JP2000252500A - シリコン系薄膜光電変換装置 - Google Patents
シリコン系薄膜光電変換装置Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光電変換特性のばらつきを低減したシリコン
系薄膜光電変換装置を提供する。 【解決手段】 基板（１）上に順次形成された、透明電
極（１０）と、シリコン系薄膜光電変換ユニット（１
１）と、光反射性金属電極（１２２）を含む裏面電極
（１２）とを具備したシリコン系薄膜光電変換装置にお
いて、透明電極（１０）は基板側から第１および第２の
透明導電膜（１０１、１０２）を積層した２層構造をな
し、第１透明導電膜（１０１）は表面の凹凸の平均高低
差が１００〜１０００ｎｍであり、第２透明導電膜（１
０２）は平均膜厚が５０〜５００ｎｍであり表面の凹凸
の平均高低差が第１透明導電膜（１０１）のそれよりも
小さい。
系薄膜光電変換装置を提供する。 【解決手段】 基板（１）上に順次形成された、透明電
極（１０）と、シリコン系薄膜光電変換ユニット（１
１）と、光反射性金属電極（１２２）を含む裏面電極
（１２）とを具備したシリコン系薄膜光電変換装置にお
いて、透明電極（１０）は基板側から第１および第２の
透明導電膜（１０１、１０２）を積層した２層構造をな
し、第１透明導電膜（１０１）は表面の凹凸の平均高低
差が１００〜１０００ｎｍであり、第２透明導電膜（１
０２）は平均膜厚が５０〜５００ｎｍであり表面の凹凸
の平均高低差が第１透明導電膜（１０１）のそれよりも
小さい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はシリコン系薄膜光電
変換装置に関し、特にその性能改善と性能ばらつきの低
減に関する。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。
変換装置に関し、特にその性能改善と性能ばらつきの低
減に関する。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、たとえば多結晶シリコンや微結晶
シリコンのような結晶質シリコンを含む薄膜を利用した
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
スで良質の結晶質シリコン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。
シリコンのような結晶質シリコンを含む薄膜を利用した
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
スで良質の結晶質シリコン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、透
明電極と、シリコン系薄膜光電変換ユニットと、光反射
性金属電極を含む裏面電極とを順次形成した構造を有す
るものが知られている。この光電変換装置では、光電変
換層が薄いと光吸収係数が小さい長波長領域の光が十分
に吸収されないため、光電変換量は本質的に光電変換層
の膜厚によって制約を受ける。そこで、光電変換層を含
む光電変換ユニットに入射した光をより有効に利用する
ために、光入射側の透明電極に表面凹凸（表面テクスチ
ャ）構造を設けて光を光電変換ユニット内へ散乱させ、
さらに金属電極で反射した光を乱反射させる工夫がなさ
れている。
明電極と、シリコン系薄膜光電変換ユニットと、光反射
性金属電極を含む裏面電極とを順次形成した構造を有す
るものが知られている。この光電変換装置では、光電変
換層が薄いと光吸収係数が小さい長波長領域の光が十分
に吸収されないため、光電変換量は本質的に光電変換層
の膜厚によって制約を受ける。そこで、光電変換層を含
む光電変換ユニットに入射した光をより有効に利用する
ために、光入射側の透明電極に表面凹凸（表面テクスチ
ャ）構造を設けて光を光電変換ユニット内へ散乱させ、
さらに金属電極で反射した光を乱反射させる工夫がなさ
れている。
【０００４】上記のように表面テクスチャ構造をなす透
明電極を具備した光電変換装置は、たとえば特公平６−
１２８４０号公報、特開平７−２８３４３２号公報など
に開示されており、効率が向上することが記載されてい
る。
明電極を具備した光電変換装置は、たとえば特公平６−
１２８４０号公報、特開平７−２８３４３２号公報など
に開示されており、効率が向上することが記載されてい
る。
【０００５】また、特開平３−１２５４８１号公報に
は、表面テクスチャ構造をなす透明電極として、平均粒
径の大きい第１層と平均粒径の小さい第２層とを積層し
た構造のものが開示されている。
は、表面テクスチャ構造をなす透明電極として、平均粒
径の大きい第１層と平均粒径の小さい第２層とを積層し
た構造のものが開示されている。
【０００６】一方、透明電極上に形成される光電変換ユ
ニットは光電変換層と導電型層とを有する。このうち導
電型層はドープされた不純物による光吸収のために光電
変換層への入射光を減少させる。このような光電変換に
寄与しない不純物による光吸収を低減して光電変換層へ
の入射光を増大させるためには、導電型層の膜厚を必要
最小限まで薄くすることが望まれる。
ニットは光電変換層と導電型層とを有する。このうち導
電型層はドープされた不純物による光吸収のために光電
変換層への入射光を減少させる。このような光電変換に
寄与しない不純物による光吸収を低減して光電変換層へ
の入射光を増大させるためには、導電型層の膜厚を必要
最小限まで薄くすることが望まれる。
【０００７】本発明者らは、以上のような設計要求に基
づいて表面凹凸構造を有する透明電極上に光電変換ユニ
