JP2001189477A - 光電変換装置の製造方法及び光電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光電変換装置の製造に要する工程数が少なく、
高効率で且つ廉価に製造でき、しかも製造装置も小型化
できる光電変換装置の製造方法と、光電変換効率の高い
光電変換装置とを提供する。 【解決手段】Ｎ型単結晶シリコンの凹凸面から１００nm
の深さまで水素イオンを層状にイオン注入した後、ガラ
ス基板(2) 上の電極層(3) に前記凹凸面を固着する。そ
の後、５００℃に加熱して前記水素イオンの層に空隙を
形成して前記単結晶シリコンを前記空隙により切り離
し、前記電極層(3) 上にＮ型単結晶シリコン層(4) を形
成する。前記Ｎ型単結晶シリコン層(4) の上に実質的に
真性の微結晶シリコン薄膜層(5) と、同微結晶シリコン
薄膜層(5) の上にＰ型微結晶シリコンカーバイド層(6)
とをプラズマＣＶＤ法により成膜し、最表面に透明導電
膜(7) を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽光や蛍光灯など
の光エネルギーを起電力に変換させる光電変換装置の製
造方法及び光電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種機器において駆動エネルギー
源として光電変換装置、即ち太陽電池が利用されてい
る。太陽電池は機能部分にＰＮ接合またはＰＩＮ接合を
用いており、同ＰＮ接合を構成する半導体としては一般
にシリコンが用いられている。

【０００３】この太陽電池の製造方法として、従来から
単結晶シリコンのインゴットから切り出したシリコンウ
ェハを基板として用い、その一面には電極層を形成する
と共に、他面には化学的気相成長法（ＣＶＤ法）により
アモルファスシリコン又は微結晶シリコンの薄膜層、即
ち、実質的に太陽電池として機能する部分を形成してい
る。このように単結晶シリコンウェハからなる基板表面
にＣＶＤ法により薄膜を形成する場合には、前記基板が
種となりＣＶＤ法による薄膜の結晶性が高まり、太陽電
池としての機能が向上する。

【０００４】しかしながら、前記基板は光の吸収係数が
小さいため太陽電池としての機能が高い部分ではなく、
太陽電池としては実質的に不要な部分であるにもかかわ
らず、単結晶シリコンのインゴットからシリコンウェハ
を切り出して形成するため、ある程度の厚みをもったも
のとなり、その基板の厚み分だけ太陽電池が大型化して
しまう。また、この単結晶シリコンウェハは高価であ
り、しかも、高価な単結晶シリコンのインゴットからシ
リコンウェハを切り出す際に、切り代としてウェハの厚
みと同程度の無駄が生じてしまい、これらのコストが太
陽電池としての製品コストを高くする要因となってい
る。

【０００５】そこで、特開平３−９４４７７号公報に開
示されている光起電力素子の製造方法にあっては、電極
層となるステンレスの基板表面を局部的に露出部分を残
して絶縁層でマスキングし、前記露出部分を核形成面と
して選択的単結晶成長法により単結晶のシリコン層を多
層に形成し、最終的に基板の全表面を多結晶シリコン層
で被覆した後にＣＶＤ法により太陽電池の機能部分であ
るＰ型、Ｉ型、及びＮ型のアモルファスシリコン層を形
成している。ここで、上述のように選択的単結晶成長法
により形成された多層の結晶シリコン層の最上面は凹凸
状となっているため、入射した光が乱反射し、太陽電池
としての性能が向上する。

【０００６】しかし、依然として太陽電池としては不要
な単結晶層が存在するため、太陽電池が大型化すると共
に、選択的単結晶成長法による結晶シリコン層の形成に
は長時間を要するため、製造効率が低い。

【０００７】そこで、特開平１１−２３６６９３号公報
に開示されている太陽電池の製造方法にあっては、上記
公報に開示された方法と同様に凹凸表面を有する単結晶
シリコン層を形成した基板、或いは単結晶シリコンウェ
ハの表面に凹凸を形成した基板の表面を、局部的に露出
部分を残して絶縁層によりマスキングする。その後、前
記表面にＣＶＤ法により太陽電池の機能部分であるシリ
コン薄膜を形成する。一方、ステンレス板等の電極板の
表面に、Ａｇ系ペースト等の導電性接着剤を層状に塗布
しする。この接着剤層に前記シリコン薄膜を貼り合わせ
て、前記絶縁層を可溶な溶液中に浸漬する。それによ
り、前記基板上のＣＶＤシリコン薄膜は前記絶縁層部分
において前記基板から剥がれ、電極板の側にＣＶＤシリ
コン薄膜が移される。

