JP2000332268A

JP2000332268A - 薄膜多結晶シリコン、それを用いた太陽電池及び薄膜多結晶シリコンの製造方法

Info

Publication number: JP2000332268A
Application number: JP11138127A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ishida; 博之石田; Tetsuhiro Horie; 哲弘堀江
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】安価で高効率な薄膜多結晶シリコン太陽電池
を得ること。【解決手段】薄膜多結晶シリコン８をドーパント濃度
を適正に制御したｐ層３とｎ層５で発電層となるｉ層４
を挟んだｐｉｎ構造として、ほぼ発電層（ｉ層）４全体
に内蔵電界を形成する。これにより、光照射により生成
された光生成キャリアが発電層のほぼ全体に拡がった内
蔵電界に基づくドリフトにより分離され、結晶粒界６で
捕獲されて再結合する確率が低くなる。従って、結晶粒
径の小さい薄膜多結晶シリコン８で太陽電池を構成した
場合においても、結晶粒界６における損失が低減し、外
部に取り出すことのできる電流が増加すると同時に開放
電圧も増大し、結晶粒径の小さい薄膜多結晶シリコン太
陽電池の変換効率が向上する。また、結晶粒径を増大さ
せる必要がないため、ランプアニール等による溶融再結
晶化の工程が不要であり、製造工程が簡素化し、低コス
ト化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光電変換装置の一つ
である太陽電池に関し、特に、安価で高効率な薄膜多結
晶シリコン、それを用いた薄膜多結晶シリコン太陽電池
及び薄膜多結晶シリコンの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン太陽電池に関して、一般的には
光エネルギーを起電力に変換する光電変換効率の点から
単結晶シリコンを使用するのが好ましいが、大面積化あ
るいは低コスト化の点からはアモルファスシリコンが有
利と言われていた。つまり、従来は、高変換効率化と低
コスト化とはトレードオフの関係となっていた。

【０００３】近年においては、アモルファスシリコン並
みの低コスト化と、単結晶シリコン並みの高変換効率と
を同時に実現するために、入射光の捕獲を促進する構造
を有する薄膜型の多結晶シリコン太陽電池が提案されて
いる。

【０００４】図３に、従来の薄膜多結晶シリコン太陽電
池の構造を示す。図３に示すように、従来の薄膜多結晶
シリコン太陽電池においては、セラミックス、金属、ガ
ラス等の基板１上に、低圧化学気相成長法（LPCVD:Low
Pressure Chemical Vapor Deposition）等の薄膜形成技
術を用いて、ｐ層１１及びｎ層１２からなるｐｎ接合を
有する薄膜多結晶シリコン１０ａを形成する試みがなさ
れている。この方法で形成される薄膜多結晶シリコン１
０ａは、通常、０.1〜１μｍ程度の結晶粒径を有する。
この薄膜多結晶シリコン１０ａの表面及び裏面に、光照
射により発生した電圧及び電流を外部に取り出すために
金属膜あるいは透明導電膜からなる表面電極７及び裏面
電極２が形成されて、薄膜多結晶シリコン太陽電池とな
る。

【０００５】図３に示す従来の薄膜多結晶シリコン太陽
電池では、ｐ層１１が発電層であり、ｐ層１１中で光照
射により生成された電子がｐ層１１中を拡散し、ｐｎ接
合部の内蔵電界によってｎ層１２側に分離されることに
より、表面電極７及び裏面電極２を通して外部に電力を
取り出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の薄膜多
結晶シリコン１０ａにおいては、結晶粒界（結晶粒と結
晶粒との境界）６に再結合中心（欠陥）が多く存在し、
この再結合中心でキャリアが捕獲され易いため、太陽電
池を構成した場合に結晶粒界６が損失の重大な原因とな
っている。このため、特に、結晶粒径が小さい薄膜多結
晶シリコンの場合には、結晶粒界６で再結合中心を介し
て再結合してしまうキャリアが多くなり、変換効率が低
くなってしまう。