ットを構成する薄い導電型層を形成した場合、導電型層
に機械的・電気的な欠陥が生じることがあり、最終的に
得られる光電変換装置の開放端電圧の低下や短絡による
歩留りの低下を招く問題があることを見出した。
づいて表面凹凸構造を有する透明電極上に光電変換ユニ
ットを構成する薄い導電型層を形成した場合、導電型層
に機械的・電気的な欠陥が生じることがあり、最終的に
得られる光電変換装置の開放端電圧の低下や短絡による
歩留りの低下を招く問題があることを見出した。
【０００８】特に、上述した特公平６−１２８４０号公
報や特開平３−１２５４８１号公報のように、透明電極
が激しい表面凹凸構造、具体的には凹凸の高低差が大き
く凹凸のピッチが小さい表面凹凸構造を有する場合に
は、光電変換装置の性能ばらつきが大きくなる。
報や特開平３−１２５４８１号公報のように、透明電極
が激しい表面凹凸構造、具体的には凹凸の高低差が大き
く凹凸のピッチが小さい表面凹凸構造を有する場合に
は、光電変換装置の性能ばらつきが大きくなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光電
変換特性のばらつきを低減したシリコン系薄膜光電変換
装置を提供することにある。
変換特性のばらつきを低減したシリコン系薄膜光電変換
装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、透明電極
を基板側から第１および第２の透明導電膜を積層した２
層構造とし、第１の透明導電膜の表面凹凸が激しい場合
でも、第２の透明導電膜の表面凹凸をなだらかにすれば
スパイク状の突起部をなくすことができ、光電変換ユニ
ットにおける接合間の短絡を低減でき、光電変換装置の
性能ばらつきを低減できることを見出した。
を基板側から第１および第２の透明導電膜を積層した２
層構造とし、第１の透明導電膜の表面凹凸が激しい場合
でも、第２の透明導電膜の表面凹凸をなだらかにすれば
スパイク状の突起部をなくすことができ、光電変換ユニ
ットにおける接合間の短絡を低減でき、光電変換装置の
性能ばらつきを低減できることを見出した。
【００１１】すなわち、本発明のシリコン系薄膜光電変
換装置は、基板上に順次形成された、透明電極と、シリ
コン系薄膜光電変換ユニットと、光反射性金属電極を含
む裏面電極とを具備したシリコン系薄膜光電変換装置に
おいて、前記透明電極は基板側から第１および第２の透
明導電膜を積層した２層構造をなし、前記第１透明導電
膜は表面の凹凸の平均高低差が１００〜１０００ｎｍで
あり、前記第２透明導電膜は平均膜厚が５０〜５００ｎ
ｍであり表面の凹凸の平均高低差が第１透明導電膜のそ
れよりも小さいことを特徴とする。
換装置は、基板上に順次形成された、透明電極と、シリ
コン系薄膜光電変換ユニットと、光反射性金属電極を含
む裏面電極とを具備したシリコン系薄膜光電変換装置に
おいて、前記透明電極は基板側から第１および第２の透
明導電膜を積層した２層構造をなし、前記第１透明導電
膜は表面の凹凸の平均高低差が１００〜１０００ｎｍで
あり、前記第２透明導電膜は平均膜厚が５０〜５００ｎ
ｍであり表面の凹凸の平均高低差が第１透明導電膜のそ
れよりも小さいことを特徴とする。
【００１２】本発明においては、透明電極を構成する第
１および第２の透明導電膜は、ＩＴＯ、ＳｎＯ2および
ＺｎＯからなる群より選択される少なくとも１種を主成
分とし、ＣＶＤ法またはスパッタ法により形成された膜
であることが好ましい。
１および第２の透明導電膜は、ＩＴＯ、ＳｎＯ2および
ＺｎＯからなる群より選択される少なくとも１種を主成
分とし、ＣＶＤ法またはスパッタ法により形成された膜
であることが好ましい。
【００１３】本発明において、シリコン系薄膜光電変換
ユニットは、アモルファスシリコン系光電変換層を含む
ｐ−ｉ−ｎ接合を形成していてもよいが、結晶質シリコ
ン系光電変換層を含むｐ−ｉ−ｎ接合を形成することが
好ましい。また、シリコン系薄膜光電変換ユニットは、
１つ以上のアモルファスシリコン系薄膜光電変換ユニッ
トと、１つ以上の結晶質シリコン系薄膜光電変換ユニッ
トとを積層したタンデム型であってもよい。
ユニットは、アモルファスシリコン系光電変換層を含む
ｐ−ｉ−ｎ接合を形成していてもよいが、結晶質シリコ
ン系光電変換層を含むｐ−ｉ−ｎ接合を形成することが
好ましい。また、シリコン系薄膜光電変換ユニットは、
１つ以上のアモルファスシリコン系薄膜光電変換ユニッ
トと、１つ以上の結晶質シリコン系薄膜光電変換ユニッ
トとを積層したタンデム型であってもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明をより詳細に説明す
る。
る。
【００１５】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、第１透明
導電膜１０１および第２透明導電膜１０２を含む透明電
極１０と、一導電型層１１１、結晶質シリコン系光電変
換層１１２および逆導電型層１１３を含む光電変換ユニ
ット１１と、透明導電性酸化膜１２１および光反射性金
属電極１２２を含む裏面電極１２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は基板１側から入射される。
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、第１透明
導電膜１０１および第２透明導電膜１０２を含む透明電
極１０と、一導電型層１１１、結晶質シリコン系光電変
換層１１２および逆導電型層１１３を含む光電変換ユニ
ット１１と、透明導電性酸化膜１２１および光反射性金
