薄膜光电转换元件及薄膜光电转换元件的制造方法技术

提供能薄型化至数10nm以下的厚度的薄膜光电转换元件及薄膜光电转换元件的制造方法。具备：在硅衬底的表面扩散第1金属和硅而形成的金属硅化物层、在硅衬底的表面的第2金属薄膜层的层叠部位形成的导电薄膜层、以及在所述金属硅化物层与所述导电薄膜层之间的硅衬底的表面附近扩散硅的纳米粒子而形成的硅扩散部，向在与硅衬底的层叠方向形成有肖特基界面的金属硅化物层或导电薄膜层照射光，在硅衬底的表面的金属硅化物层与导电薄膜层间产生光感应电流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及薄膜型的，更详细而言涉及在元件的表面产生光载流子的。
技术介绍
在太阳能电池的用途中作为光电转换元件，试图进行薄型化而缩减成为发电部的硅的使用量，但将从结晶块(ingot)切断的硅晶圆(wafer)的厚度做成150 μ m左右为极限；另外，若使厚度变薄则不能充分吸收光，所以光电转换效率降低，因此形成防反射膜等， 所以元件整体的薄型化存在极限。因此，用CVD法等制膜非晶硅(以下记为“a-Si”)、微结晶硅的薄膜，提供厚度为一般的硅太阳能电池的左右的薄膜硅太阳能电池。图8是使用a-Si膜的pin构造的薄膜太阳能电池100(专利文献1)的截面图，在玻璃衬底101上形成薄膜太阳能电池100。如该图所示，薄膜太阳能电池100在银的下部电极102与氧化铟锡(ITO)的透明上部电极103之间，层叠有形成pin构造的a-Si膜的η层104、半结晶化a_Si膜的i层 105、a-Si膜的ρ层106。在这里，各层的厚度如下下部电极102为IOOnm左右、上部电极 103为70nm左右、η层104为50nm左右、i层105为2 μ m左右、ρ层106为20nm左右。i层105具有接受通过上方的透明上部电极103的光而利用光电效应生成载流子的发电功能，η层104和ρ层106具有向层105施加内部电场而分离i层105的载流子的功能。因此，从薄膜太阳能电池100的上方照射光时，接受光而在i层105分离的载流子向作为层叠方向的η层104或ρ层106移动，如果将下部电极102与上部电极103间短路， 则由于载流子的移动，光感应电流在层叠方向的下部电极102与上部电极103间流动。专利文献1 日本特开2000-349321号公报
技术实现思路
然而，即使是通过制膜硅薄膜而薄型化的上述薄膜太阳能电池100，也由于光载流子在作为光的入射方向的Pin构造的各层叠方向流动而发电，所以即使使用吸收系数高的 a-Si，将其厚度做成1 μ m左右也为极限，而且为了取出在层叠方向流动的光感应电流，需要夹着Pin构造进一步配置上部电极103和下部电极102，薄型化存在极限。另外，为了使入射光到达具有发电功能的i层105，需要用ITO等透明导电材料形成覆盖其上方整个面的上部电极103，另外，因为薄膜保持原样不能够充分吸收入射光，所以采用了使用表面纹理等控制光学特性、提高入射光的利用效率的构造。而且，a-Si的禁带宽度大，虽响应700nm以下的比较短的波长的光，但不能够利用红外光等长波长的光，因此采用添加微结晶硅层的纵列(tandem)构造，或者如专利文献1 所述采用使i层105的非晶及微结晶的结晶比率在层叠方向变化的构造，从而使其对于宽频带的光进行响应，因此需要复杂的工艺。本专利技术是考虑到这样的现有的问题点而做出的，其目的在于，提供能薄型化至数 IOnm以下的厚度的。另外，其目的在于，提供能在同一表面配置引出光感应电流的一对电极、进一步薄型化的。另外，其目的在于，提供能使硅层的厚度为20nm以下、缩减硅材料的使用量、降低成本的。另外，其目的在于，提供不需要复杂而精密的半导体工艺控制、用退火处理的单纯的工序、响应从可见区域到红外区域的宽频带的光的。