【０００７】そこで、従来の薄膜多結晶シリコン太陽電
池おいて変換効率を向上させるためには、図４に示す薄
膜多結晶シリコン１０ｂのように、結晶粒径を大きくす
る必要があった。

【０００８】それに対しては、例えば特開平３−２２８
３２４号公報（多結晶Ｓｉ薄膜の成長方法）に開示され
ているように、ランプアニール光を照射し溶融再結晶化
させる等の方法により結晶粒径を大きくするという試み
もなされているが、工程が複雑になり、低コスト化の点
で問題があった。

【０００９】従って、安価で高効率な薄膜多結晶シリコ
ン太陽電池を得るには、結晶粒径の小さい薄膜多結晶シ
リコン太陽電池においても変換効率を高めることができ
る工夫が必要である。

【００１０】以上のことから、本発明の課題は安価で高
効率な太陽電池を得るのに適した、薄膜多結晶シリコ
ン、それを用いた太陽電池及び薄膜多結晶シリコンの製
造方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は上
記課題を解決する薄膜多結晶シリコンであり、ｐｉｎ構
造を有し、ｉ層に内蔵電界が形成されていることを特徴
とする。

【００１２】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明の薄膜多結晶シリコンにおいて、ｐ層のドーパント濃
度は１×10¹⁸〜１×10²⁰cm^-3の範囲であり、ｉ層のドー
パント濃度はゼロを含む１×10¹⁶cm^-3以下であり、ｎ層
のドーパント濃度は１×10¹⁸〜１×10²⁰cm^-3の範囲であ
ることを特徴とする。

【００１３】請求項３に係る発明は、請求項２に係る発
明の薄膜多結晶シリコンにおいて、ｐ層のドーパントは
ボロン、アルミニウムまたはインジウムであり、ｉ層の
ドーパントはボロン、アルミニウム、インジウム、リン
（燐）、アンチモンまたは砒素であり、ｎ層のドーパン
トはリン、アンチモンまたは砒素であることを特徴とす
る。

【００１４】請求項４に係る発明は上記課題を解決する
薄膜多結晶シリコン太陽電池であり、基板上に裏面電極
と、請求項１または２または３記載の薄膜多結晶シリコ
ンと、表面電極が順に形成されてなることを特徴とす
る。

【００１５】請求項５に係る発明は、請求項４に係る発
明の薄膜多結晶シリコン太陽電池において、薄膜多結晶
シリコンの表面に反射防止膜が形成されていることを特
徴とする。

【００１６】請求項６に係る発明は上記課題を解決する
薄膜多結晶シリコンの製造方法であり、ｐｉｎ構造を有
する薄膜多結晶シリコンのｐｎ各層のドーパント濃度を
制御することにより、ｉ層に内蔵電界を形成することを
特徴とする。

【００１７】請求項７に係る発明は、請求項６に係る発
明の薄膜多結晶シリコンの製造方法において、ｐ層にド
ーパント濃度が１×10¹⁸〜１×10²⁰cm^-3の範囲でボロ
ン、アルミニウムまたはインジウムを添加し、ｉ層にド
ーパント濃度がゼロを含む１×10¹⁶cm^-3以下の範囲でボ
ロン、アルミニウム、インジウム、リン（燐）、アンチ
モンまたは砒素を添加し、ｎ層にドーパント濃度が１×
10¹⁸〜１×10²⁰cm^-3の範囲でリン、アンチモンまたは砒
素を添加することを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
１〜図２に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態
例に係る薄膜多結晶シリコン太陽電池の断面を模式的に
示し、図２は発電層のドーパント濃度と光電変換効率の
関係を示す。

