光電変換素子
【課題】抵抗損失を低減することが可能な光電変換素子を提供する。
【解決手段】ｐ型炭素層及びｎ型炭素層、並びに、ｐ型炭素層とｎ型炭素層との間に配設されたｉ型炭素層を具備し、ｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設された第１中間層、及び／又は、ｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設された第２中間層を備え、第１中間層はｐ型不純物を含む炭素結晶層であり、第２中間層はｎ型不純物を含む炭素結晶層である、光電変換素子とする。
【解決手段】ｐ型炭素層及びｎ型炭素層、並びに、ｐ型炭素層とｎ型炭素層との間に配設されたｉ型炭素層を具備し、ｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設された第１中間層、及び／又は、ｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設された第２中間層を備え、第１中間層はｐ型不純物を含む炭素結晶層であり、第２中間層はｎ型不純物を含む炭素結晶層である、光電変換素子とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池や光検出素子等に代表される光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。
【０００３】
これまでに提案されている太陽電池に、いわゆるｐｉｎ接合を有する太陽電池がある。この形態の太陽電池では、主にｉ層で光吸収が行われ、生成された電子及び正孔を、ｐ層及びｎ層によって発生する内部電界により分離して、発電する。
【０００４】
このような太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、第１導電型の第１半導体層、第２導電型の第２半導体層、及び第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた真性半導体層を備え、第１半導体層と真性半導体層との間に設けられ、第１半導体層に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きく且つ不純物添加量が少ない第１導電型の第１中間半導体層と、第２半導体層と真性半導体層との間に設けられ、第２半導体層に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きく且つ不純物添加量が少ない第２導電型の第２中間半導体層と、の少なくとも一方を有する光起電力素子が開示されている。また、特許文献２には、基板上に第１の透明電極層を形成し、第１の透明電極層の上に中間層を形成した後、この中間層の上にｐ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層、第２の透明電極層、及び、背面電極層を順次形成した光起電力素子が開示されている。また、特許文献３には、Ｔｅを含むＰ型化合物半導体と、Ｐ型化合物半導体上に形成されたＣｕｘＳ、ＣｕｘＴｅ又はＣｕｘＳｅからなる中間層と、該中間層にオーミック接合する金属層と、を備える化合物半導体のオーミック電極が開示されている。また、特許文献４には、少なくとも各々導電型及び／又は形状が異なる結晶質シリコンを含む第１の半導体層と第２の半導体層とを有し、第１の半導体層と第２の半導体層との層間に、非晶質からなる中間層を配置する構成を含み、第１の半導体層又は第２の半導体層のいずれか一方の半導体層がｐ型又はｎ型半導体層であり、他方の半導体層が実質的に真性な半導体層である光起電力素子が開示されている。また、特許文献５には、入射光を電気信号に変換するための光電変換層と、この光電変換層の光の入射側と反対側に配設され、光電変換層を透過した光を光電変換層側へ反射させる回折機能層とを備え、回折機能層の光電変換層に対向する側に透明樹脂からなる中間層が一体化され、中間層が透明樹脂からなる接着剤を介して光電変換層に接着され、中間層及び接着剤を構成する樹脂は光電変換層よりも低い屈折率を有する薄膜半導体素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５２４００号公報
【特許文献２】国際公開第２００３／０６１０１８号
【特許文献３】特開平８−７８３５５号公報
【特許文献４】特開２００４−３３５８２３号公報
【特許文献５】特開２０００−２９４８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術では、第１半導体層と真性半導体層との間に第１中間半導体層が設けられ、第２半導体層と真性半導体層との間に第２中間半導体層が設けられる。そのため、第１半導体層と真性半導体層とを接触させた場合に懸念される不純物の拡散、及び、第２半導体層と真性半導体層とを接触させた場合に懸念される不純物の拡散を抑制することが可能になる。しかしながら、第１中間半導体層と真性半導体層との間や第２中間半導体層と真性半導体層との間には、バンドギャップやフェルミ準位の差に起因する障壁が存在する。そのため、単に第１中間半導体層や第２中間半導体層を設けるだけでは、障壁によって、真性半導体層で生成された電子や正孔（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）の移動が妨げられる結果、抵抗損失が増大し、太陽電池の性能を向上させ難いという問題があった。かかる問題は、特許文献１〜特許文献５に開示されている技術を組み合わせたとしても、解決することが困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、抵抗損失を低減することが可能な光電変換素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層に炭素膜を用いた光電変換素子において、ｐ層とｉ層とを接触させ、ｉ層とｎ層とを接触させると、これらの層を作製する際に、ｐ層やｎ層に添加されている不純物元素がｉ層へと拡散する虞がある。不純物がｉ層へ拡散すると、光電変換素子の性能が低下するため、好ましくない。そこで、ｉ層への不純物元素の拡散を抑制すべく、不純物元素の拡散を抑制する中間層を、ｐ層とｉ層との間やｎ層とｉ層との間に設けることが考えられる。しかしながら、単に中間層を設けると、バンドギャップやフェルミ準位の相違に起因する障壁によって、ｉ層からｐ層やｎ層へと向かうキャリアの移動が妨げられ、抵抗損失が増大する結果、光電変換素子の性能が低下しやすい。そのため、光電変換素子の性能を向上させるためには、中間層を設けたことに起因する抵抗損失の増大を抑制することが必要とされる。
【０００９】
本発明者らは鋭意研究の結果、ｐ層とｉ層との間に配設される中間層にｐ型不純物を添加することによって、障壁を低くすることが可能になることを知見した。また、ｎ層とｉ層との間に配設される中間層にｎ型不純物を添加することによって、障壁を低くすることが可能になることも知見した。障壁を低くすることにより、抵抗損失の増大を抑制することが可能になると考えられる。
【００１０】
一方、ｐ層とｉ層との間やｎ層とｉ層との間に中間層を設けると、屈折率の相違によって、中間層とｉ層との界面やｎ層と中間層との界面等において光が反射されやすい。例えば、ｉ層の表面側にｎ層が配設され、ｉ層の裏面側にｐ層が配設される光電変換素子において、ｉ層とｎ層との間に中間層を単に配設すると、中間層とｎ層との界面において光が反射される結果、ｎ層側から入射した光がｉ層へと到達し難い。ｉ層へと到達する光の量が低減すると、光電変換素子の性能が低下するため、中間層を配設する場合には、中間層とｎ層との界面における光の反射を抑制することが必要とされる。
【００１１】
本発明者らは鋭意研究の結果、ｎ層を構成する炭素膜に窒素を添加することによって、屈折率を制御することが可能になり、窒素添加量を適切に制御することによって、ｎ層と中間層との界面における光の反射を抑制することが可能になることを知見した。
【００１２】
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、ｐ型炭素層及びｎ型炭素層、並びに、ｐ型炭素層とｎ型炭素層との間に配設されたｉ型炭素層を具備し、ｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設された第１中間層、及び／又は、ｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設された第２中間層を備え、第１中間層はｐ型不純物を含む炭素結晶層であり、第２中間層はｎ型不純物を含む炭素結晶層であることを特徴とする、光電変換素子である。
