の電極４側に移動し、シリコン酸化膜による絶縁薄膜３を通じて第１の電極４に流れ込む。光照射により発生したキャリアのうちの多数キャリアであるホールｈは、逆に第２の電極６側に移動し、シリコン酸化膜による絶縁薄膜５を通じて第２の電極６に流れ込む。

【0041】

光照射は、第１の電極４が形成された側からの光照射、あるいは第２の電極６が形成された側からの光照射のいずれでも可能であるが、電極となる金属と半導体との仕事関数差が大きい側から光照射することが好ましい。なぜならば、仕事関数差が小さい側から光照射した場合、発生したキャリアのうち少数キャリアが内蔵電位に沿って移動する距離が長くなるので、移動途中で少数キャリアの消滅する確率が高くなる。このため、少数キャリアの移動距離が短くなる、仕事関数差が大きい側から光照射するのが良い。図１の構成では、第１の電極４が形成されている側から光（ｈν）を照射している。

【0042】

また、図２には半導体基板としてｎ型を用いた本発明に係るソーラーセルの原理的構成例（他の例）を示す。本実施の形態に係るソーラーセル８は、前述のソーラーセル１と同様に、第１導電型の半導体基板２の一方の面（表面）上に良質の絶縁薄膜３を介して仕事関数の小さい金属を用いた第１の電極４を形成し、半導体基板２の他方の面（裏面）上に良質の絶縁薄膜５を介して仕事関数の大きい金属を用いた第２の電極６を形成して構成される。本例ではｎ型のシリコン半導体基板２を用いる。このシリコン半導体基板２の一方の面上に前述した良質のシリコン酸化膜による絶縁薄膜３を介して仕事関数の小さい金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）あるいはハフニウム（Ｈｆ）あるいはタンタル（Ｔａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）あるいはジルコニウム（Ｚｒ）を用いた第１の電極４が形成される。また、シリコン半導体基板２の一方の面とは反対側の他方の面上に良質のシリコン酸化膜による絶縁薄膜５を介して仕事関数の大きい金属、例えば金（Ａｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）あるいは白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）を用いた第２の電極６が形成される。絶縁薄膜３、５としては、光誘起キャリア再結合欠陥密度の小さい良質の絶縁薄膜を用いる。ここでも水蒸気熱ＣＶＤ法あるいはスパッタ法を用いても、良質のシリコン酸化膜を形成することができる。シリコン酸化薄膜は、トンネル電流が流れる膜厚とし、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ程度が好適な膜厚である。

【0043】

金（Ａｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）あるいは白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）を用いた第２の電極６側の半導体面は、バンド曲がりが誘発され、ＭＩＳ界面がｐ型に転じる。他方のアルミニウム（Ａｌ）あるいはハフニウム（Ｈｆ）あるいはタンタル（Ｔａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）あるいはジルコニウム（Ｚｒ）を用いた第１の電極４側の半導体面は、逆向きのバンド曲がりが誘発され、ＭＩＳ界面がより強いn型に転じる。

【0044】

半導体基板２に光ｈνが照射されると、光照射により発生したキャリアのうちの少数キャリアである電子ｅは、バンド曲がりにより形成された内蔵電位に沿って第１の電極４側に移動し、シリコン酸化による絶縁薄膜５を通じて第１の金属電極４に流れ込む。光照射により発生したキャリアのうちの多数キャリアであるホールｈは、逆に第２の電極６側に移動し、シリコン酸化膜による絶縁薄膜３を通じて第２の金属電極６に流れ込む。段落［００４１］で述べたように、ｎ型半導体を用いた場合は光照射は、第２の電極６が形成された側からの照射が好ましい。少数キャリアのホールｈは速やかに第２の電極６側に移動して光誘起電流に寄与する。

【0045】

このようにして、異種金属による第１、第２の電極４、６と、絶縁薄膜３、５と、半導体基板２のダブルＭＩＳ構造を利用したソーラーセル１が実現する。

【0046】

第１実施の形態に係る半導体ソーラーセル１によれば、良質の絶縁薄膜３、５、好ましくは水蒸気熱処理による酸化膜を用いることにより、光誘起されたキャリアのうち少数キャリアのライフタイムが大幅に増大する。また良質の絶縁薄膜３、５による半導体界面のパッシベーション効果により低欠陥密度の界面が形成され、電極の仕事関数差による半導体のバンド曲がりが効率的に誘発され大きな内蔵電位を形成することができる。これは、ソーラーセルの大きい開放電圧（Ｖｏｃ）をもたらす。

【0047】

ダブルＭＩＳ構造であるので、光誘起キャリアの消滅が可及的に低減し、両電極４、６にそれぞれ効率よく電子及びホールを流すことができる。また、ＭＩＳ構造であるため、ｐｎ接合を作るための不純物ドーピング工程が不要となり、製造工程が簡素化される。従って、光電力変換効率が高く、低コスト化を可能し、且つ実用可能なＭＩＳ型ソーラーセルを提供することができる。

【0048】

以上は原理的な実施の形態について説明したが、金属の電極は光を透過しないので半導体基板に光を入射するための工夫が必要である。以下に、半導体基板に効率よく光を入射できるようにした実施の形態について説明する。

【0049】

［第２実施の形態］
図５に、本発明に係る半導体ソーラーセルの第２実施の形態を示す。図５Ａは断面図、図５Ｂは平面図である。第２実施の形態に係る半導体ソーラーセル１１は、第１導電型の半導体基板２、本例ではｐ型のシリコン半導体基板が用いられる。半導体ソーラーセル１１は、この半導体基板２の一方の面（表面）及び他方の面（裏面）上に良質の絶縁薄膜３、５を形成し、一方の面側の絶縁薄膜３上に第１の電極４を形成し、他方の面側の絶縁薄膜５上に第２の電極６を形成して構成される。半導体基板２の一方の面側が光ｈνの照射側となる。絶縁薄膜３、５は、水蒸気熱処理によるシリコン酸化薄膜で形成するのが好ましい。このシリコン酸化薄膜の膜厚は、前述と同様に、トンネル電流が流れる厚さとなる０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度が好適である。この水蒸気熱処理を施すことにより、良質の絶縁薄膜／半導体界面が形成される。

【0050】

光入射される一方の面側の第１の電極４は、一方向に向かって所要の間隔を置いて複数のストライプ状の電極部４Ａを配列して形成される。隣り合う電極部４Ａ間の間隔ｄ１は、光誘起された少数キャリアの拡散距離以下に選定される。例えば、ｐ型シリコン半導体基板を用いた場合、電子少数キャリアのライフタイムが７００μｓのとき、電子少数キャリアの拡散距離は約１３００μｍとなる。従って、電極部４Ａ間の間隔ｄ１を、１３００μｍより十分小さくすることにより、光誘起少数キャリアを効率よく第１の電極４に注入させることができる。

【0051】

第１の電極４は、半導体基板２及び第２の電極６の仕事関数より小さい仕事関数の金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）あるいはハフニウム（Ｈｆ）あるいはタンタル（Ｔａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）あるいはジルコニウム（Ｚｒ）等の金属で形成される。これら複数の電極部４Ａは、互いに電気的接続される。本例では、第１の電極４が複数のストライプ状の電極部４Ａを有し、一端で電極部４Ａ同士が連結された櫛歯状に形成される。なお、第１の電極４は、複数のストライプ状の電極部４Ａを、端部以外のストライプ方向の中間部で連結するような形状とすることもできる。

