JP2001237187A - Manufacturing method of crystalline silicon semiconductor thin film - Google Patents

Manufacturing method of crystalline silicon semiconductor thin film

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JP2001237187A
JP2001237187A JP2000047184A JP2000047184A JP2001237187A JP 2001237187 A JP2001237187 A JP 2001237187A JP 2000047184 A JP2000047184 A JP 2000047184A JP 2000047184 A JP2000047184 A JP 2000047184A JP 2001237187 A JP2001237187 A JP 2001237187A
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silicon
gas
crystalline silicon
semiconductor thin
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Keiji Okamoto
圭史 岡本
Masashi Yoshimi
雅士 吉見
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Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the production efficiency of a crystalline silicon semiconductor thin film, which is formed by a low-temperature plasma CVD method, by increasing the film-forming rate of the thin film and also to modify the characteristics of the film. SOLUTION: The manufacturing method of a crystalline silicon semiconductor thin film is characterized by that a plasma discharge electrode to blow off reaction gas is arranged in opposition to a substrate, each of a plurality of gas exhaust holes being included in the electrode has the long sectional diameter on the gas exhaust side in comparison with the sectional diameter on the gas introducing side, the gas pressure within a reaction chamber is a pressure higher than 5 Torr, the reaction gas contains silane gas and hydrogen gas as its main component and the deposition rate of the silicon semiconductor thin film is higher than 1 μm/h as the condition that the silicon semiconductor thin film is deposited by a plasma CVD method.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体薄膜の製造方
法に関し、特に、結晶質シリコン系(シリコン合金を含
む)半導体薄膜の低コスト化と特性改善に関するもので
ある。なお、本明細書において、「結晶質」と「多結
晶」と「微結晶」の用語は、シリコン系薄膜の技術分野
において一般に用いられているように、部分的に非晶質
状態を含むものをも意味するものとする。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor thin film, and more particularly to a method for reducing the cost and improving characteristics of a crystalline silicon-based (including a silicon alloy) semiconductor thin film. In this specification, the terms “crystalline”, “polycrystalline”, and “microcrystalline” include those that partially include an amorphous state as generally used in the technical field of silicon-based thin films. Is also meant.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在では、プラズマCVD法が、種々の
半導体薄膜を形成するためしばしば利用されている。代
表的な例としては、薄膜太陽電池、電子写真コピー機の
感光ドラム、液晶ディスプレイのTFTアレイなどに必
要とされるシリコン系薄膜がプラズマCVD法を利用し
て形成されている。ここで薄膜光電変換装置を例にとれ
ば、それは一般にpin接合を含み、光電変換作用は実
質的に真性の半導体層であるi層において主として生じ
る。そして、電界を生じさせるための導電型層であるp
層とn層はi層に比べてはるかに薄いものであり、薄膜
光電変換装置の性能はi層の特性によって著しい影響を
受ける。したがって、一般に、p層とn層が非晶質か結
晶質かに拘らず、i層が非晶質の場合には非晶質系
(型)薄膜光電変換装置と称され、i層が結晶質の場合
には結晶質系(型)薄膜光電変換装置と称される。
2. Description of the Related Art At present, a plasma CVD method is often used for forming various semiconductor thin films. As a typical example, a silicon-based thin film required for a thin-film solar cell, a photosensitive drum of an electrophotographic copier, a TFT array of a liquid crystal display, and the like is formed using a plasma CVD method. Here, taking the thin-film photoelectric conversion device as an example, it generally includes a pin junction, and the photoelectric conversion action mainly occurs in the i-layer, which is a substantially intrinsic semiconductor layer. Then, p, which is a conductive type layer for generating an electric field,
The layers and the n-layer are much thinner than the i-layer, and the performance of the thin-film photoelectric conversion device is significantly affected by the characteristics of the i-layer. Therefore, regardless of whether the p-layer and the n-layer are amorphous or crystalline, when the i-layer is amorphous, it is called an amorphous (type) thin film photoelectric conversion device, and the i-layer is crystalline. In the case of high quality, it is called a crystalline (type) thin film photoelectric conversion device.

【0003】ところで、薄膜光電変換装置の代表的なも
のとして非晶質シリコン系太陽電池がある。非晶質光電
変換材料は通常200℃前後の低い成膜温度の下でプラ
ズマCVD法によって形成されるので、ガラス,ステン
レス,有機フィルム等の安価な基板上に形成することが
でき、低コストの光電変換装置のための有力材料として
期待されている。また、非晶質シリコンにおいては可視
光領域での吸収係数が大きいので、500nm以下の薄
い膜厚の非晶質光電変換層を用いた太陽電池において1
5mA/cm2 以上の短絡電流が実現されている。
A typical example of the thin film photoelectric conversion device is an amorphous silicon solar cell. Since the amorphous photoelectric conversion material is usually formed by a plasma CVD method at a low film forming temperature of about 200 ° C., it can be formed on an inexpensive substrate such as glass, stainless steel, and an organic film, and can be manufactured at low cost. It is expected as a leading material for photoelectric conversion devices. In addition, since amorphous silicon has a large absorption coefficient in the visible light region, a solar cell using an amorphous photoelectric conversion layer with a thin film thickness of 500 nm or less has a large absorption coefficient.
A short circuit current of 5 mA / cm2 or more is realized.

【0004】しかし、非晶質シリコン系材料では、Steb
ler-Wronskey効果と呼ばれるように、光電変換特性が長
期間の光照射によって低下するなどの問題を抱えてお
り、さらにその有効感度波長領域が800nm程度まで
である。したがって、非晶質シリコン系材料を用いた光
電変換装置においては、その信頼性や高性能化には限界
が見られ、基板選択の自由度や低コストプロセスを利用
し得るという本来の利点が十分には生かされていない。
However, in the case of amorphous silicon-based materials, Steb
As is called the ler-Wronskey effect, there is a problem that the photoelectric conversion characteristic is reduced by long-term light irradiation, and the effective sensitivity wavelength region is up to about 800 nm. Therefore, in a photoelectric conversion device using an amorphous silicon-based material, its reliability and high performance are limited, and the inherent advantages of the freedom of substrate selection and the use of a low-cost process are sufficient. Has not been utilized.

【0005】これに対して、近年では、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
む半導体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。これらの開発は、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
よって光電変換装置の低コスト化と高性能化を両立させ
るという試みであり、太陽電池だけでなく光センサ等の
さまざまな光電変換装置への応用が期待されている。
On the other hand, in recent years, photoelectric conversion devices using a semiconductor thin film containing crystalline silicon such as polycrystalline silicon or microcrystalline silicon have been vigorously developed. These developments attempt to achieve both low-cost and high-performance photoelectric conversion devices by forming high-quality crystalline silicon thin films on low-cost processes on inexpensive substrates. It is expected to be applied to various photoelectric conversion devices.

【0006】これらの結晶質シリコン薄膜の形成方法と
しては、たとえばCVD法やスパッタリング法にて基板
上に直接堆積させるか、同様のプロセスで一旦非晶質膜
を堆積させた後に熱アニールやレーザアニールを行なう
ことによって結晶化を図るなどの方法があるが、いずれ
にしても前述のような安価な基板を用いるためには55
0℃以下のプロセスで行なう必要がある。
[0006] As a method of forming these crystalline silicon thin films, for example, they are deposited directly on a substrate by a CVD method or a sputtering method, or an amorphous film is once deposited by a similar process, and then thermal annealing or laser annealing is performed. There is a method of achieving crystallization by performing, for example, but in any case, in order to use an inexpensive substrate as described above, 55
It must be performed in a process at 0 ° C. or lower.

【0007】そのようなプロセスの中でも、プラズマC
VD法によって直接結晶質シリコン薄膜を堆積させる手
法は、プロセスの低温化や薄膜の大面積化が最も容易で
あり、しかも比較的簡便なプロセスで高品質な膜が得ら
れるものと期待されている。このような手法で多結晶シ
リコン薄膜を得る場合、結晶質を含む高品質シリコン薄
膜を何らかのプロセスで一旦基板上に形成した後に、こ
れをシード層または結晶化制御層としてその上に成膜を
することによって、比較的低温でも良質の多結晶シリコ
ン薄膜が形成され得る。
Among such processes, plasma C
The method of directly depositing a crystalline silicon thin film by the VD method is the easiest to lower the temperature of the process and increase the area of the thin film, and it is expected that a high-quality film can be obtained by a relatively simple process. . When a polycrystalline silicon thin film is obtained by such a method, a high-quality silicon thin film containing a crystalline material is once formed on a substrate by some process, and then formed as a seed layer or a crystallization control layer thereon. Thus, a high-quality polycrystalline silicon thin film can be formed even at a relatively low temperature.