【０００８】かかる方法にあっては、太陽電池としては
不要である単結晶シリコンの層が製造工程において剥が
し取られ、太陽電池には単結晶シリコン層が存在しない
ため、太陽電池が薄型となる。しかしながら、依然とし
て製造工程において単結晶シリコンウェハや、単結晶シ
リコン層を有する基板が必要であるため、太陽電池の製
造コストは依然として高く、更にはＣＶＤシリコン層を
電極板へ転写する工程が加わるため、製造効率の低下及
び更なる製造コストのアップも否めない。また、前記シ
リコン薄膜を電極板に接着する際に導電性接着剤を用い
ているが、このようにシリコンと電極板との間に接着剤
が介在することにより、シリコンと電極板との接触抵抗
が大きくなり、太陽電池としての変換効率が低下する。

【０００９】また、例えば特開平１１−１９５５６２号
公報にも薄膜半導体部材の製造方法開示されている。同
公報に開示された方法では、凹凸表面を有する半導体基
板の前記表面に、不純物濃度の低い半導体層をＣＶＤ法
によりエピタキシャル成長させて形成した後、その表面
に不純物を拡散するなどの方法により、不純物濃度の変
化する半導体の層（不純物濃度変化層）を形成する。そ
の後、陽極化成を行って不純物濃度変化層を多孔質化
し、更に加熱して再結晶化させる。この多孔質層の表面
にＣＶＤ法により半導体薄膜をエピタキシャル成長させ
る。その後、接着層により適宜接着基板に前記半導体薄
膜を貼り付け、半導体基板と半導体薄膜とを互いに反対
側に引張って、それらを多孔質層において分離する。

【００１０】かかる方法にあっても、太陽電池としては
不要な半導体基板を製造工程において剥がし取るため太
陽電池が薄型となる。しかしながら、上述した特開平１
１−２３６６９３号公報に開示された方法と同様に、依
然として製造工程において半導体基板が必要であり、更
には、多孔質化工程や陽極化成工程、ＣＶＤ法による半
導体薄膜を接着基板へ転写する工程などが加わり製造工
程数も多いため、製造効率が低下し、製造コストも高く
なる。

【００１１】また、例えば特開平１１−４０８３２号公
報に開示された薄膜太陽電池の製造方法にあっては、イ
ンゴットから切り出されたＰ型の単結晶シリコンの表面
に凹凸形状を形成した後、その表面から水素原子を層状
にイオン注入する。このときのイオン注入の深さは、Ｐ
型とＮ型とからなる半導体層全体に必要な深さであり、
実施例では約１０μｍまでイオン注入しており、イオン
注入の電圧は５００ｋｅＶである。一方、金属シート上
に絶縁層を塗布し、その表面に、金属粒子を有機溶媒に
分散すると共にＮ型の不純物を添加した電極形成用ペー
ストを塗布する。

【００１２】この金属シート上の電極形成用ペーストに
前記Ｐ型単結晶シリコンのイオン注入された表面を貼り
つけて３００〜５００℃で熱処理すると、溶媒が蒸発し
て下部電極層が形成されると共に、前記Ｐ型単結晶シリ
コンが前記電極層に接着される。その後、更に５００〜
７００℃で熱処理を行うことにより、イオン注入された
水素原子の層において多数の空隙が形成され、同空隙の
領域においてＰ型単結晶シリコンが層間で分断され、電
極層上にＰ型単結晶シリコン層が形成される。◇更に電
極層を有するＰ型単結晶シリコン層を７００〜９００℃
で熱処理することにより、電極層内のＮ型不純物がＰ型
単結晶シリコン層内に拡散し、Ｐ型単結晶シリコン層と
Ｎ型拡散層とのＰＮ結合からなる半導体層が形成され
る。

【００１３】かかる方法によれば、電極層に接着された
Ｐ型単結晶シリコン層は、単なる基板として剥ぎ取られ
ることなく、発電層として利用することができ、従来よ
りも少ない工程数で太陽電池を製造できるため、太陽電
池の製造効率が向上する。また、電極層から分離した残
りのＰ型単結晶シリコンは再び表面から水素原子をイオ
ン注入して同様に使用できるため、Ｐ型単結晶シリコン
を無駄なく利用できる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平１１−４０８３２号公報に開示された薄膜太陽電池
の製造方法にあっては、太陽電池として必須のＮ型半導
体層が、電極材料にＰ型単結晶シリコンを固着した後、
前記電極材料内に予め添加していたＮ型不純物を前記Ｐ
型単結晶シリコン層内に拡散して形成されるため、Ｎ型
不純物の拡散濃度も低く、その拡散の均一性にも劣るも
のとなり、太陽電池としての光電変換効率が低い。