属電極１２２を含む裏面電極１２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は基板１側から入射される。
【００１６】基板１としては、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の透明基板を用
いることができる。
クス、または低融点の安価なガラスなどの透明基板を用
いることができる。
【００１７】基板１上に配置される透明電極１０を構成
する第１および第２の透明導電膜の材料としては、ＩＴ
Ｏ、ＳｎＯ2およびＺｎＯから選択される少なくとも１
種を主成分とするものが用いられる。これらの材料のう
ち、透過率、導電率および化学安定性の観点からはＳｎ
Ｏ2が特に好適であり、加工性、導電率および透過率の
観点からはＩＴＯも好適である。透明電極は真空蒸着、
熱ＣＶＤまたはスパッタなどの方法によって基板１上に
形成される。
する第１および第２の透明導電膜の材料としては、ＩＴ
Ｏ、ＳｎＯ2およびＺｎＯから選択される少なくとも１
種を主成分とするものが用いられる。これらの材料のう
ち、透過率、導電率および化学安定性の観点からはＳｎ
Ｏ2が特に好適であり、加工性、導電率および透過率の
観点からはＩＴＯも好適である。透明電極は真空蒸着、
熱ＣＶＤまたはスパッタなどの方法によって基板１上に
形成される。
【００１８】本発明においては、透明電極１０を構成す
る第１透明導電膜１０１は表面の凹凸の平均高低差が１
００〜１０００ｎｍであり、第２透明導電膜１０２は平
均膜厚が５０〜５００ｎｍであり表面の凹凸の平均高低
差が第１透明導電膜１０１のそれよりも小さくなってい
る。
る第１透明導電膜１０１は表面の凹凸の平均高低差が１
００〜１０００ｎｍであり、第２透明導電膜１０２は平
均膜厚が５０〜５００ｎｍであり表面の凹凸の平均高低
差が第１透明導電膜１０１のそれよりも小さくなってい
る。
【００１９】第２透明導電膜１０２表面の凹凸の高低差
は１０〜１００ｎｍが好ましく、２０〜６０ｎｍがより
好ましい。また、凹凸のピッチは凹凸の高低差より大き
くかつその２５倍以下であることが好ましく、凹凸のピ
ッチは凹凸の高低差の４倍以上２０倍以下であることが
より好ましい。具体的には、凹凸のピッチは３００〜１
０００ｎｍが好ましく、５５０〜８００ｎｍがより好ま
しい。さらに、凹凸の高低差に対して十分な間隔のピッ
チを与えて凹部と凸部との間の角度を緩やかにして、凹
凸の断面形状を実質的に鋭角的な突起を含まない（変曲
点をもたない）曲線状にすると、開放端電圧の低下や製
造歩留りの低下を伴うことなく、光閉じ込め効果を改善
して高性能の光電変換装置を得ることができる。
は１０〜１００ｎｍが好ましく、２０〜６０ｎｍがより
好ましい。また、凹凸のピッチは凹凸の高低差より大き
くかつその２５倍以下であることが好ましく、凹凸のピ
ッチは凹凸の高低差の４倍以上２０倍以下であることが
より好ましい。具体的には、凹凸のピッチは３００〜１
０００ｎｍが好ましく、５５０〜８００ｎｍがより好ま
しい。さらに、凹凸の高低差に対して十分な間隔のピッ
チを与えて凹部と凸部との間の角度を緩やかにして、凹
凸の断面形状を実質的に鋭角的な突起を含まない（変曲
点をもたない）曲線状にすると、開放端電圧の低下や製
造歩留りの低下を伴うことなく、光閉じ込め効果を改善
して高性能の光電変換装置を得ることができる。
【００２０】上記のような表面凹凸構造は、透明電極１
０の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真の画像処理
や、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による表面観察および表
面形状測定によって決定することができる。
０の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真の画像処理
や、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による表面観察および表
面形状測定によって決定することができる。
【００２１】本発明において、透明電極を熱ＣＶＤ法に
より成膜する場合、ガス種（主原料ガス、酸化性ガス、
ドーパントガスなどの種類）、ガス混合比、ガス流量、
成膜温度、成膜圧力などによって、多結晶の透明導電膜
の結晶粒径や結晶配向軸を調整することができる。した
がって、従来通りの条件で比較的厚い第１の透明導電膜
を成膜した後、従来よりも凹凸が穏やかになる条件に変
更して比較的薄い第２の透明導電膜を成膜することによ
り、第１の透明導電膜の表面凹凸が鋭い場合でも第２の
透明導電膜により第１の透明導電膜の鋭い表面凹凸を埋
めて高低差を減少することができ、第２の透明導電膜の
表面凹凸をなだらかな曲線状にすることができる。
より成膜する場合、ガス種（主原料ガス、酸化性ガス、
ドーパントガスなどの種類）、ガス混合比、ガス流量、
成膜温度、成膜圧力などによって、多結晶の透明導電膜
の結晶粒径や結晶配向軸を調整することができる。した
がって、従来通りの条件で比較的厚い第１の透明導電膜
を成膜した後、従来よりも凹凸が穏やかになる条件に変
更して比較的薄い第２の透明導電膜を成膜することによ
り、第１の透明導電膜の表面凹凸が鋭い場合でも第２の
透明導電膜により第１の透明導電膜の鋭い表面凹凸を埋
めて高低差を減少することができ、第２の透明導電膜の
表面凹凸をなだらかな曲線状にすることができる。
【００２２】なお、フラットな基板上に、第２の透明導
電膜を成膜する条件で直接的に透明電極を形成すると、