【0008】一方、水素でシラン系原料ガスを10倍以
上希釈しかつプラズマ反応室内圧力を10mTorr〜
1Torrの範囲内に設定してプラズマCVD法で成膜
することによって、微結晶シリコン薄膜が得られること
はよく知られており、この場合には200℃前後の温度
でもシリコン薄膜が容易に微結晶化され得る。たとえ
ば、微結晶シリコンのpin接合からなる光電変換ユニ
ットを含む光電変換装置がAppl, Phys, Lett., Vol 65,
1994, p.860に記載されている。この光電変換ユニット
は、簡便にプラズマCVD法で順次積層されたp型半導
体層、光電変換層たるi型半導体層およびn型半導体層
からなり、これらの半導体層のすべてが微結晶シリコン
であることを特徴としている。ところが、高品質の結晶
質シリコン膜、さらには高性能のシリコン系薄膜光電変
換装置を得るためには、従来の製法や条件の下ではその
成膜速度が厚さ方向で0.6μm/hrに満たないほど
遅く、非晶質シリコン膜の場合と同程度かもしくはそれ
以下でしかない。
On the other hand, the silane-based source gas is diluted 10 times or more with hydrogen, and the pressure in the plasma reaction chamber is reduced to 10 mTorr or more.
It is well known that a microcrystalline silicon thin film can be obtained by forming a film by a plasma CVD method at a temperature within a range of 1 Torr. Can be For example, a photoelectric conversion device including a photoelectric conversion unit formed of a microcrystalline silicon pin junction is disclosed in Appl, Phys, Lett., Vol 65,
1994, p.860. This photoelectric conversion unit is composed of a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, which are simply stacked sequentially by a plasma CVD method, and all of these semiconductor layers are microcrystalline silicon. It is characterized by. However, in order to obtain a high-quality crystalline silicon film and further a high-performance silicon-based thin-film photoelectric conversion device, the film forming rate is 0.6 μm / hr in the thickness direction under the conventional manufacturing method and conditions. It is slower than this, and is only about the same as or less than that of the amorphous silicon film.

【0009】他方、低温プラズマCVD法で比較的高い
5Torrの圧力条件の下でシリコン膜を形成した例
が、特開平4−137725に記載されている。しか
し、この事例はガラス等の基板上に直接シリコン薄膜を
堆積させたものであり、特開平4−137725に開示
された発明に対する比較例であって、その膜の品質は低
くて光電変換装置へ応用できるものではない。
On the other hand, an example in which a silicon film is formed under a relatively high pressure of 5 Torr by a low-temperature plasma CVD method is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-137725. However, in this case, a silicon thin film is directly deposited on a substrate such as glass, and this is a comparative example with respect to the invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-137725. It is not applicable.

【0010】また、一般にプラズマCVD法の圧力条件
を高くすれば、プラズマ反応室内にパウダー状の生成物
やダストなどが大量に発生する。その場合、堆積中の膜
表面にそれらのダスト等が飛来して堆積膜中に取り込ま
れる危険性が高く、膜中のピンホールの発生原因とな
る。そして、そのような膜質の劣化を低減するために
は、反応室内のクリーニングを頻繁に行なわなければな
らなくなる。特に、550℃以下のような低温条件で成
膜する場合には、反応室圧力を高くした場合のこれらの
問題が顕著となる。しかも、太陽電池のような光電変換
装置の製造においては、大面積の薄膜を堆積させる必要
があるので、製品歩留りの低下や成膜装置維持管理ため
の労力およびコストの増大という問題を招く。
In general, when the pressure condition of the plasma CVD method is increased, a large amount of powdery products and dust are generated in the plasma reaction chamber. In that case, there is a high risk that the dust or the like will fly to the surface of the film being deposited and be taken into the deposited film, which may cause pinholes in the film. In order to reduce such deterioration of the film quality, the inside of the reaction chamber must be frequently cleaned. In particular, when a film is formed under a low temperature condition such as 550 ° C. or lower, these problems when the pressure in the reaction chamber is increased become remarkable. In addition, in the manufacture of a photoelectric conversion device such as a solar cell, a large-area thin film needs to be deposited, which causes problems such as a reduction in product yield and an increase in labor and cost for maintaining and managing the film formation device.

【0011】したがって、シリコン系薄膜をプラズマC
VD法を用いて製造する場合には、上述のように従来か
ら通常は1Torr以下の圧力条件が用いられている。
Therefore, the silicon-based thin film is formed by plasma C
In the case of manufacturing using the VD method, as described above, a pressure condition of usually 1 Torr or less has been conventionally used.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】前述のような結晶質シ
リコン系半導体薄膜を含む光電変換装置においては、以
下のような問題がある。すなわち、多結晶シリコンであ
ろうと部分的に非晶質相を含む微結晶シリコンであろう
と、太陽電池の光電変換層として用いる場合には、結晶
質シリコンの吸収係数を考えれば、太陽光を十分に吸収
させるためには少なくとも数μmから数十μmもの膜厚
が好ましい。これは、非晶質シリコン光電変換層の場合
に比べれば1桁弱から2桁も厚いことになる。
The photoelectric conversion device including the crystalline silicon-based semiconductor thin film as described above has the following problems. That is, when used as a photoelectric conversion layer of a solar cell, whether it is polycrystalline silicon or microcrystalline silicon partially containing an amorphous phase, sunlight can be sufficiently absorbed in consideration of the absorption coefficient of crystalline silicon. In order to absorb the film, a film thickness of at least several μm to several tens μm is preferable. This means that the thickness is slightly less than one digit to two digits thicker than the case of the amorphous silicon photoelectric conversion layer.

【0013】しかるに、これまでの技術によれば、プラ
ズマCVD法によって低温で良質の結晶質シリコン系半
導体薄膜を得るためには、温度,反応室内圧力,高周波
パワー,ならびにガス流量比というような種々の成膜条
件パラメータを検討しても、その成膜速度は非晶質シリ
コン膜の場合と同程度もしくはそれ以下であって、たと
えば0.6μm/hr程度にしかならなかった。この問
題を言い換えれば、結晶質シリコン薄膜光電変換層は非
晶質シリコン光電変換層の何倍から何10倍もの成膜時
間を要することになり、光電変換装置の製造工程のスル
ープットの向上が困難となって低コスト化の妨げとな
る。
However, according to the prior art, in order to obtain a high-quality crystalline silicon-based semiconductor thin film at a low temperature by a plasma CVD method, various factors such as temperature, pressure in a reaction chamber, high-frequency power, and gas flow ratio are required. Even when the film forming condition parameters were examined, the film forming speed was about the same as or lower than that of the amorphous silicon film, for example, only about 0.6 μm / hr. In other words, the crystalline silicon thin film photoelectric conversion layer requires several times to tens of times the film formation time of the amorphous silicon photoelectric conversion layer, and it is difficult to improve the throughput of the manufacturing process of the photoelectric conversion device. This hinders cost reduction.

