JP2002009312A - 非単結晶薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
非単結晶薄膜太陽電池の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】微結晶相を含む非晶質薄膜からなるｐｉｎまた
はｐｎ接合を有する非単結晶薄膜太陽電池において、効
率の向上を図る。 【解決手段】ｎ層、ｉ層、ｐ層をこの順に積層した非単
結晶薄膜太陽電池の場合、ｎ層、またはその一部、或い
はｎ層とｉ層の一部を低い基板温度Ｔ1 で製膜し、ｉ層
とｐ層、または残りのｎ層とｉ層とｐ層、或いは残りの
ｉ層とｐ層とをＴ1 より高い基板温度Ｔ2 で製膜する。
特に、Ｔ1 を７０〜１２０℃とし、Ｔ2 を１２０〜４５
０℃とする。
はｐｎ接合を有する非単結晶薄膜太陽電池において、効
率の向上を図る。 【解決手段】ｎ層、ｉ層、ｐ層をこの順に積層した非単
結晶薄膜太陽電池の場合、ｎ層、またはその一部、或い
はｎ層とｉ層の一部を低い基板温度Ｔ1 で製膜し、ｉ層
とｐ層、または残りのｎ層とｉ層とｐ層、或いは残りの
ｉ層とｐ層とをＴ1 より高い基板温度Ｔ2 で製膜する。
特に、Ｔ1 を７０〜１２０℃とし、Ｔ2 を１２０〜４５
０℃とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、非単結晶膜を主
材料とし、ｐｉｎまたはｐｎ接合構造を有する非単結晶
薄膜太陽電池の製造方法に関する。
材料とし、ｐｉｎまたはｐｎ接合構造を有する非単結晶
薄膜太陽電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】非単結晶薄膜を用いた薄膜太陽電池、特
にシリコン系の非晶質薄膜であるアモルファスシリコン
（以下a-Siと記す）、微結晶相を主とするシリコン（一
部にa-Si膜を含むという意味で微結晶を主とするとい
う。以下μc-Siと記す）、薄膜多結晶シリコン等の非単
結晶薄膜を主材料としたｐｉｎ接合構造を有する非単結
晶薄膜太陽電池は、単結晶シリコンの太陽電池と比較し
て、大面積に、低温で、安価に作成できることから、電
力用の大面積薄膜太陽電池として期待されている。
にシリコン系の非晶質薄膜であるアモルファスシリコン
（以下a-Siと記す）、微結晶相を主とするシリコン（一
部にa-Si膜を含むという意味で微結晶を主とするとい
う。以下μc-Siと記す）、薄膜多結晶シリコン等の非単
結晶薄膜を主材料としたｐｉｎ接合構造を有する非単結
晶薄膜太陽電池は、単結晶シリコンの太陽電池と比較し
て、大面積に、低温で、安価に作成できることから、電
力用の大面積薄膜太陽電池として期待されている。
【０００３】しかし、a-Siを用いた太陽電池では、長時
間の光照射に対して太陽電池の効率が低下するいわゆる
Steabler-Wronski効果によって、効率が初期よりも低下
する問題がある。この問題に関し近年、ｐｉｎ型太陽電
池のドープ層であるｐ型半導体層（以下ｐ層と略す）、
ｎ型半導体層（以下ｎ層と略す）および実質的に真性な
高比抵抗層（以下ｉ層と記す）の材料として、μc-Siを
適用することにより、光劣化がない太陽電池が作成可能
なことが報告された〔J.Meier, P. Torres, R.Platz,
S. Dubail, U. Kroll, A.A. Anna Selvan, N. Pellaton
Vaucher Ch. Hof, D. Fischer, H. Keppner, A. Shah,
K.D. Ufert, P. Giannoules, J.Koehler, Mat. Res. S
oc. Symp. Proc. Vol.420, 1996, pp.3参照〕。
間の光照射に対して太陽電池の効率が低下するいわゆる
Steabler-Wronski効果によって、効率が初期よりも低下
する問題がある。この問題に関し近年、ｐｉｎ型太陽電
池のドープ層であるｐ型半導体層（以下ｐ層と略す）、
ｎ型半導体層（以下ｎ層と略す）および実質的に真性な
高比抵抗層（以下ｉ層と記す）の材料として、μc-Siを
適用することにより、光劣化がない太陽電池が作成可能
なことが報告された〔J.Meier, P. Torres, R.Platz,
S. Dubail, U. Kroll, A.A. Anna Selvan, N. Pellaton
Vaucher Ch. Hof, D. Fischer, H. Keppner, A. Shah,
K.D. Ufert, P. Giannoules, J.Koehler, Mat. Res. S
oc. Symp. Proc. Vol.420, 1996, pp.3参照〕。
【０００４】μc-Si膜はa-Siと異なり、光照射に対して
導電率が低下しないことから、μc-Siを適用した太陽電
池で、光劣化が抑制されたと考えられる。また、μc-Si
の光吸収係数はa-Siと比較して、短波長側では小さく、
長波長側では大きい。μc-Siをｐｉｎ型太陽電池の光吸
収層であるｉ層に適用することにより、長波長光の利用
が可能となり、短絡電流密度（以下Jsc と記す）の増大
を図ることができる。
導電率が低下しないことから、μc-Siを適用した太陽電
池で、光劣化が抑制されたと考えられる。また、μc-Si
の光吸収係数はa-Siと比較して、短波長側では小さく、
長波長側では大きい。μc-Siをｐｉｎ型太陽電池の光吸
収層であるｉ層に適用することにより、長波長光の利用
が可能となり、短絡電流密度（以下Jsc と記す）の増大
を図ることができる。
【０００５】一方、μc-Siを光入射側のｐ層もしくはｎ
層に用いることによって、短波長側の光吸収損の低減に
よるJsc の増大を図ることができる。更に、拡散電位の
増大による開放電圧（以下Voc と記す）の向上が図られ
るという効果がある。また、光入射と反対側のｐ層もし
くはｎ層に用いることによって、拡散電位の増加による
Vocの増加、下地電極との接触抵抗の低減による曲線因
子（以下FFと記す）、Jscの増加が図られる。また、２
層以上積層した場合のトンネル接合層とすれば、FF、Js
cの増加が図られる。
層に用いることによって、短波長側の光吸収損の低減に
よるJsc の増大を図ることができる。更に、拡散電位の
増大による開放電圧（以下Voc と記す）の向上が図られ
るという効果がある。また、光入射と反対側のｐ層もし
くはｎ層に用いることによって、拡散電位の増加による
Vocの増加、下地電極との接触抵抗の低減による曲線因
子（以下FFと記す）、Jscの増加が図られる。また、２
層以上積層した場合のトンネル接合層とすれば、FF、Js
cの増加が図られる。
【０００６】しかし、μc-Si膜の作製条件によっては、
実際には製膜初期にa-Si膜が形成される問題がある。図
１５は、μc-Siをｎ層、ｉ層、ｐ層の順に、基板温度２
５０℃で積層した薄膜太陽電池の断面の透過電子顕微鏡
（以下ＴＥＭと記す）写真の模式図である。倍率は約２
０万倍である。微結晶形成の製膜条件を選んでいるにも
かかわらず、ｎ層の製膜初期はa-Siになっており、場所
によってはｉ層中も一部a-Siになっている。
実際には製膜初期にa-Si膜が形成される問題がある。図
１５は、μc-Siをｎ層、ｉ層、ｐ層の順に、基板温度２
５０℃で積層した薄膜太陽電池の断面の透過電子顕微鏡
（以下ＴＥＭと記す）写真の模式図である。倍率は約２
０万倍である。微結晶形成の製膜条件を選んでいるにも
かかわらず、ｎ層の製膜初期はa-Siになっており、場所
によってはｉ層中も一部a-Siになっている。
【０００７】そしてこの薄膜太陽電池の効率（以下Eff
と記す）は２．１% と低い値に留まった。製膜初期のa-
Si膜は、作成条件により数１００nmに及ぶことから、設
計どおりの厚さのμc-Si膜が作成できないという問題を
誘起することもある。たとえ、厚さが薄くても、この初
期a-Si膜が形成されると、欠陥が多く、導電率が低いた
めに抵抗損失が大きくなり、FF、Jscが低下する。ま
た、このa-Si膜とμc-Si膜のｉ層との界面の欠陥密度が
