JP2000252485A - シリコン系薄膜光電変換装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電変換層上に形成される上部導電型層のド
ーパント濃度を低下させて光電変換効率の改善されたシ
リコン系薄膜光電変換装置を製造する。 【解決手段】 基板（１）上に、裏面電極（１０）と、
下部導電型層（１１１）、実質的に真性半導体の結晶質
シリコン系光電変換層（１１２）および上部導電型層
（１１３）を含むシリコン系薄膜光電変換ユニット（１
１）と、透明電極（２０）とを形成してシリコン系薄膜
光電変換装置を製造するにあたり、プラズマＣＶＤ法に
より結晶質シリコン系光電変換層（１１２）を形成する
工程と、ドーパント含有ガス雰囲気中において紫外パル
スレーザー光を照射することにより結晶質シリコン系光
電変換層（１１２）にドーパントを混入させて上部導電
型層（１１３）を形成する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコン系薄膜光電
変換装置の製造方法に関し、特に製造されるシリコン系
薄膜光電変換装置の特性を改善できる方法に関する。な
お、本願明細書において、「結晶質」および「微結晶」
の用語は、部分的に非晶質を含む場合をも意味するもの
とする。

【０００２】

【従来の技術】近年、シリコン系薄膜を利用した光電変
換装置の開発が精力的に行なわれている。これらの光電
変換装置の開発では、安価な基板上に低温プロセスで良
質のシリコン系薄膜を形成することによる低コスト化と
高性能化の両立が目的となっている。こうした光電変換
装置は、太陽電池、光センサなど、さまざまな用途への
応用が期待されている。

【０００３】光電変換装置の一例として、基板上に、裏
面電極と、下部導電型層、実質的に真性半導体の結晶質
シリコン系光電変換層および上部導電型層を含むシリコ
ン系薄膜光電変換ユニットと、透明電極とを有するもの
が知られている。こうした光電変換装置においては、特
に光電変換層の光入射側に形成される半導体接合の特性
によって、その装置の性能が大きな影響を受ける。

【０００４】従来、シリコン系薄膜光電変換ユニットを
構成する光電変換層および上部導電型層はプラズマＣＶ
Ｄ法により形成されている。すなわち、下地温度を４０
０℃以下に設定して、シリコンを含有する主原料ガスを
キャリアガスともに供給して比較的厚い光電変換層を形
成した後、シリコンを含有する主原料ガスおよびドーパ
ント（導電型決定不純物原子）を含有するジボラン（ｐ
型）またはホスフィン（ｎ型）などのガスをキャリアガ
スともに供給して薄い上部導電型層を形成している。

【０００５】上記のようにプラズマＣＶＤ法により４０
０℃以下の成膜温度で形成された上部導電型層ではドー
パントの活性化率が低くなる。このため、有効なドーパ
ント濃度を得ようとすると、導電型層に過剰なドーパン
トを混入させる必要があった。しかし、導電型層にドー
パントが高濃度に混入していると、光照射によって発生
したキャリアが再結合して利用されなくなる確率（表面
再結合損失）が大きくなる。また、導電型層のドーパン
ト濃度が高いと、光吸収損失も高くなる。この結果、従
来の光電変換装置では、十分な光電変換効率が得られな
いという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光電
変換層上に形成される上部導電型層のドーパント濃度を
低下させることにより、表面再結合損失および光吸収損
失を低下させて光電変換効率を改善できるシリコン系薄
膜光電変換装置の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン系薄膜
光電変換装置の製造方法は、基板上に、裏面電極と、下
部導電型層、実質的に真性半導体の結晶質シリコン系光
電変換層および上部導電型層を含むシリコン系薄膜光電
変換ユニットと、透明電極とを形成してシリコン系薄膜
光電変換装置を製造するにあたり、プラズマＣＶＤ法に
より前記結晶質シリコン系光電変換層を形成する工程
と、ドーパント含有ガス雰囲気中において紫外パルスレ
ーザー光を照射することにより前記結晶質シリコン系光
電変換層にドーパントを混入させて前記上部導電型層を
形成する工程とを具備したことを特徴とする。

【０００８】本発明において、上部導電型層のドーパン
ト濃度は２×１０²⁰ｃｍ^-3以下であることが好ましい。
また、上部導電型層の厚さは１５〜１００ｎｍであるこ
とが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明をより詳細に説明す
る。

【００１０】図１に示す断面図を参照して、本発明に係
るシリコン系薄膜光電変換装置の一例を説明する。この
シリコン系薄膜光電変換装置は、基板１上に、裏面電極
１０と、一導電型層（たとえばｎ層）１１１、実質的に
真性半導体からなる結晶質シリコン系光電変換層（ｉ
層）１１２および逆導電型層（たとえばｐ層）１１３を
含む光電変換ユニット１１と、透明電極２０と、櫛型金
属電極２１とを順次積層した構造を有する。この光電変
換装置に対しては、光電変換されるべき光ｈνは透明電
極２０の側から入射される。