【0014】上述のような従来技術の課題に鑑み、本発
明の目的は、低温プラズマCVD法で形成する結晶質シ
リコン系半導体薄膜の成膜速度を高めて製造工程のスル
ープットを向上させ、かつそのシリコン系薄膜の特性を
改善させることにある。
In view of the above-mentioned problems in the prior art, an object of the present invention is to increase the film forming rate of a crystalline silicon-based semiconductor thin film formed by a low-temperature plasma CVD method, thereby improving the throughput of the manufacturing process, and It is to improve the characteristics of a silicon-based thin film.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明による結晶質シリ
コン系半導体薄膜の製造方法においては、基板上にその
シリコン系薄膜をプラズマCVD法で堆積する条件とし
て:プラズマ反応室内において第1の電極上に基板が配
置され;その基板に対向して第2の電極が配置され;第
2電極はシリコン系薄膜を堆積するための反応ガスを基
板に向けて放出するために複数のガス放出穴を有し;そ
れらのガス放出穴の各々はガス導入側に比べてガス放出
側において大きな断面直径を有し;反応室内の反応ガス
圧は5Torr以上にされ;反応ガスは主要成分として
シランガスと水素ガスを含み;そして、シリコン系薄膜
の堆積速度が1μm/h以上であることを特徴としてい
る。
In the method of manufacturing a crystalline silicon-based semiconductor thin film according to the present invention, conditions for depositing the silicon-based thin film on a substrate by a plasma CVD method are as follows: A second electrode is disposed opposite the substrate; the second electrode has a plurality of gas discharge holes for discharging a reaction gas for depositing a silicon-based thin film toward the substrate. Each of the gas discharge holes has a larger cross-sectional diameter on the gas discharge side than on the gas inlet side; the reaction gas pressure in the reaction chamber is set to 5 Torr or more; and the reaction gas contains silane gas and hydrogen gas as main components. Included; and characterized in that the deposition rate of the silicon-based thin film is 1 μm / h or more.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の1つの実施の形
態により製造される結晶質シリコン系半導体薄膜を含む
薄膜光電変換装置を模式的な斜視図で図解している。こ
の光電変換装置の基板101にはステンレス等の金属、
有機フィルム、または低融点の安価なガラス等が用いら
れ得る。
FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating a thin-film photoelectric conversion device including a crystalline silicon-based semiconductor thin film manufactured according to one embodiment of the present invention. A metal such as stainless steel,
An organic film, low-melting-point inexpensive glass, or the like can be used.

【0017】基板101上の裏面電極110は、下記の
薄膜(A)と(B)のうちの1以上を含み、たとえば蒸
着法やスパッタリング法によって形成され得る。 (A) Ti,Cr,Al,Ag,Au,CuおよびP
tから選択された少なくとも1以上の金属またはこれら
の合金からなる層を含む金属薄膜。 (B) ITO,SnO2 およびZnOから選択された
少なくとも1以上の酸化物からなる層を含む透明導電性
薄膜。
The back electrode 110 on the substrate 101 includes one or more of the following thin films (A) and (B) and can be formed by, for example, an evaporation method or a sputtering method. (A) Ti, Cr, Al, Ag, Au, Cu and P
A metal thin film including a layer made of at least one metal selected from t or an alloy thereof. (B) A transparent conductive thin film including a layer made of at least one oxide selected from ITO, SnO 2 and ZnO.

【0018】裏面電極110上には光電変換ユニット1
11の内の1導電型半導体層104がプラズマCVD法
にて堆積される。この1導電型半導体層104として
は、たとえば導電型決定不純物原子であるリンが0.0
1原子%以上ドープされたn型シリコン層、またはボロ
ンが0.01原子%以上ドープされたp型シリコン層な
どが用いられ得る。しかし、1導電型半導体層104に
関するこれらの条件は限定的なものではなく、不純物原
子としてはたとえばn型層のための窒素等やp型層のた
めのアルミニウム等を用いてもよく、またシリコンカー
バイドやシリコンゲルマニウムなどの合金材料を用いて
もよい。1導電型シリコン系薄膜104は、多結晶,微
結晶,または非晶質のいずれでもよく、その膜厚はたと
えば2〜150nmの範囲内に設定され得る。
On the back electrode 110, the photoelectric conversion unit 1
One of the eleventh conductive semiconductor layers 104 is deposited by a plasma CVD method. The one-conductivity-type semiconductor layer 104 contains, for example, phosphorous, which is a conductivity-type determining impurity atom, of 0.0.
An n-type silicon layer doped with 1 atomic% or more or a p-type silicon layer doped with boron at 0.01 atomic% or more can be used. However, these conditions for the one-conductivity-type semiconductor layer 104 are not limited. For example, nitrogen or the like for an n-type layer or aluminum or the like for a p-type layer may be used as impurity atoms. Alloy materials such as carbide and silicon germanium may be used. The one-conductivity-type silicon-based thin film 104 may be polycrystalline, microcrystalline, or amorphous, and its thickness may be set, for example, in the range of 2 to 150 nm.

【0019】結晶質シリコン系薄膜の光電変換層105
としては、ノンドープのi型多結晶シリコン薄膜や体積
結晶化分率80%以上のi型微結晶シリコン薄膜、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
効率を十分に備えているシリコン系薄膜材料が使用され
得る。また、光電変換層105はこれらの材料に限定さ
れず、シリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等の
合金材料を用いてもよい。光電変換層105の膜厚は
0.5〜10μmの範囲内にあり、結晶質シリコン薄膜
光電変換層として必要かつ十分な膜厚を有している。
Photoelectric conversion layer 105 of crystalline silicon-based thin film
As a non-doped i-type polycrystalline silicon thin film, an i-type microcrystalline silicon thin film having a volume crystallization fraction of 80% or more, or a weak p-type or weak n-type containing a small amount of impurities, sufficient photoelectric conversion efficiency is provided. Some silicon-based thin film materials can be used. Further, the photoelectric conversion layer 105 is not limited to these materials, and an alloy material such as silicon carbide or silicon germanium may be used. The thickness of the photoelectric conversion layer 105 is in the range of 0.5 to 10 μm, and has a necessary and sufficient thickness as a crystalline silicon thin film photoelectric conversion layer.

【0020】結晶質シリコン系光電変換層105の成膜
は、平行平板電極型プラズマCVD法で行なわれ、周波
数が150MHz以下でHF帯からVHF帯までの高周
波電源が用いられ得る。なお、これらのプラズマCVD
法における結晶質シリコン系光電変換層105の成膜温
度は、上述した安価な基板が使用され得る550℃以下
である。
The crystalline silicon-based photoelectric conversion layer 105 is formed by a parallel plate electrode type plasma CVD method, and a high frequency power supply having a frequency of 150 MHz or less and an HF band to a VHF band can be used. In addition, these plasma CVD
The film formation temperature of the crystalline silicon-based photoelectric conversion layer 105 in the method is 550 ° C. or lower at which the above-mentioned inexpensive substrate can be used.

【0021】結晶質シリコン系薄膜光電変換層105の
堆積時において、プラズマCVD反応室内で一方の電極
上に装着された基板とその基板に対向する電極との距離
は8〜30mmの範囲内に設定され、反応室内圧力が5
Torr以上に設定される。また、そのときの高周波パ
ワー密度は40mW/cm2以上であることが好まし
い。さらに、反応室内に導入されるガスの主成分として
シラン系ガスと水素ガスを含み、かつシラン系ガスに対
する水素ガスの流量比は40倍以上にされることが好ま
しい。シラン系ガスとしてはモノシラン,ジシラン等が
好ましいが、これらに加えて四フッ化ケイ素,四塩化ケ
イ素,ジクロルシラン等のハロゲン化ケイ素ガスを用い
てもよい。また、これらに加えて希ガス等の不活性ガ
ス、好ましくはヘリウム,ネオン,アルゴン等を用いも
よい。以上のような結晶質シリコン系光電変換層105
の形成条件において、その成膜速度が1μm/時以上に
され得る。
During the deposition of the crystalline silicon-based thin film photoelectric conversion layer 105, the distance between the substrate mounted on one electrode and the electrode facing the substrate in the plasma CVD reaction chamber is set within a range of 8 to 30 mm. And the reaction chamber pressure is 5
Torr or higher. Further, the high frequency power density at that time is preferably 40 mW / cm 2 or more. Further, it is preferable that a silane-based gas and a hydrogen gas be contained as main components of the gas introduced into the reaction chamber, and that a flow rate ratio of the hydrogen gas to the silane-based gas be 40 times or more. As the silane-based gas, monosilane, disilane and the like are preferable. In addition, silicon halide gas such as silicon tetrafluoride, silicon tetrachloride and dichlorosilane may be used. In addition, an inert gas such as a rare gas, preferably helium, neon, or argon may be used. The crystalline silicon-based photoelectric conversion layer 105 as described above
Under the above forming conditions, the film forming speed can be made 1 μm / hour or more.