【００１４】
ここに、「ｐ型炭素層」は、例えば、ホウ素等の公知のｐ型ドーパントを添加したアモルファスカーボン層によって構成することができる。また、「ｎ型炭素層」は、例えば、窒素等の公知のｎ型ドーパントを添加したアモルファスカーボン層によって構成することができる。また、「ｉ型炭素層」は、例えば、ｉ型のアモルファスカーボン層によって構成することができる。また、「ｐ型不純物」とは、ホウ素等の公知のｐ型ドーパントをいう。また、「炭素結晶層」とは、例えば、ダイアモンド結晶膜層をいう。また、「ｎ型不純物」とは、リン等の公知のｎ型ドーパントをいう。
【００１５】
また、上記本発明において、第２中間層が備えられ、且つ、ｎ型炭素層に窒素が含有されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光電変換素子では、ｐ型不純物を含む炭素結晶層である第１中間層がｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設され、ｎ型不純物を含む炭素結晶層である第２中間層がｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設される。ｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設される第１中間層にｐ型不純物を含有させることにより、第１中間層の価電子帯側の障壁を低くすることが可能になる。また、ｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設される第２中間層にｎ型不純物を含有させることにより、第２中間層の伝導帯側の障壁を低くすることが可能になる。かかる形態とすることにより、ｉ型炭素層で生成されたキャリアの抵抗損失を低減することが可能になるので、本発明によれば、抵抗損失を低減することが可能な、光電変換素子を提供することができる。
【００１７】
また、本発明において、第２中間層に隣接するｎ型炭素層に窒素を含有させることにより、ｎ型炭素層と第２中間層との界面における屈折率の差を低減することが可能になる。界面における屈折率の差を低減することにより、界面における光の反射を抑制して、ｉ型炭素層へと達する光の量を増大させることが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、光電変換素子の性能を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の光電変換素子１０を説明する断面図である。
【図２】光電変換素子１０のエネルギーバンド図である。
【図３】従来の光電変換素子９０を説明する断面図である。
【図４】光電変換素子９０のエネルギーバンド図である。
【図５】本発明の光電変換素子２０を説明する断面図である。
【図６】窒素含有量と屈折率との関係を示す図である。
【図７】光電変換素子３０を説明する断面図である。
【図８】光電変換素子４０を説明する断面図である。
【図９】光電変換素子５０を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００２０】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の光電変換素子１０（以下において、「太陽電池１０」という。）を示す断面図である。図１に示すように、太陽電池１０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、ｐ型炭素層３、第１中間層４、ｉ型炭素層５、第２中間層６、ｎ型炭素層７、及び、くし形形状の表面電極８を有している。太陽電池１０において、ｐ型炭素層３はｐ型ドーパントを添加された透明なアモルファスカーボン膜、ｉ型炭素層５は透明なｉ型アモルファスカーボン膜、ｎ型炭素層７はｎ型ドーパントを添加された透明なアモルファスカーボン膜である。また、第１中間層４は、ホウ素（Ｂ）を添加された透明なダイアモンド結晶膜であり、第２中間層６は、リン（Ｐ）を添加された透明なダイアモンド結晶膜である。
【００２１】
太陽電池１０では、図１の紙面上方から照射された光が、ｎ型炭素層７を通過して第２中間層６へと達する。第２中間層６を構成するダイアモンドはバンドギャップが５．５ｅＶである。そのため、波長が２２５ｎｍ以上の光は第２中間層６によって吸収されず、ｉ型炭素層５へと達する。このようにして光がｉ型炭素層５へ達すると、ｉ型炭素層５において電子及び正孔が生成される。ｉ型炭素層５で生成された電子及び正孔は、ｐ型炭素層３及びｎ型炭素層７により発生する内部電界により分離される。そして、電子はｉ型炭素層５、第２中間層６、及び、ｎ型炭素層７を通過して表面電極８へと達し、正孔はｉ型炭素層５、第１中間層４、及び、ｐ型炭素層３を通過して裏面電極２へと達する。太陽電池１０において、ｎ型炭素層７の電子濃度はｉ型炭素層５の電子濃度よりも高く、ｐ型炭素層３の正孔濃度はｉ型炭素層５の正孔濃度よりも高い。
【００２２】
図２は、太陽電池１０のエネルギーバンド図である。図２において、「●」は電子、「○」は正孔を表しており、図２の上側ほど電子のエネルギーが高く、図２の下側ほど正孔のエネルギーが高い。図２に示すように、ホウ素が添加されている第１中間層４は、伝導帯側の障壁が高く、価電子帯側の障壁が極めて低い。そのため、ｉ型炭素層５において生成された正孔は、第１中間層４によって移動をほとんど妨げられることなく、ｐ型炭素層３へと達することができ、裏面電極２へと移動することができる。また、図２に示すように、リンが添加されている第２中間層６は、価電子帯側の障壁が高く、伝導帯側の障壁が極めて低い。そのため、ｉ型炭素層５において生成された電子は、第２中間層６によって移動をほとんど妨げられることなく、ｎ型炭素層７へと達することができ、表面電極８へと移動することができる。このように、ホウ素が添加された透明なダイアモンド結晶膜によって構成される第１中間層４、及び、リンが添加された透明なダイアモンド結晶膜によって構成される第２中間層６が備えられることにより、障壁を低くして抵抗損失を低減することが可能になる。また、ｐ型炭素層３、第１中間層４、ｉ型炭素層５、第２中間層６、及び、ｎ型炭素層７を炭素材料によって構成することにより、層界面の密着性を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、抵抗損失を低減することが可能な太陽電池１０を提供することができる。
【００２３】
図３は、従来の太陽電池９０を示す断面図である。図３において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１及び図２にて使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図３に示すように、太陽電池９０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、ｐ型炭素層３、第１中間層９１、ｉ型炭素層５、第２中間層９２、ｎ型炭素層７、及び、くし形形状の表面電極８を有している。第１中間層９１及び第２中間層９２は、透明なダイアモンド結晶薄膜によって構成されており、第１中間層９１及び第２中間層９２に、ホウ素やリンは添加されていない。
【００２４】
図４は、太陽電池９０のエネルギーバンド図である。図４において、「●」は電子、「○」は正孔を表しており、図４の上側ほど電子のエネルギーが高く、図４の下側ほど正孔のエネルギーが高い。図４に示すように、ホウ素が添加されていない第１中間層９１は、伝導帯側にも価電子帯側にも、同程度の高さの障壁が存在している。同様に、リンが添加されていない第２中間層９２は、伝導帯側にも価電子帯側にも、同程度の高さの障壁が存在している。そのため、図３の紙面上方から太陽電池９０へ光を照射して、ｉ型炭素層５で正孔及び電子を生成しても、ｉ型炭素層５で生成された正孔及び電子は、第１中間層９１の価電子帯側に存在する障壁、及び、第２中間層９２の伝導帯側に存在する障壁によって移動を妨げられる結果、抵抗損失が増大する。これに対し、上述のように、本発明の太陽電池１０によれば、正孔や電子が移動する際の障壁を極めて低くすることが可能になるので、抵抗損失を低減することが可能になる。
【００２５】