高くなり、セルの特性が低下する。さらに、透光性基板
上に光入射側から順に製膜した場合には、この初期a-Si
膜の吸収係数が大きいため、Jscが低下する。
と記す）は２．１% と低い値に留まった。製膜初期のa-
Si膜は、作成条件により数１００nmに及ぶことから、設
計どおりの厚さのμc-Si膜が作成できないという問題を
誘起することもある。たとえ、厚さが薄くても、この初
期a-Si膜が形成されると、欠陥が多く、導電率が低いた
めに抵抗損失が大きくなり、FF、Jscが低下する。ま
た、このa-Si膜とμc-Si膜のｉ層との界面の欠陥密度が
高くなり、セルの特性が低下する。さらに、透光性基板
上に光入射側から順に製膜した場合には、この初期a-Si
膜の吸収係数が大きいため、Jscが低下する。
【０００８】製膜初期の非晶質膜を抑制し、a-Siのｉ層
上に始めから（微結晶を含んだ）μc-Si膜を作成する試
みとして、μc-Si膜製膜前のｉ層表面の水素プラズマに
よる処理が行われているが、確かな効果はいまだ確認さ
れていない。また、Pellatonらはa-Siのｉ層表面の二酸
化炭素（以下ＣＯ2 と記す）プラズマ処理により、タン
デムセルのトンネル接合層を目的としたμc-Siのｎ層を
１０nm以下の膜厚で形成可能と報告している〔N. Pella
ton Vaoucher, B. Rech, D.Fischer, S. Dubail, M. Go
etz, H. Keppner, C. Beneking, O. Hadjadj, V. Shkll
over and A. Shah, Technical Digest of 9th Int. Pho
tovoltaic Science and Engineering Conf., Miyazaki,
Nov. 11-15, 1996, pp.651参照〕。
上に始めから（微結晶を含んだ）μc-Si膜を作成する試
みとして、μc-Si膜製膜前のｉ層表面の水素プラズマに
よる処理が行われているが、確かな効果はいまだ確認さ
れていない。また、Pellatonらはa-Siのｉ層表面の二酸
化炭素（以下ＣＯ2 と記す）プラズマ処理により、タン
デムセルのトンネル接合層を目的としたμc-Siのｎ層を
１０nm以下の膜厚で形成可能と報告している〔N. Pella
ton Vaoucher, B. Rech, D.Fischer, S. Dubail, M. Go
etz, H. Keppner, C. Beneking, O. Hadjadj, V. Shkll
over and A. Shah, Technical Digest of 9th Int. Pho
tovoltaic Science and Engineering Conf., Miyazaki,
Nov. 11-15, 1996, pp.651参照〕。
【０００９】しかし、作成法上、ＣＯ2 プラズマで界面
に形成される層の組成、膜厚等の制御が困難であり、制
御性、再現性に問題がある。下地としてはa-Si層の場合
だけで、ガラスや金属電極、透明電極への適用の可否は
何ら示されていない。発明者らは、ｐ層にμc-Siを適用
し、ｐ層とｉ層との界面にアモルファスシリコンオキサ
イド（以下a-SiO と記す）のｐ／ｉ界面層を設けたｐｉ
ｎ型セルの構成で、μc-Siのｐ層を８５℃前後の低温で
作成することにより、製膜初期のa-Si膜の形成を抑制で
き、ｐ層にa-SiOを用いた場合よりもVocが向上すること
を報告している〔T. Sasaki, S. Fujikake, K.Tabuchi,
T. Yoshida, T. Hama, H. Sakai and Y. Ichikawa, J.
Non-Cryst. Solids,(1999), to be published; T. Sas
aki, S. Fujikake, K.Tabuchi, T. Yoshida, T. Hama,
H. Sakai and Y. Ichikawa, Tech. Digest of 11th In
t. Photovoltaic Science and Engineering Conf., Sap
poro, Japan, Sept. 20-24,(1999),to be published参
照〕。
に形成される層の組成、膜厚等の制御が困難であり、制
御性、再現性に問題がある。下地としてはa-Si層の場合
だけで、ガラスや金属電極、透明電極への適用の可否は
何ら示されていない。発明者らは、ｐ層にμc-Siを適用
し、ｐ層とｉ層との界面にアモルファスシリコンオキサ
イド（以下a-SiO と記す）のｐ／ｉ界面層を設けたｐｉ
ｎ型セルの構成で、μc-Siのｐ層を８５℃前後の低温で
作成することにより、製膜初期のa-Si膜の形成を抑制で
き、ｐ層にa-SiOを用いた場合よりもVocが向上すること
を報告している〔T. Sasaki, S. Fujikake, K.Tabuchi,
T. Yoshida, T. Hama, H. Sakai and Y. Ichikawa, J.
Non-Cryst. Solids,(1999), to be published; T. Sas
aki, S. Fujikake, K.Tabuchi, T. Yoshida, T. Hama,
H. Sakai and Y. Ichikawa, Tech. Digest of 11th In
t. Photovoltaic Science and Engineering Conf., Sap
poro, Japan, Sept. 20-24,(1999),to be published参
照〕。
【００１０】そして、初期a-Si膜がないμc-Si膜のｐ層
を形成するとともに、ｐ／ｉ界面層のa-SiOの厚さを適
当な範囲にすることによって、ｐ層としてa-SiO を用い
た場合よりも効率を向上させた薄膜太陽電池を、先に出
願した（特願２０００−０１３１２２号）。
を形成するとともに、ｐ／ｉ界面層のa-SiOの厚さを適
当な範囲にすることによって、ｐ層としてa-SiO を用い
た場合よりも効率を向上させた薄膜太陽電池を、先に出
願した（特願２０００−０１３１２２号）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】特願２０００−０１３
１２２号は、a-Si膜の上に界面層としてa-SiOを形成し
た場合であり、下地をガラスや金属電極、透明電極とし
て低温で製膜する場合は含まれていない。発明者らは、
下地がガラスや金属電極、透明電極の場合についても同
様の実験をおこなった。
１２２号は、a-Si膜の上に界面層としてa-SiOを形成し
た場合であり、下地をガラスや金属電極、透明電極とし
て低温で製膜する場合は含まれていない。発明者らは、
下地がガラスや金属電極、透明電極の場合についても同
様の実験をおこなった。
【００１２】図１６は、金属膜の下部電極２上に、μc-
Siのｎ層３、ｉ層４、ｐ層５をこの順に、基板温度８５
℃で積層した太陽電池の断面ＴＥＭ写真の模式図であ
る。基板温度を低くすることによって、確かに製膜初期
から微結晶になっているが、セル全体にわたって結晶粒
径が小さくなっている。このため、セルのEff は１．５
% と基板温度２５０℃で積層した図１５のものより低く
なってしまった。
Siのｎ層３、ｉ層４、ｐ層５をこの順に、基板温度８５
℃で積層した太陽電池の断面ＴＥＭ写真の模式図であ
る。基板温度を低くすることによって、確かに製膜初期
から微結晶になっているが、セル全体にわたって結晶粒
径が小さくなっている。このため、セルのEff は１．５
% と基板温度２５０℃で積層した図１５のものより低く
なってしまった。
【００１３】前項で述べたように、μc 膜を高温で製膜
すると、製膜初期に非晶質膜が形成される問題がある。
そしてこの非晶質膜が形成されると、様々な機構により
FF、Jscが低下するなどセルの特性に悪影響を与える。
一方、初期製膜層から微結晶になるように低い基板温度
で形成すると、セル全体にわたって結晶粒径が小さくな
り、やはりセルの特性が低下した。
すると、製膜初期に非晶質膜が形成される問題がある。