【0022】この結晶質シリコン系薄膜105に含まれ
る結晶粒の多くは、下地層104から上方に柱状に延び
て成長している。これらの多くの結晶粒は膜面に平行に
(110)の優先結晶配向面を有し、そのX線回折で求
めた(220)回折ピークに対する(111)回折ピー
クの強度比は1/5以下であり、1/10以下であるこ
とが好ましい。なお、下地層である1導電型層104の
表面形状が実質的に平面である場合でも、光電変換層1
05の形成後のその表面にはその膜厚よりも約1桁ほど
小さい間隔の微細な凹凸を有する表面テクスチャ構造が
形成される。また、得られる結晶質シリコン系薄膜10
5は、2次イオン質量分析法により求められる水素含有
量が0.1原子%以上で20原子%以下の範囲内にある
ことが好ましい。
Most of the crystal grains contained in the crystalline silicon-based thin film 105 extend upward from the underlayer 104 in a columnar shape and grow. Many of these crystal grains have a preferential crystal orientation plane of (110) parallel to the film plane, and the intensity ratio of the (111) diffraction peak to the (220) diffraction peak determined by X-ray diffraction is 1/5 or less. And preferably 1/10 or less. Note that even when the surface shape of the one-conductivity-type layer 104 as the underlayer is substantially flat, the photoelectric conversion layer 1
After the formation of the film 05, a surface texture structure having fine irregularities at intervals of about one digit smaller than the film thickness is formed. Further, the obtained crystalline silicon-based thin film 10
5 is preferably such that the hydrogen content determined by secondary ion mass spectrometry is in the range of 0.1 atomic% or more and 20 atomic% or less.

【0023】本発明における結晶質シリコン系薄膜10
5の形成方法では、従来の1Torr以下の圧力条件に
比べて高圧力が用いられるので、膜中のイオンダメージ
が極力低減できる。したがって、成膜速度を速めるため
に高周波パワーを高くしたりガス流量を増加させても、
堆積膜表面でのイオンダメージが少なくて、良質の膜が
高速度で形成され得る。また、高圧力条件で成膜を行な
えば反応室内のパウダー生成による汚染が懸念される
が、原料ガスが水素のような高熱伝導性ガスで従来に比
べて多量に希釈されているので、このような問題も起こ
りにくい。
The crystalline silicon-based thin film 10 of the present invention
In the formation method 5, since a high pressure is used as compared with the conventional pressure condition of 1 Torr or less, ion damage in the film can be reduced as much as possible. Therefore, even if the high-frequency power is increased or the gas flow rate is increased to increase the deposition rate,
Good quality film can be formed at high speed with little ion damage on the surface of the deposited film. In addition, if film formation is performed under high pressure conditions, contamination due to powder generation in the reaction chamber may be a concern, but since the raw material gas is diluted with a high heat conductive gas such as hydrogen in a larger amount than in the past, such Problems are less likely to occur.

【0024】さらに、以下のような理由により、本発明
では、従来法の場合に比べて高品質の結晶質シリコン系
薄膜105が得られる。まず、成膜速度が速いので、反
応室内に残留している酸素や窒素等の不純物原子が膜中
に取り込まれる割合が減少する。また、膜成長初期にお
ける結晶核生成時間が短いために相対的に核発生密度が
減少し、大粒径で強く結晶配向した結晶粒が形成されや
すくなる。さらに、高圧力で成膜すれば、結晶粒界や粒
内の欠陥が水素でパッシベーションされやすく、それら
の欠陥密度も減少する。
Further, for the following reason, in the present invention, a crystalline silicon-based thin film 105 having higher quality than that of the conventional method can be obtained. First, since the deposition rate is high, the rate at which impurity atoms such as oxygen and nitrogen remaining in the reaction chamber are taken into the film decreases. Further, since the crystal nucleus generation time in the early stage of film growth is short, the nucleus generation density is relatively reduced, and crystal grains having a large grain size and strong crystal orientation are easily formed. Further, when a film is formed under a high pressure, the crystal grain boundaries and defects in the grains are easily passivated by hydrogen, and the defect density thereof is reduced.

【0025】図2において、上述のような結晶質シリコ
ン系薄膜105を形成するために好ましく用いられ得る
プラズマCVD装置の一例が、模式的な断面図で図解さ
れている。このプラズマCVD装置においては、反応室
221内にプラズマ228を生じさせるために、下方の
放電電極222と上方の電極223が設けられている。
これらの互いに上下に対向する2つの電極222,22
3は少なくとも一方が上下方向、水平方向および/また
は傾斜方向に可動であり、相互の間隔を縮小することも
拡大することもできる。
In FIG. 2, an example of a plasma CVD apparatus which can be preferably used for forming the crystalline silicon-based thin film 105 as described above is illustrated in a schematic sectional view. In this plasma CVD apparatus, a lower discharge electrode 222 and an upper electrode 223 are provided to generate plasma 228 in the reaction chamber 221.
These two electrodes 222, 22 facing each other up and down
At least one of the members 3 is movable in a vertical direction, a horizontal direction, and / or an inclined direction, and the distance between the members 3 can be reduced or enlarged.

【0026】基板101はバルブ(図示せず)を備えた
出入口225を介して反応室221内に導入され、上方
の電極223上に装着され得る。このとき、電極223
へ基板を装着することを容易にするために、両電極22
2,223の間隔が拡大される。下方の電極222は反
応ガス226を導くように中空にされており、その上面
は基板101に向けて反応ガスを吹き出すために複数の
ガス吹出し穴を有している。これらのガス吹出し穴とし
て、一般には一定の断面直径を有する円筒状穴が用いら
れるが、本発明においては、ガス導入側に比べてガス放
出側において大きな断面直径を有する末広ノズル状穴が
用いられる。上方の電極223上に基板101が装着さ
れれば、基板101と対向電極222との間隔が8〜3
0mmの範囲内の距離に設定される。反応室221の内
部は、排気流路227を介して真空引きされるととも
に、対向電極222の末広ノズル状穴から反応ガスが供
給され、それによって所定の反応ガス圧に保持され得
る。
The substrate 101 is introduced into the reaction chamber 221 through an entrance 225 provided with a valve (not shown), and can be mounted on the upper electrode 223. At this time, the electrode 223
In order to facilitate the mounting of the substrate to the
The interval between 2,223 is enlarged. The lower electrode 222 is hollow so as to guide the reaction gas 226, and its upper surface has a plurality of gas blowing holes for blowing the reaction gas toward the substrate 101. As these gas blowing holes, generally cylindrical holes having a constant cross-sectional diameter are used, but in the present invention, divergent nozzle-shaped holes having a larger cross-sectional diameter on the gas discharge side than on the gas introduction side are used. . If the substrate 101 is mounted on the upper electrode 223, the distance between the substrate 101 and the counter electrode 222 is 8 to 3
The distance is set within a range of 0 mm. The inside of the reaction chamber 221 is evacuated through the exhaust passage 227, and at the same time, a reaction gas is supplied from a divergent nozzle-shaped hole of the counter electrode 222, so that a predetermined reaction gas pressure can be maintained.

【0027】一般に、通常の円筒状ガス吹出し穴を有す
る対向電極が用いられる場合、プラズマ放電を維持する
ために必要なガス圧と基板電極間距離とは逆の関係にあ
り、ガス圧が小さいときには基板電極間距離を比較的大
きくしなければならず、逆にガス圧が大きいときには基
板電極間距離を小さくしなければならない。たとえば、
通常の円筒状ガス吹出し穴を有する対向電極を用いる場
合には、5Torr以上の反応ガス圧の下では基板電極
間距離を10mm以下の狭い距離に設定しなければなら
ない。このように狭い基板電極間距離の下においては、
限られた狭い領域においてプラズマが発生するので、シ
リコン粉体が多く発生する可能性がある。また、そのよ
うに狭い基板電極間距離の下においては反応ガスの流れ
や濃度の均一性を維持することが困難になり、大きな面
積の光電変換装置においては、その光電変換特性に場所
的なばらつきを生じやすくなる。
In general, when a counter electrode having a normal cylindrical gas blowing hole is used, the gas pressure required to maintain plasma discharge is inversely related to the distance between the substrate electrodes. The distance between the substrate electrodes must be relatively large. Conversely, when the gas pressure is large, the distance between the substrate electrodes must be reduced. For example,
When a counter electrode having a normal cylindrical gas blowing hole is used, the distance between the substrate electrodes must be set to a small distance of 10 mm or less under a reaction gas pressure of 5 Torr or more. Under such a narrow distance between the substrate electrodes,
Since plasma is generated in a limited narrow area, a large amount of silicon powder may be generated. In addition, it is difficult to maintain the uniformity of the flow and concentration of the reaction gas under such a narrow distance between the substrate electrodes. Tends to occur.