第１の透明導電膜と比べて表面凹凸が非常に小さく、ほ
とんど凹凸のない表面となり、光閉じ込め効果が不十分
になる。
電膜を成膜する条件で直接的に透明電極を形成すると、
第１の透明導電膜と比べて表面凹凸が非常に小さく、ほ
とんど凹凸のない表面となり、光閉じ込め効果が不十分
になる。
【００２３】例えば熱ＣＶＤ法によりＳｎＯ2からなる
透明電極を成膜する場合には、基板温度を６００℃以
下、より好ましくは５５０℃以下に設定し、原料ガスと
してＳｎＣｌ4、酸化性ガスとしてＨ2ＯおよびＯ2、必
要に応じてＦドーパントガスを、キャリアガスとしてＮ
2を用いて供給して、常圧下で成膜する。
透明電極を成膜する場合には、基板温度を６００℃以
下、より好ましくは５５０℃以下に設定し、原料ガスと
してＳｎＣｌ4、酸化性ガスとしてＨ2ＯおよびＯ2、必
要に応じてＦドーパントガスを、キャリアガスとしてＮ
2を用いて供給して、常圧下で成膜する。
【００２４】透明電極１０上にシリコン系光電変換ユニ
ット１１が形成される。この光電変換ユニット１１に含
まれるすべての半導体層は、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１５
０ＭＨｚ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法を用いてもよい。
ット１１が形成される。この光電変換ユニット１１に含
まれるすべての半導体層は、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１５
０ＭＨｚ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法を用いてもよい。
【００２５】光電変換ユニット１１には一導電型層１１
１、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ｐ型層でもｎ
型層でもよく、これに対応して逆導電型層１１３はｎ型
層またはｐ型層になる。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ｐ型層、逆導電型層１１
３はｎ型層である。
１、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ｐ型層でもｎ
型層でもよく、これに対応して逆導電型層１１３はｎ型
層またはｐ型層になる。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ｐ型層、逆導電型層１１
３はｎ型層である。
【００２６】一導電型層１１１は、たとえば導電型決定
不純物原子としてボロンをドープしたｐ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、ｐ
型層の場合にはアルミニウムなどでもよい。また、一導
電型層１１１の半導体材料としては、非晶質シリコン、
非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコンゲルマニウ
ム等の合金材料、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（レーザーアニール）
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。
不純物原子としてボロンをドープしたｐ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、ｐ
型層の場合にはアルミニウムなどでもよい。また、一導
電型層１１１の半導体材料としては、非晶質シリコン、
非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコンゲルマニウ
ム等の合金材料、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（レーザーアニール）
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。
【００２７】一導電型層１１１上に結晶質シリコン系光
電変換層１１２が堆積される。この結晶質シリコン系光
電変換層１１２としては、体積結晶化分率が８０％以上
である、ノンドープ（真性半導体）の多結晶シリコン膜
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についても、上記の材料に
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ができる。光電変換層１
１２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０．５〜２０μｍの範囲に形成される。こ
の結晶質シリコン系光電変換層１１２は４００℃以下の
低温で形成されるので、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。具体的
には、光電変換層１１２の水素含有量は１〜３０原子％
の範囲内にある。さらに、結晶質シリコン系薄膜光電変
換層１１２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（１１
０）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（１１１）回折ピー
クの強度比は０．２以下である。
電変換層１１２が堆積される。この結晶質シリコン系光
電変換層１１２としては、体積結晶化分率が８０％以上
である、ノンドープ（真性半導体）の多結晶シリコン膜