そしてこの非晶質膜が形成されると、様々な機構により
FF、Jscが低下するなどセルの特性に悪影響を与える。
一方、初期製膜層から微結晶になるように低い基板温度
で形成すると、セル全体にわたって結晶粒径が小さくな
り、やはりセルの特性が低下した。
【００１４】本発明の目的は、製膜初期の非晶質膜形成
を抑制するとともに、微結晶の粒径を大きく保ち、FF、
Jsc等の特性を低下させず、総合的にセル効率の向上が
図れる非単結晶薄膜太陽電池の製造方法を提供すること
にある。
を抑制するとともに、微結晶の粒径を大きく保ち、FF、
Jsc等の特性を低下させず、総合的にセル効率の向上が
図れる非単結晶薄膜太陽電池の製造方法を提供すること
にある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記課題解決のため本発
明は、基板上に金属電極膜を介して、微結晶相を主とす
る第一導電型層、微結晶相を主とし実質的に真性なｉ型
半導体層、および第一導電型層と逆の導電型の第二導電
型層を積層し、更に透明電極、金属グリッド電極を形成
してなる非単結晶薄膜太陽電池の製造方法において、微
結晶相を主とする積層の一部を第一の基板温度で製膜し
た後、その上に第一の基板温度より高い第二の基板温度
で製膜するものとする。
明は、基板上に金属電極膜を介して、微結晶相を主とす
る第一導電型層、微結晶相を主とし実質的に真性なｉ型
半導体層、および第一導電型層と逆の導電型の第二導電
型層を積層し、更に透明電極、金属グリッド電極を形成
してなる非単結晶薄膜太陽電池の製造方法において、微
結晶相を主とする積層の一部を第一の基板温度で製膜し
た後、その上に第一の基板温度より高い第二の基板温度
で製膜するものとする。
【００１６】透光性基板上に透明導電膜を介して、微結
晶相を主とする第一導電型層、微結晶相を主とし実質的
に真性なｉ型半導体層、および第一導電型層と逆の導電
型の第二導電型層を積層し、更に金属電極を形成してな
る非単結晶薄膜太陽電池においても同様とする。具体的
には例えば、第一導電型層を第一の基板温度で製膜した
後、ｉ型半導体層を第一の基板温度よりも高い第二の基
板温度で製膜しても良いし、第一導電型層の一部を第一
の基板温度で製膜した後、第一導電型層の残部を第一の
基板温度よりも高い第二の基板温度で製膜し、ｉ型半導
体層を第一の基板温度より高い基板温度で製膜してもよ
い。
晶相を主とする第一導電型層、微結晶相を主とし実質的
に真性なｉ型半導体層、および第一導電型層と逆の導電
型の第二導電型層を積層し、更に金属電極を形成してな
る非単結晶薄膜太陽電池においても同様とする。具体的
には例えば、第一導電型層を第一の基板温度で製膜した
後、ｉ型半導体層を第一の基板温度よりも高い第二の基
板温度で製膜しても良いし、第一導電型層の一部を第一
の基板温度で製膜した後、第一導電型層の残部を第一の
基板温度よりも高い第二の基板温度で製膜し、ｉ型半導
体層を第一の基板温度より高い基板温度で製膜してもよ
い。
【００１７】第一導電型層を第二の基板温度より低い基
板温度で製膜した後、ｉ型半導体層の一部を第一の基板
温度で製膜し、ｉ型半導体層の残部を第一の基板温度よ
り高い第二の基板温度で製膜してもよい。また、基板上
に金属電極膜を介して、微結晶相を主とする第一導電型
層、第二導電型層を積層し、更に透明電極、グリッド電
極を形成してなる非単結晶薄膜太陽電池の場合には、第
一導電型層を第一の基板温度で製膜した後、第二導電型
層を第一の基板温度よりも高い第二の基板温度で製膜し
ても良いし、第一導電型層の一部を第一の基板温度で製
膜した後、第一導電型層の残部を第一の基板温度よりも
高い第二の基板温度で製膜し、第二導電型層を第一の基
板温度より高い基板温度で製膜しても良い。
板温度で製膜した後、ｉ型半導体層の一部を第一の基板
温度で製膜し、ｉ型半導体層の残部を第一の基板温度よ
り高い第二の基板温度で製膜してもよい。また、基板上
に金属電極膜を介して、微結晶相を主とする第一導電型
層、第二導電型層を積層し、更に透明電極、グリッド電
極を形成してなる非単結晶薄膜太陽電池の場合には、第
一導電型層を第一の基板温度で製膜した後、第二導電型
層を第一の基板温度よりも高い第二の基板温度で製膜し
ても良いし、第一導電型層の一部を第一の基板温度で製
膜した後、第一導電型層の残部を第一の基板温度よりも
高い第二の基板温度で製膜し、第二導電型層を第一の基
板温度より高い基板温度で製膜しても良い。
【００１８】第一導電型層を第二の基板温度より低い基
板温度で製膜した後、第二導電型層の一部を第一の基板
温度で製膜し、第二導電型層の残部を第一の基板温度よ
り高い第二の基板温度で製膜しても良い。プラズマCV
D、熱CVD、光CVD等でμc-膜、例えばμc-Siを作成する
ときは、原料ガスの水素化珪素を水素で希釈する。水素
原子は製膜表面の活性化と同時に膜のエッチングを同時
におこなうと考えられている。a-Siのエッチングレート
は、μc-Siに比べて速く、低温ほど速くなる〔例えば、
H. N. Wanka and M.B. Schubert, Mat. Res. Soc. Sym
p. Proc. 467, 1997, pp.651 参照〕。
板温度で製膜した後、第二導電型層の一部を第一の基板
温度で製膜し、第二導電型層の残部を第一の基板温度よ
り高い第二の基板温度で製膜しても良い。プラズマCV
D、熱CVD、光CVD等でμc-膜、例えばμc-Siを作成する
ときは、原料ガスの水素化珪素を水素で希釈する。水素
原子は製膜表面の活性化と同時に膜のエッチングを同時
におこなうと考えられている。a-Siのエッチングレート
は、μc-Siに比べて速く、低温ほど速くなる〔例えば、
H. N. Wanka and M.B. Schubert, Mat. Res. Soc. Sym
p. Proc. 467, 1997, pp.651 参照〕。
【００１９】従って、低温で微結晶薄膜を作成すると、
エッチング作用が強くなり、実質的に初期のa-膜の製膜
が起こらず、μc-膜のみ形成される。一旦、表面がμc-
膜で覆われると、その後により高い温度で微結晶膜をし
ても、それを核にして成長するので、非晶質膜の形成を
抑制し、結晶性のよい微結晶膜を形成できる。また、製
膜温度が高いほど結晶粒径が大きくなり、結晶性、光電
特性が改善される。製膜初期に低温で微結晶を作成し、
その後により高い温度で微結晶を製膜すると、製膜初期
の微結晶膜についても、アニール効果によって結晶性が
改善される。
エッチング作用が強くなり、実質的に初期のa-膜の製膜
が起こらず、μc-膜のみ形成される。一旦、表面がμc-
膜で覆われると、その後により高い温度で微結晶膜をし
ても、それを核にして成長するので、非晶質膜の形成を
抑制し、結晶性のよい微結晶膜を形成できる。また、製
膜温度が高いほど結晶粒径が大きくなり、結晶性、光電
特性が改善される。製膜初期に低温で微結晶を作成し、
その後により高い温度で微結晶を製膜すると、製膜初期
の微結晶膜についても、アニール効果によって結晶性が
改善される。
【００２０】この作用は、透光性基板上に透明導電膜を
介して、微結晶相を主とする第一導電型層、微結晶相を
主とし実質的に真性なｉ型半導体層、および第一導電型
層と逆の導電型の第二導電型層を積層し、更に金属電極
を形成した非単結晶薄膜太陽電池においても同様であ
る。ｉ型半導体層を有する非単結晶薄膜太陽電池の場合
にはｉ型半導体層の材質がシリコンまたは、シリコンゲ
ルマニウム合金等のシリコン合金であるものとする。
介して、微結晶相を主とする第一導電型層、微結晶相を
主とし実質的に真性なｉ型半導体層、および第一導電型
層と逆の導電型の第二導電型層を積層し、更に金属電極
を形成した非単結晶薄膜太陽電池においても同様であ
る。ｉ型半導体層を有する非単結晶薄膜太陽電池の場合
にはｉ型半導体層の材質がシリコンまたは、シリコンゲ
ルマニウム合金等のシリコン合金であるものとする。
【００２１】ｉ型半導体層がシリコンであるとき所期の
効果がもたらされることは後述の実施例で実証される。
シリコンと類似した性質を持ち、かつバンドギャップが