【００１９】図１に示す薄膜多結晶シリコン太陽電池
は、基板１上に、裏面電極２、ｐｉｎ構造を有する薄膜
多結晶シリコン８、表面電極７をこの順に形成して構成
してあり、更に、薄膜多結晶シリコン８の表面に反射防
止膜９を形成してある。図１に示す例では薄膜多結晶シ
リコン８は基板１側から多結晶シリコンｐ層３、多結晶
シリコンｉ層４、多結晶シリコンｎ層５の順で構成され
ているが、図１とは逆順に基板１側から多結晶シリコン
ｎ層５、多結晶シリコンｉ層４、多結晶シリコンｐ層３
というように構成しても良い。以下、これらの詳細を述
べる。

【００２０】基板１はセラミックス、金属、ガラス等の
基板である。

【００２１】薄膜多結晶シリコン８は多結晶シリコンｐ
層３と多結晶シリコンｎ層５との間に多結晶シリコンｉ
層４を挿入したｐｉｎ構造になっており、これは通常の
単結晶シリコン太陽電池あるいは多結晶シリコン太陽電
池では半導体層がｐｎ構造になっていることに比べ、大
きく異なる。

【００２２】このようにｐｉｎ構造を有する薄膜多結晶
シリコン８は、ｉ層４のほぼ全体に内蔵電界が形成され
るように、ｐｉｎ各層３、４、５のドーパント濃度を以
下に示すように制御している。 (1) ｐ層３及びｎ層５のドーパント濃度（不純物濃度）
は好ましくは１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の範
囲とする。また、ｐ層３及びｎ層５の厚さは０．５μｍ
以下、好ましくは０．１μｍ以下とする。 (2) ｉ層４はドーパントを全く添加しないか、あるい
は、ｐ型またはｎ型ドーパントを低濃度に添加して形成
する。具体的には、ｉ層４のドーパント濃度（不純物濃
度）は好ましくは１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下とする。また、
ｉ層４の厚さは５０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下と
する。

【００２３】更に、ｐｉｎ各層３、４、５のドーパント
濃度について、以下に説明する。 (a) ｉ層４に内蔵電界を形成するには、基本的には、ｐ
ｎ各層３、５のドーパント濃度を例えば１×１０¹⁸ｃｍ
^-3以上と或る程度高くし、ｉ層４にはドーパントを全く
添加しないか、あるいは、ｐ型またはｎ型ドーパントを
低濃度に添加すれば良い。 (b) しかし、ｐ層３やｎ層５で吸収された光は電池外へ
取り出すことができず損失となるので、ｐ層３及びｎ層
５の厚さは前述のように０．５μｍ以下、できれば０．
１μｍ以下とすることが望ましい。そのとき、ｐ層３及
びｎ層５のドーパント濃度を高くし過ぎると、電気的に
短絡した状態となる。短絡しない条件は、ｐ層３及びｎ
層５のドーパント濃度を１×１０²⁰ｃｍ^-3以下にするこ
とである。 (c) 一方、ｉ層４内のキャリアを効率良く収集できる範
囲は例えば０．３μｍ以上と広くすることが望ましい。
そのための空乏層幅（空乏層の膜厚方向の長さ）を広げ
る条件は、ｉ層４のドーパント濃度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3
以下にすることである。 (d) 従って、上記２つの条件を満たす範囲、即ち、ｐ層
３及びｎ層５では１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3
のーパント濃度が望ましく、ｉ層４では１×１０ ¹⁶ｃｍ
^-3以下のドーパント濃度が望ましい。 (e) ｉ層４の厚さは前述のように５０μｍ以下、できれ
ば５μｍ以下とすることが望ましいが、具体的な厚さは
ｉ層４内の空乏層幅との関係で規定され、ｉ層４のほぼ
全体に内蔵電界が形成されるような値にされる。

【００２４】ドーパントの種類の例として、ｐ層３に対
してはボロン、アルミニウム、インジウムを、ｉ層４に
対してボロン、アルミニウム、インジウム、リン
（燐）、アンチモン、砒素を、ｎ層５に対してリン、ア
ンチモン、砒素をそれぞれ挙げることができる。