【００１１】基板１には、ステンレスなどの金属、有機
フィルム、セラミックス、または低融点の安価なガラス
などを用いることができる。

【００１２】基板１上には裏面電極１０が形成される。
裏面電極１０は通常、光反射性金属からなる裏面金属電
極と透明導電性酸化物からなる裏面透明導電膜とを含
む。また、基板１と裏面金属電極との間に、両者の付着
性を向上させるために２０〜５０ｎｍの厚さを有するＴ
ｉ層などが形成されることもある。このようなＴｉ層
は、たとえば蒸着またはスパッタによって形成される。

【００１３】裏面金属電極には、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃ
ｕおよびＰｔからなる群より選択される金属またはこれ
らの合金を用いることが好ましい。裏面金属電極は真空
蒸着またはスパッタなどの方法によって形成される。た
とえば、下地温度を１００〜３３０℃、より好ましくは
２００〜３００℃に設定し、真空蒸着によって光反射性
の高いＡｇ層を形成する。

【００１４】裏面金属電極上に形成される裏面透明導電
膜は、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂、ＺｎＯなどから選択される少
なくとも１以上の層で形成することが好ましく、なかで
もＺｎＯを主成分とする膜が特に好ましい。裏面透明導
電膜の平均結晶粒経は１００ｎｍ以上であることが好ま
しい。また、ＺｎＯを主成分とする裏面透明導電膜の厚
さは５０ｎｍ〜１μｍであることが好ましく、その比抵
抗は１．５×１０^-3Ωｃｍ以下であることが好ましい。
このような条件を満たす裏面透明導電膜を形成するに
は、一般的に２×１０^-2Ｔｏｒｒ以下の圧力、１００〜
４５０℃の下地温度、５００〜１５００ｍＷ／ｃｍ²の
放電電力というスパッタ条件が採用される。

【００１５】裏面電極１０上には光電変換ユニット１１
が形成される。光電変換ユニット１１には一導電型層１
１１、結晶質シリコン系光電変換層１１２および逆導電
型層１１３が含まれる。一導電型層１１１はｎ型層でも
ｐ型層でもよく、これに対応して逆導電型層１１３はｐ
型層またはｎ型層になる。光電変換層１１２は実質的に
ノンドープの真性半導体からなる。ただし、光電変換装
置では通常は光の入射側にｐ型層が配置されるので、図
１の構造では一般的に一導電型層１１１はｎ型層、逆導
電型層１１３はｐ型層である。

【００１６】図２（Ａ）および（Ｂ）を参照して、光電
変換ユニット１１の形成方法を説明する。

【００１７】まず、図２（Ａ）に示すように、裏面電極
１０上に一導電型層１１１および結晶質シリコン系光電
変換層１１２が形成される。これらの一導電型層１１１
および光電変換層１１２は、従来の方法に従い、下地温
度を４００℃以下に設定してプラズマＣＶＤ法によって
堆積される。プラズマＣＶＤ法としては、一般によく知
られている平行平板型のＲＦプラズマＣＶＤを用いても
よいし、周波数１５０ＭＨｚ以下のＲＦ帯からＶＨＦ帯
までの高周波電源を利用するプラズマＣＶＤを用いても
よい。

【００１８】一導電型層１１１は、たとえばドーパント
としてリンがドープされたｎ型シリコン系薄膜からな
る。ただし、不純物原子は特に限定されず、ｎ型層では
窒素などでもよい。具体的には、下地温度を２００〜４
００℃に設定して、シリコンを含有する主原料ガスおよ
びドーパントを含有するガスをキャリアガスともに供給
して下部の一導電型層１１１を形成する。主原料ガスと
しては、モノシラン、四フッ化ケイ素、ジクロロシラン
などが用いられる。ドーパント含有ガスとしてはホスフ
ィンなどが用いられる。キャリアガスとしては、水素、
アルゴンなどが用いられる。

【００１９】また、一導電型層１１１の半導体材料は特
に限定されず、アモルファスシリコン、アモルファスシ
リコンカーバイドやアモルファスシリコンゲルマニウム
などの合金材料、多結晶シリコンもしくは部分的に非晶
質を含む微結晶シリコンまたはその合金材料を用いるこ
ともできる。なお、必要に応じて、堆積された一導電型
層１１１にパルスレーザ光を照射することにより、結晶
化分率やキャリア濃度を制御することもできる。