太陽電池１０において、第１中間層４は、例えば、ホウ素濃度が１×１０１９ｃｍ−３となるようにホウ素をドープした、厚さ（図１の紙面上下方向の長さ。太陽電池１０の説明において、以下同じ。）が７ｎｍのダイアモンド結晶膜とすることができる。また、第２中間層６は、例えば、リン濃度が１×１０１９ｃｍ−３となるようにリンをドープした、厚さが７ｎｍのダイアモンド結晶膜とすることができる。
【００２６】
また、太陽電池１０において、ｐ型炭素層３は、例えば、ホウ素をドープした、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３、厚さが１０ｎｍのアモルファスカーボン膜とすることができる。また、ｉ型炭素層５は、例えば、キャリア濃度が１×１０１０ｃｍ−３、厚さが５００ｎｍの、ドープをしていないアモルファスカーボン膜とすることができる。また、ｎ型炭素層７は、例えば、窒素をドープした、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３、厚さが１０ｎｍのアモルファスカーボン膜とすることができる。なお、上記例では、ｐ型炭素層３のドーパントとしてホウ素を例示したが、太陽電池１０は当該形態に限定されるものではなく、ホウ素以外のＩＩＩ族元素をドーパントとして用いることもできる。また、上記例では、ｎ型炭素層７のドーパントとして窒素を例示したが、太陽電池１０は当該形態に限定されるものではなく、窒素以外のＶ族元素をドーパントとして用いることもできる。
【００２７】
また、太陽電池１０において、裏面電極２は、例えば、Ａｇ、ＺｎＯ、ＺｎＯ／Ａｇ、Ａｕ等によって構成することができ、裏面電極６の厚さは、例えば、１μｍ〜３μｍとすることができる。また、表面電極８は、例えば、Ａｕ、Ａｇ等によって構成することができ、表面電極８の厚さは、例えば、１μｍとすることができる。
【００２８】
太陽電池１０は、例えば、以下のようにして作製することができる。裏面電極２は、石英基板１の表面に蒸着法等の公知の方法によって作製することができる。裏面電極２を作製したら、形成すべき層が堆積される物質（ｐ型炭素層３を作製する場合は裏面電極２、第１中間層４を作製する場合はｐ型炭素層３、ｉ型炭素層５を作製する場合は第１中間層４、第２中間層６を作製する場合はｉ型炭素層５、ｎ型炭素層７を作製する場合は第２中間層６）の温度、及び、原料の投入量を制御する機能を備えたプラズマＣＶＤ装置等を用いて、ｐ型炭素層３、第１中間層４、ｉ型炭素層５、第２中間層６、及び、ｎ型炭素層７を順に作製することができる。ｐ型炭素層３及び第１中間層４の原料としては、メタン、アセチレン、及び、エチレン等の炭化水素（以下において、単に「炭化水素」という。）、水素、及び、トリメチルボロン等の添加物を用いることができる。また、ｉ型炭素層５の原料としては、炭化水素及び水素を用いることができる。また、第２中間層６及びｎ型炭素層７の原料としては、炭化水素、水素、及び、窒素やホスフィン等の添加物を用いることができる。このようにしてｎ型炭素層７まで作製したら、例えば、フォトリソグラフィー及びエッチングと蒸着法等を組み合わせた方法により表面にくし形形状の凸部を形成した表面電極８を作製することにより、太陽電池１０を作製することができる。
【００２９】
２．第２実施形態
図５は、第２実施形態にかかる本発明の光電変換素子２０（以下において、「太陽電池２０」という。）を示す断面図である。図５において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１及び図２で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。以下の説明において、ａｔ％を単に「％」と示すことがある。
【００３０】
図５に示すように、太陽電池２０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、ｐ型炭素層３、第１中間層４、ｉ型炭素層５、第２中間層６、ｎ型炭素層２１、及び、くし形形状の表面電極８を有している。すなわち、太陽電池２０は、太陽電池１０のｎ型炭素層７に代えてｎ型炭素層２１が配設された構造をしている。ｎ型炭素層２１は、ｎ型ドーパントであるリンに加えて、ｎ型ドーパントである窒素が部分的に添加された透明なアモルファスカーボン膜である。ｎ型炭素層２１は、第２中間層６側に位置する厚さ３ｎｍの部分にのみ積極的に窒素が添加されている。ｎ型炭素層２１において、第２中間層６と接触する側の面における窒素濃度は６％程度とされ、第２中間層６側に位置する厚さ３ｎｍの部分では、第２中間層６に近づくにつれて連続的に増大するように、窒素濃度が制御されている。
【００３１】
図６は、炭素層の窒素含有量と屈折率との関係を示す図である。図６の横軸が窒素含有量［ａｔ％］、縦軸が屈折率である。図６に示すように、窒素含有量が０％の時の屈折率が２．２である炭素層に窒素を含有させると、窒素含有量が増大するにつれて屈折率が大きくなり、窒素含有量を６％程度にすると、炭素層の屈折率は、ダイアモンドの屈折率である２．４になる。太陽電池２０では、かかる性質を踏まえ、ダイアモンド膜によって構成される第２中間層６の屈折率２．４に合わせるべく、ｎ型炭素層２１の第２中間層６側の面における窒素含有量を６％としている。
【００３２】
第２中間層６と接触する側の面における窒素濃度が６％程度となるように制御されたｎ型炭素層２１を備える太陽電池２０によれば、ｎ型炭素層２１の第２中間層６側の面における屈折率が、第２中間層６の屈折率に揃えられているので、ｎ型炭素層２１と第２中間層６との界面における光の反射を低減することが可能になる。さらに、ｎ型炭素層２１の内部において窒素濃度を連続的に変化させているため、ｎ型炭素層２１の内部における光の反射も低減することが可能になる。かかる構成とすることにより、図５の上方から入射した光がｉ型炭素層５へと到達しやすくなり、ｉ型炭素層５で生成されるキャリアを増大させることが可能になる。また、太陽電池２０は、太陽電池１０と同様に、ｐ型炭素層３とｉ型炭素層５との間に第１中間層４が配設され、ｉ型炭素層５とｎ型炭素層２１との間に第２中間層６が配設されている。したがって、本発明によれば、抵抗損失を低減するとともにｉ型炭素層５へと到達する光の量を増大させることによって、性能を向上させることが可能な、太陽電池２０を提供することができる。
【００３３】
太陽電池２０において、ｎ型炭素層２１のキャリア濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３とすることができ、ｎ型炭素層２１の厚さ（図５の紙面上下方向の長さ）は、例えば１０ｎｍとすることができる。なお、上記例では、ｎ型炭素層２１のドーパントとしてリン及び窒素を例示したが、太陽電池２０は当該形態に限定されるものではなく、窒素のみが添加される形態や、リンに代えてリン及び窒素以外のＶ族元素が添加される形態とすることも可能である。ｎ型炭素層２１は、例えば、窒素濃度が第２中間層６に近づくにつれて連続的に増大するよう制御されるほかはｎ型炭素層７と同様に作製することができる。
【００３４】
３．第３実施形態
図７は、第３実施形態にかかる本発明の光電変換素子３０（以下において、「太陽電池３０」という。）を示す断面図である。図７において、太陽電池１０や太陽電池２０と同様に構成されるものには、図１、図２、及び、図５で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３５】
図７に示すように、太陽電池３０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、ｐ型炭素層３、第１中間層３１、ｉ型炭素層５、第２中間層３２、ｎ型炭素層２１、及び、くし形形状の表面電極８を有している。第１中間層３１は、ホウ素が添加されていないほかは第１中間層４と同様に構成される透明なダイアモンド結晶膜であり、第２中間層３２は、リンが添加されていないほかは第２中間層６と同様に構成される透明なダイアモンド結晶膜である。
【００３６】
太陽電池３０は、太陽電池２０と同様に、ｎ型炭素層２１を有している。そのため、ｎ型炭素層２１と第１中間層３１との界面における光の反射を低減することによって、ｉ型炭素層５へと達する光の量を増大させることが可能になる。ｉ型炭素層５へと達する光の量を増大させることにより、ｉ型炭素層５で生成されるキャリアの数を増大させることが可能になる。また、ｐ型炭素層３、第１中間層３１、ｉ型炭素層５、第２中間層３２、及び、ｎ型炭素層２１を炭素材料によって構成することにより、層界面の密着性を向上させることが可能になるので、抵抗損失を低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、性能を向上させることが可能な太陽電池３０を提供することができる。