【0052】

光ｈνが入射されない他方の面側の第２の電極６は、絶縁薄膜５上の全面一様に形成される。第２の電極６は、半導体基板２及び第１の電極３の仕事関数より大きい仕事関数の金属、例えば金（Ａｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）あるいは白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）等の金属で形成される。

【0053】

第２実施の形態では、光ｈνが隣り合う電極部４Ａの間を透過して半導体基板２内に入射される。光ｈνは半導体基板２に吸収され、光誘起キャリアを発生する。このとき、電極部４Ａが形成されない領域で光誘起した少数キャリア（電子）は、拡散により、電極部４Ａ上部に到達し、電極部４Ａと半導体との仕事関数差で形成された内蔵電位に従って絶縁薄膜３を通じて第１の電極４に流れる。多数キャリア（ホール）は、第２の電極６との仕事関数差で形成された内蔵電位に沿って移動し、絶縁薄膜５を通じて第２の電極６に流れる。このように、電子は仕事関数の小さい第１の電極４へ流れ、ホールは仕事関数の大きい第２の電極６へ流れ、ソーラーセルが駆動する。

【0054】

第２実施の形態の半導体ソーラーセル１１の製造方法を説明する。先ず、半導体基板２の両面、すなわち一方の面（表面）及び他方の面（裏面）上に、それぞれトンネル電流が流れる膜厚を有する良質の絶縁薄膜３、５を成膜し、半導体基板面のパッシベーションを施す。絶縁薄膜３、５は、水蒸気熱処理によるシリコン酸化薄膜で形成するのが好ましい。シリコン酸化薄膜の膜厚は前述と同様に、０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度が好適である。この水蒸気熱処理を施すことにより、良質の絶縁薄膜／半導体界面が形成される。

【0055】

次に、半導体基板２の光入射される一方の面の絶縁薄膜３上の全面に第１の電極を形成するための第１の金属膜を成膜する。この第１の金属膜を例えば選択エッチングによりパターニング処理して、一方向に向かって光誘起された少数キャリアの拡散距離以下の間隔ｄ１で配列された複数のストライプ状の電極部４Ａからなる第１の電極４を形成する。本例では、第１の電極４を複数の電極部４Ａが一端で連結した櫛歯状に形成する。

【0056】

第１の電極４の形成工程の後、あるいは第１の電極４の形成工程の前に、半導体基板２の光が入射されない他方の面の絶縁薄膜５上に全面一様の第２の電極６を形成する。このようして、第２実施の形態に係るソーラーセル１１を得る。

【0057】

第２実施の形態に係る半導体ソーラーセル１１によれば、ストライプ状の電極部４Ａの間から光ｈνが半導体基板内に入射させるので、効率よく光入射させることができる。そして、重複説明は省略するも、第１実施の形態で説明したと同様に、光電力変換効率が高く、低コスト化を可能にした、実用可能なＭＩＳ型ソーラーセルを提供することができる。

【0058】

［第３実施の形態］
図６に、本発明に係る半導体ソーラーセルの第３実施の形態を示す。図６はソーラーセル及びその製造工程を示し、図６Ａ及び図６Ｂは断面図、図６Ｃは図６Ｂの平面図である。第３実施の形態に係る半導体ソーラーセル１２は、第１導電型の半導体基板２、本例ではｐ型のシリコン半導体基板が用いられる。半導体ソーラーセル１２は、この半導体基板２の他方の面（裏面）上に良質の絶縁薄膜３を介して第１の電極４と第２の電極６とを形成し、半導体基板２の一方の面（表面）上に良質の光透過性の絶縁膜１３を形成して構成される。絶縁膜１３を有する半導体基板２の一方の面側が光ｈνの照射側となる（図６参照）。

【0059】

ＭＩＳ構造側の絶縁薄膜３は、水蒸気熱処理によるシリコン酸化薄膜で形成するのが好ましい。このシリコン酸化薄膜の膜厚は、前述と同様に、トンネル電流が流れる膜厚さとなる０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度が好ましい。この水蒸気処理により良質の絶縁薄膜／半導体界面が形成される。

【0060】

第１の電極４は、ストライプ状の複数の第１の電極部４Ａを一方向に向かって所要の間隔を置いて配列し形成される。また、第２の電極６は、同様にストライプ状の複数の第２の電極部６Ａを一方向に向かって所要の間隔を置いて配列し形成される。そして、第１の電極４と第２の電極６が、それぞれの第１の電極部４Ａ及び第２の電極部６Ａが一方向に向かって交互に配列するように形成される。隣り合う第１の電極部４Ａと第２の電極部６Ａとの間の間隔ｄ２は、光誘起された少数キャリアの拡散距離以下に選定される。

【0061】

前述と同様に、ｐ型シリコン半導体基板を用いた場合、電子少数キャリアのライフタイムが７００μｓのとき、電子少数キャリアの拡散距離は約１３００μｍとなる。従って、隣合う第１及び第２の電極部４Ａ及び６Ａ間の間隔ｄ２を、１３００μｍより十分小さくすることにより、光誘起少数キャリアを効率よく第１の電極４に注入させることができる。

【0062】

第１の電極４は、半導体基板２及び第２の電極６の仕事関数より小さい仕事関数の金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）あるいはハフニウム（Ｈｆ）あるいはタンタル（Ｔａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）あるいはジルコニウム（Ｚｒ）等の金属で形成される。複数の第１の電極部４Ａは、互いに電気的に接続される。第２の電極６は、半導体基板２及び第１の電極４の仕事関数より大きい仕事関数の金属、例えば金（Ａｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）あるいは白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）等の金属で形成される。複数の第２の電極部６Ａは、互いに電気的に接続される。

【0063】

本例では、図６Ｂ，Ｃに示すように、第１の電極４が、複数のストライプ状の第１の電極部４Ａを有し、一端で第１の電極部４Ａが連結された櫛歯状に形成される。また、第２の電極６が、複数のストライプ状の第２の電極部６Ａを有し、一端で第２の電極部６Ａが連結された櫛歯状に形成される。これら櫛歯状の第１の電極４と第２の電極６が互いに噛み合わされて形成される。半導体基板２の光入射される一方の面に形成された透明絶縁膜１３は、水蒸気熱処理法、熱酸化法などを用いて、ＭＩＳ構造側の絶縁薄膜３より厚い膜厚のシリコン酸化膜で形成することができる。

【0064】

第３実施の形態では、図７に示すように、光ｈνが、半導体基板２の一方の面（表面）側から光透過性の絶縁膜１３を通じて半導体基板２内に入射され、半導体基板２に吸収されて光誘起キャリアが発生する。半導体基板２の他方の面（裏面）側では第１の電極４及び第２の電極６が交合に形成されるので、第１の電極４が存在するＭＩＳ界面では図１の左側のバンド曲がりが誘起され、第２の電極６が存在するＭＩＳ界面では図１の右側のバンド曲がりが誘起される。従って、光誘起キャリアのうち少数キャリアである電子ｅは、第１の電極４側に移動し、絶縁薄膜３を通じて第１の電極４に流れ込む。また光誘起キャリアのうち多数キャリアであるホールｈは、第２の電極６側に移動し、絶縁薄膜３を通じて第２の電極６に流れ込む。このように、電子ｅは仕事関数の小さい第１の電極４へ流れ、ホールｈは仕事関数の大きい第２の電極６へ流れ、ソーラーセル１２が駆動する。発生した光誘起少数キャリアが効率よく基板の反対側に拡散するために、半導体基板の厚さは少数キャリア拡散距離以下であることが好ましい。