小さく吸収の大きいシリコンゲルマニウム合金等のシリ
コン合金の場合も同様の効果が期待できる。第一の基板
温度から第二の基板温度への変化の少なくとも一部を連
続的におこない、その間も製膜することもできる。
効果がもたらされることは後述の実施例で実証される。
シリコンと類似した性質を持ち、かつバンドギャップが
小さく吸収の大きいシリコンゲルマニウム合金等のシリ
コン合金の場合も同様の効果が期待できる。第一の基板
温度から第二の基板温度への変化の少なくとも一部を連
続的におこない、その間も製膜することもできる。
【００２２】そのようにすれば、セル効率向上に効果が
あるだけでなく、セル作成時間の短縮に効果がある。第
一の基板温度は、７０℃以上、１２０℃未満の温度とす
る。基板温度７０〜１２０℃で製膜すれば、エッチング
作用が強くなり、実質的に初期のa-膜が製膜されず、初
期から微結晶を含んだμc-膜が形成される。７０℃未満
の低温ではエッチング作用が強すぎて、μc 膜の形成も
阻害される。一方１２０℃を超える高温では、エッチン
グ作用が不十分でa-膜が残る。
あるだけでなく、セル作成時間の短縮に効果がある。第
一の基板温度は、７０℃以上、１２０℃未満の温度とす
る。基板温度７０〜１２０℃で製膜すれば、エッチング
作用が強くなり、実質的に初期のa-膜が製膜されず、初
期から微結晶を含んだμc-膜が形成される。７０℃未満
の低温ではエッチング作用が強すぎて、μc 膜の形成も
阻害される。一方１２０℃を超える高温では、エッチン
グ作用が不十分でa-膜が残る。
【００２３】第二の基板温度は、１２０℃以上、４５０
℃未満の温度とする。一旦、表面がμc-膜で覆われる
と、それを核にして、高温でも微結晶が成長する。そし
て、製膜温度が高いほど結晶粒径が大きくなり、結晶
性、光電特性も改善される。１２０℃未満の温度では、
十分な結晶粒成長が起きない。他方、４５０℃を超える
高温では、核発生が多すぎてやはり微細な結晶になって
しまう。
℃未満の温度とする。一旦、表面がμc-膜で覆われる
と、それを核にして、高温でも微結晶が成長する。そし
て、製膜温度が高いほど結晶粒径が大きくなり、結晶
性、光電特性も改善される。１２０℃未満の温度では、
十分な結晶粒成長が起きない。他方、４５０℃を超える
高温では、核発生が多すぎてやはり微細な結晶になって
しまう。
【００２４】第一導電型層や第二導電型層の材質が、シ
リコンまたはシリコンオキサイド、シリコンカーバイ
ド、シリコンナイトライド等のシリコン合金であるもの
とする。第一導電型層や第二導電型層がシリコンである
とき所期の効果がもたらされることは後述の実施例で実
証されている。シリコンと類似した性質を持ち、かつバ
ンドギャップが大きく吸収の少ないシリコンオキサイ
ド、シリコンカーバイド、シリコンナイトライド等のシ
リコン合金の場合も同様の効果が期待できる。特に第二
導電型層は、μc-膜だけでなく、a-膜でもよい。
リコンまたはシリコンオキサイド、シリコンカーバイ
ド、シリコンナイトライド等のシリコン合金であるもの
とする。第一導電型層や第二導電型層がシリコンである
とき所期の効果がもたらされることは後述の実施例で実
証されている。シリコンと類似した性質を持ち、かつバ
ンドギャップが大きく吸収の少ないシリコンオキサイ
ド、シリコンカーバイド、シリコンナイトライド等のシ
リコン合金の場合も同様の効果が期待できる。特に第二
導電型層は、μc-膜だけでなく、a-膜でもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下図面を参照しながら本発明の
実施の形態を説明する。 〔実施例１〕μc-Siを主体とする太陽電池の試作実験に
ついて述べる。図２は本発明にかかる第一の実施例の非
単結晶薄膜太陽電池の断面図である。以下にその製造工
程を説明する。
実施の形態を説明する。 〔実施例１〕μc-Siを主体とする太陽電池の試作実験に
ついて述べる。図２は本発明にかかる第一の実施例の非
単結晶薄膜太陽電池の断面図である。以下にその製造工
程を説明する。
【００２６】基板にはガラス基板１を用いた。ガラス基
板１上に、金属電極２としてスパッタリング法により膜
厚１００〜２００nmの銀（Ag）膜を製膜する。アルミニ
ウム等の他の金属膜を用いることもできる。蒸着で製膜
することもできる。次にプラズマＣＶＤ法により、第一
導電型層としてμc-Siのｎ層３、μc-Siのｉ層４、第二
導電型層としてμc-Siのｐ層５を順次形成する。図１は
その製膜時の温度プログラム図である。すなわち、ｎ層
３形成時は７０〜１２０℃の低い基板温度であるＴ1 で
製膜し、ｉ層４およびｐ層５はＴ1 より高いＴ2 の基板
温度で製膜した。ここでは、Ｔ1 として１００℃、Ｔ2
として２５０℃の基板温度とした。圧力は１３〜６５０
Ｐａである。
板１上に、金属電極２としてスパッタリング法により膜
厚１００〜２００nmの銀（Ag）膜を製膜する。アルミニ
ウム等の他の金属膜を用いることもできる。蒸着で製膜
することもできる。次にプラズマＣＶＤ法により、第一
導電型層としてμc-Siのｎ層３、μc-Siのｉ層４、第二
導電型層としてμc-Siのｐ層５を順次形成する。図１は
その製膜時の温度プログラム図である。すなわち、ｎ層
３形成時は７０〜１２０℃の低い基板温度であるＴ1 で
製膜し、ｉ層４およびｐ層５はＴ1 より高いＴ2 の基板
温度で製膜した。ここでは、Ｔ1 として１００℃、Ｔ2
として２５０℃の基板温度とした。圧力は１３〜６５０
Ｐａである。
【００２７】先ず、μc-Siのｎ層３は、モノシラン（以
下ＳｉＨ4 と記す）ガス１〜２００ml/min、フォスフィ
ン（以下ＰＨ3 と記す）ガス０．０１〜２０ml/min、水
素（以下Ｈ2 と記す）１００〜２０００ml/minの混合ガ
スを用いて、１０〜５０nm形成する。続いて基板温度を
２５０℃に上げてμc-Siのｉ層４を、ＳｉＨ4 ガス１〜
２００ml/min、Ｈ2 ガス１０〜２０００ml/minの混合ガ
スを用いて、５００〜５０００nm形成する。続いてμc-
Siのｐ層５をＳｉＨ4 ガス１〜２００ml/min、ジボラン
（以下Ｂ2 Ｈ6 と記す）０．０１〜２０ml/min、Ｈ2 １
００〜２０００ml/minの混合ガスを用いて、１０〜５０
nm形成する。成膜速度は、ガス量や印加する電力に依存
するが、０．５〜２nm/minである。
下ＳｉＨ4 と記す）ガス１〜２００ml/min、フォスフィ
ン（以下ＰＨ3 と記す）ガス０．０１〜２０ml/min、水
素（以下Ｈ2 と記す）１００〜２０００ml/minの混合ガ
スを用いて、１０〜５０nm形成する。続いて基板温度を
２５０℃に上げてμc-Siのｉ層４を、ＳｉＨ4 ガス１〜
２００ml/min、Ｈ2 ガス１０〜２０００ml/minの混合ガ
スを用いて、５００〜５０００nm形成する。続いてμc-
Siのｐ層５をＳｉＨ4 ガス１〜２００ml/min、ジボラン
（以下Ｂ2 Ｈ6 と記す）０．０１〜２０ml/min、Ｈ2 １
００〜２０００ml/minの混合ガスを用いて、１０〜５０
nm形成する。成膜速度は、ガス量や印加する電力に依存
するが、０．５〜２nm/minである。
【００２８】つづいて、透明電極６をスパッタ法により
形成する。具体的には、膜厚６０〜８０nmの酸化インジ
ウム錫（以下ＩＴＯと記す）を形成する。透明電極６と
しては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることもでき、ま
た製膜法としては、蒸着法でもよい。最後に透明電極６
の上に、金属のグリッド電極７を形成する。μc-Siのｎ
層３の製膜は、７０〜１２０℃の温度範囲でおこなうこ
とが重要である。温度を１２０℃より高くすると、製膜
初期に非晶質層ができることが透過電子顕微鏡観察によ
り観測され、そのようなμc-Siをもつセルでは特性が低
下した。１２０℃より低温で微結晶薄膜を作成すると、
エッチング作用が強くなり、実質的に初期の非晶質膜の
製膜が起こらず、微結晶薄膜のみ形成される。但し、７
０℃より低くすると、微結晶薄膜に空孔の発生が、透過
電子顕微鏡により観察され、セル特性も低下した。７０
