[发明专利]薄膜光电转换装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有非晶质锗光电转换层的薄膜光电转换装置。进一步，本发明涉及薄膜光电转换装置的制造方法。

技术背景

未来能源问题以及地球环境问题的严重化引发担忧，代替化石燃料的替代能源的开发正在倾力进行。替代能源的候补中，利用半导体内部的光电效应将光转换为电气的光电转换装置受到重视，光电转换层中利用了硅类薄膜的薄膜光电转换装置被广泛的研究开发。

光电转换层为吸收光，产生电子、空穴对的层，其吸收特性和薄膜光电转换装置的发电特性有深厚的关系。例如，非晶质硅半导体的光学的禁制带幅为1.8eV左右，光电转换层使用非晶质硅薄膜的情况下，可吸收比800nm短的波长的光以贡献给光电转换。晶质硅半导体的光学的禁制带幅为1.1eV左右，可以对波长为800nm以上的长波长光的光进行光电转换。此外，非晶质硅锗半导体，通过变化组成可在1.8～1.1eV左右的范围调整光学的禁制带幅。

作为使更加广泛的波长领域的太阳光贡献给光电转换，提高转换有效的方法，正在讨论多结薄膜光电转换装置。多结薄膜光电转换装置具有多个光电转换单元，在各个光电转换单元中，作为光电转换层可以使用光学的禁制带幅不同的半导体。因此，通过将多结薄膜光电转换装置使用的半导体材料以及叠层结构进行研究，可在更广泛的波长领域里将太阳光能源贡献于光电转换。

但是，上述的硅类薄膜，对于比900nm更长的波长侧、特别对于比1000nm更长的波长侧的光的吸收不充分，即使将具有这些硅类薄膜作为光电转换层的光电转换单元进行多结化的情况下，在提高长波长光的利用效率并提高转换效率上也有限度。另一方面，照射到地上的太阳光的照射能量的约30%，是基于比900nm更长的波长的光。因此，为了将薄膜光电转换装置进行高效率化，希望开发可将更长的波长的光进行高效地光电转换的半导体。

作为可将长波长光进行高效地光电转换的半导体，除了晶质硅，正在展开有关晶质锗的相关讨论（例如，专利文献1）。晶质锗为，其光学的禁制带幅约为0.7eV的窄能带间隙的材料，因此，适合于长波长光的光电转换。但是，与非晶质硅等相比，晶质锗的吸光系数小。因此，将具有非晶质硅薄膜的非晶质硅光电转换单元、和具有晶质锗薄膜的晶质锗光电转换单元进行多结化时，为使通过各光电转换单元产生的发电电流匹配，需要将晶质锗光电转换层的膜厚度设为非晶质硅光电转换层的膜厚度的5～10倍左右。此外，相比于非晶质膜，晶质锗不容易形成大面积且均一的膜。如上所述，具有晶质锗光电转换层的薄膜光电转换装置，虽然适合长波长光的光电转换，但难以提高其生产性。

上述以外，作为可将长波长光进行光电转换的半导体，展开了非晶质锗相关的讨论。例如，在专利文献2中公开了从光入射侧将非晶质硅光电转换单元、非晶质锗光电转换单元、以及非晶质锗光电转换单元进行了叠层的多结薄膜光电转换装置。报道了该多结薄膜光电转换装置的特性为，开路端电压（Voc）=2.55V，短路电流密度（Jsc）=5.6mA/cm²，曲线因子（填充因子，FF）=0.64，转换效率（Eff）=9.14%。此外，在专利文献3中公开了，从光入射侧，将化合物半导体光电转换单元、非晶质硅光电转换单元、以及非晶质锗光电转换单元进行了叠层的多结薄膜光电转换装置。

在专利文献3以及非专利文献1中公开了，非晶质锗的光学的禁制带幅约为1.1eV。该值和晶质硅半导体的光学的禁制带幅同等。此外，在非专利文献1中公开了，具有非晶质锗光电转换层的单结薄膜光电转换装置在波长900nm的量子效率约为20%，以及非晶质锗半导体层的缺陷多，因此光电转换装置的曲线因子低至0.59。需要说明的是，专利文献2中公开了，非晶质锗的光学的禁制带幅为0.9～1.0eV的主旨，但缺陷密度降低了的高折射率的非晶质锗膜，通过光热偏转谱（PDS）测定在0.9eV～1.0eV附近（比1200nm长的波长侧）的吸光系数为小至10¹cm^-1级别。因此，实际的光学禁制带幅为，和专利文献3等的公开内容相同的1.1eV左右，很难说得到了可充分将长波长光进行利用的高品质的非晶质锗膜（参照专利文献2的图3）。