【0028】他方、本発明におけるように対向電極22
2が末広ノズル状ガス吹出し穴を有する場合、5Tor
r以上のガス圧の下においても、8〜30mmのように
広範囲内の基板電極間距離によって放電を維持すること
が可能になる。すなわち、末広ノズル状ガス吹出し穴を
有する対向電極を用いる場合、通常の円筒状ガス吹出し
穴を有する対向電極を用いる場合に比べて、基板電極間
距離を大きく設定することができる。したがって、本発
明におけるように末広ノズル状ガス吹出し穴を有する対
向電極を用いることによって、高い反応ガス圧の下にお
いてもシリコン粉体の発生を低減させることができ、ま
た、大きな受光面積を有する光電変換装置においても場
所的な特性のばらつきを低減させることができる。
On the other hand, as in the present invention, the counter electrode 22
When 2 has a divergent nozzle-shaped gas blowing hole, 5 Torr
Even under a gas pressure of r or more, it becomes possible to maintain the discharge by the distance between the substrate electrodes within a wide range such as 8 to 30 mm. That is, in the case of using a counter electrode having a divergent nozzle-shaped gas blowing hole, the distance between the substrate electrodes can be set larger than in the case of using a counter electrode having a normal cylindrical gas blowing hole. Therefore, by using a counter electrode having a divergent nozzle-shaped gas blowing hole as in the present invention, it is possible to reduce the generation of silicon powder even under a high reaction gas pressure, and to obtain a photoelectric element having a large light receiving area. Also in the conversion device, it is possible to reduce the variation in locational characteristics.

【0029】図3は、対向電極222において用いられ
得る末広ノズル状ガス吹出し穴の一例の断面形状を模式
的に図解している。図3に示されているような末広ノズ
ル状ガス吹出し穴において、ガス放出側の断面直径A
は、たとえば1.6〜3.8mmの範囲内に設定され得
る。円錐状部分の開き角Bは約22度の範囲内で設定さ
れ得る。円錐状部分の底部にある短い円筒部の断面直径
Cは約1.1〜1.6mmの範囲内で設定され得る。ガ
ス導入側の円筒部の断面直径Eは、約0.4〜0.7m
mの範囲内で設定され得る。ガス放出側の円錐部と円筒
部のトータル長さFは、約6〜8.4mmの範囲内で設
定され得る。そして、ガス導入側の円筒部の長さGは、
約2〜2.5mmの範囲内で設定され得る。但し、図3
に示されているような断面形状は末広ノズル状ガス吹出
し穴として採用し得るものの一例に過ぎず、他の断面形
状を有する種々の末広ノズル状穴も用いられ得ることは
言うまでもない。
FIG. 3 schematically illustrates the cross-sectional shape of an example of a divergent nozzle-shaped gas blowing hole that can be used in the counter electrode 222. In the divergent nozzle-shaped gas blowing hole as shown in FIG.
May be set, for example, in the range of 1.6 to 3.8 mm. The opening angle B of the conical portion can be set within a range of about 22 degrees. The cross-sectional diameter C of the short cylinder at the bottom of the conical portion can be set in the range of about 1.1-1.6 mm. The cross-sectional diameter E of the cylindrical portion on the gas introduction side is about 0.4 to 0.7 m.
m can be set. The total length F of the conical portion and the cylindrical portion on the gas discharge side can be set within a range of about 6 to 8.4 mm. And the length G of the cylindrical portion on the gas introduction side is
It can be set within the range of about 2-2.5 mm. However, FIG.
It is needless to say that the cross-sectional shape shown in FIG. 1 is merely an example that can be adopted as the divergent nozzle-shaped gas blowing hole, and various divergent nozzle-shaped holes having other cross-sectional shapes can also be used.

【0030】光電変換層105上には、その下地層10
4とは逆タイプの導電型半導体層106としてのシリコ
ン系薄膜がプラズマCVD法によって堆積される。この
逆導電型シリコン系薄膜106としては、たとえば導電
型決定不純物原子であるボロンが0.01原子%以上ド
ープされたp型シリコン薄膜、またはリンが0.01原
子%以上ドープされたn型シリコン薄膜などが用いられ
得る。しかし、逆導電型半導体層106についてのこれ
らの条件は限定的なものではなく、不純物原子としては
たとえばp型のためのアルミニウム等やn型のための窒
素等を用いてもよく、またシリコンカーバイドやシリコ
ンゲルマニウム等の合金材料の膜を用いてもよい。この
逆導電型シリコン系薄膜106は、多結晶,微結晶,ま
たは非晶質のいずれでもよく、その膜厚は2〜150n
mの範囲内に設定され得る。
On the photoelectric conversion layer 105, the underlying layer 10
A silicon-based thin film as the conductive semiconductor layer 106 of the type opposite to that of No. 4 is deposited by a plasma CVD method. As the reverse conductivity type silicon-based thin film 106, for example, a p-type silicon thin film doped with boron, which is a conductivity type determining impurity atom, in an amount of 0.01 atomic% or more, or an n-type silicon film doped with phosphorus in an amount of 0.01 atomic% or more A thin film or the like can be used. However, these conditions for the opposite conductivity type semiconductor layer 106 are not limited, and for example, aluminum or the like for p-type or nitrogen or the like for n-type may be used as impurity atoms, and silicon carbide may be used. Alternatively, a film of an alloy material such as silicon germanium may be used. This reverse conductivity type silicon-based thin film 106 may be polycrystalline, microcrystalline, or amorphous, and has a thickness of 2 to 150 n.
m.

【0031】光電変換ユニット111上には、ITO,
SnO2,ZnO等から選択された少なくとも1以上の
層からなる透明導電性酸化膜107が形成され、さらに
この上にグリッド電極としてAl,Ag,Au,Cu,
Pt等から選択された少なくとも1以上の金属またはこ
れらの合金の層を含む櫛形状の金属電極108がスパッ
タリング法または蒸着法によって形成され、これによっ
て図1に示されているような光電変換装置が完成する。
On the photoelectric conversion unit 111, ITO,
A transparent conductive oxide film 107 composed of at least one layer selected from SnO 2 , ZnO or the like is formed, and further thereon Al, Ag, Au, Cu,
A comb-shaped metal electrode 108 including a layer of at least one metal selected from Pt or the like or an alloy thereof is formed by a sputtering method or a vapor deposition method, whereby the photoelectric conversion device as shown in FIG. Complete.

【0032】なお、図1は本発明による製造方法が適用
され得るシリコン系薄膜光電変換装置の1つを例示して
いるだけであって、本発明は、図1に示されているよう
な結晶質光電変換層を含む少なくとも1つの結晶系薄膜
光電変換ユニットに加えて、周知の方法で形成される非
晶質光電変換層を含む少なくとももう1つの非晶質系薄
膜光電変換ユニットをも含むタンデム型光電変換装置に
も適用し得ることは言うまでもない。
FIG. 1 shows only one example of a silicon-based thin film photoelectric conversion device to which the manufacturing method according to the present invention can be applied. Tandem including, in addition to at least one crystalline thin film photoelectric conversion unit including a porous photoelectric conversion layer, and at least another amorphous thin film photoelectric conversion unit including an amorphous photoelectric conversion layer formed by a known method It is needless to say that the present invention can be applied to a type photoelectric conversion device.