【００２０】一導電型層１１１上には、実質的にノンド
ープの真性半導体からなる結晶質（多結晶または微結
晶）シリコン系光電変換層１１２が堆積される。この結
晶質シリコン系の光電変換層１１２としては、体積結晶
化分率が８０％以上である、多結晶シリコン膜もしくは
微結晶シリコン膜または微量の不純物を含む弱ｐ型もし
くは弱ｎ型で光電変換機能を十分に備えたシリコン系薄
膜材料を用いることができる。この光電変換層１１２を
構成する半導体材料も特に限定されず、シリコンカーバ
イドやシリコンゲルマニウムなどの合金材料を用いるこ
ともできる。具体的には、下地温度を２００〜４００℃
に設定して、シリコンを含有する主原料ガスをキャリア
ガスともに供給して光電変換層１１２を形成する。

【００２１】この光電変換層１１２の厚さは、必要かつ
十分な光電変換が可能なように、一般的に０．５〜２０
μｍの範囲に形成される。また、結晶質シリコン系光電
変換層は、４００℃以下の低温で形成すると、結晶粒界
や粒内における欠陥を終端させて不活性化させる水素原
子を多く含むようになる。具体的には、光電変換層の水
素含有量は１〜３０原子％の範囲内になる。さらに、結
晶質シリコン系光電変換層に含まれる結晶粒の多くは下
地層から上方に柱状に延びて成長しており、その膜面に
平行に（１１０）の優先結晶配向面を有する。そして、
Ｘ線回折における（２２０）回折ピークに対する（１１
１）回折ピークの強度比は０．２以下である。

【００２２】次に、図２（Ａ）に示すように、ドーパン
ト（例えばｐ型を与えるジボラン）を含有する雰囲気中
において紫外パルスレーザー光を照射することにより、
結晶質シリコン系光電変換層１１２にドーパントを混入
させる（レーザードープ）。このようにして、図２
（Ｂ）に示すように、上部導電型層（逆導電型層、この
場合ｐ型層）１１３が形成される。

【００２３】なお、結晶質シリコン系光電変換層１１２
上にｎ型の上部導電型層１１３を形成する場合、ドーパ
ントとして例えばホスフィンを含有する雰囲気中におい
て紫外パルスレーザー光を照射する。

【００２４】上記の工程においては、紫外領域のパルス
レーザー光が照射され、パルスレーザー光源としては例
えばＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長３０８
ｎｍ）、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）などをガス種とする
エキシマレーザーが用いられる。レーザー光のパルス幅
は通常１ｎｓｅｃ〜５μｓｅｃ、好ましくは１０ｎｓｅ
ｃ〜１μｓｅｃである。レーザー光のエネルギー密度は
通常５０〜１０００ｍＪ／ｃｍ²、好ましくは２００〜
５００ｍＪ／ｃｍ²である。

【００２５】このようにドーパントを含有する雰囲気中
において光電変換層１１２に紫外パルスレーザー光が照
射されると、光電変換層１１２のごく表面のみが瞬時に
溶融するとともに雰囲気中のドーパントが取り込まれ、
その後に冷却固化して結晶化する。この際、結晶粒が大
きく、ある面方位に強く配向した高品質な多結晶シリコ
ンからなる上部導電型層１１３が得られ、しかも非常に
浅い良好な接合を容易に形成できる。本発明において形
成される上部導電型層１１３の厚さは１５〜１００ｎｍ
であることが好ましい。そして、本発明の方法を用いた
場合、上部導電型層１１３でのドーパントの活性化率が
高いため、上部導電型層１１３へ過剰のドーパントを混
入する必要がない。この結果、上部導電型層１１３のド
ーパント濃度を従来よりも１桁以上低くすることができ
る。具体的には、上部導電型層１１３のドーパント濃度
は２×１０²⁰ｃｍ^-3以下であることが好ましい。以上の
ように上部導電型層１１３のドーパント濃度を従来より
も低減できるので、表面再結合損失と光吸収損失を低減
して光電変換効率を改善できる。

【００２６】なお、裏面電極１０の表面が実質的に平坦
である場合でも、その上に堆積される光電変換ユニット
１１の表面は微細な凹凸を含む表面テクスチャ構造を示
す。また、裏面電極１０の表面が凹凸を含む表面テクス
チャ構造を有する場合、光電変換ユニット１１の表面
は、裏面電極１０の表面に比べて、テクスチャ構造にお
ける凹凸のピッチが小さくなる。これは、光電変換ユニ
ット１１を構成する結晶質シリコン系光電変換層１１２
の堆積時に結晶配向に基づいてテクスチャ構造が生じる
ことによる。このため光電変換ユニット１１の表面は広
範囲の波長領域の光を反射させるのに適した微細な表面
凹凸テクスチャ構造となり、光電変換装置における光閉
じ込め効果も大きくなる。