【００１５】更には、Ｐ型とＮ型とを含む半導体層全体
に必要な深さ（約１０μｍ）まで水素イオンをイオン注
入しなければならないため、そのイオン注入時の電圧が
５００ｋｅＶと高電圧になり、それに伴って水素のイオ
ン注入装置が大型化してしまう。また、発電層全体を構
成する単結晶シリコンにはイオン注入によるダメージが
生じることは否めず、そのダメージも高電圧であるため
大きく、太陽電池としての変換効率の低下を招く。更に
は電極が燒結により形成されるため、電極での電気伝導
性が低いといった問題が生じるだけでなく、電極層と発
電層であるシリコンとの接触抵抗も高くなり、変換効率
が更に低下するといった問題も生じる。

【００１６】本発明は以上に述べた従来の光電変換装置
の製造における問題点を解決すべくなされたものであ
り、光電変換装置の製造に要する工程数が少なく、高効
率で且つ廉価に製造でき、しかも製造装置も小型化でき
る光電変換装置の製造方法と、光電変換効率の高い光電
変換装置とを提供することを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段及び作用効果】かかる課題
を解決するために、請求項１に係る発明による光電変換
装置の製造方法は、少なくとも表面がＮ型である単結晶
又は多結晶の半導体の前記表面から所定の深さまで所定
の元素を層状に元素をイオン注入すること、基板上に電
極層を形成すること、単結晶又は多結晶の前記半導体
を、前記所定元素がイオン注入された前記表面において
前記基板上の電極層の表面に対して固着すること、単結
晶又は多結晶の前記半導体を前記所定元素がイオン注入
された領域において切り離すこと、及び前記電極層への
固着面であるＮ型の半導体層の前記固着面とは反対側の
表面に所要の厚みを有する実質的に真性な半導体層を形
成することを備えてなることを特徴としている。本発明
において多結晶とは、光電変換装置の技術分野における
多結晶であり、粒径の大きな多結晶をいう。更に、リボ
ン状結晶のものも含む。

【００１８】本発明は、少なくとも表面がＮ型である単
／多結晶半導体を採用することが重要である。ここで、
「少なくとも表面がＮ型」とは、全体がＮ型の単／多結
晶半導体であってもよく、或いは、表面にＮ型不純物が
拡散された表面のみがＮ型の単／多結晶半導体であって
もよい。このように、少なくとも表面がＮ型である単／
多結晶半導体を採用することにより、Ｎ型不純物の濃度
を所望の濃度に制御でき、十分に高濃度とすることがで
きるため、上述した従来技術のように電極材料に固着し
た後、同電極材料から拡散する場合より、同Ｎ型の半導
体層における抵抗を下げることができ、光電変換効率が
向上するものである。

【００１９】なお、Ｎ型不純物としてはリン、アンチモ
ン、砒素などが挙げられる。また、前記単／多結晶半導
体の面方位は、（１１０）、（１１１）、（１００）、
（３１１）、（５１１）であり、特に（１１０）面を有
する単結晶又は多結晶であることが好ましい。面方位に
ついてはオフ角があってもよい。

【００２０】このような少なくとも表面がＮ型である単
／多結晶半導体の前記表面から所定の深さまで所定の元
素をイオン注入する。この「所定の元素」とは、水素イ
オン、重水素イオン、酸素イオン、炭素イオンなどが挙
げられる。かかる所定元素をイオン注入する場合に、前
記元素が注入される深さは加速電圧により決定され、一
定の加速電圧でイオン注入すれば単／多結晶半導体内に
層状に注入される。

【００２１】このイオン注入の深さは、本発明では光電
変換装置におけるＮ型の半導体層として必要な深さ以上
の深さまでイオン注入する。このＮ型の半導体層として
必要な深さとは、具体的には約１μｍ以下、好ましくは
約１００ｎｍである。例えば約１００ｎｍの深さまで水
素原子を層状にイオン注入する場合には、電圧は数１０
ｋｅＶである。

【００２２】この水素イオンが注入された単／多結晶半
導体の前記表面を前記電極層の表面に固着し、その後、
約５００℃に加熱する。それにより、前記水素イオンが
層状の領域において拡散移動して他の水素イオンと結合
し水素分子となり、前記領域には空隙が形成される。こ
の状態で軽い衝撃を与えると、電極層の表面にはＮ型の
単／多結晶半導体層が固着された状態で、前記単／多結
晶半導体は前記領域で切り離される。このとき、前記単
／多結晶半導体層の露出している表面は、上述したよう
に水素分子の空隙を利用して切り離された面であるた
め、凹凸が形成されている。

【００２３】更に本発明は、前記電極層への固着面であ
るＮ型の半導体層の前記固着面とは反対側の表面に所要
の厚みを有する実質的に真性な半導体層を形成すること
を備えている。この実質的に真性な半導体層を形成する
こととは、例えばＣＶＤ法により形成する場合や、上述
のイオン注入した単／多結晶半導体を固着することによ
り形成する場合などが挙げられる。