〜１２０℃の範囲では、空孔の発生も、製膜初期の非晶
質層の発生も抑制できる。
形成する。具体的には、膜厚６０〜８０nmの酸化インジ
ウム錫（以下ＩＴＯと記す）を形成する。透明電極６と
しては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を用いることもでき、ま
た製膜法としては、蒸着法でもよい。最後に透明電極６
の上に、金属のグリッド電極７を形成する。μc-Siのｎ
層３の製膜は、７０〜１２０℃の温度範囲でおこなうこ
とが重要である。温度を１２０℃より高くすると、製膜
初期に非晶質層ができることが透過電子顕微鏡観察によ
り観測され、そのようなμc-Siをもつセルでは特性が低
下した。１２０℃より低温で微結晶薄膜を作成すると、
エッチング作用が強くなり、実質的に初期の非晶質膜の
製膜が起こらず、微結晶薄膜のみ形成される。但し、７
０℃より低くすると、微結晶薄膜に空孔の発生が、透過
電子顕微鏡により観察され、セル特性も低下した。７０
〜１２０℃の範囲では、空孔の発生も、製膜初期の非晶
質層の発生も抑制できる。
【００２９】本実施例では基板温度が低いので問題とな
る初期遷移層が存在しない。実際に断面を透過電子顕微
鏡観察により確認した。微結晶相の含有率は、８０% 以
上である。図３は、図１の非単結晶薄膜太陽電池の断面
ＴＥＭ写真の模式図である。倍率は約２０万倍である。
る初期遷移層が存在しない。実際に断面を透過電子顕微
鏡観察により確認した。微結晶相の含有率は、８０% 以
上である。図３は、図１の非単結晶薄膜太陽電池の断面
ＴＥＭ写真の模式図である。倍率は約２０万倍である。
【００３０】図１５で見られた製膜初期のa-Si膜がな
く、金属電極２上に直接μc-Siのｎ層３が成長している
ことがわかる。更に基板温度を２５０℃に上げて製膜し
たｉ層４、ｐ層５では結晶粒が大きくなっている。粒界
部分にa-Si相が極く僅かに残っているだけで、ほとんど
多結晶膜と言えるほどである。このセルは、効率５．２
% を示し、基板温度を２５０℃として作成した図１４の
セルの２．１% を大幅に上回った。
く、金属電極２上に直接μc-Siのｎ層３が成長している
ことがわかる。更に基板温度を２５０℃に上げて製膜し
たｉ層４、ｐ層５では結晶粒が大きくなっている。粒界
部分にa-Si相が極く僅かに残っているだけで、ほとんど
多結晶膜と言えるほどである。このセルは、効率５．２
% を示し、基板温度を２５０℃として作成した図１４の
セルの２．１% を大幅に上回った。
【００３１】〔実施例２〕図４は、本発明の第二の製造
方法にかかる製膜時の基板温度の温度プログラム図であ
り、図５は、その製法による非単結晶薄膜太陽電池の断
面図である。μc-Siのｎ層３を１００℃で形成し、μc-
Siのｉ層４を２５０℃で形成するまでは実施例１と同じ
であるが、その上にa-SiOのｐ層８を２００℃で形成し
た。
方法にかかる製膜時の基板温度の温度プログラム図であ
り、図５は、その製法による非単結晶薄膜太陽電池の断
面図である。μc-Siのｎ層３を１００℃で形成し、μc-
Siのｉ層４を２５０℃で形成するまでは実施例１と同じ
であるが、その上にa-SiOのｐ層８を２００℃で形成し
た。
【００３２】このセルも製膜初期から微結晶を形成し
た。セル効率Eff は５．６% であった。ｐ層８としてa-
SiOを用いることにより、μc-Siのｐ層とした場合より
バンドギャップが大きく、Jscが大きくなったためであ
る。 〔実施例３〕図６は、本発明の第三の製造方法にかかる
製膜時の基板温度の温度プログラム図であり、図７は、
その製法による非単結晶薄膜太陽電池の断面図である。
た。セル効率Eff は５．６% であった。ｐ層８としてa-
SiOを用いることにより、μc-Siのｐ層とした場合より
バンドギャップが大きく、Jscが大きくなったためであ
る。 〔実施例３〕図６は、本発明の第三の製造方法にかかる
製膜時の基板温度の温度プログラム図であり、図７は、
その製法による非単結晶薄膜太陽電池の断面図である。
【００３３】ガラス基板１の上に、金属電極２を形成す
るまでは実施例１と同じであるが、。その上への第一導
電型層であるμc-Siのｎ層の製膜時に、基板温度をＴ1
からＴ2 へと変化させたものである。Ｔ1 は７０〜１２
０℃の温度、Ｔ2 はＴ1 より高い温度である。本実施例
ではＴ1 ＝７０℃、Ｔ2 ＝２５０℃とした。図７では、
基板温度がＴ1 でのｎ層を初期ｎ層３０１、Ｔ2 でのｎ
層を後期ｎ層３０２と表した。その上のμc-Siのｉ層４
およびｐ層５はいずれも２５０℃で製膜した。
るまでは実施例１と同じであるが、。その上への第一導
電型層であるμc-Siのｎ層の製膜時に、基板温度をＴ1
からＴ2 へと変化させたものである。Ｔ1 は７０〜１２
０℃の温度、Ｔ2 はＴ1 より高い温度である。本実施例
ではＴ1 ＝７０℃、Ｔ2 ＝２５０℃とした。図７では、
基板温度がＴ1 でのｎ層を初期ｎ層３０１、Ｔ2 でのｎ
層を後期ｎ層３０２と表した。その上のμc-Siのｉ層４
およびｐ層５はいずれも２５０℃で製膜した。
【００３４】このセルも製膜初期からほぼ微結晶であっ
たが、セル効率Eff は４．８% であった。実施例１の非
単結晶太陽電池よりEff がやや低かったのは、基板温度
Ｔ1 で製膜した初期ｎ層３０１の厚さが薄く、微結晶粒
の成長が不十分で、金属電極２が微結晶で全面的に覆わ
れず、a-Si膜が残ったためかと考えられる。
たが、セル効率Eff は４．８% であった。実施例１の非
単結晶太陽電池よりEff がやや低かったのは、基板温度
Ｔ1 で製膜した初期ｎ層３０１の厚さが薄く、微結晶粒
の成長が不十分で、金属電極２が微結晶で全面的に覆わ
れず、a-Si膜が残ったためかと考えられる。
【００３５】この例では、ｉ層製膜温度も２５０℃とし
たが、後期ｎ層成膜時のＴ2 とｉ層の製膜温度とは必ず
しも同一でなくてもよい。 〔実施例４〕図８は、本発明の第四の製造方法にかかる
製膜時の基板温度の温度プログラム図であり、図９は、
その製法による非単結晶薄膜太陽電池の断面図である。
たが、後期ｎ層成膜時のＴ2 とｉ層の製膜温度とは必ず
しも同一でなくてもよい。 〔実施例４〕図８は、本発明の第四の製造方法にかかる
製膜時の基板温度の温度プログラム図であり、図９は、
その製法による非単結晶薄膜太陽電池の断面図である。
【００３６】実施例３と同様に第一導電型層であるμc-
Siのｎ層の製膜時に、基板温度をＴ1 からＴ2 へと変化
させたものであり、低温での初期ｎ層３０１と後期ｎ層
３０３とからなっている。異なる点は、初期ｎ層３０１
をＴ1 ＝１００℃で形成した後、後期ｎ層３０３の製膜
時に基板温度を連続的にＴ1 ＝１００℃からＴ2 ＝２５
０℃に変化させた点である。
Siのｎ層の製膜時に、基板温度をＴ1 からＴ2 へと変化
させたものであり、低温での初期ｎ層３０１と後期ｎ層
３０３とからなっている。異なる点は、初期ｎ層３０１
をＴ1 ＝１００℃で形成した後、後期ｎ層３０３の製膜
時に基板温度を連続的にＴ1 ＝１００℃からＴ2 ＝２５
０℃に変化させた点である。
【００３７】基板温度を連続的に変えることによって、
後期ｎ層３０３の形成がより連続的にスムーズにおこな
われる。このセルも製膜初期からほぼ微結晶であった
が、セル効率Eff は５．２% であった。実施例２のよう
にステップ的に基板温度を変える場合は、基板温度がＴ
2 に達するまで製膜を中断する必要があるが、本例では
製膜を連続して行うことが可能でより短時間でセルを形
成できる。
後期ｎ層３０３の形成がより連続的にスムーズにおこな
われる。このセルも製膜初期からほぼ微結晶であった
が、セル効率Eff は５．２% であった。実施例２のよう
にステップ的に基板温度を変える場合は、基板温度がＴ
2 に達するまで製膜を中断する必要があるが、本例では
製膜を連続して行うことが可能でより短時間でセルを形
成できる。
【００３８】ここでは、温度を直線的に変化させたが、
温度変化はそれに限らずさまざまなパターンを取り得
る。 〔実施例５〕図１０は、本発明の製造方法にかかる製膜
時の基板温度の温度プログラム図であり、図１１は、そ