【００２５】ｐｉｎ各層３、４、５の結晶粒径はかなり
小さくても構わないが１μｍ以上が好ましく、（１０
０）面、（１１０）面もしくは（１１１）面のいずれか
の面、好ましくは（１００）面が強く優先配向した柱状
結晶粒の多結晶シリコンから構成してある。つまり、空
乏層は膜厚方向に広がるため、ｉ層４内で発生したキャ
リアは空乏層内の電界で収集され易いので、膜厚方行に
粒界を持たない柱状構造とすることが望ましい。柱状構
造は配向した膜で形成され易く、特に（１００）配向膜
において形成され易いため、上記のように（１００）配
向とすることが好ましい。

【００２６】ｐｉｎ構造を有する薄膜多結晶シリコン８
においてｉ層４のほぼ全体に内蔵電界が形成されると、
光照射により生成された電子及び正孔（光生成キャリ
ア）がこの内蔵電界に基づくドリフトにより分離される
ので、薄膜多結晶シリコン８の結晶粒界６で捕獲されて
再結合する確率が低くなる。この効果により、結晶粒径
の小さい薄膜多結晶シリコン８で太陽電池を構成した場
合においても、結晶粒界６における損失が低減され、外
部に取り出すことができる電流を増加させることがで
き、同時に開放電圧も増大させることができることか
ら、変換効率を向上させることが可能である。また、結
晶粒径を増大させる必要がないため、ランプアニール等
による溶融再結晶化の工程が不要であり、製造工程を簡
素化できることから、低コスト化にも十分な効果があ
る。

【００２７】反射防止膜９は薄膜多結晶シリコン８の表
面に入射する光の反射を防止して効率向上を図ったもの
であり、薄膜多結晶シリコン８の表面にＳｉＯ、Ａｌ₂
Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂-ＴｉＯ₂等の反射防止物質
を形成することが好ましい。その際、反射防止膜９の一
部を写真蝕刻法等により櫛型あるいは網目型等に除去
し、その上から表面電極７を形成することにより、表面
電極７が薄膜多結晶シリコン８に接触するようにしてあ
る。

【００２８】表１に、ｐｉｎ各層３、４，５のドーパン
ト濃度に対して、計算により求めた空乏層幅、即ちｉ層
４中で内蔵電界が形成される幅を示す。また、２次元デ
バイスシミュレーションを行なった結果より、光電変換
効率を高めるために好ましいドーパント濃度の値を得た
ので、表２に示す。更に、図２に、この２次元デバイス
シミュレーションにより求められた発電層（ｐｉｎ構造
の場合はｉ層４、従来のｐｎ構造の場合はｐ層１１）の
ドーパント濃度と、光電変換効率との関係を示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】表１、表２及び図２より、空乏層幅及び光
電変換効率に着目すると、薄膜多結晶シリコン８中のｐ
ｉｎ各層３、４、５を、上述した通り、下記のようにす
ることにより、ほぼｉ層４全体に内蔵電界が形成され
て、光電変換効率が向上することが判る。 (1) ｐ層３及びｎ層５のドーパント濃度は１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲であれば良い。 (2) ｉ層４のドーパント濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下で
あれば良い。ｉ層４にはドーパントを全く添加しなくて
も良い。

【００３２】薄膜多結晶シリコン８の作製例を、以下に
示す。 (1) 薄膜多結晶シリコン８は、シラン(SiH₄)やジシラン
(Si₂H₆）等のガスを原料とした化学気相成長法（CVD)に
より成膜した。 (2) そして、ｐ層３、ｎ層４及びｎ層５を成膜する際
に、それぞれボロン(B）やリン(P）等のドーパント原子
を添加するために、ジボラン(B₂H₆)あるいはホスフィン
(PH₃）等のガスをそれぞれ原料ガスに混合した。これら
原料ガスとドーパント添加用ガスの混合比を変えること
により、ｐｉｎ各層３、４、５のドーパント濃度を上記
の適正値に制御した。