【0065】

第３実施の形態の半導体ソーラーセルの製造方法を説明する。先ず、図６Ａに示すように、半導体基板２の両面、すなわち一方の面（表面）及び他方の面（裏面）上にそれぞれ透明絶縁膜１３及び絶縁薄膜３を形成し、半導体基板面のパッシベーションを施す。このとき、ＭＩＳ構造を形成すべき他方の面上の絶縁薄膜３は、前述と同様に、トンネル電流が流れる膜厚を有し、良質の絶縁薄膜とする。絶縁薄膜３は、水蒸気熱処理によるシリコン酸化薄膜で形成するのが好ましい。シリコン酸化薄膜の膜厚は、０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度が好適である。この水蒸気熱処理を施すことにより、良質の絶縁薄膜／半導体界面が形成される。

【0066】

半導体基板２の一方の面に形成された絶縁膜１３は、水蒸気熱処理法、熱酸化法などを用いて、ＭＩＳ構造側の絶縁薄膜３より厚い膜厚のシリコン酸化膜で形成することができる。なお、この絶縁膜１３は、ＭＩＳ構造側の絶縁薄膜３と同時工程で、同じ絶縁薄膜として形成することもできる。

【0067】

次に、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、半導体基板２の光入射される他方の面の絶縁薄膜３上に、ストライプ状の複数の第１の電極部４Ａを有する第１の電極４と、ストライプ状の複数の第２の電極部６Ａを有する第２の電極６とを形成する。第１の電極部４Ａ及び第２の電極部６Ａは、一方向に向かって光誘起された少数キャリアの拡散距離以下の間隔ｄ２で交互に配列して形成される。第１の電極４は、他方の面の絶縁薄膜３上の全面に第１の金属膜を成膜した後、選択エッチングによりパターニング処理して形成する。第２の電極６も、第１の電極４に影響を与えないように、絶縁薄膜３上の全面に第２の金属膜を成膜した後、選択エッチングによりパターニング処理して形成する。第１の電極の形成工程と、第２の電極の形成工程の順序は、どちらが先でもよい。

【0068】

本例では、図６Ｃに示すように、第１の電極４を、複数のストライプ状の第１の電極部４Ａを有し、一端で第１の電極部４Ａ同士が連結された櫛歯状に形成する。また、第２の電極６を、複数のストライプ状の第２の電極部６Ａを有し、一端で第２の電極部６Ａ同士が連結された櫛歯状に形成する。しかも、これら櫛歯状の第１の電極４と第２の電極６は互いに噛み合うように形成する。このようにして、第３実施の形態に係るソーラーセル１２を得る。

【0069】

第３実施の形態に係る半導体ソーラーセルによれば、ＭＩＳ構造を半導体基板の他方の面側に形成し、一方の面から光を照射する構成であるので、半導体基板内に十分効率よく光を入射することができ、光で電力変換効率をさらに高めることができる。そして、重複説明は省略するも、第１実施の形態で説明したと同様に、光電力変換効率が高く、低コスト化を可能にした、実用可能なＭＩＳ型ソーラーセルを提供することができる。

【0070】

ソーラーセルは、光照射と電流引き出しを両立させる必要がある。従来の多くのソーラーセルは、ｐｎ接合を有する半導体基板の上下に透明電極を形成して、電流を光照射方向と直交方向（横方向）に取り出す構造を用いている。透明電極の面内で横方向に電流を取り出すとき、つまり透明電極の端部から電流を取り出すときは、横方向の抵抗によって電流値が制限される。このため、透明電極の抵抗を非常に小さくしなければならないが、透明性を確保するために抵抗を小さくすることができず、透明電極の抵抗には下限があった。そこで、実際は、透明電極内のところどころに銀の細い電極を分散して電流を取り出している。透明電極では、導電率と透明性とはトレードオフの関係にある。

【0071】

本発明の実施の形態では、光照射と電流引き出しの両立を図った半導体ソーラーセルを構成することができる。この半導体ソーラーセルは、半導体基板の光入射側とは反対側に良質の絶縁薄膜を介して仕事関数の異なる第１及び第２の電極を形成してなるソーラーセル素体に、電流取り出し手段を貼り合わせて構成される。次に、この半導体ソーラーセルの実施の形態を説明する。

【0072】

［第４実施の形態］
図８に、光照射と電流引き出しの両立を図った本発明に係る半導体ソーラーセルの第４実施の形態を示す。図８Ａは断面図、図８Ｂは光照射の反対側から見た平面図である。第４実施の形態に係る半導体ソーラーセル１４は、半導体基板２の光入射側とは反対側に良質の絶縁薄膜３を介して仕事関数が異なる第１の電極４及び第２の電極６を形成してなるソーラーセル素体１５に、電流取り出し手段１６を貼り合わせて構成される。

【0073】

ソーラーセル素体１５は、第１導電型の半導体基板２、本例ではｐ型のシリコン半導体基板２が用いられる。ソーラーセル素体１５は、この半導体基板２の他方の面（裏面）上に良質の絶縁薄膜３を介して第１の電極４と第２の電極６とを形成し、半導体基板２の一方の面（表面）上に良質の光透過性の絶縁膜１３を形成して構成される。絶縁膜１３を有する半導体基板２の一方の面（表面）側は光ｈνの照射側となる。

【0074】

ＭＩＳ構造側の絶縁薄膜３は、水蒸気熱処理によるシリコン酸化薄膜で形成するのが好ましい。このシリコン酸化薄膜の膜厚は、前述と同様に、トンネル電流が流れる膜厚さとなる０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度が好ましい。この水蒸気処理により良質の絶縁薄膜／半導体界面が形成される。

【0075】

第１の電極４及び第２の電極６は、例えば図９Ａに示すように、ストライプ状の複数の第１の電極部４Ａとストライプ状の複数の第２の電極部６Ａとを一方向に向かって交互に配列して形成することができる。隣り合う第１の電極部４Ａと第２の電極部６Ａとの間の間隔ｄ２は、光誘起された少数キャリアの拡散距離以下に選定される。

【0076】

あるいは、第１の電極４及び第２の電極６は、例えば図９Ｂに示すように、それぞれ櫛歯状に形成して、第１の電極部４Ａと第２の電極部６Ａとが交互に配列されるように形成することができる。すなわち、第１の電極４は、一方向に配列された複数のストライプ状の第１の電極部４Ａが一端で連結された櫛歯状に形成される。第２の電極６は、一方向に配列された複数のストライプ状の第１の電極部４Ａが一端で連結された櫛歯状に形成される。これら櫛歯状の第１の電極４及び第２の電極６が、互いに噛み合わされて形成される。

【0077】

第１の電極４は、半導体基板２及び第２の電極６の仕事関数より小さい仕事関数の金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）あるいはハフニウム（Ｈｆ）あるいはタンタル（Ｔａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）あるいはジルコニウム（Ｚｒ）等の金属で形成される。第２の電極６は、半導体基板２及び第１の電極４の仕事関数より大きい仕事関数の金属、例えば金（Ａｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）あるいは白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）等の金属で形成される。なお、第２の電極６は、後述のＩＴＯ、ＺｎＯによる透明導電膜で形成することも可能である。