【００２４】例えば前記単／多結晶半導体として全体が
Ｎ型の半導体を使用した場合には、前記電極層の上には
Ｎ型の半導体層のみが固着されている。従って、このＮ
型の単／多結晶半導体層の上に更にＣＶＤ法により実質
的に真性な半導体層を所要の厚みに形成し、更にＰ型半
導体層と上部電極とを形成して光電変換装置を製造す
る。

【００２５】また、例えば前記単／多結晶半導体として
実質的に真性の半導体の表面のみがＮ型である半導体を
採用した場合には、そのＮ型部分の深さまでイオン注入
してＮ型半導体層のみを電極層に固着して、実質的に真
性の半導体層はＣＶＤ法により形成することができる。
或いは、前記単／多結晶半導体の表面からＮ型の半導体
層の厚みと実質的に真性の半導体層の厚み、即ち前記所
要の厚みに必要な深さまでイオン注入して、Ｎ型の半導
体層及び実質的に真性の半導体層の全部を電極層に固着
して形成することもできる。更には、前記実質的に真性
の半導体層の一部までイオン注入により電極層に固着し
て形成し、前記実質的に真性の半導体層の残りの部分を
ＣＶＤ法により形成することもできる。

【００２６】ＣＶＤ法により実質的に真性の半導体層を
形成する際に、前記単／多結晶半導体層が種結晶となる
ため、同一速度でＣＶＤ法により同一速度で半導体層を
形成する場合には、その結晶性、即ち結晶粒の大きさと
配向性とが著しく向上し、光電変換効率が向上する。或
いは同一の膜質であればＣＶＤ法によって従来よりも高
速に半導体層を形成することができる。

【００２７】また、凹凸形状の単／多結晶半導体層表面
に形成された実質的に真性の半導体層の表面も当然に凹
凸形状となるため、これら半導体層に入射した光は乱反
射し、光電変換効率が向上する。更には、単／多結晶半
導体層表面が凹凸形状であるため、その上にＣＶＤ法に
より形成された実質的に真性の半導体層の膜応力を単／
多結晶半導体層表面が凹凸形状で緩和されると共に、凹
凸形状によりアンカー効果も得られ、前記単／多結晶半
導体層とＣＶＤ法による実質的に真性の半導体層との層
間剥離を防止できる。

【００２８】更に、実質的に真性の半導体層をＣＶＤ法
により形成した場合には、光電変換装置の用途に応じて
必要な光電変換効率となるよう、前記実質的に真性の半
導体層の品質（結晶性）を自由に調整することができ
る。

【００２９】なお、表面部分が電極層に固着されて切り
離された残りの単／多結晶半導体は、再度、表面に所定
元素をイオン注入して新たな光電変換装置の製造に使用
することができる。

【００３０】前記電極層としては、アルミニウム、銅、
銀、ステンレスなどの金属やＺｎＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂
或いはこれらの多層膜からなる導電性透明電極を使用す
ることができる。或いは金属と透明導電膜との多層膜と
することも可能である。

【００３１】基板上への電極層の形成は燒結により行う
こともできるが、前記電極層を蒸着により前記基板上に
形成することが好ましい。このように前記電極層を蒸着
により形成することにより、電極材料の純度が高まり、
同電極層での電気伝導性も高くなる。また、半導体層と
の接触抵抗も低いため、光電変換効率が向上する。な
お、基板は板状や帯状の金属或いは金属箔でもよく、こ
の場合は電極層の形成は必ずしも必要ない。このような
場合でも、更に多層電極層を形成し、光を内部に閉じ込
めると電池効率を向上させることができる。

【００３２】更に、前記単／多結晶半導体の表面は凹凸
形状を有していることが好ましい。このように単／多結
晶半導体の表面が凹凸形状を有している場合には更に光
電変換効率を高めることができる。なお、前記単／多結
晶半導体はインゴットからスライスして製品ウェハを製
造する工程で残る凹凸を利用してもよく、或いは別途に
ラッピングやエッチング等により凹凸を形成する工程を
設けてもよい。

【００３３】単／多結晶半導体の表面から、Ｎ型の半導
体層と実質的に真性の半導体層の全体とに必要な深さま
で深くイオン注入し、Ｎ型の半導体層と実質的に真性の
半導体層の全体とを電極層に固着する場合には、イオン
注入時の電圧が極めて大きくなり、それにより単／多結
晶半導体が受けるイオンダメージも大きい。

【００３４】そのため、本件請求項２に係る発明では、
前記所定元素を単結晶又は多結晶の前記半導体の前記表
面から光電変換装置におけるＮ型の発電層として必要な
深さまでイオン注入することと、前記実質的に真性の半
導体層の全体をＣＶＤ法により形成することを含んでい
る。