【0033】たとえば図4の模式的な斜視図に示される
ているように、本発明の他の実施の形態として、ガラス
基板側から光が入射されるタイプのタンデム型シリコン
系薄膜光電変換装置が製造され得る。図4の光電変換装
置においては、まず透明基板401上に図1中の透明導
電層107に対応する層407が形成され得る。そし
て、この透明導電層407上には、第1の光電変換ユニ
ット412,第2の光電変換ユニット411,および裏
面電極410が積層される。第1の光電変換ユニット4
12は非晶質系光電変換ユニットであり、順次積層され
た第1導電型の微結晶または非晶質のシリコン系薄膜4
15,実質的に真性半導体の非晶質シリコン系薄膜光電
変換層414,および逆導電型の微結晶または非晶質の
シリコン系薄膜413を含んでいる。第1光電変換ユニ
ット412上には、図1中の複数の層102〜106に
それぞれ対応する複数の層402〜406が積層順序を
逆にして堆積される。このとき、図4中の各層402〜
406は、図1中の対応する各層102〜106に準じ
て同様に形成され得る。
As shown in, for example, a schematic perspective view of FIG. 4, as another embodiment of the present invention, a tandem silicon-based thin film photoelectric conversion device of a type in which light is incident from the glass substrate side. Can be manufactured. In the photoelectric conversion device of FIG. 4, a layer 407 corresponding to the transparent conductive layer 107 in FIG. The first photoelectric conversion unit 412, the second photoelectric conversion unit 411, and the back electrode 410 are stacked on the transparent conductive layer 407. First photoelectric conversion unit 4
Reference numeral 12 denotes an amorphous photoelectric conversion unit, which is a first conductive type microcrystalline or amorphous silicon thin film 4 which is sequentially laminated.
15, a substantially intrinsic semiconductor amorphous silicon-based thin film photoelectric conversion layer 414 and a microcrystalline or amorphous silicon-based thin film 413 of the opposite conductivity type. On the first photoelectric conversion unit 412, a plurality of layers 402 to 406 respectively corresponding to the plurality of layers 102 to 106 in FIG. At this time, each of the layers 402 to 402 in FIG.
406 can be similarly formed according to the corresponding layers 102 to 106 in FIG.

【0034】以上述べたシリコン系薄膜光電変換装置の
一連の製造工程のうちで、スループットを向上させる上
で従来から最も大きな課題であったのは、大きな膜厚を
必要とする結晶質光電変換層(105,405)の製造
工程であったことは言うまでもない。しかしながら、本
発明によれば、その結晶質光電変換層の成膜速度が大幅
に向上し、しかも、より良質の膜が得られることから、
シリコン系薄膜光電変換装置の高性能化と低コスト化に
大きく貢献することができる。
Among the series of manufacturing processes of the silicon-based thin film photoelectric conversion device described above, the biggest problem in improving the throughput is the crystalline photoelectric conversion layer requiring a large film thickness. Needless to say, the manufacturing process was (105, 405). However, according to the present invention, the film formation rate of the crystalline photoelectric conversion layer is greatly improved, and a higher quality film can be obtained.
This can greatly contribute to higher performance and lower cost of the silicon-based thin film photoelectric conversion device.

【0035】[0035]

【実施例】以下において、本発明の実施例の製造方法に
よる結晶質シリコン系半導体薄膜を利用し得る薄膜太陽
電池が説明される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a thin-film solar cell which can utilize a crystalline silicon-based semiconductor thin film according to a manufacturing method of an embodiment of the present invention will be described.

【0036】(実施例1)図1の実施の形態に対応し
て、実施例1としての結晶質シリコン薄膜太陽電池が作
製された。まず、ガラス基板101上に裏面電極110
として、Ti層とAg層を含む金属膜102とその上の
ZnO膜103のそれぞれがスパッタリング法によって
形成された。裏面電極110上には、結晶質光電変換ユ
ニット111が形成された。光電変換ユニット111に
含まれるn層104,i層105,およびp層106
は、それぞれ100nm,2.5μm,および100n
mの厚さに堆積された。
(Example 1) A crystalline silicon thin film solar cell as Example 1 was manufactured corresponding to the embodiment of FIG. First, a back electrode 110 is placed on a glass substrate 101.
As a result, each of the metal film 102 including the Ti layer and the Ag layer and the ZnO film 103 thereon was formed by a sputtering method. On the back electrode 110, a crystalline photoelectric conversion unit 111 was formed. N-layer 104, i-layer 105, and p-layer 106 included in photoelectric conversion unit 111
Are 100 nm, 2.5 μm, and 100 n, respectively.
m thickness.

【0037】i層105の堆積時には、末広ノズル状ガ
ス吹出し穴を複数有する対向電極が用いられ、基板電極
間距離は11mmに設定された。末広ノズル状ガス吹出
し穴を有する対向電極が用いられる場合、基板電極間距
離が10mm以上であってもプラズマ放電を維持し得る
反応室圧力を高めることができ、9.5Torrに設定
された。反応ガスとしてシランと水素が用いられ、シラ
ンに対する水素の流量は150倍に設定され、13.5
6MHzのRF電源から印加された高周波パワー密度は
99.5mW/cm2であった。このようなプラズマC
VD条件の下において、i層105の堆積速度は1.3
μm/hであった。
At the time of depositing the i-layer 105, a counter electrode having a plurality of divergent nozzle-shaped gas blowing holes was used, and the distance between the substrate electrodes was set to 11 mm. When a counter electrode having a divergent nozzle-shaped gas blowing hole was used, the reaction chamber pressure capable of maintaining plasma discharge could be increased even when the distance between the substrate electrodes was 10 mm or more, and was set to 9.5 Torr. Silane and hydrogen were used as reaction gases, and the flow rate of hydrogen to silane was set to 150 times, and 13.5
The high frequency power density applied from a 6 MHz RF power supply was 99.5 mW / cm 2 . Such a plasma C
Under the VD condition, the deposition rate of the i-layer 105 is 1.3.
μm / h.

【0038】この実施例1の結晶質シリコン薄膜太陽電
池に入射光109としてAM1.5の光を100mW/
cm2の光度で照射したときの出力特性において、開放
端電圧が0.502V、短絡電流密度が25.1mA/
cm2、曲線因子が77.1%、そして変換効率が9.
7%であった。
The light of AM1.5 was applied to the crystalline silicon thin film solar cell of Example 1 as the incident light 109 at 100 mW /
In the output characteristics when irradiated at a luminous intensity of cm 2 , the open-circuit voltage was 0.502 V, and the short-circuit current density was 25.1 mA /
cm 2 , fill factor 77.1%, and conversion efficiency 9.
7%.

【0039】(実施例2)実施例2として、実施例1に
類似して結晶質シリコン薄膜太陽電池が作製された。こ
の実施例2において、結晶質シリコン光電変換層105
の成膜条件が変更されたことを除けば、他の層の成膜条
件やデバイス構造は実施例1の場合と全く同じであっ
た。すなわち、実施例2においては、反応室圧力が5.
0Torrであり、基板電極間距離が15mmに設定さ
れた。そして、シランに対する水素の流量は79倍にさ
れ、RFパワー密度は49.7mW/cm2であった。
このプラズマCVD条件において、i層105の堆積速
度は、1μm/hであった。
(Example 2) As Example 2, a crystalline silicon thin film solar cell was fabricated in a manner similar to Example 1. In the second embodiment, the crystalline silicon photoelectric conversion layer 105
Except that the film forming conditions of Example 1 were changed, the film forming conditions and device structure of the other layers were exactly the same as those in Example 1. That is, in Example 2, the reaction chamber pressure was set to 5.
0 Torr, and the distance between the substrate electrodes was set to 15 mm. Then, the flow rate of hydrogen to silane was increased 79 times, and the RF power density was 49.7 mW / cm 2 .
Under these plasma CVD conditions, the deposition rate of the i-layer 105 was 1 μm / h.

【0040】実施例2においては実施例1に比べて反応
室圧力が低減されているので基板電極間距離をさらに拡
大することができ、それに伴ってシランに対する水素の
流量比とRFパワー密度を低減することができる。
In the second embodiment, since the pressure in the reaction chamber is reduced as compared with the first embodiment, the distance between the substrate electrodes can be further increased, and accordingly, the flow ratio of hydrogen to silane and the RF power density are reduced. can do.