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についても、上記の材料に
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ができる。光電変換層１
１２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０．５〜２０μｍの範囲に形成される。こ
の結晶質シリコン系光電変換層１１２は４００℃以下の
低温で形成されるので、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。具体的
には、光電変換層１１２の水素含有量は１〜３０原子％
の範囲内にある。さらに、結晶質シリコン系薄膜光電変
換層１１２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（１１
０）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（１１１）回折ピー
クの強度比は０．２以下である。
【００２８】結晶質シリコン系光電変換層１１２上には
逆導電型層１１３が形成される。この逆導電型層１１３
は、たとえば導電型決定不純物原子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。ま
た、逆導電型層１１３の半導体材料としては、非晶質シ
リコン、非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコンゲ
ルマニウム等の合金材料、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。
逆導電型層１１３が形成される。この逆導電型層１１３
は、たとえば導電型決定不純物原子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。ま
た、逆導電型層１１３の半導体材料としては、非晶質シ
リコン、非晶質シリコンカーバイドや非晶質シリコンゲ
ルマニウム等の合金材料、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。
【００２９】ここで、透明電極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、透明電極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、透明電極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。
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、透明電極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、透明電極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。
【００３０】光電変換ユニット１１上には透明導電性酸
化膜１２１と光反射性金属電極１２２とを含む裏面電極
１２が形成される。透明導電性酸化膜１２１は、必要に
応じて形成されるが、光電変換ユニット１１と光反射性
金属電極１２２との付着性を高め、光反射性金属電極１
２２の反射効率を高め、光電変換ユニット１１を化学変
化から防止する機能を有する。
化膜１２１と光反射性金属電極１２２とを含む裏面電極
１２が形成される。透明導電性酸化膜１２１は、必要に
応じて形成されるが、光電変換ユニット１１と光反射性
金属電極１２２との付着性を高め、光反射性金属電極１
２２の反射効率を高め、光電変換ユニット１１を化学変
化から防止する機能を有する。
【００３１】透明導電性酸化膜１２１は、ＩＴＯ、Ｓｎ
Ｏ2、ＺｎＯなどから選択される少なくとも１種で形成
することが好ましく、ＺｎＯを主成分とする膜が特に好
ましい。光電変換ユニット１１に隣接する透明導電性酸
化膜１２１の平均結晶粒径は１００ｎｍ以上であること
が好ましい。この条件を満たすためには、下地温度を１
００〜４５０℃に設定して透明導電性酸化膜１２１を形
成することが望ましい。なお、ＺｎＯを主成分とする透
明導電性酸化膜１２１の膜厚は５０ｎｍ〜１μｍである
ことが好ましく、比抵抗は１．５×１０-3Ωｃｍ以下で
あることが好ましい。
Ｏ2、ＺｎＯなどから選択される少なくとも１種で形成
することが好ましく、ＺｎＯを主成分とする膜が特に好
ましい。光電変換ユニット１１に隣接する透明導電性酸
化膜１２１の平均結晶粒径は１００ｎｍ以上であること
が好ましい。この条件を満たすためには、下地温度を１
００〜４５０℃に設定して透明導電性酸化膜１２１を形
成することが望ましい。なお、ＺｎＯを主成分とする透
明導電性酸化膜１２１の膜厚は５０ｎｍ〜１μｍである
ことが好ましく、比抵抗は１．５×１０-3Ωｃｍ以下で
あることが好ましい。
【００３２】光反射性金属電極１２２は真空蒸着または
スパッタなどの方法によって形成することができる。光
反射性金属電極１２２は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕおよ
びＰｔから選択される１種、またはこれらを含む合金で
形成することが好ましい。たとえば、光反射性の高いＡ
ｇを１００〜３３０℃、より好ましくは２００〜３００
℃の温度で真空蒸着によって形成することが好ましい。
スパッタなどの方法によって形成することができる。光
反射性金属電極１２２は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕおよ
びＰｔから選択される１種、またはこれらを含む合金で
形成することが好ましい。たとえば、光反射性の高いＡ
ｇを１００〜３３０℃、より好ましくは２００〜３００
℃の温度で真空蒸着によって形成することが好ましい。
【００３３】次に、図２に示す断面図を参照して、本発
明に係るタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を説明
する。このタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置は、
基板１上に、第１透明導電膜２０１および第２透明導電
膜２０２を含む透明電極２０と、微結晶または非晶質シ
リコン系の一導電型層２１１、実質的に真性半導体であ
る非晶質シリコン系光電変換層２１２および微結晶また
は非晶質シリコン系の逆導電型層２１３を含む前方光電
変換ユニット２１と、図１の光電変換ユニット１１に対
応する一導電型層２２１、結晶質シリコン系光電変換層
２２２および逆導電型層２２３を含む後方光電変換ユニ
ット２２と、透明導電性酸化膜２３１および光反射性金
属電極２３２を含む裏面電極２３とを順次積層した構造
を有する。前方光電変換ユニット２１および後方光電変
換ユニット２２を構成する各層は、いずれもプラズマＣ
ＶＤ法により形成される。
明に係るタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を説明
する。このタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置は、
基板１上に、第１透明導電膜２０１および第２透明導電
膜２０２を含む透明電極２０と、微結晶または非晶質シ
リコン系の一導電型層２１１、実質的に真性半導体であ
る非晶質シリコン系光電変換層２１２および微結晶また
は非晶質シリコン系の逆導電型層２１３を含む前方光電
変換ユニット２１と、図１の光電変換ユニット１１に対
応する一導電型層２２１、結晶質シリコン系光電変換層
２２２および逆導電型層２２３を含む後方光電変換ユニ
ット２２と、透明導電性酸化膜２３１および光反射性金
属電極２３２を含む裏面電極２３とを順次積層した構造
を有する。前方光電変換ユニット２１および後方光電変
換ユニット２２を構成する各層は、いずれもプラズマＣ
ＶＤ法により形成される。
【００３４】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。
【００３５】（実施例１）以下のようにして図１に示す
シリコン系薄膜光電変換装置を作製した。まずガラス基
板１上に、表面凹凸の高低差の大きい第１透明導電膜１
０１および表面凹凸の高低差の小さい第２透明導電膜１
０２を含む透明電極１０を形成した。
シリコン系薄膜光電変換装置を作製した。まずガラス基
板１上に、表面凹凸の高低差の大きい第１透明導電膜１
０１および表面凹凸の高低差の小さい第２透明導電膜１
０２を含む透明電極１０を形成した。
【００３６】第１透明導電膜１０１は、基板温度を５０
０℃に設定し、原料ガスとしてＳｎＣｌ4２．０ｍｏｌ
％、酸化性ガスとしてＨ2Ｏ１０ｍｏｌ％およびＯ2１．
０ｍｏｌ％、Ｆドーパントガス１．０ｍｏｌ％を、キャ
リアガスとしてＮ2を供給して、常圧下で厚さ８００ｎ
ｍのＳｎＯ2を成膜することにより形成した。この第１
透明導電膜１０１の表面凹凸の平均高低差は１５６ｎｍ
であった。
０℃に設定し、原料ガスとしてＳｎＣｌ4２．０ｍｏｌ
％、酸化性ガスとしてＨ2Ｏ１０ｍｏｌ％およびＯ2１．
０ｍｏｌ％、Ｆドーパントガス１．０ｍｏｌ％を、キャ
リアガスとしてＮ2を供給して、常圧下で厚さ８００ｎ
ｍのＳｎＯ2を成膜することにより形成した。この第１
透明導電膜１０１の表面凹凸の平均高低差は１５６ｎｍ
であった。
【００３７】第２透明導電膜１０２は、基板温度を４５
０℃に設定し、原料ガスとしてＳｎＣｌ4２．０ｍｏｌ
％、酸化性ガスとしてＨ2Ｏ１０ｍｏｌ％およびＯ2２．
０ｍｏｌ％、Ｆドーパントガス１．５ｍｏｌ％を、キャ
リアガスとしてＮ2を用いて供給して、常圧下で厚さ２
００ｎｍのＳｎＯ2を成膜することにより形成した。こ
の第２透明導電膜１０２の表面凹凸の平均高低差は１３
２ｎｍであった。
０℃に設定し、原料ガスとしてＳｎＣｌ4２．０ｍｏｌ
％、酸化性ガスとしてＨ2Ｏ１０ｍｏｌ％およびＯ2２．
０ｍｏｌ％、Ｆドーパントガス１．５ｍｏｌ％を、キャ
リアガスとしてＮ2を用いて供給して、常圧下で厚さ２
００ｎｍのＳｎＯ2を成膜することにより形成した。こ
の第２透明導電膜１０２の表面凹凸の平均高低差は１３
２ｎｍであった。
【００３８】次に、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１０
ｎｍのボロンドープの一導電型層（ｐ型層）１１１、厚
さ３μｍのノンドープの多結晶シリコン系光電変換層
（ｉ型層）１１２、および厚さ１５ｎｍのリンドープの
逆導電型層（ｎ型層）１１３を成膜してｐ−ｉ−ｎ接合
の多結晶シリコン系光電変換ユニット１１を形成した。
ｎｍのボロンドープの一導電型層（ｐ型層）１１１、厚
さ３μｍのノンドープの多結晶シリコン系光電変換層
（ｉ型層）１１２、および厚さ１５ｎｍのリンドープの
逆導電型層（ｎ型層）１１３を成膜してｐ−ｉ−ｎ接合
の多結晶シリコン系光電変換ユニット１１を形成した。
【００３９】次いで、それぞれスパッタ法により、Ｚｎ
Ｏからなる厚さ１００ｎｍの透明導電性酸化膜１２１、
およびＡｇからなる厚さ３００ｎｍの光反射性金属電極
１２２を成膜して、裏面電極１２を形成した。
Ｏからなる厚さ１００ｎｍの透明導電性酸化膜１２１、
およびＡｇからなる厚さ３００ｎｍの光反射性金属電極