【００３５】すなわち、Ｎ型の半導体層として必要な深
さは上述したように１μｍ以下、更には１００ｎｍ程度
と浅い。そのためイオン注入時の電圧も小さく、例え
ば、水素原子を約１００ｎｍの深さで層状にイオン注入
する場合には、電圧は数１０ｋｅＶでよく、イオンダメ
ージも小さい。しかも、そのイオンダメージもＮ型の半
導体層だけに止めることができ、実質的に真性の半導体
層をＣＶＤ法により形成すれば、当然にイオンダメージ
もなく、光電変換効率も良いものとなる。

【００３６】また、イオン注入の深さが浅くてイオン注
入が容易であるため、大面積化が可能となる。更には、
水素原子のイオン注入電圧が小さいためにイオン注入装
置も小型になる。

【００３７】更には本件請求項３に係る発明によれば、
単結晶又は多結晶の前記半導体と前記電極層との固着
は、所定圧力下で加熱及び／又は超音波により行う。こ
のように所定圧力下で加熱及び／又は超音波により前記
単／多結晶半導体を電極層に固着する場合には、前記単
／多結晶半導体を電極層との間に接着剤が不要となり、
前記単／多結晶半導体層と電極層との間の接触抵抗がな
くなり、光電変換効率の直列抵抗分による低下がなくな
り、光電変換効率を損なうことがない。

【００３８】なお上記固着は加熱と超音波とを併用する
ことでより強固なものとなるが、所定圧力下で加熱の
み、或いは超音波のみを利用して固着することもでき
る。また、所定圧力により押圧するだけでも前記半導体
と前記電極層との固着は可能であるが、同一の面圧荷重
においては、この工程段階での固着強度は劣るため工程
の信頼性に欠くものとなる。しかし、いずれの場合も、
水素気泡形成のための加熱工程では信頼性において十分
な固着強度に達することができた。

【００３９】また、前記電極層として、少なくとも固着
工程での圧力及び温度条件下において、前記電極層が前
記単／多結晶半導体よりも柔らかいような材質を採用す
る場合には、例えば単／多結晶半導体の表面に形成され
た凹凸形状を電極層にも転写することができ、光電変換
効率が更に向上するため好ましい。

【００４０】かかる方法により製造された光電変換装置
として、本件請求項４に係る発明は、下部電極層と、同
下部電極層上の半導体層と、同発電層上の上部電極層と
を備えた光電変換装置であって、前記半導体層は単結晶
又は多結晶の半導体からなるＮ型半導体層と、同Ｎ型半
導体層上の、ＣＶＤ法により形成された半導体からなる
実質的に真性の半導体層とを備えてなることを特徴とし
ている。

【００４１】かかる光電変換装置はＮ型半導体層が単結
晶又は多結晶の半導体からなるため、その上にＣＶＤ法
により形成された半導体からなる実質的に真性の半導体
層は結晶性に優れており、光電変換装置としての性能に
極めて優れたものである。

【００４２】また、本件請求項５に係る発明では、前記
下部電極層、前記Ｎ型半導体層、前記実質的に真性の半
導体層、及び前記上部電極層の各層間が凹凸面結合され
ている。この場合には入射した光が乱反射し、光電変換
効率が更に向上する。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について図面を参照して具体的に説明する。図１は本発
明の好適な実施例による光電変換装置の概略断面図であ
り、図２〜図７は前記光電変換装置の製造方法の説明図
である。

【００４４】前記光電変換装置１は、ガラス基板２の上
面にアルミニウムからなる下部電極層３が形成されてい
る。この下部電極層３の表面３ａは凹凸形状を有してい
る。更に同下部電極層３の上部には、約１００ｎｍの厚
みでＮ型の単結晶シリコン層４が形成されており、同単
結晶シリコン層４の表面４ａも凹凸形状をなしている。
なお、このＮ型の単結晶シリコン層はＮ型の多結晶シリ
コン層であってもよい。

【００４５】前記Ｎ型単結晶シリコン層４の上部にはＣ
ＶＤ法により形成された実質的に真性の（以下、Ｉ型と
する）微結晶シリコン薄膜層５が配されている。このＩ
型微結晶シリコン薄膜層５は約１μｍ〜１０μｍの厚み
であり、その表面５ａも凹凸形状である。前記Ｉ型微結
晶シリコン薄膜層５の上部に、約１０ｎｍの厚みでＣＶ
Ｄ法により形成されたＰ型微結晶シリコンカーバイド層
６が存在し、最表面には上部電極層である透明導電膜７
が約１００ｎｍの厚みで形成されている。これらのＰ型
微結晶シリコン薄膜層６及び透明電動膜７もその表面６
ａ，７ａは凹凸形状である。

【００４６】かかる光電変換装置１を形成するには、先
ず、図２に示すように、Ｎ型の単結晶又は多結晶のシリ
コンウェハ１０を拡散炉にて乾燥酸素雰囲気１１００℃
４０分の熱酸化を行い、表面に厚さ１００ｎｍの酸化膜
１０ａを形成する。