【００３３】以上のように、薄膜多結晶シリコン８を、
ドーパント濃度を適正に制御したｐ層３とｎ層５で発電
層となるｉ層４を挟んだｐｉｎ構造として、ほぼ発電層
（ｉ層）４全体に内蔵電界を形成したことにより、光照
射により生成された電子及び正孔（光生成キャリア）が
発電層４のほぼ全体に拡がった内蔵電界に基づくドリフ
トにより分離され、結晶粒界６で捕獲されて再結合する
確率が低くなる。これにより、結晶粒径の小さい薄膜多
結晶シリコン８で太陽電池を構成した場合においても、
結晶粒界６における損失が低減し、外部に取り出すこと
のできる電流が増加し、同時に開放電圧も増大する。従
って、結晶粒径の小さい薄膜多結晶シリコン太陽電池の
変換効率が向上する。また、結晶粒径を増大させる必要
がないため、従来のように結晶粒径を増大させるランプ
アニール等による溶融再結晶化の工程が不要であり、製
造工程が簡素化し、低コスト化する。

【００３４】

【発明の効果】請求項１に係る発明の薄膜多結晶シリコ
ンは、ｐｉｎ構造を有し、ｉ層に内蔵電界が形成されて
いるものであるから、光照射により生成された電子及び
正孔（光生成キャリア）がこの内蔵電界に基づくドリフ
トにより分離され、結晶粒界で捕獲されて再結合する確
率が低くなる。これにより、結晶粒径の小さい薄膜多結
晶シリコンにおいても、結晶粒界における損失が低減さ
れ、外部に取り出すことのできる電流を増加させること
ができ、同時に開放電圧も増大させることができる。従
って、光電変換効率が向上する。また、結晶粒径を増大
させる必要がないため、結晶粒径増大のためのランプア
ニール等による溶融再結晶化の工程が不要であり、製造
工程が簡素化し、低コスト化する。このように安価で高
効率な薄膜多結晶シリコンは太陽電池以外、各種の光電
変換手段として活用することができる。

【００３５】請求項２に係る発明の薄膜多結晶シリコン
は、ｐ層のドーパント濃度は１×10 ¹⁸〜１×10²⁰cm^-3の
範囲であり、ｉ層のドーパント濃度はゼロを含む１×10
¹⁶cm ^-3以下であり、ｎ層のドーパント濃度は１×10¹⁸〜
１×10²⁰cm^-3の範囲であるから、ｉ層のほぼ全体に内蔵
電界が形成され、結晶粒界で捕獲されて再結合する確率
がより低くなる。従って、光電変換効率が向上する。

【００３６】請求項３に係る発明の薄膜多結晶シリコン
は、ｐ層のドーパントはボロン、アルミニウムまたはイ
ンジウムであり、ｉ層のドーパントはボロン、アルミニ
ウム、インジウム、リン（燐）、アンチモンまたは砒素
であり、ｎ層のドーパントはリン、アンチモンまたは砒
素であるから、原料ガスとドーパント添加用ガスの混合
比を調整して、化学気相成長法（CVD)によりｐ層、ｉ層
及びｎ層を成膜することができる。

【００３７】請求項４に係る発明の薄膜多結晶シリコン
太陽電池は、基板上に裏面電極と、請求項１または２ま
たは３に係る発明の薄膜多結晶シリコンと、表面電極が
順に形成されてなるものであるから、上述した薄膜多結
晶シリコンの作用効果により、安価で高効率な薄膜多結
晶シリコン太陽電池が得られる。

【００３８】請求項５に係る発明の薄膜多結晶シリコン
太陽電池は、薄膜多結晶シリコンの表面に反射防止膜が
形成されているものであるから、薄膜多結晶シリコンの
表面に入射する光の反射を防止し、効率が向上する。