１２２を成膜して、裏面電極１２を形成した。
【００４０】上記の条件でガラス基板上に面積１ｃｍ2
のシリコン系薄膜光電変換装置を１００個作製した。得
られた１００個の光電変換装置にＡＭ１．５の光を１０
０ｍＷ／ｃｍ2の光量で入射して光電変換効率を測定し
たところ、最高値が７．５％、平均値が７．１％であっ
た。そして、１００個の光電変換装置のうち、光電変換
効率が平均値よりも１割以上の低いものはわずかに２個
であり、特性のばらつきが小さかった。
のシリコン系薄膜光電変換装置を１００個作製した。得
られた１００個の光電変換装置にＡＭ１．５の光を１０
０ｍＷ／ｃｍ2の光量で入射して光電変換効率を測定し
たところ、最高値が７．５％、平均値が７．１％であっ
た。そして、１００個の光電変換装置のうち、光電変換
効率が平均値よりも１割以上の低いものはわずかに２個
であり、特性のばらつきが小さかった。
【００４１】（比較例１）ガラス基板１上に、表面凹凸
の高低差の大きい第１透明導電膜１０１のみからなる透
明電極１０を形成した以外は実施例１と同様にして図１
に示すシリコン系薄膜光電変換装置を作製した。なお、
第１透明導電膜１０１の成膜条件は実施例１と同一とし
た。
の高低差の大きい第１透明導電膜１０１のみからなる透
明電極１０を形成した以外は実施例１と同様にして図１
に示すシリコン系薄膜光電変換装置を作製した。なお、
第１透明導電膜１０１の成膜条件は実施例１と同一とし
た。
【００４２】上記の条件でガラス基板上に面積１ｃｍ2
のシリコン系薄膜光電変換装置を１００個作製した。得
られた１００個の光電変換装置にＡＭ１．５の光を１０
０ｍＷ／ｃｍ2の光量で入射して光電変換効率を測定し
たところ、最高値が７．１％、平均値が６．０％であっ
た。そして、１００個の光電変換装置のうち、光電変換
効率が平均値よりも１割以上の低いものは２６個であ
り、特性のばらつきが大きかった。
のシリコン系薄膜光電変換装置を１００個作製した。得
られた１００個の光電変換装置にＡＭ１．５の光を１０
０ｍＷ／ｃｍ2の光量で入射して光電変換効率を測定し
たところ、最高値が７．１％、平均値が６．０％であっ
た。そして、１００個の光電変換装置のうち、光電変換
効率が平均値よりも１割以上の低いものは２６個であ
り、特性のばらつきが大きかった。
【００４３】（実施例２）以下のようにして図２に示す
タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を作製した。ま
ずガラス基板１上に、実施例１と同一の条件で、表面凹
凸の高低差の大きい第１透明導電膜２０１および表面凹
凸の高低差の小さい第２透明導電膜２０２を含む透明電
極２０を形成した。
タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を作製した。ま
ずガラス基板１上に、実施例１と同一の条件で、表面凹
凸の高低差の大きい第１透明導電膜２０１および表面凹
凸の高低差の小さい第２透明導電膜２０２を含む透明電
極２０を形成した。
【００４４】次に、プラズマＣＶＤ法により、ボロンド
ープの一導電型層（ｐ型層）２１１、ノンドープの非晶
質シリコン系光電変換層（ｉ型層）２１２、およびリン
ドープの逆導電型層（ｎ型層）２１３を成膜してｐ−ｉ
−ｎ接合の非晶質シリコン系の前方光電変換ユニット２
１を形成した。また、実施例１と同様にして、プラズマ
ＣＶＤ法により、ボロンドープの一導電型層（ｐ型層）
２２１、ノンドープの多結晶シリコン系光電変換層（ｉ
型層）２２２、およびリンドープの逆導電型層（ｎ型
層）２２３を成膜してｐ−ｉ−ｎ接合の多結晶シリコン
系の後方光電変換ユニット２２を形成した。
ープの一導電型層（ｐ型層）２１１、ノンドープの非晶
質シリコン系光電変換層（ｉ型層）２１２、およびリン
ドープの逆導電型層（ｎ型層）２１３を成膜してｐ−ｉ
−ｎ接合の非晶質シリコン系の前方光電変換ユニット２
１を形成した。また、実施例１と同様にして、プラズマ
ＣＶＤ法により、ボロンドープの一導電型層（ｐ型層）
２２１、ノンドープの多結晶シリコン系光電変換層（ｉ
型層）２２２、およびリンドープの逆導電型層（ｎ型
層）２２３を成膜してｐ−ｉ−ｎ接合の多結晶シリコン
系の後方光電変換ユニット２２を形成した。
【００４５】次いで、それぞれスパッタ法により、Ｚｎ
Ｏからなる厚さ１００ｎｍの透明導電性酸化膜２３１、
およびＡｇからなる厚さ３００ｎｍの光反射性金属電極
２３２を成膜して、裏面電極２３を形成した。
Ｏからなる厚さ１００ｎｍの透明導電性酸化膜２３１、
およびＡｇからなる厚さ３００ｎｍの光反射性金属電極
２３２を成膜して、裏面電極２３を形成した。
【００４６】上記の条件でガラス基板上に面積１ｃｍ2
のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を１００個作
製した。得られた１００個の光電変換装置にＡＭ１．５
の光を１００ｍＷ／ｃｍ2の光量で入射して光電変換効
率を測定したところ、最高値が１３．８％、平均値が１
３．０％であった。また、１００個の光電変換装置のう
ち、光電変換効率が平均値よりも１割以上の低いものは
わずかに１個であり、特性のばらつきが小さかった。
のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を１００個作
製した。得られた１００個の光電変換装置にＡＭ１．５
の光を１００ｍＷ／ｃｍ2の光量で入射して光電変換効
率を測定したところ、最高値が１３．８％、平均値が１
３．０％であった。また、１００個の光電変換装置のう
ち、光電変換効率が平均値よりも１割以上の低いものは