【００３７】
太陽電池３０において、第１中間層３１は、添加物を使用しないほかは第１中間層４と同様に作製することができ、第２中間層３２は、添加物を使用しないほかは第２中間層６と同様に作製することができる。第１中間層３１及び第２中間層３２の厚さ（図７の紙面上下方向の長さ）は、例えば７ｎｍとすることができる。
【００３８】
４．第４実施形態
図８は、第４実施形態にかかる本発明の光電変換素子４０（以下において、「太陽電池４０」という。）を示す断面図である。図８において、太陽電池１０や太陽電池３０と同様に構成されるものには、図１、図２、及び、図７で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３９】
図８に示すように、太陽電池４０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、第１中間層３１、ｐ型炭素層３、ｉ型炭素層５、ｎ型炭素層７、第２中間層３２、及び、くし形形状の表面電極８を有している。すなわち、太陽電池４０は、第１中間層３１及び第２中間層３２の配設位置が太陽電池３０と異なっており、太陽電池３０のｎ型炭素層２１に代えてｎ型炭素層７が配設された構造をしている。
【００４０】
太陽電池は、ｉ層等で生成したキャリアを取り出すため、ｐ層と電極とが接続されており、ｎ層と電極とが接続されている。しかしながら、ｐ層と電極とを直接接触させると、電極構成材料（例えば、金属。以下において同じ。）がｐ層へと拡散してｐ層のｐ型半導体としての性能が低下する虞がある。同様に、ｎ層と電極とを直接接触させると、電極構成材料がｎ層へと拡散してｎ層のｎ型半導体としての性能が低下する虞がある。また、太陽電池において、ｐ層及びｎ層は内部電界を発生させるための層であり、多数の欠陥が存在するため、厚さがなるべく薄くなるように（例えば、厚さが１０ｎｍ程度となるように）設定されている。そのため、電極構成材料がｉ層にまで拡散する虞があり、特に、ｐ層及びｎ層がアモルファス構造である場合に、電極構成材料がｉ層にまで拡散する可能性が高くなる。電極構成材料がｉ層に達すると、電気的に短絡した状態となるため、太陽電池として機能させることが困難になる。そのため、太陽電池の性能を向上させるためには、電極からｐ層へと向かう電極構成材料の移動、及び、電極からｎ層へと向かう電極構成材料の移動を防止することも重要である。
【００４１】
かかる観点から、太陽電池４０では、裏面電極２とｐ型炭素層３との間に第１中間層３１を配設するとともに、ｎ型炭素層７と表面電極８との間に第２中間層３２を配設している。第１中間層３１及び第２中間層３２は、ダイアモンド結晶膜であるため、裏面電極２からｐ型炭素層３へと向かう電極構成材料の移動、及び、表面電極８からｎ型炭素層７へと向かう電極構成材料の移動を防止することが可能になる。電極構成材料の移動を防止することにより、ｐ型半導体及びｎ型半導体の性能低下、並びに、短絡を防止することが可能になる。また、第１中間層３１、ｐ型炭素層３、ｉ型炭素層５、ｎ型炭素層７、及び、第２中間層３２を炭素材料によって構成することにより、層界面の密着性を向上させることが可能になるので、抵抗損失を低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、性能を向上させることが可能な太陽電池４０を提供することができる。
【００４２】
太陽電池４０において、電極構成材料の拡散を防止するという観点から、第１中間層３１及び第２中間層３２の厚さ（図８の紙面上下方向の長さ。太陽電池４０の説明において以下同じ。）は３ｎｍ以上とすることが好ましい。また、キャリアの移動を妨げ難い形態にする等の観点から、第１中間層３１及び第２中間層３２の厚さは１０ｎｍ以下とすることが好ましい。第１中間層３１及び第２中間層３２の厚さは、例えば、７ｎｍとすることができる。
【００４３】
５．第５実施形態
図９は、第５実施形態にかかる本発明の光電変換素子５０（以下において、「太陽電池５０」という。）を示す断面図である。図９において、太陽電池４０と同様に構成されるものには、図８で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４４】
図９に示すように、太陽電池５０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、第１中間層３１、ｐ型炭素層３、ｉ型炭素層５、ｎ型炭素層５１、第２中間層３２、及び、くし形形状の表面電極８を有している。すなわち、太陽電池５０は、太陽電池４０のｎ型炭素層７に代えてｎ型炭素層５１が配設された構造をしている。ｎ型炭素層５１は、太陽電池２０や太陽電池３０に備えられているｎ型炭素層２１を上下反転させた形態（第２中間層３２側の部位に窒素が含有され、ｉ型炭素層５側の部位には窒素が含有されていない形態）となっている。
【００４５】
ｎ型炭素層７に代えてｎ型炭素層５１が備えられる形態とすることにより、第２中間層３２とｎ型炭素層５１との界面における光の反射を低減することが可能になるので、ｉ型炭素層５へと達する光の量を増大することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、太陽電池４０よりも性能を向上させることが可能な、太陽電池５０を提供することができる。
【００４６】
太陽電池４０、５０に関する上記説明では、ｐ型炭素層３とｉ型炭素層５との間、及び、ｎ型炭素層７やｎ型炭素層５１とｉ型炭素層５との間に中間層が配設されない形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。ｉ型炭素層５へｐ型不純物が拡散し難い形態にする等の観点からは、ｐ型炭素層３とｉ型炭素層５との間に、ｐ型不純物を含有させた中間層（例えば、第１中間層４）を配設することが好ましい。また、ｉ型炭素層５へｎ型不純物が拡散し難い形態にする等の観点からは、ｎ型炭素層７やｎ型炭素層５１とｉ型炭素層５との間に、ｎ型不純物を含有させた中間層（例えば、第２中間層６）を配設することが好ましい。
【００４７】
本発明に関する上記説明では、ｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に第１中間層が配設され、且つ、ｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に第２中間層が配設されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、第１中間層及び第２中間層の一方のみが備えられ他方が備えられない形態とすることも可能である。ただし、不純物がｉ型炭素層へと拡散することに起因する性能低下を防止しやすい形態にする等の観点からは、第１中間層及び第２中間層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００４８】
また、本発明に関する上記説明では、ｎ型炭素層が表面側（上面側）に配設される形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではなく、ｎ型炭素層がｉ型炭素層の裏面側（上面側）に配設され、ｐ型炭素層がｉ型炭素層の表面側（下面側）に配設される形態とすることも可能である。ただし、性能を向上させやすい形態にする等の観点からは、ｎ型炭素層が表面側（上面側）に配設される形態とすることが好ましい。
【００４９】
また、本発明に関する上記説明では、本発明が太陽電池に適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、光検出素子等に代表される他の形態の光電変換素子にも適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の光電変換素子は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１…石英基板
２…裏面電極
３…ｐ型炭素層
４…第１中間層
５…ｉ型炭素層
６…第２中間層
７…ｎ型炭素層
８…表面電極
１０…光電変換素子
２０…光電変換素子
２１…ｎ型炭素層
３０…光電変換素子
３１…第１中間層
３２…第２中間層
４０…光電変換素子
５０…光電変換素子
５１…ｎ型炭素層
９０…太陽電池
９１…第１中間層