【００２７】光電変換ユニット１１上には透明電極２０
が前面電極として形成される。この透明電極２０は、Ｉ
ＴＯ、ＳｎＯ₂およびＺｎＯからなる群より選択される
１以上の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）で形成される。さ
らに、この透明電極２０上に櫛型金属電極（グリッド電
極）２１が形成される。この櫛型金属電極２１は、Ａ
ｌ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕおよびＰｔからなる群より選択さ
れる金属またはこれらの合金で形成される。

【００２８】なお、図１における光電変換ユニット１１
と透明電極２０との間に、さらに一導電型層、アモルフ
ァスシリコン系光電変換層および逆導電型層を含むアモ
ルファスシリコン系の前方光電変換ユニットを形成し
て、タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を製造する
こともできる。

【００２９】この場合にも、光電変換ユニット１１を形
成する際に、プラズマＣＶＤ法により結晶質シリコン系
光電変換層を形成した後、ドーパント含有ガス雰囲気中
において紫外パルスレーザー光を照射することにより結
晶質シリコン系光電変換層にドーパントを混入させて上
部導電型層を形成する。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００３１】（実施例１）図１に示される多結晶シリコ
ン系光電変換装置を製造した。まず、ガラス基板１上に
光反射性金属電極を含む裏面電極１０を形成した。この
裏面電極１０上に、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１０
ｎｍの一導電型層（ｎ層）１１１および厚さ３μｍのノ
ンドープ多結晶シリコン系光電変換層（ｉ層）１１２を
形成した。

【００３２】次に、ｐ型を与えるドーパント含有ガスと
してジボランを含む減圧雰囲気中において、ＫｒＦエキ
シマレーザーから波長２４８ｎｍの紫外パルスレーザー
光を光電変換層１１２に照射し、光電変換層１１２の表
面に逆導電型層（ｐ層）１１３を形成し、ｎ−ｉ−ｐ接
合の光電変換ユニット１１を形成した。この光電変換ユ
ニット１１上に、スパッタ法により、厚さ８０ｎｍのＩ
ＴＯからなる透明電極２０と、Ａｇからなる電流取り出
しのための櫛型金属電極２１とを形成した。

【００３３】（比較例１）逆導電型層（ｐ層）１１３を
形成する際に、シランガスおよびジボランガスをキャリ
アガスとともに供給してプラズマＣＶＤ法により成膜し
た以外は実施例１と同様にして図１に示す光電変換装置
を製造した。

【００３４】図３に、実施例１（本発明）および比較例
１（従来技術）の方法でそれぞれ得られた逆導電型層
（ｐ層）１１３について、二次イオン質量分析法により
深さ方向のボロン濃度プロファイルを測定した結果を示
す。図３から明らかなように、本発明では厚さ約４０ｎ
ｍのｐ層が形成されており、そのボロン濃度は１．２×
１０²⁰ｃｍ^-3以下であり、従来技術よりもボロン濃度が
１桁以上低くなっている。

【００３５】次に、実施例１および比較例１で得られた
光電変換装置に、ＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ²
の光量で入射したときの光電変換効率を測定した。その
結果、実施例１では９．４％であり、比較例１の７．７
％と比べて大幅な改善が認められた。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の方法を用い
れば、光電変換層上にドーパント濃度の低い上部導電型
層が形成されたシリコン系薄膜光電変換装置を製造する
ことができ、表面再結合損失および光吸収損失を低下さ
せて光電変換効率を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシリコン系薄膜光電変換装置の一
例を示す断面図。

【図２】本発明に係るシリコン系薄膜光電変換装置の製
造方法を示す断面図。

【図３】実施例１および比較例１における上部導電型層
の深さ方向のボロン濃度プロファイルを示す図。

【符号の説明】

１…基板 １０…裏面電極 １１…光電変換ユニット １１１…一導電型層 １１２…結晶質シリコン系光電変換層 １１３…逆導電型層 ２０…透明電極 ２１…櫛型金属電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、裏面電極と、下部導電型層、
   実質的に真性半導体の結晶質シリコン系光電変換層およ
   び上部導電型層を含むシリコン系薄膜光電変換ユニット
   と、透明電極とを形成してシリコン系薄膜光電変換装置
   を製造するにあたり、 プラズマＣＶＤ法により前記結晶質シリコン系光電変換
   層を形成する工程と、 ドーパント含有ガス雰囲気中において紫外パルスレーザ
   ー光を照射することにより前記結晶質シリコン系光電変
   換層にドーパントを混入させて前記上部導電型層を形成
   する工程とを具備したことを特徴とするシリコン系薄膜
   光電変換装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記上部導電型層のドーパント濃度が２
   ×１０²⁰ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項１記
   載のシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記上部導電型層の厚さが１５〜１００
   ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載のシ
   リコン系薄膜光電変換装置の製造方法。