わずかに１個であり、特性のばらつきが小さかった。
【００４７】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、光
電変換特性のばらつきを低減したシリコン系薄膜光電変
換装置を提供することができる。
電変換特性のばらつきを低減したシリコン系薄膜光電変
換装置を提供することができる。
【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。
例を示す断面図。
【図２】本発明に係るタンデム型シリコン系薄膜光電変
換装置の一例を示す断面図。
換装置の一例を示す断面図。
１…基板 １０…透明電極 １０１…第１透明導電膜、１０２…第２透明導電膜 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 １２…裏面電極 １２１…透明導電性酸化膜、１２２…光反射性金属電極 ２０…透明電極 ２０１…第１透明導電膜、２０２…第２透明導電膜 ２１…前方光電変換ユニット ２１１…一導電型層、２１２…結晶質シリコン系光電変
換層、２１３…逆導電型層 ２２…後方光電変換ユニット ２２１…一導電型層、２２２…非晶質シリコン系光電変
換層、２２３…逆導電型層 ２３…裏面電極 ２３１…透明導電性酸化膜、２３２…光反射性金属電極
換層、１１３…逆導電型層 １２…裏面電極 １２１…透明導電性酸化膜、１２２…光反射性金属電極 ２０…透明電極 ２０１…第１透明導電膜、２０２…第２透明導電膜 ２１…前方光電変換ユニット ２１１…一導電型層、２１２…結晶質シリコン系光電変
換層、２１３…逆導電型層 ２２…後方光電変換ユニット ２２１…一導電型層、２２２…非晶質シリコン系光電変
換層、２２３…逆導電型層 ２３…裏面電極 ２３１…透明導電性酸化膜、２３２…光反射性金属電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F051 AA03 AA05 BA14 CA02 CA03 CA04 CB12 CB15 DA15 FA02 FA03 FA04 FA06 FA13 FA15 FA17 FA18 FA19
Claims (5)
- 【請求項１】 基板上に順次形成された、透明電極と、
シリコン系薄膜光電変換ユニットと、光反射性金属電極
を含む裏面電極とを具備したシリコン系薄膜光電変換装
置において、 前記透明電極は基板側から第１および第２の透明導電膜
を積層した２層構造をなし、前記第１透明導電膜は表面
の凹凸の平均高低差が１００〜１０００ｎｍであり、前
記第２透明導電膜は平均膜厚が５０〜５００ｎｍであり
表面の凹凸の平均高低差が第１透明導電膜のそれよりも
小さいことを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置。 - 【請求項２】 前記透明電極を構成する第１および第２
の透明導電膜は、ＩＴＯ、ＳｎＯ2およびＺｎＯからな
る群より選択される少なくとも１種を主成分とすること
を特徴とす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。 - 【請求項３】 前記透明電極を構成する第１および第２
の透明導電膜は、ＣＶＤ法またはスパッタ法により形成
された膜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。 - 【請求項４】 前記シリコン系薄膜光電変換ユニット
が、結晶質シリコン系光電変換層を含むｐ−ｉ−ｎ接合
を形成していることを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれか記載のシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法。 - 【請求項５】 前記薄膜シリコン系光電変換ユニット
が、１つ以上のアモルファスシリコン系光電変換ユニッ
トと、１つ以上の結晶質シリコン系光電変換ユニットと
を積層したタンデム型であることを特徴とする請求項１
ないし３のいずれか記載のシリコン系薄膜光電変換装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11050589A JP2000252500A (ja) | 1999-02-26 | 1999-02-26 | シリコン系薄膜光電変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11050589A JP2000252500A (ja) | 1999-02-26 | 1999-02-26 | シリコン系薄膜光電変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000252500A true JP2000252500A (ja) | 2000-09-14 |
Family
ID=12863173
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11050589A Pending JP2000252500A (ja) | 1999-02-26 | 1999-02-26 | シリコン系薄膜光電変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000252500A (ja) |
Cited By (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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