９２…第２中間層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池や光検出素子等に代表される光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。
【０００３】
これまでに提案されている太陽電池に、いわゆるｐｉｎ接合を有する太陽電池がある。この形態の太陽電池では、主にｉ層で光吸収が行われ、生成された電子及び正孔を、ｐ層及びｎ層によって発生する内部電界により分離して、発電する。
【０００４】
このような太陽電池に関する技術として、例えば特許文献１には、第１導電型の第１半導体層、第２導電型の第２半導体層、及び第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた真性半導体層を備え、第１半導体層と真性半導体層との間に設けられ、第１半導体層に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きく且つ不純物添加量が少ない第１導電型の第１中間半導体層と、第２半導体層と真性半導体層との間に設けられ、第２半導体層に対し、ＳＰ２／ＳＰ３結合比が大きく且つ不純物添加量が少ない第２導電型の第２中間半導体層と、の少なくとも一方を有する光起電力素子が開示されている。また、特許文献２には、基板上に第１の透明電極層を形成し、第１の透明電極層の上に中間層を形成した後、この中間層の上にｐ型半導体層、ｉ型半導体層、ｎ型半導体層、第２の透明電極層、及び、背面電極層を順次形成した光起電力素子が開示されている。また、特許文献３には、Ｔｅを含むＰ型化合物半導体と、Ｐ型化合物半導体上に形成されたＣｕｘＳ、ＣｕｘＴｅ又はＣｕｘＳｅからなる中間層と、該中間層にオーミック接合する金属層と、を備える化合物半導体のオーミック電極が開示されている。また、特許文献４には、少なくとも各々導電型及び／又は形状が異なる結晶質シリコンを含む第１の半導体層と第２の半導体層とを有し、第１の半導体層と第２の半導体層との層間に、非晶質からなる中間層を配置する構成を含み、第１の半導体層又は第２の半導体層のいずれか一方の半導体層がｐ型又はｎ型半導体層であり、他方の半導体層が実質的に真性な半導体層である光起電力素子が開示されている。また、特許文献５には、入射光を電気信号に変換するための光電変換層と、この光電変換層の光の入射側と反対側に配設され、光電変換層を透過した光を光電変換層側へ反射させる回折機能層とを備え、回折機能層の光電変換層に対向する側に透明樹脂からなる中間層が一体化され、中間層が透明樹脂からなる接着剤を介して光電変換層に接着され、中間層及び接着剤を構成する樹脂は光電変換層よりも低い屈折率を有する薄膜半導体素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５２４００号公報
【特許文献２】国際公開第２００３／０６１０１８号
【特許文献３】特開平８−７８３５５号公報
【特許文献４】特開２００４−３３５８２３号公報
【特許文献５】特開２０００−２９４８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術では、第１半導体層と真性半導体層との間に第１中間半導体層が設けられ、第２半導体層と真性半導体層との間に第２中間半導体層が設けられる。そのため、第１半導体層と真性半導体層とを接触させた場合に懸念される不純物の拡散、及び、第２半導体層と真性半導体層とを接触させた場合に懸念される不純物の拡散を抑制することが可能になる。しかしながら、第１中間半導体層と真性半導体層との間や第２中間半導体層と真性半導体層との間には、バンドギャップやフェルミ準位の差に起因する障壁が存在する。そのため、単に第１中間半導体層や第２中間半導体層を設けるだけでは、障壁によって、真性半導体層で生成された電子や正孔（以下において、これらをまとめて「キャリア」ということがある。）の移動が妨げられる結果、抵抗損失が増大し、太陽電池の性能を向上させ難いという問題があった。かかる問題は、特許文献１〜特許文献５に開示されている技術を組み合わせたとしても、解決することが困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、抵抗損失を低減することが可能な光電変換素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ｐ層、ｉ層、及び、ｎ層に炭素膜を用いた光電変換素子において、ｐ層とｉ層とを接触させ、ｉ層とｎ層とを接触させると、これらの層を作製する際に、ｐ層やｎ層に添加されている不純物元素がｉ層へと拡散する虞がある。不純物がｉ層へ拡散すると、光電変換素子の性能が低下するため、好ましくない。そこで、ｉ層への不純物元素の拡散を抑制すべく、不純物元素の拡散を抑制する中間層を、ｐ層とｉ層との間やｎ層とｉ層との間に設けることが考えられる。しかしながら、単に中間層を設けると、バンドギャップやフェルミ準位の相違に起因する障壁によって、ｉ層からｐ層やｎ層へと向かうキャリアの移動が妨げられ、抵抗損失が増大する結果、光電変換素子の性能が低下しやすい。そのため、光電変換素子の性能を向上させるためには、中間層を設けたことに起因する抵抗損失の増大を抑制することが必要とされる。
【０００９】
本発明者らは鋭意研究の結果、ｐ層とｉ層との間に配設される中間層にｐ型不純物を添加することによって、障壁を低くすることが可能になることを知見した。また、ｎ層とｉ層との間に配設される中間層にｎ型不純物を添加することによって、障壁を低くすることが可能になることも知見した。障壁を低くすることにより、抵抗損失の増大を抑制することが可能になると考えられる。
【００１０】
一方、ｐ層とｉ層との間やｎ層とｉ層との間に中間層を設けると、屈折率の相違によって、中間層とｉ層との界面やｎ層と中間層との界面等において光が反射されやすい。例えば、ｉ層の表面側にｎ層が配設され、ｉ層の裏面側にｐ層が配設される光電変換素子において、ｉ層とｎ層との間に中間層を単に配設すると、中間層とｎ層との界面において光が反射される結果、ｎ層側から入射した光がｉ層へと到達し難い。ｉ層へと到達する光の量が低減すると、光電変換素子の性能が低下するため、中間層を配設する場合には、中間層とｎ層との界面における光の反射を抑制することが必要とされる。
【００１１】
本発明者らは鋭意研究の結果、ｎ層を構成する炭素膜に窒素を添加することによって、屈折率を制御することが可能になり、窒素添加量を適切に制御することによって、ｎ層と中間層との界面における光の反射を抑制することが可能になることを知見した。
【００１２】
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、ｐ型炭素層及びｎ型炭素層、並びに、ｐ型炭素層とｎ型炭素層との間に配設されたｉ型炭素層を具備し、ｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設された第１中間層、及び／又は、ｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設された第２中間層を備え、第１中間層はｐ型不純物を含む炭素結晶層であり、第２中間層はｎ型不純物を含む炭素結晶層であることを特徴とする、光電変換素子である。
【００１４】
ここに、「ｐ型炭素層」は、例えば、ホウ素等の公知のｐ型ドーパントを添加したアモルファスカーボン層によって構成することができる。また、「ｎ型炭素層」は、例えば、窒素等の公知のｎ型ドーパントを添加したアモルファスカーボン層によって構成することができる。また、「ｉ型炭素層」は、例えば、ｉ型のアモルファスカーボン層によって構成することができる。また、「ｐ型不純物」とは、ホウ素等の公知のｐ型ドーパントをいう。また、「炭素結晶層」とは、例えば、ダイアモンド結晶膜層をいう。また、「ｎ型不純物」とは、リン等の公知のｎ型ドーパントをいう。
【００１５】
また、上記本発明において、第２中間層が備えられ、且つ、ｎ型炭素層に窒素が含有されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光電変換素子では、ｐ型不純物を含む炭素結晶層である第１中間層がｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設され、ｎ型不純物を含む炭素結晶層である第２中間層がｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設される。ｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設される第１中間層にｐ型不純物を含有させることにより、第１中間層の価電子帯側の障壁を低くすることが可能になる。また、ｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に配設される第２中間層にｎ型不純物を含有させることにより、第２中間層の伝導帯側の障壁を低くすることが可能になる。かかる形態とすることにより、ｉ型炭素層で生成されたキャリアの抵抗損失を低減することが可能になるので、本発明によれば、抵抗損失を低減することが可能な、光電変換素子を提供することができる。