【0078】

一方、電流取り出し手段１６は、図８Ａ、Ｂに示すように、絶縁シート内に導電粒子が分散された異方性導電シート１７と、絶縁体１８内に第１及び第２の金属ブロック部１９Ａ及び１９Ｂが埋め込まれた導電ブロック体２１とを有して構成される。第１及び第２の金属ブロック部１９Ａ及び１９Ｂは、平面的に見て、図８Ｂに示すように、互いに櫛歯状をなして噛み合うように配置される。第１の金属ブロック部１９Ａは、ストライプ状の第１の電極部４Ａのパターンに対応した複数のストライプ部が一端で連結された櫛歯状パターンに形成される。第２の金属ブロック部１９Ｂは、ストライプ状の第２の電極部６Ａのパターンに対応した複数のストライプ部が一端で連結された櫛歯状パターンに形成される。金属ブロック部１９Ａ，１９Ｂは、導電性に優れた金属、例えば銅（Ｃｕ）等で形成することができる。

【0079】

本実施の形態では、ソーラーセル素体１５の第１及び第２の電極４及び６に対して、異方性導電シート１７を介して導電ブロック体２１を貼り合わせて構成される。すなわち、異方性導電シート１７を介して圧着することにより、第１の金属ブロック部１９Ａが第１の電極４と導通し、第２の金属ブロック部１９Ｂが第２の電極６と導通する。第１の金属ブロック部１９Ａと第２の金属ブロック部１９Ｂとには、それぞれ配線２２Ａ、２２Ｂが導出される。

【0080】

第４実施の形態に係る半導体ソーラーセル１４では、第３実施の形態で説明したと同様に、光ｈνが、半導体基板２の一方の面（表面）側から光透過性の絶縁膜１３を通じて半導体基板２内に入射され、半導体基板２に吸収されて光誘起キャリアが発生する。半導体基板２の他方の面（裏面）側に形成された、第１の電極４に絶縁薄膜３を通じて電子ｅが流れ込み、第２の電極６に絶縁薄膜３を通じてホールｈが流れ込む。

【0081】

そして、第１及び第２の電極４及び６に流れ込んだ電子ｅ及びホールｈは、異方性導電シート１７を通じて、導電ブロック体２１の第１及び第２の金属ブロック部１９Ａ、１９Ｂに独立に流れ、配線２２Ａ、２２Ｂより電流として取り出され、ソーラーセルとして駆動する。

【0082】

第４実施の形態に係る半導体ソーラーセル１４によれば、異方性導電シート１７は、図８Ａにおいて、厚み方向（縦方向）にしか電流を流さないので、第１の電極４及び第２の電極６の電流を独立に金属ブロック部１９Ａ、１９Ｂに導くことができる。第１及び第２の電極４及び６に流れ込んだ電子ｅ及びホールｈによる電流は、それぞれ第１及び第２の金属ブロック部１９Ａ及び１９Ｂにより縦方向に独立に取り出される。一方、櫛歯状の各第１及び第２の金属ブロック部１９Ａ及び１９Ｂは、薄膜で形成される第１及び第２の電極４及び６の膜厚に比べて非常に厚く、しかも電気抵抗が非常に小さい金属、例えば銅（Ｃｕ）で形成される。金属ブロック部１９Ａ及び１９Ｂが厚く形成されるので、金属ブロック部１９Ａ、１９Ｂの平面パターンでの横方向の抵抗は非常に小さくなる。従って、効率よく電流を取り出すことができる。第１及び第２の電極４及び６の表面、及び導電ブロック体の接続面は、厳密には平坦性が得にくい。しかし、異方性導電シート１７を介して接続することにより、安定、確実に第１及び第２の電極４及び６と、第１及び第２の金属ブロック部１９Ａ及び１９Ｂとの接続が行える。

【0083】

また、半導体基板２の電極４、６が形成されていない一方の面（表面）側より光ｈνが照射されるので、半導体基板２内に十分効率よく光を入射することができ、光で電力変換効率をさらに高めることができる。そして、重複説明は省略するも、第１実施の形態で説明したと同様に、光電力変換効率が高く、低コスト化を可能にした、実用可能なＭＩＳ型ソーラーセルを提供することができる。従って、効率のよい光照射と良好な電流引き出しとの両立を図った半導体ソーラーセルを提供することができる。

【0084】

［変形例］
ソーラーセル素体１５の第１及び第２の電極４及び６のパターンとしては、ストライプ状の他、種々のパターンが考えられる。例えば、図１０に示すように、ドット状に形成することも可能である。図示の例では、第１の電極４及び６を縦横方向に交互に配列する千鳥状パターンに形成している。各第１及び第２の電極４及び６間の間隔ｄ２は、光誘起された少数キャリアの拡散距離以下に選定される。

【0085】

この島状に配列されたドット状の第１及び第２の電極４及び６のパターンに対応して、導電ブロック体２１では、その第１及び第２の金属ブロック部１９Ａ及び１９Ｂをドット状のパターンに形成する。そして、導電ブロック体２１の外面に臨む第１の金属ブロック部１９Ａ同士、第２の金属ブロック部１９Ｂ同士を電気的に接続して、それぞれ配線２２Ａ、２２Ｂを導出するようになす。

【0086】

第１及び第２の電極４及び６をドット状に形成することにより、半導体基板２内で発生した電子ｅ、ホールｈを更に効率よく第１及び第２の電極４及び６に流れ込むことができ、しかも導電ブロック体２１を通じて効率よく電流を取り出すことができる。

【0087】

［第５実施の形態］
図１１に、光照射と電流引き出しの両立を図った本発明に係る半導体ソーラーセルの第５実施の形態を示す。図１１Ａは断面図、図１１Ｂは光照射の反対側から見た平面図である。第５実施の形態に係る半導体ソーラーセル２４は、半導体基板２の光入射側とは反対側に良質の絶縁薄膜３を介して第１及び第２の電極４及び６を形成してなるソーラーセル素体１５に、電流取り出し手段１６を貼り合わせて構成される。

【0088】

本実施の形態に係る半導体ソーラーセル２４は、異方性導電シート１７を用いずに、例えば陽極接合により直接、ソーラーセル素体２１の第１及び第２の電極４及び６と、導電ブロック体２１の第１及び第２の金属ブロック部１９Ａ及び１９Ｂとを接合して構成される。

【0089】

ソーラーセル素体１５及び導電ブロック体２１の構成は、第４実施の形態で説明したと同様であるので、図１１において、図８と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
また、変形例として、ソーラーセル素体１５の第１、第２の電極４、６のパターン及び導電ブロック体２１の第１、第２の金属ブロック部１９Ａ、１９Ｂのパターンは、種々のパターンが考えられる。例えば、第１、第２の電極４、６及び第１、第２の金属ブロック部１９Ａ、１９Ｂを、図１０で説明したように、ドット状のパターンで形成することもできる。

【0090】

第５実施の形態に係る半導体ソーラーセル２４によれば、ソーラーセル素体１５の第１及び第２の電極４及び６と、導電ブロック体２１の第１及び第２の金属ブロック部１９Ａ及び１９Ｂが直接接合される。これにより、第１及び第２の電極４及び６に流れ込んだ電子ｅ、ホールｈによる電流は、金属ブロック部１９Ａ、１９Ｂにより縦方向に取り出される。一方、櫛歯状の各第１、第２の金属ブロック部１９Ａ、１９Ｂは、薄膜で形成された第１、第２の電極４、６の膜厚に比べて非常に厚く、しかも電気抵抗が非常に小さい金属、例えば銅（Ｃｕ）で形成される。金属ブロック部１９Ａ、１９Ｂが厚く形成されるので、金属ブロック部１９Ａ、１９Ｂの平面パターンでの横方向の抵抗は非常に小さくなる。従って、効率よく電流を取り出すことができる。