の製法による第五の非単結晶薄膜太陽電池の断面図であ
る。
温度変化はそれに限らずさまざまなパターンを取り得
る。 〔実施例５〕図１０は、本発明の製造方法にかかる製膜
時の基板温度の温度プログラム図であり、図１１は、そ
の製法による第五の非単結晶薄膜太陽電池の断面図であ
る。
【００３９】ガラス基板１の上に、金属電極２を形成
し、基板温度Ｔ1 で第一導電型層であるμc-Siのｎ層３
を製膜するまでは実施例１と同じであるが、その上への
μc-Siのｉ層の製膜時に、基板温度をＴ1 からより高い
Ｔ2 へと変化させたものである。Ｔ1 は７０〜１２０℃
の温度、Ｔ2 はＴ1 より高い温度である。本実施例では
Ｔ1 ＝１００℃、Ｔ2 ＝２５０℃とした。ここでは、初
期ｉ層製膜温度をＴ1 と同じとしたが、ｎ層成膜時の温
度と初期ｉ層の製膜温度とは必ずしも同一でなくてもよ
い。
し、基板温度Ｔ1 で第一導電型層であるμc-Siのｎ層３
を製膜するまでは実施例１と同じであるが、その上への
μc-Siのｉ層の製膜時に、基板温度をＴ1 からより高い
Ｔ2 へと変化させたものである。Ｔ1 は７０〜１２０℃
の温度、Ｔ2 はＴ1 より高い温度である。本実施例では
Ｔ1 ＝１００℃、Ｔ2 ＝２５０℃とした。ここでは、初
期ｉ層製膜温度をＴ1 と同じとしたが、ｎ層成膜時の温
度と初期ｉ層の製膜温度とは必ずしも同一でなくてもよ
い。
【００４０】図１１では、基板温度がＴ1 でのｉ層を初
期ｉ層４０１、Ｔ2 でのｉ層を後期ｉ層４０２と表し
た。その上のμc-Siのｐ層５は２５０℃で製膜した。こ
のセルも製膜初期から微結晶を形成した。セル効率Eff
は６．４% であった。更に、ｐ層５の製膜温度を２５０
℃としたが、ｐ層５の製膜温度は、必ずしもＴ2 と同一
でなくてもよい。
期ｉ層４０１、Ｔ2 でのｉ層を後期ｉ層４０２と表し
た。その上のμc-Siのｐ層５は２５０℃で製膜した。こ
のセルも製膜初期から微結晶を形成した。セル効率Eff
は６．４% であった。更に、ｐ層５の製膜温度を２５０
℃としたが、ｐ層５の製膜温度は、必ずしもＴ2 と同一
でなくてもよい。
【００４１】〔実施例６〕図１２は、本発明の製造方法
にかかる第六の非単結晶薄膜太陽電池の断面図である。
実施例１と同様に、μc-Siのｎ層３を１００℃で、μc-
Siのｉ層４を２５０℃で、μc-Siのｐ層５を２５０℃で
順次形成した上にさらに、a-Siのｎ層９を２００℃で、
a-Siのｉ層１０を２００℃で、a-SiOのｐ層１１を２０
０℃で形成した。この構造により、二層タンデムセルが
形成され、シングルセルよりも変換効率向上を図ること
が可能となる。μc-Siのｐｉｎ層３〜５がボトムセルと
して動作し、a-Siのｐｉｎ層９〜１１は、トップセルと
して動作する。セル効率Eff は９．５% であった。
にかかる第六の非単結晶薄膜太陽電池の断面図である。
実施例１と同様に、μc-Siのｎ層３を１００℃で、μc-
Siのｉ層４を２５０℃で、μc-Siのｐ層５を２５０℃で
順次形成した上にさらに、a-Siのｎ層９を２００℃で、
a-Siのｉ層１０を２００℃で、a-SiOのｐ層１１を２０
０℃で形成した。この構造により、二層タンデムセルが
形成され、シングルセルよりも変換効率向上を図ること
が可能となる。μc-Siのｐｉｎ層３〜５がボトムセルと
して動作し、a-Siのｐｉｎ層９〜１１は、トップセルと
して動作する。セル効率Eff は９．５% であった。
【００４２】実施例５のように、ボトムセルのμc-Siの
ｉ層を、製膜時に基板温度を変化させ、低温での初期ｉ
層と高温での後期ｉ層とにすれば、更に効率の向上が可
能であると考えられる。Ｔ1 からＴ2 に連続的に基板温
度を変化させてもよい。ここまでの例では基板上に、ｎ
層、ｉ層、ｐ層の順に積層したセルの例を示したが、ｐ
層、ｉ層、ｎ層の順に積層しても同様の効果が得られる
ことは言うまでもない。
ｉ層を、製膜時に基板温度を変化させ、低温での初期ｉ
層と高温での後期ｉ層とにすれば、更に効率の向上が可
能であると考えられる。Ｔ1 からＴ2 に連続的に基板温
度を変化させてもよい。ここまでの例では基板上に、ｎ
層、ｉ層、ｐ層の順に積層したセルの例を示したが、ｐ
層、ｉ層、ｎ層の順に積層しても同様の効果が得られる
ことは言うまでもない。
【００４３】高比抵抗層のｉ層としては、μc-Siより長
波長の吸収係数を大きくする目的で、μc-Si合金、例え
ばμc-SiGe等を用いることが望ましい。また、透光性基
板を用いて、光の入射を基板を通して行う場合は、第一
導電型層としては、実施例で挙げたμc-Siの他に、μc-
Siより透光性の高いμc-Si合金を用いることができる。
具体的には、μc-SiO 、μc-SiC 、μc-SiN 等が挙げら
れる。
波長の吸収係数を大きくする目的で、μc-Si合金、例え
ばμc-SiGe等を用いることが望ましい。また、透光性基
板を用いて、光の入射を基板を通して行う場合は、第一
導電型層としては、実施例で挙げたμc-Siの他に、μc-
Siより透光性の高いμc-Si合金を用いることができる。
具体的には、μc-SiO 、μc-SiC 、μc-SiN 等が挙げら
れる。
【００４４】〔実施例７〕図１３は、本発明の製造方法
にかかる製膜時の基板温度の温度プログラム図であり、
図１４は、その製法による第七の非単結晶太陽電池の断
面図である。この例は、これまでのｐｉｎ型セルと違っ
てｐｎ型セルとなっている。以下に製造方法を記す。
にかかる製膜時の基板温度の温度プログラム図であり、
図１４は、その製法による第七の非単結晶太陽電池の断
面図である。この例は、これまでのｐｉｎ型セルと違っ
てｐｎ型セルとなっている。以下に製造方法を記す。
【００４５】ガラス基板１上に、金属電極２としてスパ
ッタリング法により膜厚１００〜２００nm の銀（Ag）
膜を製膜する。アルミニウム等の他の金属膜を用いるこ
ともでき、また、蒸着で製膜することもできる。次にプ
ラズマＣＶＤ法により、第一導電型層としてμc-Siのｎ
層１３、第二導電型層としてμc-Siのｐ層１５を順次形
成する。
ッタリング法により膜厚１００〜２００nm の銀（Ag）
膜を製膜する。アルミニウム等の他の金属膜を用いるこ
ともでき、また、蒸着で製膜することもできる。次にプ
ラズマＣＶＤ法により、第一導電型層としてμc-Siのｎ
層１３、第二導電型層としてμc-Siのｐ層１５を順次形
成する。
【００４６】ｎ層１３の形成時は７０〜１２０℃の低い
基板温度Ｔ1 に保ち、ｐ層１５はＴ1 より高いＴ2 の基
板温度で製膜した。ここでは、Ｔ1 として１００℃、Ｔ
2 として２５０℃の基板温度とした。圧力は１３〜６５
０Ｐａである。μc-Siのｎ層１３は、ＳｉＨ4 ガス１〜
２００ml/min、ＰＨ3 ガス０．０１〜２０ml/min、Ｈ2
１００〜２０００ml/minの混合ガスを用いて、５００〜
５０００nm形成する。続いて基板温度を２５０℃に上げ
てμc-Siのｐ層１５をＳｉＨ4ガス１〜２００ml/min、
Ｂ2 Ｈ6 ガス０．０１〜２０ml/min、Ｈ2 １００〜２０
００ml/minの混合ガスを用いて、５００〜５０００nm形
成する。
基板温度Ｔ1 に保ち、ｐ層１５はＴ1 より高いＴ2 の基
板温度で製膜した。ここでは、Ｔ1 として１００℃、Ｔ
2 として２５０℃の基板温度とした。圧力は１３〜６５
０Ｐａである。μc-Siのｎ層１３は、ＳｉＨ4 ガス１〜
２００ml/min、ＰＨ3 ガス０．０１〜２０ml/min、Ｈ2
１００〜２０００ml/minの混合ガスを用いて、５００〜
５０００nm形成する。続いて基板温度を２５０℃に上げ
てμc-Siのｐ層１５をＳｉＨ4ガス１〜２００ml/min、
Ｂ2 Ｈ6 ガス０．０１〜２０ml/min、Ｈ2 １００〜２０
００ml/minの混合ガスを用いて、５００〜５０００nm形
成する。
【００４７】続いて透明電極６をスパッタ法により形成
する。具体的には、膜厚６０〜８０nmのＩＴＯ膜を形成
する。透明電極６としては、ＺｎＯ等を用いることもで
き、また製膜法としては、蒸着法でもよい。最後に透明
電極６の上に、金属のグリッド電極７を形成する。ｐｎ