【００１７】
また、本発明において、第２中間層に隣接するｎ型炭素層に窒素を含有させることにより、ｎ型炭素層と第２中間層との界面における屈折率の差を低減することが可能になる。界面における屈折率の差を低減することにより、界面における光の反射を抑制して、ｉ型炭素層へと達する光の量を増大させることが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、光電変換素子の性能を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の光電変換素子１０を説明する断面図である。
【図２】光電変換素子１０のエネルギーバンド図である。
【図３】従来の光電変換素子９０を説明する断面図である。
【図４】光電変換素子９０のエネルギーバンド図である。
【図５】本発明の光電変換素子２０を説明する断面図である。
【図６】窒素含有量と屈折率との関係を示す図である。
【図７】光電変換素子３０を説明する断面図である。
【図８】光電変換素子４０を説明する断面図である。
【図９】光電変換素子５０を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００２０】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の光電変換素子１０（以下において、「太陽電池１０」という。）を示す断面図である。図１に示すように、太陽電池１０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、ｐ型炭素層３、第１中間層４、ｉ型炭素層５、第２中間層６、ｎ型炭素層７、及び、くし形形状の表面電極８を有している。太陽電池１０において、ｐ型炭素層３はｐ型ドーパントを添加された透明なアモルファスカーボン膜、ｉ型炭素層５は透明なｉ型アモルファスカーボン膜、ｎ型炭素層７はｎ型ドーパントを添加された透明なアモルファスカーボン膜である。また、第１中間層４は、ホウ素（Ｂ）を添加された透明なダイアモンド結晶膜であり、第２中間層６は、リン（Ｐ）を添加された透明なダイアモンド結晶膜である。
【００２１】
太陽電池１０では、図１の紙面上方から照射された光が、ｎ型炭素層７を通過して第２中間層６へと達する。第２中間層６を構成するダイアモンドはバンドギャップが５．５ｅＶである。そのため、波長が２２５ｎｍ以上の光は第２中間層６によって吸収されず、ｉ型炭素層５へと達する。このようにして光がｉ型炭素層５へ達すると、ｉ型炭素層５において電子及び正孔が生成される。ｉ型炭素層５で生成された電子及び正孔は、ｐ型炭素層３及びｎ型炭素層７により発生する内部電界により分離される。そして、電子はｉ型炭素層５、第２中間層６、及び、ｎ型炭素層７を通過して表面電極８へと達し、正孔はｉ型炭素層５、第１中間層４、及び、ｐ型炭素層３を通過して裏面電極２へと達する。太陽電池１０において、ｎ型炭素層７の電子濃度はｉ型炭素層５の電子濃度よりも高く、ｐ型炭素層３の正孔濃度はｉ型炭素層５の正孔濃度よりも高い。
【００２２】
図２は、太陽電池１０のエネルギーバンド図である。図２において、「●」は電子、「○」は正孔を表しており、図２の上側ほど電子のエネルギーが高く、図２の下側ほど正孔のエネルギーが高い。図２に示すように、ホウ素が添加されている第１中間層４は、伝導帯側の障壁が高く、価電子帯側の障壁が極めて低い。そのため、ｉ型炭素層５において生成された正孔は、第１中間層４によって移動をほとんど妨げられることなく、ｐ型炭素層３へと達することができ、裏面電極２へと移動することができる。また、図２に示すように、リンが添加されている第２中間層６は、価電子帯側の障壁が高く、伝導帯側の障壁が極めて低い。そのため、ｉ型炭素層５において生成された電子は、第２中間層６によって移動をほとんど妨げられることなく、ｎ型炭素層７へと達することができ、表面電極８へと移動することができる。このように、ホウ素が添加された透明なダイアモンド結晶膜によって構成される第１中間層４、及び、リンが添加された透明なダイアモンド結晶膜によって構成される第２中間層６が備えられることにより、障壁を低くして抵抗損失を低減することが可能になる。また、ｐ型炭素層３、第１中間層４、ｉ型炭素層５、第２中間層６、及び、ｎ型炭素層７を炭素材料によって構成することにより、層界面の密着性を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、抵抗損失を低減することが可能な太陽電池１０を提供することができる。
【００２３】
図３は、従来の太陽電池９０を示す断面図である。図３において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１及び図２にて使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図３に示すように、太陽電池９０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、ｐ型炭素層３、第１中間層９１、ｉ型炭素層５、第２中間層９２、ｎ型炭素層７、及び、くし形形状の表面電極８を有している。第１中間層９１及び第２中間層９２は、透明なダイアモンド結晶薄膜によって構成されており、第１中間層９１及び第２中間層９２に、ホウ素やリンは添加されていない。
【００２４】
図４は、太陽電池９０のエネルギーバンド図である。図４において、「●」は電子、「○」は正孔を表しており、図４の上側ほど電子のエネルギーが高く、図４の下側ほど正孔のエネルギーが高い。図４に示すように、ホウ素が添加されていない第１中間層９１は、伝導帯側にも価電子帯側にも、同程度の高さの障壁が存在している。同様に、リンが添加されていない第２中間層９２は、伝導帯側にも価電子帯側にも、同程度の高さの障壁が存在している。そのため、図３の紙面上方から太陽電池９０へ光を照射して、ｉ型炭素層５で正孔及び電子を生成しても、ｉ型炭素層５で生成された正孔及び電子は、第１中間層９１の価電子帯側に存在する障壁、及び、第２中間層９２の伝導帯側に存在する障壁によって移動を妨げられる結果、抵抗損失が増大する。これに対し、上述のように、本発明の太陽電池１０によれば、正孔や電子が移動する際の障壁を極めて低くすることが可能になるので、抵抗損失を低減することが可能になる。
【００２５】
太陽電池１０において、第１中間層４は、例えば、ホウ素濃度が１×１０１９ｃｍ−３となるようにホウ素をドープした、厚さ（図１の紙面上下方向の長さ。太陽電池１０の説明において、以下同じ。）が７ｎｍのダイアモンド結晶膜とすることができる。また、第２中間層６は、例えば、リン濃度が１×１０１９ｃｍ−３となるようにリンをドープした、厚さが７ｎｍのダイアモンド結晶膜とすることができる。
【００２６】
また、太陽電池１０において、ｐ型炭素層３は、例えば、ホウ素をドープした、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３、厚さが１０ｎｍのアモルファスカーボン膜とすることができる。また、ｉ型炭素層５は、例えば、キャリア濃度が１×１０１０ｃｍ−３、厚さが５００ｎｍの、ドープをしていないアモルファスカーボン膜とすることができる。また、ｎ型炭素層７は、例えば、窒素をドープした、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３、厚さが１０ｎｍのアモルファスカーボン膜とすることができる。なお、上記例では、ｐ型炭素層３のドーパントとしてホウ素を例示したが、太陽電池１０は当該形態に限定されるものではなく、ホウ素以外のＩＩＩ族元素をドーパントとして用いることもできる。また、上記例では、ｎ型炭素層７のドーパントとして窒素を例示したが、太陽電池１０は当該形態に限定されるものではなく、窒素以外のＶ族元素をドーパントとして用いることもできる。
【００２７】