【0091】

また、半導体基板２の電極４、６が形成されていない一方の面（表面）側より光ｈνが照射されるので、半導体基板２内に十分効率よく光を入射することができ、光で電力変換効率をさらに高めることができる。そして、重複説明は省略するも、第１実施の形態で説明したと同様に、光電力変換効率が高く、低コスト化を可能にした、実用可能なＭＩＳ型ソーラーセルを提供することができる。

【0092】

［第６実施の形態］
図１２に、本発明に係る半導体ソーラーセルの第６実施の形態を示す。第６実施の形態に係る半導体ソーラーセル２６は、第１導電型の半導体基板２、本例ではｎ型のシリコン半導体基板の一方の面（表面）及び他方の面（裏面）上に良質の絶縁薄膜３及び５を形成し、この絶縁薄膜３、５上にそれぞれ仕事関数の小さい第１の電極４及び仕事関数の大きい第２の電極２７を形成して構成される。第１及び第２の電極４及び２７は、半導体基板面の全面に形成される。光が照射される他方の面側の第２の電極２７は、透明導電膜で形成される。透明導電膜による第２の電極２７は、第１の電極４及び半導体基板２の仕事関数より大きい仕事関数を有する。第１の電極４は、前述と同様に第２の電極２７及び半導体基板２の仕事関数より小さい仕事関数を有する金属で形成される。絶縁薄膜３、５は、水蒸気熱処理によるシリコン酸化薄膜で形成するのが好ましい。シリコン酸化薄膜の膜厚は前述と同様に、トンネル電流が流れる厚さとなる０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度が好適である。この水蒸気熱処理を施すことにより、良質の絶縁薄膜／半導体界面が形成される。

【0093】

第６実施の形態では、光ｈνが、透明導電膜からなる第２の電極２７を透過して半導体基板２に入射され、半導体基板２に吸収されて光誘起キャリアを発生する。光誘起キャリアのうち電子ｅは第１の電極４側に移動し、絶縁薄膜３を通じて第１の電極４へ流れる。ホールｈは、第２の電極２７側に移動し、絶縁薄膜５を通じて第２の電極２７へ流れる。このように、電子ｅは仕事関数の小さい第１の電極４へ流れ、ホールｈは仕事関数の大きい透明導電膜による第２の電極２７へ流れ、ソーラーセルが駆動する。

【0094】

第６実施の形態の半導体ソーラーセル２６の製造方法を説明する。先ず、半導体基板２の両面、すなわち一方の面（表面）及び他方の面（裏面）上にそれぞれ良質の絶縁薄膜３、５を成膜し、半導体基板面にパッシベーションを施す。絶縁薄膜３、５は、水蒸気熱処理によるシリコン酸化薄膜で形成するのが好ましい。シリコン酸化薄膜の膜厚は前述と同様に、０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度が好適である。この水蒸気熱処理を施すことにより、良質の絶縁薄膜／半導体界面が形成される。

【0095】

次に、光入射される他方の面側の絶縁薄膜５の全面上に、透明導電膜からなる第２の金属電極２７を形成する。また、光入射されない一方の面側の絶縁薄膜３の全面上に、第１の金属電極４を形成する。第２の金属電極２７及び第１の金属電極４は、共に半導体基板２の両面の全面に形成される。このようして、第６実施の形態に係るソーラーセル２６を得る。

【0096】

第６実施の形態に係る半導体ソーラーセル２６によれば、透明導電膜からなる第２の金属電極２７側から光ｈνを半導体基板２内に入射させるので、効率よく光入射させることができる。そして、第１実施の形態で説明したと同様に、光電力変換効率が高く、低コスト化を可能にした、実用可能なＭＩＳ型ソーラーセルを提供することができる。

【0097】

透明電極として例えばＩｎＳｎＯ２（ＩＴＯ）あるいはＺｎＯをあげることができる。仕事関数はそれぞれ、４．８ｅＶと７．８ｅＶである。ＩＴＯ、ＺｎＯはｎ型の仕事関数はシリコン半導体に比べて高い。ＺｎＯの仕事関数はｐ型のシリコン半導体に比べて高い。従ってＩＴＯあるいはＺｎＯ透明電極は、金（Ａｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）あるいは白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）等の金属の代替えとして用いることができる。

【0098】

すなわち、ｎ型のシリコン半導体では仕事関数が４．０５ｅＶに近いので、ＩＴＯ膜あるいはＺｎＯ膜を仕事関数の大きい第２の電極として用いることができる。また、ｐ型のシリコン半導体では仕事関数が５．１７ｅＶに近くなるので、ＺｎＯ膜を仕事関数の大きい第２の電極として用いることができる。さらに、ｐ型のシリコン半導体では、ＩＴＯ膜を仕事関数の小さい第１の電極として用いることもできる。

【0099】

次に、本発明の基本概念に基づく半導体ソーラーセルについて実証する。ここでは、図１に示す基本概念（第１実施の形態）に基づき、図１３に示す半導体ソーラーセルを試作した。試料としては、先ず、比抵抗３０Ωｃｍ、板厚５２０μｍのシリコンによるｐ型半導体基板３２の表裏両面を熱酸化し、膜厚１００ｎｍのシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜３３、３５を形成した。このときの電子小数キャリアのライフタイムは、１８５μｓであった。表面キャリア再結合速度は、１４１ｃｍ／ｓと見積もられた。

【0100】

次に、バッファ・フッ酸を用いて、表面側のシリコン酸化膜３３を薄膜化した。光学測定により、約１．５ｎｍにかるまで薄くした。薄膜化後、電子少数キャリアのライフタイムは１６μｓと低下した。

【0101】

次いで、表面パッシベーションを行う目的で、１．３×１０^６Ｐａ、２６０℃、３時間の水蒸気熱処理を施した。シリコン酸化膜３３の膜厚は、変わらず約１．５ｎｍである。水蒸気熱処理でシリコン酸化膜の膜質が向上する。その結果、電子小数キャリアのライフタイムは４７μｓに大きくなり、表面キャリア再結合速度は９７０ｃｍ／ｓと見積もられた。

【0102】

次に、半導体基板の表面側のシリコン酸化膜３３上に、それぞれストライプ状のアルミニウム（Ａｌ）による第１の電極３４と、金（Ａｕ）による第２の電極３６を真空蒸着法で形成した。Ａｌによる第１の電極３４とＡｕによる第２の電極３６の間の距離ｄ４は、０．２９ｍｍとした。第１の電極３４の幅ｔ１は０．５ｍｍ、第２の電極３６の幅ｔ２は１ｍｍとした。このようにして、図１３に示す本発明に係るソーラーセルの試料３１を作成した。

【0103】

比較のために、図１４に示す半導体基板３２の表面側のシリコン酸化膜３３上に、アルミニウム（Ａｌ）のみのストライプ状の第１の電極３４′及び第２の電極３６′を形成した比較ソーラーセルの試料３７を作成した。電極３４′、３６′以外の構成は図１３と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

【0104】

それぞれの試料３１、３７に対して、光強度２１．７ｍＷ／ｃｍ２のハロゲンランプ光を半導体基板３２の裏面、及び表面と裏面から照射して、ソーラーセル特性を測定した。

【0105】

図１５Ａに、ストライプ状のＡｌによる第１の電極３４及びＡｕによる第２の電極３６（Ａｌ−Ａｕ電極）を形成した本発明に係る試料３１の絶対電流密度―電圧特性を示す。図１５Ｂに、Ａｌの電極のみ、すなわち、ストライプ状のＡｌによる第１の電極３４′及びストライプ状のＡｌによる第２の電極３６′（Ａｌ−Ａｌ電極）を形成した比較のための試料３７の絶対電流密度―電圧特性を示す。