为了达到上述目的，权利要求1所述的专利技术的特征在于，对层叠有由第1金属构成的第1金属薄膜层以及与第1金属薄膜层上的一部分重叠且由第2金属构成的第2金属薄膜层的硅衬底进行退火处理，且具备金属硅化物层，在硅衬底的表面扩散第1金属和硅而形成；导电薄膜层，在硅衬底的表面的第2金属薄膜层的层叠部位形成；以及硅扩散部，在所述金属硅化物层与所述导电薄膜层之间的硅衬底的表面附近扩散硅的纳米粒子而形成， 向在与硅衬底的层叠方向形成有肖特基界面的金属硅化物层或导电薄膜层照射光，在硅衬底的表面的金属硅化物层与导电薄膜层间产生光感应电流。通过退火处理，在导电薄膜层中第1金属、第2金属和硅的纳米粒子相互扩散，在金属硅化物层中第1金属和硅的纳米粒子相互扩散，在最大20nm以下的深度，各元素的活化能量较高，产生状态图从大块性质离开的现象。沿着硅衬底的表面，在硅扩散部与金属硅化物层间以及硅扩散部与导电薄膜层间分别形成肖特基界面。在导电薄膜层的形成部位，由于第2金属薄膜层与第1金属薄膜层层叠，比形成有金属硅化物的第1金属薄膜层的厚度厚，所以是金属相对过剩的区域，促进电阻(ohmic)化，势垒的阻塞(pinning)减弱，能认为硅扩散部与导电薄膜层间的势垒的高度低。其结果是，利用硅扩散部与金属硅化物层间的肖特基势垒，沿着硅衬底的表面形成以从金属硅化物层到导电薄膜层的方向作为正向的二极管。向在与硅衬底的层叠方向形成有肖特基界面的导电薄膜层照射光时，在导电薄膜层感应大量光载流子，通过用沿着硅衬底的表面的上述二极管的正偏置特性而沿着硅衬底的表面移动，从而光感应电流沿着表面流动。同样，向在与硅衬底的层叠方向形成有肖特基界面的金属硅化物层照射光时，在金属硅化物层感应大量光载流子，通过用沿着硅衬底的表面的上述二极管的正偏置特性而沿着硅衬底的表面移动，从而光感应电流沿着表面流动。由于在硅衬底的表面形成的金属硅化物层和导电薄膜层具有导电性，所以能抑制在表面感应的光载流子的传导损耗。在硅的纳米粒子共存的金属硅化物层和导电薄膜层中，硅粒子为纳米尺寸，所以波数选择规则为与大块不同的直接迁移，从Si价电子带产生相当于可见域的能隙的带间激励。其结果是，在该导电薄膜层中，主要对于长波长的红外区域的光，利用层叠方向的肖特基势垒产生光载流子；并且主要对于短波长的可见光的光，产生硅纳米粒子的激励引起的光载流子，将两者相加，能获得响应灵敏度高、从可见光到红外光的宽频带响应特性。另外，权利要求2所述的专利技术的特征在于，导电薄膜层的厚度不到lOOnm，金属硅化物层的厚度比导电薄膜层更薄。能够大幅度缩减成为导电薄膜层和金属硅化物层的材料的第1金属和第2金属的使用量，分别用在硅衬底上蒸镀后进行退火处理的简单的工序在硅衬底上形成。另外，权利要求3所述的专利技术的特征在于，第1金属是Co、Fe、W、Ni、Al、Ti的任一个，第2金属是Au。Co、Fe、W、Ni、Al、Ti的熔点高，高温中的机械性质优异，适于金属硅化物的材料。 另外，Au在其周围帮助第1金属和硅的纳米粒子的扩散，容易形成金属硅化物与导电薄膜层之间的硅扩散部。另外，权利要求4所述的专利技术的特征在于，具备第1工序，在硅衬底上成膜由第1 金属构成的第1金属薄膜层；第2工序，在第1金属薄膜层上的一部分成膜由第2金属构成的第2金属薄膜层；第3工序，对在硅衬底上层叠的第1金属薄膜层和第2金属薄膜层进行退火处理，在衬底上形成扩散第1金属和硅的金属硅化物层、第2金属薄膜层的层叠部位的导电薄膜层、以及在所述金属硅化物层与所述导电薄膜层之间在硅衬底的表面附近扩散硅的纳米粒子的硅扩散部，向与硅衬底的层叠方向形成有肖特基界面的金属硅化物层或导电薄膜层照射光，在硅衬底的表面的金属硅化物层与导电薄膜层间产生光感应电流。通过退火处理，在导电薄膜层中第1金属、第2金属和硅的纳米粒子相互扩散，在金属硅化物层中第1金属和硅的纳米粒子相互扩散，在最大20nm以下的深度，各元素的活化能量高，产生状态图从大块性质离开的现象。沿着硅衬底的表面，在硅扩散部与金属硅化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·布里塞诺，
申请(专利权)人：日商卢光股份有限公司，
类型：发明
国别省市：