また、太陽電池１０において、裏面電極２は、例えば、Ａｇ、ＺｎＯ、ＺｎＯ／Ａｇ、Ａｕ等によって構成することができ、裏面電極６の厚さは、例えば、１μｍ〜３μｍとすることができる。また、表面電極８は、例えば、Ａｕ、Ａｇ等によって構成することができ、表面電極８の厚さは、例えば、１μｍとすることができる。
【００２８】
太陽電池１０は、例えば、以下のようにして作製することができる。裏面電極２は、石英基板１の表面に蒸着法等の公知の方法によって作製することができる。裏面電極２を作製したら、形成すべき層が堆積される物質（ｐ型炭素層３を作製する場合は裏面電極２、第１中間層４を作製する場合はｐ型炭素層３、ｉ型炭素層５を作製する場合は第１中間層４、第２中間層６を作製する場合はｉ型炭素層５、ｎ型炭素層７を作製する場合は第２中間層６）の温度、及び、原料の投入量を制御する機能を備えたプラズマＣＶＤ装置等を用いて、ｐ型炭素層３、第１中間層４、ｉ型炭素層５、第２中間層６、及び、ｎ型炭素層７を順に作製することができる。ｐ型炭素層３及び第１中間層４の原料としては、メタン、アセチレン、及び、エチレン等の炭化水素（以下において、単に「炭化水素」という。）、水素、及び、トリメチルボロン等の添加物を用いることができる。また、ｉ型炭素層５の原料としては、炭化水素及び水素を用いることができる。また、第２中間層６及びｎ型炭素層７の原料としては、炭化水素、水素、及び、窒素やホスフィン等の添加物を用いることができる。このようにしてｎ型炭素層７まで作製したら、例えば、フォトリソグラフィー及びエッチングと蒸着法等を組み合わせた方法により表面にくし形形状の凸部を形成した表面電極８を作製することにより、太陽電池１０を作製することができる。
【００２９】
２．第２実施形態
図５は、第２実施形態にかかる本発明の光電変換素子２０（以下において、「太陽電池２０」という。）を示す断面図である。図５において、太陽電池１０と同様に構成されるものには、図１及び図２で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。以下の説明において、ａｔ％を単に「％」と示すことがある。
【００３０】
図５に示すように、太陽電池２０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、ｐ型炭素層３、第１中間層４、ｉ型炭素層５、第２中間層６、ｎ型炭素層２１、及び、くし形形状の表面電極８を有している。すなわち、太陽電池２０は、太陽電池１０のｎ型炭素層７に代えてｎ型炭素層２１が配設された構造をしている。ｎ型炭素層２１は、ｎ型ドーパントであるリンに加えて、ｎ型ドーパントである窒素が部分的に添加された透明なアモルファスカーボン膜である。ｎ型炭素層２１は、第２中間層６側に位置する厚さ３ｎｍの部分にのみ積極的に窒素が添加されている。ｎ型炭素層２１において、第２中間層６と接触する側の面における窒素濃度は６％程度とされ、第２中間層６側に位置する厚さ３ｎｍの部分では、第２中間層６に近づくにつれて連続的に増大するように、窒素濃度が制御されている。
【００３１】
図６は、炭素層の窒素含有量と屈折率との関係を示す図である。図６の横軸が窒素含有量［ａｔ％］、縦軸が屈折率である。図６に示すように、窒素含有量が０％の時の屈折率が２．２である炭素層に窒素を含有させると、窒素含有量が増大するにつれて屈折率が大きくなり、窒素含有量を６％程度にすると、炭素層の屈折率は、ダイアモンドの屈折率である２．４になる。太陽電池２０では、かかる性質を踏まえ、ダイアモンド膜によって構成される第２中間層６の屈折率２．４に合わせるべく、ｎ型炭素層２１の第２中間層６側の面における窒素含有量を６％としている。
【００３２】
第２中間層６と接触する側の面における窒素濃度が６％程度となるように制御されたｎ型炭素層２１を備える太陽電池２０によれば、ｎ型炭素層２１の第２中間層６側の面における屈折率が、第２中間層６の屈折率に揃えられているので、ｎ型炭素層２１と第２中間層６との界面における光の反射を低減することが可能になる。さらに、ｎ型炭素層２１の内部において窒素濃度を連続的に変化させているため、ｎ型炭素層２１の内部における光の反射も低減することが可能になる。かかる構成とすることにより、図５の上方から入射した光がｉ型炭素層５へと到達しやすくなり、ｉ型炭素層５で生成されるキャリアを増大させることが可能になる。また、太陽電池２０は、太陽電池１０と同様に、ｐ型炭素層３とｉ型炭素層５との間に第１中間層４が配設され、ｉ型炭素層５とｎ型炭素層２１との間に第２中間層６が配設されている。したがって、本発明によれば、抵抗損失を低減するとともにｉ型炭素層５へと到達する光の量を増大させることによって、性能を向上させることが可能な、太陽電池２０を提供することができる。
【００３３】
太陽電池２０において、ｎ型炭素層２１のキャリア濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３とすることができ、ｎ型炭素層２１の厚さ（図５の紙面上下方向の長さ）は、例えば１０ｎｍとすることができる。なお、上記例では、ｎ型炭素層２１のドーパントとしてリン及び窒素を例示したが、太陽電池２０は当該形態に限定されるものではなく、窒素のみが添加される形態や、リンに代えてリン及び窒素以外のＶ族元素が添加される形態とすることも可能である。ｎ型炭素層２１は、例えば、窒素濃度が第２中間層６に近づくにつれて連続的に増大するよう制御されるほかはｎ型炭素層７と同様に作製することができる。
【００３４】
３．第３実施形態
図７は、第３実施形態にかかる本発明の光電変換素子３０（以下において、「太陽電池３０」という。）を示す断面図である。図７において、太陽電池１０や太陽電池２０と同様に構成されるものには、図１、図２、及び、図５で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３５】
図７に示すように、太陽電池３０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、ｐ型炭素層３、第１中間層３１、ｉ型炭素層５、第２中間層３２、ｎ型炭素層２１、及び、くし形形状の表面電極８を有している。第１中間層３１は、ホウ素が添加されていないほかは第１中間層４と同様に構成される透明なダイアモンド結晶膜であり、第２中間層３２は、リンが添加されていないほかは第２中間層６と同様に構成される透明なダイアモンド結晶膜である。
【００３６】
太陽電池３０は、太陽電池２０と同様に、ｎ型炭素層２１を有している。そのため、ｎ型炭素層２１と第１中間層３１との界面における光の反射を低減することによって、ｉ型炭素層５へと達する光の量を増大させることが可能になる。ｉ型炭素層５へと達する光の量を増大させることにより、ｉ型炭素層５で生成されるキャリアの数を増大させることが可能になる。また、ｐ型炭素層３、第１中間層３１、ｉ型炭素層５、第２中間層３２、及び、ｎ型炭素層２１を炭素材料によって構成することにより、層界面の密着性を向上させることが可能になるので、抵抗損失を低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、性能を向上させることが可能な太陽電池３０を提供することができる。
【００３７】
太陽電池３０において、第１中間層３１は、添加物を使用しないほかは第１中間層４と同様に作製することができ、第２中間層３２は、添加物を使用しないほかは第２中間層６と同様に作製することができる。第１中間層３１及び第２中間層３２の厚さ（図７の紙面上下方向の長さ）は、例えば７ｎｍとすることができる。
【００３８】
４．第４実施形態
図８は、第４実施形態にかかる本発明の光電変換素子４０（以下において、「太陽電池４０」という。）を示す断面図である。図８において、太陽電池１０や太陽電池３０と同様に構成されるものには、図１、図２、及び、図７で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３９】
図８に示すように、太陽電池４０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、第１中間層３１、ｐ型炭素層３、ｉ型炭素層５、ｎ型炭素層７、第２中間層３２、及び、くし形形状の表面電極８を有している。すなわち、太陽電池４０は、第１中間層３１及び第２中間層３２の配設位置が太陽電池３０と異なっており、太陽電池３０のｎ型炭素層２１に代えてｎ型炭素層７が配設された構造をしている。
【００４０】