【0106】

各図１５Ａ、Ｂにおいて、縦軸は絶対電流密度をｌｏｇの値で示し、横軸は−１Ｖから＋１Ｖまでの電圧を示す。通常のソーラーセル特性ではプラスの電圧しか測定しないが、本測定ではプラス／マイナスの電圧について測定している。破線ｂ、ｄは、光を当てないときの特性、実線ａ，ｃは、電極が形成されていない裏面側から光Ｌ１を照射したときの特性をそれぞれ示す。

【0107】

両試料３１、３７共に、破線ｂ、ｄで示すように、光を当てない暗状態時には、小さな電圧印加で電流が流れた。これは表面側のシリコン酸化膜３３が薄いために生じたＦＮ電流と考えられる。裏面側から光Ｌ１を照射したとき、Ａｌ−Ａｕ電極３４、３６を形成した本発明の試料３１では、図１５Ａの実践ａで示すように、ゼロ電流（谷部３０参照）が０Ｖよりプラス側に大きくシフトし、ゼロ電圧（０Ｖ）のときに大きな電流が流れる。これは、大きな光誘起電流が生じたことを示している。さらに、ゼロ電流（谷部３０参照）が電圧０．４９Ｖで現れた。これは大きな開放電圧を示唆している。なお、Ａｌ電極３４とＡｕ電極３６間に順方向電圧をかけて測定しており、ゼロ電流（谷部３０参照）は、丁度電圧が打ち消されて電極が流れないところに相当する。

【0108】

これに対して、Ａｌ−Ａｌ電極３４′、３６′を形成した比較の試料３７では、裏面側から光Ｌ１を照射したとき、図１５Ｂの実践ｃで示すように、ゼロ電圧（０Ｖ）のとき電流は小さかった。そして、ゼロ電流（谷部３０′参照）の電圧は僅か０．０２Ｖであった。

【0109】

この結果、図１５Ａの本発明のソーラーセル特性は、Ａｌ−Ａｕ電極３４、３６の仕事関数差がシリコン半導体基板３２中に電位差を生じ、光誘起電流を発生させたことを示している。

【0110】

図１６に、Ａｌ−Ａｕ電極３４、３６を形成した本発明の試料３１に、光Ｌ２、Ｌ１を表面と裏面から照射したときのソーラーセル特性を示す。図１６では、縦軸に、図１５Ａの縦軸のｌｏｇ値をリニアな値にしたときの電流密度［ｍＡ／ｃｍ^２］を示し、横軸に、図１５Ａの横軸の０Ｖから＋０．５Ｖまでを抜き出した電圧［Ｖ］を示す。また、曲線ｅは表面から光Ｌ２を照射したときの特性、曲線ｆは裏面から光Ｌ１を照射したときの特性を示す。この図１６から典型的なソーラーセル特性が得られるのが認められる。裏面照射の場合、短絡電流密度、開放電圧、効率は、それぞれ５．８ｍＡ／ｃｍ^２、０．４９Ｖ、７．５％であった。表面照射の場合は、金属の電極３４，３６が光照射を妨げるので電流密度が小さかった。

【0111】

図１５及び図１６のソーラーセル特性の結果は、異種電極、本例では異種金属の仕事関数差を用い、電極が形成されない裏面から光照射する本発明のソーラーセルが、優れたソーラーセツ特性を有していることを実証するものである。

【0112】

本発明に係る半導体ソーラーセルでは、半導体（シリコン）表面のパッシベーションが必須であり、そのためにいろいろな技術の適用が考えられる。パッシベーションとして、前述の図３に示す水蒸気熱処理は有効である。熱酸化膜も安定で良好なパッシベーションができるので、薄膜熱酸化膜は有力な候補である。プラズマＣＶＤなどの方法で薄膜酸化膜ができれば、低コスト化の観点から良いと思われる。また、薄膜酸化膜と水蒸気熱処理の組み合わせは、表面のパッシベーションの技術として有効である。

【0113】

上記実証では、熱酸化膜を薄膜化し水蒸気熱処理をしてソーラーセルを作成した。このとき、上述したように、熱酸化膜付きの状態でライフタイムが１８５μｓの試料を用いた。熱酸化膜を薄膜化した後の膜厚は、平均的には１．５ｎｍであったが、ばらつきが大きく、ところどころ完全にエッチングされた部分もあると思われる。そのため、ライフタイムは非常に小さくなった。しかし、水蒸気熱処理後はライフタイムが４７μｓに向上した。ライフタイムの向上は、水蒸気熱処理により、エッチングされた部分を中心にパッシベーションがなされたと考えられる。このライフタイム４７μｓのパッシベーション特性の試料において、本発明のソーラーセル特性の原理実証ができた。より良い特性のソーラーセル作成のためには、パッシベーションの最適化が重要である。

【0114】

本発明に係るソーラーセルにおいて、半導体基板２の他方の面に絶縁薄膜３を介して第１、第２の電極４、６を形成し、半導体基板２の一方の面側から光照射する実施の形態では、電極間、電極幅、半導体基板の板厚を次ぎのように設定することができる。

【0115】

少数キャリアの拡散長Ｌは次の式で表される。
Ｌ＝ √（Ｄ×τ）
Ｄは拡散係数、τはライフタイムを示す。

【0116】

図１７に示すように、半導体基板２の板厚をｚ１、第１の電極４の電極幅ｔ１、第２の電極６の電極幅ｔ２、電極間の間隔ｄ２としたとき、それぞれ次のように小数キャリアの拡散長Ｌ以下に設定することが好ましい。
ｄ２ ＜ √（Ｄ・τ）
ｔ１ ＜ √（Ｄ・τ）
ｔ２ ＜ √（Ｄ・τ）
ｚ１ ＜ √（Ｄ・τ）

【0117】

本発明では、試料の質によりライフタイムがいろいろな値をとりうるので、それに応じた試料設計をする必要がある。

【0118】

一方、本発明に係る半導体ソーラーセルは、半導体基板２の不純物濃度に関わりなく構成することができる利点がある。本発明に係る半導体基板２の不純物濃度としては、好ましくは１×１０^１５ｃｍ^―３以上の高不純物濃度とする。本発明に係る半導体基板２の不純物濃度としては、１×１０^１５ｃｍ^―３以下の低不純物濃度でも可能である。

【0119】

［第７実施の形態］
図１８に、本発明に係る半導体ソーラーセルの第７実施の形態を示す。パッシベーション薄膜として、シリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜は、シリコンの半導体基板の表面を良好にパッシベーションする絶縁体である。しかし、パッシベーション薄膜として用いるシリコン酸化膜は、トンネル効果で例えば金属の第１及び第２の電極に電流を流すために、膜厚を約２ｎｍ以下、好ましくは１．５ｎｍ以下にする必要がある。１ｎｍ以下のシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜をパッシベーション用に用いた場合、膜厚のバラツキが無視できない。より薄いシリコン酸化膜の箇所は、上に形成した金属が拡散してシリコン基板にコンタクトしてパッシベーション効果がなくなる恐れがある。半導体ソーラーセルを構成する半導体基板の表面パッシベーションを達成できれば、表面に形成するパッシベーション薄膜は、完全な絶縁膜でなくても良い。例えば、半導体基板よりもバンドギャップの大きい真性非晶質半導体は、半導体基板に対して絶縁性が高くかつ電流導通可能なパッシベーション膜として用いることができる。