【００４７】本実施例ではシリコンウェハ１０としてリ
ンドープ比抵抗０．０２Ω・ｃｍ、面方位（２２０）、
直径４インチ（１０．１６ｃｍ）のブライトエッチ面１
０ｂすなわち上面が凹凸形状をなしているものを使用し
ている。なおこの凹凸形状は本実施例にようにシリコン
ウェハ１０の製造工程、例えばラッピング工程において
形成された凹凸を利用してもよいが、別途エッチングな
どにより意図的に凹凸を形成してもよい。なお、シリコ
ンウェハ１０の酸化膜１０ａは必須ではないため、この
熱酸化工程を省略することもできる。また、Ｎ型の不純
物としてはリン、アンチモン、砒素などが挙げられる。

【００４８】この表面に酸化膜１０ａが形成されたＮ型
シリコンウェハ１０のブライトエッチ面１０ｂから、イ
オン注入装置を使用して水素イオンを注入する。このと
きのイオン注入条件は、加速電圧が６０ｋｅＶ、ドーズ
量が１Ｅ１７イオン／ｃｍ²である。このイオン注入に
より水素原子は酸化膜１０ａとシリコンウェハ１０の界
面とから深さ１００ｎｍの付近に最大濃度をもつよう層
状に分布する。

【００４９】このように、本発明にあっては、イオン注
入の深さがＮ型の単結晶シリコン層に必要な深さまでで
よく、その厚みは本実施例では１００ｎｍであり、深く
てもせいぜい１μｍ程度と浅いため、イオン注入が容易
であり、大面積化が可能となる。更に、後述するよう
に、表面部分が電極層に固着されて切り離された残りの
単結晶シリコン１０は、再度、表面に所定元素をイオン
注入して新たな光電変換装置の製造に使用することがで
きるが、このとき、一回のイオン注入により光電変換装
置に使用する単結晶シリコンの量が少ないため、高価な
シリコンウェハ１０から多数の光電変換装置を製造する
ことができる。

【００５０】またイオン注入に要する電圧も数１０ｋｅ
Ｖ程度と低いため、水素原子のイオン注入による単／多
結晶シリコンへのダメージも小さく、光電変換効率を低
下させることがない。更には、水素原子のイオン注入電
圧が小さいためにイオン注入装置も小型になる。

【００５１】一方、図３に示すように、直径が４インチ
（１０．１６ｃｍ）、厚さ１．１ｍｍのガラス基板２の
表面２ａには電子ビーム蒸着やスパッタリングなどによ
り約０．５μｍの厚みでアルミニウムの蒸着膜１１を形
成する。このアルミニウム蒸着膜１１は後に下部電極層
３になり、下部電極層３としては他の金属を使用するこ
ともできるが、銅、銀などのシリコンよりも柔らかい金
属を使用することが好ましい。

【００５２】次に、イオン注入されたＮ型シリコンウェ
ハ１０の表面の酸化膜１０ａをふっ酸と弗化アンモニウ
ム溶液との混合液により除去する。その後、図４に示す
ように、水素イオンがイオン注入された前記シリコンウ
ェハ１０のブライトエッチ面１０ｂと、前記ガラス基板
２上のアルミニウム蒸着膜１１の表面とを、両者の間に
気泡が混入されないように接触させ、固着する。このと
きの固着条件としては、前記シリコンウェハ１０のブラ
イトエッチ面１０ｂと、前記アルミニウム蒸着膜１１と
の接触面の面圧が２０００Ｐａ／ｃｍ² となるように荷
重をかけると共に１５０℃に加熱し、更にガラス基板２
を機械的に固定して、シリコンウェハ１０の側に２０ｋ
Ｈｚの超音波を印加した。このように加圧条件下で加熱
すると共に超音波を印加することにより、Ｎ型シリコン
ウェハ１０とアルミニウム蒸着膜１１との固着強度が高
まる。

【００５３】なお、所定圧力下で超音波のみを採用し加
熱しない場合においても、或いは加熱のみを採用し超音
波をかけない場合でも、更には、所定圧力下で押圧する
単純な圧接であっても、前記シリコンウェハ１０とアル
ミニウム蒸着膜１１との固着は可能である。しかし、同
一の面圧荷重においては、この工程段階での固着強度は
上述した加圧、加熱、及び超音波の三者を塀用する場合
に比べて劣るものとなる。しかしいずれの場合も、以下
の水素気泡形成のための加熱工程では信頼性において十
分な固着強度に達することができた。

【００５４】このとき、アルミニウムはシリコンよりも
柔らかいため、上述のように圧着すると、シリコンウェ
ハ１０のブライトエッチ面１０ｂの凹凸形状にそってア
ルミニウムが容易に変形し、アルミニウムの蒸着膜１１
は表面が凹凸形状の下部電極層３となる。