太陽電池は、ｉ層等で生成したキャリアを取り出すため、ｐ層と電極とが接続されており、ｎ層と電極とが接続されている。しかしながら、ｐ層と電極とを直接接触させると、電極構成材料（例えば、金属。以下において同じ。）がｐ層へと拡散してｐ層のｐ型半導体としての性能が低下する虞がある。同様に、ｎ層と電極とを直接接触させると、電極構成材料がｎ層へと拡散してｎ層のｎ型半導体としての性能が低下する虞がある。また、太陽電池において、ｐ層及びｎ層は内部電界を発生させるための層であり、多数の欠陥が存在するため、厚さがなるべく薄くなるように（例えば、厚さが１０ｎｍ程度となるように）設定されている。そのため、電極構成材料がｉ層にまで拡散する虞があり、特に、ｐ層及びｎ層がアモルファス構造である場合に、電極構成材料がｉ層にまで拡散する可能性が高くなる。電極構成材料がｉ層に達すると、電気的に短絡した状態となるため、太陽電池として機能させることが困難になる。そのため、太陽電池の性能を向上させるためには、電極からｐ層へと向かう電極構成材料の移動、及び、電極からｎ層へと向かう電極構成材料の移動を防止することも重要である。
【００４１】
かかる観点から、太陽電池４０では、裏面電極２とｐ型炭素層３との間に第１中間層３１を配設するとともに、ｎ型炭素層７と表面電極８との間に第２中間層３２を配設している。第１中間層３１及び第２中間層３２は、ダイアモンド結晶膜であるため、裏面電極２からｐ型炭素層３へと向かう電極構成材料の移動、及び、表面電極８からｎ型炭素層７へと向かう電極構成材料の移動を防止することが可能になる。電極構成材料の移動を防止することにより、ｐ型半導体及びｎ型半導体の性能低下、並びに、短絡を防止することが可能になる。また、第１中間層３１、ｐ型炭素層３、ｉ型炭素層５、ｎ型炭素層７、及び、第２中間層３２を炭素材料によって構成することにより、層界面の密着性を向上させることが可能になるので、抵抗損失を低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、性能を向上させることが可能な太陽電池４０を提供することができる。
【００４２】
太陽電池４０において、電極構成材料の拡散を防止するという観点から、第１中間層３１及び第２中間層３２の厚さ（図８の紙面上下方向の長さ。太陽電池４０の説明において以下同じ。）は３ｎｍ以上とすることが好ましい。また、キャリアの移動を妨げ難い形態にする等の観点から、第１中間層３１及び第２中間層３２の厚さは１０ｎｍ以下とすることが好ましい。第１中間層３１及び第２中間層３２の厚さは、例えば、７ｎｍとすることができる。
【００４３】
５．第５実施形態
図９は、第５実施形態にかかる本発明の光電変換素子５０（以下において、「太陽電池５０」という。）を示す断面図である。図９において、太陽電池４０と同様に構成されるものには、図８で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４４】
図９に示すように、太陽電池５０は、裏面側から順に、石英基板１、裏面電極２、第１中間層３１、ｐ型炭素層３、ｉ型炭素層５、ｎ型炭素層５１、第２中間層３２、及び、くし形形状の表面電極８を有している。すなわち、太陽電池５０は、太陽電池４０のｎ型炭素層７に代えてｎ型炭素層５１が配設された構造をしている。ｎ型炭素層５１は、太陽電池２０や太陽電池３０に備えられているｎ型炭素層２１を上下反転させた形態（第２中間層３２側の部位に窒素が含有され、ｉ型炭素層５側の部位には窒素が含有されていない形態）となっている。
【００４５】
ｎ型炭素層７に代えてｎ型炭素層５１が備えられる形態とすることにより、第２中間層３２とｎ型炭素層５１との界面における光の反射を低減することが可能になるので、ｉ型炭素層５へと達する光の量を増大することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、太陽電池４０よりも性能を向上させることが可能な、太陽電池５０を提供することができる。
【００４６】
太陽電池４０、５０に関する上記説明では、ｐ型炭素層３とｉ型炭素層５との間、及び、ｎ型炭素層７やｎ型炭素層５１とｉ型炭素層５との間に中間層が配設されない形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。ｉ型炭素層５へｐ型不純物が拡散し難い形態にする等の観点からは、ｐ型炭素層３とｉ型炭素層５との間に、ｐ型不純物を含有させた中間層（例えば、第１中間層４）を配設することが好ましい。また、ｉ型炭素層５へｎ型不純物が拡散し難い形態にする等の観点からは、ｎ型炭素層７やｎ型炭素層５１とｉ型炭素層５との間に、ｎ型不純物を含有させた中間層（例えば、第２中間層６）を配設することが好ましい。
【００４７】
本発明に関する上記説明では、ｐ型炭素層とｉ型炭素層との間に第１中間層が配設され、且つ、ｎ型炭素層とｉ型炭素層との間に第２中間層が配設されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、第１中間層及び第２中間層の一方のみが備えられ他方が備えられない形態とすることも可能である。ただし、不純物がｉ型炭素層へと拡散することに起因する性能低下を防止しやすい形態にする等の観点からは、第１中間層及び第２中間層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００４８】
また、本発明に関する上記説明では、ｎ型炭素層が表面側（上面側）に配設される形態を例示したが、本発明の光電変換素子は当該形態に限定されるものではなく、ｎ型炭素層がｉ型炭素層の裏面側（上面側）に配設され、ｐ型炭素層がｉ型炭素層の表面側（下面側）に配設される形態とすることも可能である。ただし、性能を向上させやすい形態にする等の観点からは、ｎ型炭素層が表面側（上面側）に配設される形態とすることが好ましい。
【００４９】
また、本発明に関する上記説明では、本発明が太陽電池に適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、光検出素子等に代表される他の形態の光電変換素子にも適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の光電変換素子は、電気自動車の動力源や太陽光発電システム等に利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１…石英基板
２…裏面電極
３…ｐ型炭素層
４…第１中間層
５…ｉ型炭素層
６…第２中間層
７…ｎ型炭素層
８…表面電極
１０…光電変換素子
２０…光電変換素子
２１…ｎ型炭素層
３０…光電変換素子
３１…第１中間層
３２…第２中間層
４０…光電変換素子
５０…光電変換素子
５１…ｎ型炭素層
９０…太陽電池
９１…第１中間層
９２…第２中間層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型炭素層及びｎ型炭素層、並びに、前記ｐ型炭素層と前記ｎ型炭素層との間に配設されたｉ型炭素層を具備し、
前記ｐ型炭素層と前記ｉ型炭素層との間に配設された第１中間層、及び／又は、前記ｎ型炭素層と前記ｉ型炭素層との間に配設された第２中間層を備え、
前記第１中間層はｐ型不純物を含む炭素結晶層であり、前記第２中間層はｎ型不純物を含む炭素結晶層であることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
前記第２中間層が備えられ、且つ、前記ｎ型炭素層に窒素が含有されていることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項１】
ｐ型炭素層及びｎ型炭素層、並びに、前記ｐ型炭素層と前記ｎ型炭素層との間に配設されたｉ型炭素層を具備し、
前記ｐ型炭素層と前記ｉ型炭素層との間に配設された第１中間層、及び／又は、前記ｎ型炭素層と前記ｉ型炭素層との間に配設された第２中間層を備え、
前記第１中間層はｐ型不純物を含む炭素結晶層であり、前記第２中間層はｎ型不純物を含む炭素結晶層であることを特徴とする、光電変換素子。
【請求項２】
前記第２中間層が備えられ、且つ、前記ｎ型炭素層に窒素が含有されていることを特徴とする、請求項１に記載の光電変換素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−９６８６６（Ｐ２０１１−９６８６６Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４９７０２（Ｐ２００９−２４９７０２）
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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