【0120】

第７実施の形態に係る半導体ソーラーセル４１は、第１導電型の半導体基板２，本例ではｐ型の結晶シリコンによる半導体基板が用いられる。結晶シリコンは、単結晶シリコンあるいは多結晶シリコンである（以下、同様である）。半導体ソーラーセル４１は、半導体基板２の一方の面にパッシベーション薄膜となる真性非晶質シリコン膜４２を介して第１の電極４と第２の電極６とを形成し、半導体基板２の他方の面に絶縁膜４４を形成して構成される。この構成では、半導体基板２の光ｈνが照射される他方の面での乱反射を防止するために、反射防止膜４３を介して絶縁膜４４が形成される。絶縁膜４４としては、光透過性を有する例えばシリコン酸化膜等を用いることができる。反射防止膜４３としては、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜の積層膜で形成することができる。

【0121】

第１の電極４及び第２の電極６は、第３実施の形態で説明したと同様に、それぞれストライプ状の複数の電極部を一方向に向かって所要の間隔を置いて配列して形成される。第１の電極４及び第２の電極６は、櫛歯状に形成され、互いに噛み合うように配置される。隣り合う第１の電極４と第２の電極６との間隔は、電子少数キャリアの拡散距離以下に設定される。

【0122】

第１の電極４は、半導体基板２及び第２の電極６の仕事関数より小さい仕事関数の金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）あるいはハフニウム（Ｈｆ）あるいはタンタル（Ｔａ）あるいはインジウム（Ｉｎ）あるいはジルコニウム（Ｚｒ）等の金属で形成される。第２の電極６は、半導体基板２及び第１の電極４の仕事関数より大きい仕事関数の金属、例えば金（Ａｕ）あるいはニッケル（Ｎｉ）あるいは白金（Ｐｔ）あるいはパラジウム（Ｐｄ）等の金属で形成される。

【0123】

真性非晶質シリコン膜４２は、バンドギャップが１．５ｅＶ〜１．９ｅＶの半導体である。この真性非晶質シリコン膜４２のバンドギャップは、結晶シリコンの半導体基板２のバンドギャップ１．１２ｅＶより大きく、半導体基板２に対して絶縁性が高く、電流導通可能な膜である。真性非晶質シリコン膜４２は、水素を導入することにより、欠陥を低減することがで、パッシベーション膜２として用いることができる。非晶質シリコンが優れたパッシベーション効果を発揮することは、結晶シリコンと非晶質シリコン膜を組み合わせたＨＩＴソーラーセルにおいて、実証されている。

【0124】

真性非晶質シリコン膜４２は、バンドギャップがシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜よりも小さいので、厚い膜を用いてもトンネル電流を得ることができる。パッシベーション薄膜として真性非晶質シリコン膜４２の好適な膜厚は、３ｎｍ〜５０ｎｍである。本実施の形態では、真性非晶質シリコン膜単層の形成で十分である。

【0125】

第７実施の形態に係る半導体ソーラーセル４１の動作は、前述の第３実施の形態と同様である。

【0126】

第７実施の形態に係る半導体ソーラーセル４１によれば、パッシベーション薄膜として真性非晶質シリコン膜を用いるので、シリコン酸化膜よりバンドギャップが小さく、かつ膜厚を大きくしても大きなトンネル電流をえることができる。従って、より光電力変換効率が高い実用可能なソーラーセルを提供することができる。

【0127】

［第８実施の形態］
図１９に、本発明に係る半導体ソーラーセルの第８実施の形態を示す。本実施の形態は、第７実施の形態の変形例に相当する。第８実施の形態に係る半導体ソーラーセル４６は、第１導電型の半導体基板２，本例ではｐ型の結晶シリコンによる半導体基板が用いられる。半導体ソーラーセル４６は、半導体基板２の一方の面にパッシベーション薄膜４７を介して第１の電極４と第２の電極６とを形成し、半導体基板２の他方の面に反射防止膜４３を介して絶縁膜４４を形成して構成される。

【0128】

本実施の形態では、パッシベーション薄膜４７として、半導体基板２上に成膜した薄いシリコン酸化膜４８と、シリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜４８上に成膜した真性非晶質シリコン膜４２とにより構成される。薄いシリコン酸化膜４８は、トンネル効果を有する膜厚、例えば膜厚１．５ｎｍ以下、例えば０．５ｎｍで形成される。薄いシリコン酸化膜４８は、好ましくは前述した水蒸気熱酸化膜を用いる。

【0129】

その他の構成は、第７実施の形態で説明した同様であるので、図１９において、図１８と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

【0130】

第８実施の形態に係る半導体ソーラーセル４６によれば、薄いシリコン酸化膜４８の上に真性非晶質シリコン膜４２を形成することにより、第１の電極４及び第２の電極６である金属の拡散を防止でき、良好なパッシベーションとトンネル電流が得られる。従って、より信頼性が高く、またより光電力変換効率が高い実用可能なソーラーセルを提供することができる。

【0131】

第７、第８実施の形態では、結晶シリコンの半導体基板２に、パッシベーション薄膜として半導体基板と同じ半導体による真性非晶質シリコン膜４２を形成した。その他、結晶シリコンの半導体基板２に、パッシベーション薄膜としてシリコン以外の半導体による真性非晶質半導体膜を形成することもできる。半導体基板として半導体材質が異なる結晶半導体基板を用いたときにも、パッシベーション薄膜として、上記と同様に、結晶半導体基板と同じ半導体、あるいは異なる半導体による真性非晶質半導体膜を用いることができる。パッシベーション薄膜としては、好ましくは半導体基板と同質の半導体による真性非晶質半導体膜を用いるのがよい。

【0132】

第７実施の形態のパッシベーション薄膜となる真性非晶質半導体膜４２、あるいは第８実施の形態の真性非晶質半導体膜４２及び薄いシリコン酸化膜４８によるパッシベーション薄膜４７は、第１実施の形態〜第６実施の形態のパッシベーション薄膜に適用できる。

【0133】

本発明の実施の形態のパッシベーション薄膜として、絶縁性の高いダイヤモンドライクカーボン膜を用いることもできる。

【0134】

前述したように、シリコン酸化（ＳｉＯ_２）は、１０ｅＶのバンドギャップを持ち、非常に優秀な絶縁体であるため、本発明のパッシベーション薄膜として好適である。一方、図２０に示すように、様々な高誘電率材料が開発されており、これらはいずれもバンドギャップが１．１８ｅＶ以上有するので、半導体、例えばシリコンと金属間に設置するパッシベーション薄膜として用いることができる。

【0135】

特に、電子に対してポテンシャル障壁の小さい材料と、ホールに対してポテンシャル障壁の小さい材料による薄膜を組み合わせれば、良好な半導体ソーラーセルを得ることができる。電子に対してポテンシャル障壁の小さい材料としては、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＺｒＳｉＯ_４、ＨｆＳｉＯ_４等がある。ホールに対してポテンシャル障壁の小さい材料としては、ＬａＡｌＯ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等がある。

【0136】

図２０は、バンドギャップ１．１ｅＶのシリコン（同図左端）と、電子に対してポテンシャル障壁が小さい材料（実線）と、ホールに対してポテンシャル障壁が小さい材料（破線）を示す。図２０では、シリコンのバンドギャップ１．１ｅＶを挟んで上半分（Ｅ）に電子に対するポテンシャル障壁を示し、下半分（Ｈ）にホールに対するポテンシャル障壁を示す。Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｚｒ_ＳｉＯ_４，ＨｆＳｉＯ_４は、電子に対してポテンシャル障壁が小さい材料である。Ｓｉ_３Ｏ_４、ＬａＡｌＯ_３は、ホールに対してポテンシャル障壁が小さい材料である。なお、一点鎖線は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３のポテンシャル障壁を示す。