型のセルにおいても、製膜初期から微結晶層になり、か
つ結晶粒径が大きくなり、セル効率Eff は４．５% と良
好なセル特性を示した。
する。具体的には、膜厚６０〜８０nmのＩＴＯ膜を形成
する。透明電極６としては、ＺｎＯ等を用いることもで
き、また製膜法としては、蒸着法でもよい。最後に透明
電極６の上に、金属のグリッド電極７を形成する。ｐｎ
型のセルにおいても、製膜初期から微結晶層になり、か
つ結晶粒径が大きくなり、セル効率Eff は４．５% と良
好なセル特性を示した。
【００４８】このｐｎ型のセルにおいても、第二の実施
例と同様に、７０〜１２０℃の低い基板温度であるＴ1
で第一導電層の初期ｎ層を形成し、Ｔ1 より高い基板温
度Ｔ2 に昇温して第一導電層の後期ｎ層を形成した後、
その上に第二導電層を形成しても、良好なセル特性が得
られる。また、７０〜１２０℃の低い基板温度Ｔ1 で第
一導電層および第二導電層の初期ｐ層を形成した後、Ｔ
1 より高い基板温度Ｔ2 に昇温して第二導電層の後期ｐ
層を形成しても、良好なセル特性が得られる。また、実
施例４のようにＴ1 からＴ2 にかけて連続的に基板温度
を変化させてもよい。
例と同様に、７０〜１２０℃の低い基板温度であるＴ1
で第一導電層の初期ｎ層を形成し、Ｔ1 より高い基板温
度Ｔ2 に昇温して第一導電層の後期ｎ層を形成した後、
その上に第二導電層を形成しても、良好なセル特性が得
られる。また、７０〜１２０℃の低い基板温度Ｔ1 で第
一導電層および第二導電層の初期ｐ層を形成した後、Ｔ
1 より高い基板温度Ｔ2 に昇温して第二導電層の後期ｐ
層を形成しても、良好なセル特性が得られる。また、実
施例４のようにＴ1 からＴ2 にかけて連続的に基板温度
を変化させてもよい。
【００４９】実施例７では、ｎ層１３、ｐ層１５の順に
積層したセルの例を示したが、ｐ層、ｎ層の順に積層し
ても同様の効果が得られることは言うまでもない。以
上、本実施例ではガラス基板等の透光性基板を用いたサ
ブストレート型の太陽電池について述べた。しかしなが
ら、不透光性基板を使った場合もμc-Siを適用すると同
様な現象がみられており、本発明は有効である。
積層したセルの例を示したが、ｐ層、ｎ層の順に積層し
ても同様の効果が得られることは言うまでもない。以
上、本実施例ではガラス基板等の透光性基板を用いたサ
ブストレート型の太陽電池について述べた。しかしなが
ら、不透光性基板を使った場合もμc-Siを適用すると同
様な現象がみられており、本発明は有効である。
【００５０】また、透光性基板を用いて、光の入射をそ
の基板を通して行う構造の太陽電池においても有効であ
り、特にその場合は、微結晶相を主とする（μc 膜）第
一導電層としては、μc-Siより透光性の高い微結晶シリ
コン合金、具体的にはμc-SiO、μc-SiC、μc-SiNなど
を用いることが望ましい。
の基板を通して行う構造の太陽電池においても有効であ
り、特にその場合は、微結晶相を主とする（μc 膜）第
一導電層としては、μc-Siより透光性の高い微結晶シリ
コン合金、具体的にはμc-SiO、μc-SiC、μc-SiNなど
を用いることが望ましい。
【００５１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
板上に導電膜を介して、微結晶相を主とする第一導電型
層、微結晶相を主とし実質的に真性なｉ型半導体層、お
よび第一導電型層と逆の導電型の第二導電型層を積層
し、更に透明電極、金属グリッド電極を形成してなる非
単結晶薄膜太陽電池の製造方法において、微結晶相を主
とする積層の一部を第一の基板温度で製膜した後、その
上に第一の基板温度よりも高い第二の基板温度で製膜す
ることによって、従来の一つの基板温度で製膜したとき
に問題となっていた非晶質相の発生や、微結晶の成長不
良が大幅に改善され、その結果、Eff を大幅に改善する
ことが可能となった。
板上に導電膜を介して、微結晶相を主とする第一導電型
層、微結晶相を主とし実質的に真性なｉ型半導体層、お
よび第一導電型層と逆の導電型の第二導電型層を積層
し、更に透明電極、金属グリッド電極を形成してなる非
単結晶薄膜太陽電池の製造方法において、微結晶相を主
とする積層の一部を第一の基板温度で製膜した後、その
上に第一の基板温度よりも高い第二の基板温度で製膜す
ることによって、従来の一つの基板温度で製膜したとき
に問題となっていた非晶質相の発生や、微結晶の成長不
良が大幅に改善され、その結果、Eff を大幅に改善する
ことが可能となった。
【００５２】第一導電型層を第一の基板温度で製膜した
後、ｉ型半導体層を第一の基板温度より高い第二の基板
温度で製膜しても良いし、第一導電型層の一部を第一の
基板温度で製膜した後、第一導電型層の残部を第一の基
板温度より高い第二の基板温度で製膜し、ｉ型半導体層
を第一の基板温度より高い基板温度で製膜しても良い。
また第一導電型層を第二の基板温度より低い基板温度で
製膜した後、ｉ型半導体層の一部を第一の基板温度で製
膜し、ｉ型半導体層の残部を第一の基板温度より高い第
二の基板温度で製膜しても良い。
後、ｉ型半導体層を第一の基板温度より高い第二の基板
温度で製膜しても良いし、第一導電型層の一部を第一の
基板温度で製膜した後、第一導電型層の残部を第一の基
板温度より高い第二の基板温度で製膜し、ｉ型半導体層
を第一の基板温度より高い基板温度で製膜しても良い。
また第一導電型層を第二の基板温度より低い基板温度で
製膜した後、ｉ型半導体層の一部を第一の基板温度で製
膜し、ｉ型半導体層の残部を第一の基板温度より高い第
二の基板温度で製膜しても良い。
【００５３】特に、第一の基板温度を７０〜１２０℃と
し、第二の基板温度を１２０〜４５０℃とすることによ
って、製膜初期の非晶質層の発生が抑制され、製膜初期
から微結晶層が形成される。一旦微結晶層が基板表面を
覆うと、それが核になるので高温でも非晶質層は形成さ
れず、その上に結晶性のよい微結晶膜を形成できて、結
晶粒径が大きくなり、結晶性、光電特性が改善される効
果がある。初期の微結晶層についても、製膜温度より高
い温度でアニールされるので微結晶粒が成長し、セルの
効率向上に効果がある。
し、第二の基板温度を１２０〜４５０℃とすることによ
って、製膜初期の非晶質層の発生が抑制され、製膜初期
から微結晶層が形成される。一旦微結晶層が基板表面を
覆うと、それが核になるので高温でも非晶質層は形成さ
れず、その上に結晶性のよい微結晶膜を形成できて、結
晶粒径が大きくなり、結晶性、光電特性が改善される効
果がある。初期の微結晶層についても、製膜温度より高
い温度でアニールされるので微結晶粒が成長し、セルの
効率向上に効果がある。
【００５４】第一の基板温度から第二の基板温度への温
度変化の少なくとも一部を連続的にし、その間も製膜す
ることによって、セル効率向上に効果があるとともに、
セル作成時間を短縮できる。透光性基板を用いて、光の
入射をその基板を通しておこなう構造の非単結晶薄膜太
陽電池においても本発明は同様に有効であり、第一の基
板温度とそれより高い第二の基板温度で製膜することに
よって、セル効率向上に効果がある。
度変化の少なくとも一部を連続的にし、その間も製膜す
ることによって、セル効率向上に効果があるとともに、
セル作成時間を短縮できる。透光性基板を用いて、光の
入射をその基板を通しておこなう構造の非単結晶薄膜太
陽電池においても本発明は同様に有効であり、第一の基
板温度とそれより高い第二の基板温度で製膜することに
よって、セル効率向上に効果がある。
【００５５】従って本発明は、高効率の非単結晶薄膜太
陽電池の構造および製造方法に関し、重要な発明であ
る。
陽電池の構造および製造方法に関し、重要な発明であ
る。
【図１】本発明実施例１の非単結晶太陽電池の製膜時の
温度プログラム図
温度プログラム図
【図２】実施例１の非単結晶太陽電池の断面図
【図３】実施例１の非単結晶太陽電池のＴＥＭ写真の模
式図
式図
【図４】本発明実施例２の非単結晶太陽電池の製膜時の
温度プログラム図
温度プログラム図
【図５】実施例２の非単結晶太陽電池の断面図
【図６】本発明実施例３の非単結晶太陽電池の製膜時の