【００５５】そして、図５のように貼り合わされたＮ型
シリコンウェハ１０とアルミニウムの電極層３及びガラ
ス基板２とを熱処理炉に入れ、水素４％、窒素９６％の
雰囲気中で５００℃６０分間加熱する。この加熱によ
り、注入された水素原子の層には気泡が形成されると共
に、前記シリコンウェハ１０とアルミニウムの電極層３
との界面にはシリコンとアルミニウムの合金層１２が形
成され、強力に貼り合わされる。

【００５６】その後、処理炉から取り出してピンセット
のような楔状の治具により貼り合わせ面を横から軽く押
すと、水素原子が層状に存在していた領域に形成された
気泡により、Ｎ型シリコンウェハ１０が前記領域におい
て切り離される。そして、図６に示すように、ガラス基
板２上のアルミニウムの下部電極層３の表面には、約１
００ｎｍの厚みのＮ型単結晶シリコン層４が接合してい
る。

【００５７】次いで、前記Ｎ型単結晶シリコン層４の表
面にプラズマＣＶＤ装置により光電変換層となる実質的
に真性の（以下、Ｉ型とする）微結晶シリコン薄膜層５
を約３μｍの厚みで成膜する。この状態を図７に示す。

【００５８】このプラズマＣＶＤ法によりＩ型微結晶シ
リコン薄膜層５を形成する際に、前記Ｎ型単結晶半導体
層４が種結晶となるため、前記Ｉ型微結晶シリコン薄膜
層５の結晶性、即ち結晶粒の大きさと配向性とが著しく
向上し、光電変換効率が向上する。更に、Ｉ型微結晶シ
リコン薄膜層５をＣＶＤ法により形成するため、光電変
換装置の用途に応じて必要な光電変換効率となるよう、
前記Ｉ型微結晶シリコン薄膜層５の品質（結晶性）を自
由に調整することができる。

【００５９】また、前記Ｎ型単結晶シリコン層４はその
表面４ａが凹凸形状であるため、その表面４ａ上にプラ
ズマＣＶＤ法により形成されたＩ型微結晶シリコン薄膜
層５の表面５ａも必然的に凹凸形状となり、光電変換効
率が向上する。更には、前記Ｎ型単結晶シリコン層４の
凹凸形状の表面により、前記Ｉ型微結晶シリコン薄膜層
５の膜応力を緩和できると共に、凹凸形状によりアンカ
ー効果も得られ、前記Ｎ型単結晶シリコン層４と前記Ｉ
型微結晶シリコン薄膜層５との層間剥離を防止できる。

【００６０】なお、プラズマＣＶＤ装置によりＩ型微結
晶シリコン薄膜層５を形成する前に、前記Ｎ型単結晶シ
リコン層４の表面に非単結晶、即ち多結晶、微結晶、又
はアモルファスのシリコンを含んだ薄膜を形成すること
もできる。この薄膜はＮ型の導電性、又は実質的にほぼ
真性の半導体であり、或いは酸化膜や窒化膜であっても
よい。

【００６１】このプラズマＣＶＤ法による前記Ｉ型微結
晶シリコン薄膜層５の形成後、大気にさらすことなく別
のプラズマＣＶＤ装置に移し、前記Ｉ型微結晶シリコン
薄膜層５の表面にＰ型の微結晶シリコンカーバイド層６
を厚さ１０ｎｍに成膜する。

【００６２】更に前記Ｐ型微結晶シリコンカーバイド層
６の表面６ａに上部電極層として例えばＩＴＯ膜などの
透明導電膜７を７０ｎｍの厚みに成膜して、図１に示す
ようなＰＩＮ型の光電変換装置１を製造した。

【００６３】かかる方法により得られた光電変換装置１
は上述したように、Ｉ型微結晶シリコン薄膜層５、及び
Ｐ型微結晶シリコンカーバイド層の結晶性が高いため、
光電変換効率が高い。更には、電極層３、Ｎ型単結晶シ
リコン層４、Ｉ型微結晶シリコン薄膜層５、Ｐ型微結晶
シリコンカーバイド層及び透明導電膜７の全ての表面が
凹凸形状をなしているため、更に光電変換効率が向上す
る。

【００６４】例えば、比較例として、ガラス基板の表面
にアルミニウムの蒸着膜を形成し、その上にプラズマＣ
ＶＤ装置を用いて厚さ１００ｎｍのリンドープＮ型微結
晶シリコン層を成膜し、その後、上述の方法と同様に、
Ｉ型微結晶シリコン薄膜層及びＰ型微結晶シリコンカー
バイド層をプラズマＣＶＤ装置により成膜した後、透明
導電膜を成膜して光電変換装置を製造した。