【００３９】請求項６に係る発明の薄膜多結晶シリコン
の製造方法は、ｐｉｎ構造を有する薄膜多結晶シリコン
のｐｎ各層のドーパント濃度を制御することにより、ｉ
層に内蔵電界を形成するものであるから、ｉ層の内蔵電
界を容易に形成することができる。

【００４０】請求項７に係る発明の薄膜多結晶シリコン
の製造方法は、ｐ層にドーパント濃度が１×10¹⁸〜１×
10²⁰cm^-3の範囲でボロン、アルミニウムまたはインジウ
ムを添加し、ｉ層にドーパント濃度がゼロを含む１×10
¹⁶cm^-3以下の範囲でボロン、アルミニウム、インジウ
ム、リン（燐）、アンチモンまたは砒素を添加し、ｎ層
にドーパント濃度が１×10¹⁸〜１×10²⁰cm^-3の範囲でリ
ン、アンチモンまたは砒素を添加するものであるから、
ｉ層のほぼ全体に内蔵電界を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態例に係る薄膜多結晶シリコン
太陽電池の構成を示す図。

【図２】本発明の発電層のドーパント濃度と変換効率の
関係を示す図。

【図３】従来の結晶粒径が小さい薄膜多結晶シリコン太
陽電池の構成を示す図。

【図４】従来の結晶粒径が大きい薄膜多結晶シリコン太
陽電池の構成を示す図。

【符号の説明】

１基板２裏面電極３ｐ層４ｉ層５ｎ層６結晶粒界７表面電極８薄膜多結晶シリコン９反射防止膜１０ａ従来の結晶粒径が小さい薄膜多結晶シリコン１０ｂ従来の結晶粒径が大きい薄膜多結晶シリコン１１ｐ層１２ｎ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐｉｎ構造を有し、ｉ層に内蔵電界が形
成されている薄膜多結晶シリコン。
【請求項２】ｐ層のドーパント濃度は１×10¹⁸〜１×
10²⁰cm^-3の範囲であり、ｉ層のドーパント濃度はゼロを
含む１×10¹⁶cm^-3以下であり、ｎ層のドーパント濃度は
１×10¹⁸〜１×10²⁰cm^-3の範囲であることを特徴とする
請求項１記載の薄膜多結晶シリコン。
【請求項３】ｐ層のドーパントはボロン、アルミニウ
ムまたはインジウムであり、ｉ層のドーパントはボロ
ン、アルミニウム、インジウム、リン（燐）、アンチモ
ンまたは砒素であり、ｎ層のドーパントはリン、アンチ
モンまたは砒素であることを特徴とする請求項２記載の
薄膜多結晶シリコン。
【請求項４】基板上に裏面電極と、請求項１または２
または３記載の薄膜多結晶シリコンと、表面電極が順に
形成されてなる薄膜多結晶シリコン太陽電池。
【請求項５】前記薄膜多結晶シリコンの表面に反射防
止膜が形成されていることを特徴とする請求項４記載の
薄膜多結晶シリコン太陽電池。
【請求項６】ｐｉｎ構造を有する薄膜多結晶シリコン
のｐｎ各層のドーパント濃度を制御することにより、ｉ
層に内蔵電界を形成することを特徴とする薄膜多結晶シ
リコンの製造方法。
【請求項７】ｐ層にドーパント濃度が１×10¹⁸〜１×
10²⁰cm^-3の範囲でボロン、アルミニウムまたはインジウ
ムを添加し、ｉ層にドーパント濃度がゼロを含む１×10
¹⁶cm^-3以下の範囲でボロン、アルミニウム、インジウ
ム、リン（燐）、アンチモンまたは砒素を添加し、ｎ層
にドーパント濃度が１×10¹⁸〜１×10²⁰cm^-3の範囲でリ
ン、アンチモンまたは砒素を添加することを特徴とする
請求項６記載の薄膜多結晶シリコンの製造方法。