温度プログラム図
温度プログラム図
【図７】実施例３の非単結晶太陽電池の断面図
【図８】本発明実施例４の非単結晶太陽電池の製膜時の
温度プログラム図
温度プログラム図
【図９】実施例４の非単結晶太陽電池の断面図
【図１０】本発明実施例５の非単結晶太陽電池の製膜時
の温度プログラム図
の温度プログラム図
【図１１】実施例５の非単結晶太陽電池の断面図
【図１２】本発明実施例６の非単結晶太陽電池の断面図
【図１３】本発明実施例７の非単結晶太陽電池の製膜時
の温度プログラム図
の温度プログラム図
【図１４】実施例５の非単結晶太陽電池の断面図
【図１５】従来例の非単結晶太陽電池のの断面ＴＥＭ写
真の模式図
真の模式図
【図１６】別の従来例の非単結晶太陽電池のの断面ＴＥ
Ｍ写真の模式図
Ｍ写真の模式図
１ ガラス基板 ２ 金属電極 ３、１３ ｎ層（μc-Si） ４ ｉ層（μc-Si） ５、１５ ｐ層（μc-Si） ６ 透明電極 ７ グリッド電極 ８ ｐ層（a-SiO ） ９ ｎ層（a-Si） １０ ｉ層（a-Si） ３０１ 初期ｎ層（μc-Si） ３０２、３０３ 後期ｎ層（μc-Si） ４０１ 初期ｉ層（μc-Si） ４０２ 後期ｉ層（μc-Si）
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Claims (20)
- 【請求項１】基板上に導電膜を介して、微結晶相を主と
する第一導電型層、微結晶相を主とし実質的に真性なｉ
型半導体層、および第一導電型層と逆の導電型の第二導
電型層を積層し、更に透明電極、金属グリッド電極を形
成してなる非単結晶薄膜太陽電池の製造方法において、
微結晶相を主とする積層の一部を第一の基板温度で製膜
した後、その上に第一の基板温度よりも高い第二の基板
温度で製膜することを特徴とする非単結晶薄膜太陽電池
の製造方法。 - 【請求項２】透光性基板上に透明導電膜を介して、微結
晶相を主とする第一導電型層、微結晶相を主とし実質的
に真性なｉ型半導体層、および第一導電型層と逆の導電
型の第二導電型層を積層し、更に金属電極を形成してな
る非単結晶薄膜太陽電池の製造方法において、微結晶相
を主とする積層の一部を第一の基板温度で製膜した後、
その上に第一の基板温度よりも高い第二の基板温度で製
膜することを特徴とする非単結晶薄膜太陽電池の製造方
法。 - 【請求項３】第一導電型層を第一の基板温度で製膜した
後、ｉ型半導体層を第一の基板温度よりも高い第二の基
板温度で製膜することを特徴とする請求項１または２に
記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項４】第一導電型層の一部を第一の基板温度で製
膜した後、第一導電型層の残部を第一の基板温度よりも
高い第二の基板温度で製膜し、ｉ型半導体層を第一の基
板温度より高い基板温度で製膜することを特徴とする請
求項１または２に記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方
法。 - 【請求項５】第一導電型層を第二の基板温度より低い基
板温度で製膜した後、ｉ型半導体層の一部を第一の基板
温度で製膜し、ｉ型半導体層の残部を第一の基板温度よ
り高い第二の基板温度で製膜することを特徴とする請求
項１または２に記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方
法。 - 【請求項６】ｉ型半導体層の材質がシリコンまたはシリ
コン合金であることを特徴とする請求項１ないし５のい
ずれかに記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項７】ｉ型半導体層の材質がシリコンゲルマニウ
ム合金であることを特徴とする請求項６に記載の非単結
晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項８】基板上に導電膜を介して、微結晶相を主と
する第一導電型層、および第一導電型層と逆の導電型の
第二導電型層を積層し、更に透明電極、グリッド電極を
形成してなる非単結晶薄膜太陽電池の製造方法におい
て、微結晶相を主とする積層の一部を第一の基板温度で
製膜した後、その上に第一の基板温度よりも高い第二の
基板温度で製膜することを特徴とする非単結晶薄膜太陽
電池の製造方法。 - 【請求項９】透光性基板上に透明導電膜を介して、微結
晶相を主とする第一導電型層、および第一導電型層と逆
の導電型の第二導電型層を積層し、更に金属電極を形成
してなる非単結晶薄膜太陽電池の製造方法において、微
結晶相を主とする層の一部を第一の基板温度で製膜した
後、その上に第一の基板温度よりも高い第二の基板温度
で製膜することを特徴とする非単結晶薄膜太陽電池の製
造方法。 - 【請求項１０】第一導電型層を第一の基板温度で製膜し
た後、第二導電型層を第一の基板温度よりも高い第二の
基板温度で製膜することを特徴とする請求項８または９
に記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項１１】第一導電型層の一部を第一の基板温度で
製膜した後、第一導電型層の残部を第一の基板温度より
高い第二の基板温度で製膜し、第二導電型層を第一の基
板温度より高い基板温度で製膜することを特徴とする請
求項８または９に記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方
法。 - 【請求項１２】第一導電型層を第二の基板温度より低い
基板温度で製膜した後、第二導電型層の一部を第一の基
板温度で製膜し、第二導電型層の残部を第一の基板温度
より高い第二の基板温度で製膜することを特徴とする請
求項８または９に記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方
法。 - 【請求項１３】第一の基板温度から第二の基板温度への
変化の少なくとも一部を連続的におこない、その間も製
膜することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか
に記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項１４】第一の基板温度を７０℃以上、１２０℃
未満の温度とすることを特徴とする請求項１ないし１３
のいずれかに記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項１５】第二の基板温度を１２０℃以上、４５０
℃未満の温度とすることを特徴とする請求項１４に記載
の非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項１６】第一導電型層の材質がシリコンまたはシ
リコン合金であることを特徴とする請求項１ないし１５
のいずれかに記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項１７】第一導電型層の材質がシリコン合金であ
り、シリコンオキサイド、シリコンカーバイド、シリコ
ンナイトライドのいずれかであることを特徴とする請求
項１６に記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項１８】第二導電型層が非晶質膜または微結晶相
を含む非晶質膜であることを特徴とする請求項１ないし
１７のいずれかに記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方
法。 - 【請求項１９】第二導電型層の材質がシリコンまたはシ
リコン合金であることを特徴とする請求項１８に記載の
非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項２０】第二導電型層の材質がシリコン合金であ
り、シリコンオキサイド、シリコンカーバイド、シリコ
ンナイトライドのいずれかであることを特徴とする請求
項１９に記載の非単結晶薄膜太陽電池の製造方法。
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