【0041】この実施例2による結晶質シリコン薄膜太
陽電池に対して実施例1と同じ条件で入射光109を照
射したときの出力特性においては、開放端電圧が0.4
93V、短絡電流密度が23.4mA/cm2、曲線因
子が78.0%、そして変換効率が9.0%であった。
In the output characteristics when the crystalline silicon thin film solar cell according to the second embodiment is irradiated with incident light 109 under the same conditions as in the first embodiment, the open-circuit voltage is 0.4
93V, short circuit current density was 23.4 mA / cm 2 , fill factor was 78.0%, and conversion efficiency was 9.0%.

【0042】(実施例3)実施例3として、実施例2に
類似して結晶質シリコン薄膜太陽電池が作製された。こ
の実施例3においては、i層105の成膜時の高周波電
源がHFから40MHzのVHFに変更され、シランに
対する水素の流量が45倍にされたことのみにおいて実
施例2と異なっている。このプラズマCVD条件におい
て、i層105の堆積速度は、2.8μm/hであっ
た。すなわち、放電電極に印加される高周波の周波数を
高めることによって、シランに対する水素の流量比を低
減し得ることがわかる。
Example 3 As Example 3, a crystalline silicon thin-film solar cell was produced in a manner similar to Example 2. The third embodiment is different from the second embodiment only in that the high frequency power supply for forming the i-layer 105 is changed from HF to VHF of 40 MHz and the flow rate of hydrogen to silane is increased 45 times. Under these plasma CVD conditions, the deposition rate of the i-layer 105 was 2.8 μm / h. That is, it is understood that the flow rate ratio of hydrogen to silane can be reduced by increasing the frequency of the high frequency applied to the discharge electrode.

【0043】この実施例3の結晶質シリコン薄膜太陽電
池に対して実施例1の場合と同様に入射光109を照射
したときの出力特性においては、開放端電圧が0.47
9V、短絡電流密度が24.4mA/cm2、曲線因子
が75.4%、そして変換効率が8.8%であった。
In the output characteristics when the crystalline silicon thin-film solar cell of Example 3 was irradiated with incident light 109 in the same manner as in Example 1, the open-circuit voltage was 0.47.
9 V, short-circuit current density was 24.4 mA / cm 2 , fill factor was 75.4%, and conversion efficiency was 8.8%.

【0044】(実施例4)図4の実施の形態に対応し
て、実施例4としてのタンデム型シリコン薄膜太陽電池
が作製された。まず、ガラス基板401上に透明電極層
407としてSnO 2膜がCVD法によって形成され
た。透明電極407上には、非晶質光電変換ユニット層
412,結晶質光電変換ユニット層411,および裏面
電極410が積層された。
Example 4 corresponds to the embodiment of FIG.
And a tandem-type silicon thin-film solar cell as Example 4.
Was produced. First, a transparent electrode layer is formed on a glass substrate 401.
SnO as 407 TwoA film is formed by CVD
Was. On the transparent electrode 407, an amorphous photoelectric conversion unit layer
412, crystalline photoelectric conversion unit layer 411, and back surface
The electrode 410 was laminated.

【0045】非晶質光電変換ユニット412に含まれる
非晶質i層414の堆積条件においては、反応ガスとし
て10sccmのシランが用いられ、0.3Torrの
反応室圧力の下で13.56MHzのRFパワー密度1
5mW/cm2が印加された。そして、非晶質i層41
4は、0.25μmの厚さに堆積させられた。
Under the deposition conditions for the amorphous i-layer 414 included in the amorphous photoelectric conversion unit 412, silane of 10 sccm is used as a reaction gas, and RF of 13.56 MHz is applied under a reaction chamber pressure of 0.3 Torr. Power density 1
5 mW / cm 2 was applied. Then, the amorphous i-layer 41
4 was deposited to a thickness of 0.25 μm.

【0046】非晶質光電変換ユニット412上に積層さ
れる結晶質光電変換ユニット411とに含まれる複数の
層404〜406は、それらに対応する実施例1の複数
の層104〜106の形成条件と同じ条件の下で形成さ
れた。結晶質光電変換ユニット411上には、裏面電極
410としてITO膜403とAg膜402が積層され
た。
The plurality of layers 404 to 406 included in the crystalline photoelectric conversion unit 411 laminated on the amorphous photoelectric conversion unit 412 correspond to the conditions for forming the corresponding plurality of layers 104 to 106 in the first embodiment. Formed under the same conditions. On the crystalline photoelectric conversion unit 411, an ITO film 403 and an Ag film 402 were laminated as a back electrode 410.

【0047】この実施例4のタンデム型シリコン薄膜太
陽電池に対して入射光409としてAM1.5の光を1
00mW/cm2の光量で照射したときの出力特性にお
いて、開放端電圧が1.37V、短絡電流密度が11.
6mA/cm2、曲線因子が74.9%、そして変換効
率が11.9%であった。
For the tandem silicon thin-film solar cell of Example 4, 1 light of AM1.5 was applied as incident light 409.
In the output characteristics when irradiated with a light amount of 00 mW / cm 2 , the open-circuit voltage is 1.37 V and the short-circuit current density is 11.
6 mA / cm 2 , fill factor 74.9%, and conversion efficiency 11.9%.

【0048】(実施例5)実施例5として、実施例4に
類似したタンデム型シリコン薄膜太陽電池が作製され
た。この実施例5においては、結晶質光電変換層405
が実施例2の結晶質光電変換層105と同じ条件の下で
形成されたことのみにおいて実施例4と異なっている。
Example 5 As Example 5, a tandem silicon thin-film solar cell similar to that of Example 4 was manufactured. In the fifth embodiment, the crystalline photoelectric conversion layer 405
Is different from Example 4 only in that it was formed under the same conditions as the crystalline photoelectric conversion layer 105 of Example 2.

【0049】この実施例5のタンデム型薄膜太陽電池に
対して実施例4と同じ条件で入射光409を照射したと
きの出力特性において、開放端電圧が1.36V、短絡
電流密度が10.6mW/cm2、曲線因子が76.2
%、そして変換効率が11.0%であった。
The output characteristics when the incident light 409 was applied to the tandem thin-film solar cell of Example 5 under the same conditions as in Example 4 showed that the open-circuit voltage was 1.36 V and the short-circuit current density was 10.6 mW. / Cm 2 , fill factor 76.2
%, And the conversion efficiency was 11.0%.

【0050】(実施例6)実施例6として、実施例5に
類似したタンデム型シリコン薄膜太陽電池が作製され
た。この実施例6においては、結晶質光電変換層405
が実施例3と同じ条件で形成されたことのみにおいて実
施例5と異なっている。
Example 6 As Example 6, a tandem silicon thin-film solar cell similar to Example 5 was produced. In the sixth embodiment, the crystalline photoelectric conversion layer 405
Is different from Example 5 only in that it was formed under the same conditions as Example 3.

【0051】この実施例6のタンデム型薄膜太陽電池に
対して実施例5と同様に入射光409を照射したときの
出力特性においては、開放端電圧が1.33V、短絡電
流密度が11.1mA/cm2、曲線因子が72.2
%、そして変換効率が10.6%であった。
The output characteristics when the incident light 409 was applied to the tandem thin-film solar cell of Example 6 in the same manner as in Example 5 showed that the open-circuit voltage was 1.33 V and the short-circuit current density was 11.1 mA. / Cm 2 , fill factor 72.2
%, And the conversion efficiency was 10.6%.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、安価な
基板上に結晶質シリコン系半導体薄膜をプラズマCVD
法によって低温で形成する際に従来技術に比べて成膜速
度を大幅に向上させることができ、しかも良好な膜質が
得られる。したがって、本発明は、結晶質シリコン系半
導体薄膜を利用する種々の装置の高性能化と低コスト化
の両方に大きく貢献することができる。
As described above, according to the present invention, a crystalline silicon-based semiconductor thin film is formed on an inexpensive substrate by plasma CVD.
When the film is formed at a low temperature by the method, the film forming speed can be greatly improved as compared with the related art, and good film quality can be obtained. Therefore, the present invention can greatly contribute to both high performance and low cost of various devices using the crystalline silicon-based semiconductor thin film.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の実施の形態による製法によって得ら
れる結晶質シリコン系半導体薄膜を含む光電変換装置の
一例を示す模式的な斜視図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of a photoelectric conversion device including a crystalline silicon-based semiconductor thin film obtained by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の実施の形態による製法において用い
られ得るプラズマCVD装置を示す模式的な断面図であ
る。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a plasma CVD apparatus that can be used in the manufacturing method according to the embodiment of the present invention.