【0137】

次に、電子に対してポテンシャル障壁の小さい材料による薄膜と、ホールに対してポテンシャル障壁の小さい材料による薄膜とを、それぞれの電極下のパッシベーション薄膜として用いた半導体ソーラーセルの実施の形態を示す。

【0138】

［第９実施の形態］
図２１に、本発明に係る半導体ソーラーセルの第９実施の形態を示す。本実施の形態は、上述した電子に対してポテンシャル障壁の小さい材料による薄膜と、ホールに対してポテンシャル障壁の小さい材料とによる薄膜を、それぞれの電極下のパッシベーション薄膜として用いた半導体ソーラーセルである。図２１Ａは原理的構成を示し、図２１Ｂは動作説明図を示す。

【0139】

第９実施の形態に係る半導体ソーラーセル５１は、第１導電型の半導体基板２，本例ではｐ型の結晶シリコンによる半導体基板が用いられる。半導体ソーラーセル５１は、半導体基板２の一方の面に、パッシベーション薄膜として電子に対してポテンシャル障壁が小さい例えばタンタル酸化（Ｔａ_２Ｏ_５）膜５２が形成され、タンタル酸化膜５２上に仕事関数の小さい例えばＡｌによる第１の電極４が形成される。また、半導体基板２の他方の面に、パッシベーション薄膜としてホールに対してポテンシャル障壁が小さい例えばシリコン窒化（Ｓｉ_３Ｎ_４）膜５３が形成され、シリコン窒化膜５３上に仕事関数が大きい例えばＡｕによる第２の電極６が形成される。これによって、半導体ソーラーセル５１が構成される。パッシベーション薄膜となるタンタル酸化膜５２及びシリコン窒化膜５３は、その膜厚を、上述したシリコン酸化薄膜の膜厚０．５ｎｍ〜２．０ｎｍより厚くして形成することができる。

【0140】

第９実施の形態の半導体ソーラーセル５１の動作を説明する。図２１Ｂに示すように、半導体２に光ｈνが照射されると、光照射により発生したキャリアの内の小数キャリアである電子ｅが、バンド曲がりにより形成された内蔵電位に沿って第１の電極４側に移動し、タンタル酸化膜５２を通じて第１の電極４に流れる。このとき、パッシベーション薄膜であるタンタル酸化膜５２は電子ｅに対してポテンシャル障壁が小さいので、電子ｅは第１の電極４へ極めて流れ易くなる。光照射により発生したキャリアのうちの多数キャリアデアルホールｈは、逆に第２の電極６側に移動し、パッシベーション薄膜であるシリコン窒化膜５３を通じて第２の電極６に流れる。このとき、パッシベーション薄膜であるシリコン窒化膜５３はホールｈに対してポテンシャル障壁が小さいので、ホールｈは第２の電極６へ極めて流れ易くなる。従って、直流抵抗の少ない半導体ソーラーセルを構成することができる。

【0141】

第９実施の形態に係る半導体ソーラーセル５１によれば、直流抵抗の少ない構造を有するので、更に光電力変換効率が高い実用可能なソーラーセルを提供することができる。シリコン酸化膜よりバンドギャップが小さく、かつ電子及びホールに対して、それぞれポテンシャル障壁の小さい膜をパッシベーション薄膜として用いることにより、膜厚を大きくしても、大きなトンネル電流が得られるので、パッシベーション薄膜としての信頼性が向上する。

【0142】

［第１０実施の形態］
図２２に、本発明に係る半導体ソーラーセルの第１０実施の形態を示す。本実施の形態は、上述した電子に対してポテンシャル障壁の小さい材料による薄膜と、ホールに対してポテンシャル障壁の小さい材料とによる薄膜を、それぞれの電極下のパッシベーション薄膜として用いた半導体ソーラーセルである。

【0143】

第１０実施の形態に係る半導体ソーラーセル５５は、第１導電型の半導体基板２，本例ではｐ型の結晶シリコンによる半導体基板が用いられる。半導体ソーラーセル５５は、半導体基板２の一方の面にパッシベーション薄膜５６を介して第１の電極４と第２の電極６とを形成し、半導体基板２の他方の面に反射防止膜４３を介して絶縁膜４４を形成して構成される。パッシベーション薄膜５６は、前述した高誘電率材料膜で形成される。そして、このパッシベーション薄膜５６は、第９実施の形態で説明したと同様に、第１の電極４下に対応するパッシベーション薄膜を電子に対してポテンシャル障壁が小さい材料膜で形成し、第２の電極６下に対応するパッシベーション薄膜をホールに対してポテンシャル障壁が小さい材料膜で形成する。

【0144】

シリコンの半導体基板２の表面に高誘電率材料膜を形成したとき、シリコンの極表面には極めて薄い例えば０．５ｎｍ程度の膜厚のシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜５７が形成されることが知られている。従って、本実施の形態では、この薄いシリコン酸化膜５７とその上の高誘電率材によるパッシベーション薄膜５６との２層膜構造のパッシベーション薄膜５８が形成されることになる。

【0145】

このとき、シリコン酸化膜５７が半導体基板表面をパッシベーションし、高誘電率材によるパッシベーション薄膜５６がパッシベーションと、電子及びホールの輸送層として機能することになる。

【0146】

その他の構成は、第７実施の形態及び第８実施の形態で説明したと同様であるので、図１８、図２１に対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

【0147】

第１０実施の形態に係る半導体ソーラーセル５５によれば、薄いシリコン酸化膜５７で半導体基板表面のパッシベーションが行われ、また高誘電率材によるパッシベーション薄膜５６でさらに半導体基板表面のパッシベーションが行われる。これにより、半導体基板表面のパッシベーションが良好となる。しかも、高誘電率材によるパッシベーション薄膜５６は、それぞれの第１の電極４及び第２の電極６下に在って電子輸送層、ホール輸送層となるので、第１の電極４への電子の流れ、第２の電極６へのホールの流れを容易にすることができる。従って、パッシベーションの信頼性が向上し、直流抵抗が少なくなるので、更に光電力変換効率が高い実用可能なソーラーセルを提供することができる。

【0148】

第９実施の形態のパッシベーション薄膜５２，５３、あるいは第１０実施の形態のパッシベーション薄膜５８の構成は、第２実施の形態〜第６実施の形態のパッシベーション薄膜に適用できる。

【0149】

上述した第２〜第５、第７〜第１０実施の形態では、半導体基板２としてｐ型のシリコン半導体基板を用いたが、ｎ型のシリコン半導体基板を用いることもできる。上述した第６実施の形態では、半導体２としてｎ型のシリコン半導体基板を用いたが、ｐ型のシリコン半導体基板を用いることもできる。

【0150】

上例では、半導体基板２としてシリコン基板を用いたが、その他、ゲルマニウム基板、例えばＧａＡs、その他などの化合物半導体基板を用いることもできる。

【0151】

上述の実施の形態では、第１の電極及び／又は第２の電極を仕事関数の異なる２種以上の電極、例えば金属の電極で形成することができる。例えば、機能に合わせて、内蔵電位を形成するための電極と、電流取り出しのための低抵抗の電極とを組み合わせて第１の電極及び／又は第２の電極を構成することができる。

【符号の説明】

【0152】

１、８、１１、１２、２１、４１、４６、５１、５５・・ソーラーセル、２・・半導体基板、３、５・・絶縁薄膜、４、６・・電極、１３・・絶縁膜、２２・・透明導電膜による電極、４２・・真性非晶質シリコン膜、４７・・パッシベーション薄膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】