【００６５】この比較例による光電変換装置の結晶性と
電池性能を、本発明による上述した実施例の光電変換装
置１と比較した。その結果、結晶性としてＸ線解析によ
る評価で、結晶粒径は本件実施例では約４０ｎｍである
のに対し、比較例では約２０ｎｍとちいさかった。ま
た、膜の（１１１）成分からの信号強度に対する（２２
０）成分からの信号強度の比は、本件実施例では約４以
上であったが、比較例では高くても３程度であり本件よ
りも結晶配向性の低いものであった。また電池の性能
は、結晶粒径や結晶の（２２０）の配向性と相関があ
り、本実施例では比較例に対して３０％以上の光電変換
効率の向上が認められた。

【００６６】また、本実施例では、Ｎ型ウェハとしてウ
ェハ全体にＮ型の不純物が高濃度にドーピングされてお
り、転写された膜は太陽電池のマイナス極として機能す
るように考えられている。このほかに転写される膜の表
面のみに高濃度にＮ型不純物がドーピングされ、転写膜
の残りの部分ではＮ型、Ｐ型を問わず光電変換層として
機能する程度にドーピング量が少ないように単／多結晶
ウェハを用意することも可能である。

【００６７】更には、最表面から１００ｎｍの範囲で高
濃度にＮ型不純物がドーピングされている実質的に真性
の半導体ウェハの表面から転写膜圧が１μｍとなるよう
イオン注入の電圧を高くし、光電変換層の全体を電極層
に固着することも可能である。この場合、更に実質的に
真正な半導体層を別途ＣＶＤ法により成膜してもよく、
或いは、実質的に真正な半導体層をＣＶＤ法により成膜
せずに単にＰ型層又は上部電極をＣＶＤ法により成膜す
るだけであってもよい。なお、この場合は、Ｎ型の半導
体層として必要な深さまでイオン注入し、実質的に真性
な半導体層の全てをＣＶＤ法により成膜する場合とくら
べ、イオン注入の深さが深く、イオン注入の際の電圧も
高いため、実質的に真性な半導体層の一部又は全部にイ
オン注入によるダメージが生じることは否めない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施例による光電変換装置の概
略断面図である。

【図２】上記光電変換装置の製造方法の説明図である。

【図３】同光電変換装置の製造方法の説明図である。

【図４】同光電変換装置の製造方法の説明図である。

【図５】同光電変換装置の製造方法の説明図である。

【図６】同光電変換装置の製造方法の説明図である。

【図７】同光電変換装置の製造方法の説明図である。

【符号の説明】

１ 光電変換装置 ２ ガラス基板 ３ 下部電極層 ３ａ 表面 ４ Ｎ型単結晶シリコン層 ４ａ 表面 ５ Ｉ型微結晶シリコン薄膜層 ５ａ 表面 ６ Ｐ型微結晶シリコンカーバイド層 ６ａ 表面 ７ 透明導電膜 ７ａ 表面 １０ シリコンウェハ １０ａ 酸化膜 １０ｂ ブライトエッチ面 １１ アルミニウムの蒸着膜 １２ シリコンとアルミニウムの合金層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 雄二 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究本部内 Ｆターム(参考） 5F051 AA02 AA03 AA04 AA05 CA15 CB19 CB27 DA03 DA04 FA02 FA06 FA19 GA03 GA04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも表面がＮ型である単結晶又は
   多結晶の半導体の前記表面から所定の深さまで所定の元
   素を層状に元素をイオン注入すること、 基板上に電極層を形成すること、 単結晶又は多結晶の前記半導体を、前記所定元素がイオ
   ン注入された前記表面において前記基板上の電極層の表
   面に対して固着すること、 単結晶又は多結晶の前記半導体を前記所定元素がイオン
   注入された領域において切り離すこと、及び前記電極層
   への固着面であるＮ型の半導体層の前記固着面とは反対
   側の表面に所要の厚みを有する実質的に真性な半導体層
   を形成すること、を備えてなることを特徴とする光電変
   換装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記所定元素を単結晶又は多結晶の前記
   半導体の前記表面から光電変換装置におけるＮ型の発電
   層として必要な深さまでイオン注入することと、前記実
   質的に真性な半導体層の全体をＣＶＤ法により形成する
   ことを含む請求項１記載の光電変換装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記単結晶又は多結晶の前記半導体と前
   記電極層との固着は、所定圧力下で加熱及び／又は超音
   波により行う請求項１記載の光電変換装置の製造方法。
4. 【請求項４】 下部電極層と、同下部電極層上の半導体
   層と、同発電層上の上部電極層とを備えた光電変換装置
   であって、 前記半導体層は単結晶又は多結晶の半導体からなるＮ型
   半導体層と、同Ｎ型半導体層上の、ＣＶＤ法により形成
   された半導体からなる実質的に真性の半導体層とを備え
   てなることを特徴とする光電変換装置。
5. 【請求項５】 前記下部電極層、前記Ｎ型半導体層、前
   記実質的に真性の半導体層、及び前記上部電極層の各層
   間が凹凸面結合されてなる請求項４記載の光電変換装
   置。