【図3】 プラズマCVD装置の反応ガス吹出し電極に
おいて好ましく用いられ得る末広ノズル状ガス吹出し穴
の一例を示す模式的な断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing an example of a divergent nozzle-shaped gas blowing hole that can be preferably used in a reaction gas blowing electrode of a plasma CVD apparatus.

【図4】 本発明のもう1つの実施の形態による製法を
利用して得られるタンデム型薄膜光電変換装置の一例を
示す模式的な斜視図である。
FIG. 4 is a schematic perspective view showing an example of a tandem-type thin-film photoelectric conversion device obtained by using a manufacturing method according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101,401 ガラス等の基板、102,402 A
g等の膜、103,403 ZnO,ITO等の膜、1
04,404,413 たとえばn型のシリコン層、1
05,405 結晶質シリコン系光電変換層、106,
406,415たとえばp型のシリコン層、107,4
07 ITO,SnO2等の透明導電膜、108 Ag
等の櫛形電極、109,409 照射光、110,41
0 裏面電極、111,411 結晶質シリコン系光電
変換ユニット、222 反応ガス吹出し電極、223
基板装着用電極、414 非晶質シリコン系光電変換
層。
101, 401 A substrate such as glass, 102, 402 A
g, 103,403 ZnO, ITO, etc.
04,404,413 For example, n-type silicon layer, 1
05,405 crystalline silicon-based photoelectric conversion layer, 106,
406, 415, for example, p-type silicon layer, 107, 4
07 Transparent conductive film of ITO, SnO 2, etc., 108 Ag
, 109,409 irradiation light, 110,41
0 back electrode, 111, 411 crystalline silicon-based photoelectric conversion unit, 222 reactive gas blowing electrode, 223
Substrate mounting electrode, 414 Amorphous silicon-based photoelectric conversion layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 31/04 X W Fターム(参考) 4G077 AA03 BA04 DB04 DB11 DB16 EA01 EA04 4K030 AA06 AA17 BA29 BA45 CA06 CA17 EA04 FA03 HA04 JA01 JA05 JA09 JA10 JA12 JA16 JA18 KA17 LA16 5F045 AA08 AB03 AB06 AC01 AC02 AC03 AC05 AC16 AC17 AD09 AE21 AE23 AF07 BB07 BB08 BB09 BB12 BB14 BB16 CA13 DA61 EE12 EH05 EH07 EH14 EH19 5F051 AA05 CA02 CA03 CA04 CA07 CA08 CA09 CA16 CA23 CA36 CA37 DA04 DA17 FA02 FA03 FA04 FA06 FA18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 31/04 X WF Term (Reference) 4G077 AA03 BA04 DB04 DB11 DB16 EA01 EA04 4K030 AA06 AA17 BA29 BA45 CA06 CA17 EA04 FA03 HA04 JA01 JA05 JA09 JA10 JA12 JA16 JA18 KA17 LA16 5F045 AA08 AB03 AB06 AC01 AC02 AC03 AC05 AC16 AC17 AD09 AE21 AE23 AF07 BB07 BB08 BB09 BB12 BB14 BB16 CA13 DA61 EE12 EH05 EH07 EH14 CA07 A0703F07CA02 DA04 DA17 FA02 FA03 FA04 FA06 FA18

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 結晶質シリコン系半導体薄膜の製造方法
であって、 基板上に前記シリコン系薄膜をプラズマCVD法で堆積
する条件として、 プラズマ反応室内において第1の電極上に前記基板が配
置され、 前記基板に対向して第2の電極が配置され、 前記第2電極は前記シリコン系薄膜を堆積するための反
応ガスを前記基板に向けて放出するために複数のガス放
出穴を有し、 前記ガス放出穴の各々はガス導入側に比べてガス放出側
において大きな断面直径を有し、 前記反応室内の反応ガス圧は5Torr以上であり、 前記反応ガスは主要成分としてシランガスと水素ガスを
含み、 そして、前記シリコン系薄膜の堆積速度が1μm/h以
上であることを特徴とする結晶質シリコン系半導体薄膜
の製造方法。
1. A method for manufacturing a crystalline silicon-based semiconductor thin film, comprising: depositing the silicon-based thin film on a substrate by a plasma CVD method, wherein the substrate is disposed on a first electrode in a plasma reaction chamber. A second electrode is disposed to face the substrate, the second electrode having a plurality of gas discharge holes for discharging a reaction gas for depositing the silicon-based thin film toward the substrate; Each of the gas discharge holes has a larger cross-sectional diameter on a gas discharge side than on a gas introduction side, a reaction gas pressure in the reaction chamber is 5 Torr or more, and the reaction gas contains silane gas and hydrogen gas as main components. A method for producing a crystalline silicon-based semiconductor thin film, wherein the deposition rate of the silicon-based thin film is 1 μm / h or more.
【請求項2】 前記第2電極と前記基板との間隔は0.
8〜30mmの範囲内にあることを特徴とする請求項1
に記載の結晶質シリコン系半導体薄膜の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the distance between the second electrode and the substrate is 0.1.
2. The method according to claim 1, wherein the distance is in the range of 8 to 30 mm.
3. The method for producing a crystalline silicon-based semiconductor thin film according to item 1.
【請求項3】 前記シラン系ガスに対する前記水素ガス
の流量比は40倍以上であることを特徴とする請求項1
または2に記載の結晶質シリコン系半導体薄膜の製造方
法。
3. A flow rate ratio of the hydrogen gas to the silane-based gas is 40 times or more.
Or the method for producing a crystalline silicon-based semiconductor thin film according to item 2.
【請求項4】 前記第1と第2の電極間には40mW/
cm2以上の放電パワーが印加されることを特徴とする
請求項1から3のいずれかの項に記載の結晶質シリコン
系半導体薄膜の製造方法。
4. A power supply between the first and second electrodes of 40 mW /
The method for producing a crystalline silicon-based semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein a discharge power of not less than 2 cm 2 is applied.
【請求項5】 前記第1と第2の電極間にはHFからV
HFまでの範囲内の高周波電力が印加されることを特徴
とする請求項1から4のいずれかの項に記載の結晶質シ
リコン系半導体薄膜の製造方法。
5. A voltage between HF and V between the first and second electrodes.
5. The method for producing a crystalline silicon-based semiconductor thin film according to claim 1, wherein a high-frequency power in a range up to HF is applied.
【請求項6】 前記シリコン系薄膜は100〜400℃
の範囲内の下地温度の下で形成され得る体積結晶化分率
80%以上の結晶質シリコン膜であり、0.1原子%以
上で20原子%以下の水素を含有し、そして0.5〜1
0μmの範囲内の膜厚を有していることを特徴とする請
求項1から5のいずれかの項に記載の結晶質シリコン系
半導体薄膜の製造方法。
6. The temperature of the silicon-based thin film is 100 to 400 ° C.
Is a crystalline silicon film having a volume crystallization fraction of 80% or more, which can be formed under an underlayer temperature in the range of 0.1% to 20% by atom, and 0.5% to 20% by atom. 1
The method for producing a crystalline silicon-based semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 5, having a thickness within a range of 0 µm.
【請求項7】 前記シリコン系薄膜はその膜面に平行に
(110)の優先結晶配向面を有し、そのX線回折にお
ける(220)回折ピークに対する(111)回折ピー
クの強度比が1/5以下であることを特徴とする請求項
1から6のいずれかの項に記載の結晶質シリコン系半導
体薄膜の製造方法。
7. The silicon-based thin film has a preferred crystal orientation plane of (110) parallel to the film plane, and the intensity ratio of the (111) diffraction peak to the (220) diffraction peak in the X-ray diffraction is 1/1. The method for producing a crystalline silicon-based semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein the number is 5 or less.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006269931A (en) * 2005-03-25 2006-10-05 Sanyo Electric Co Ltd Photovoltaic device
US8053254B2 (en) 2008-05-26 2011-11-08 Mitsubishi Electric Corporation Apparatus for forming thin film and method of manufacturing semiconductor film
JP2018174263A (en) * 2017-03-31 2018-11-08 株式会社カネカ Photoelectric conversion device

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