JP2002076405A - 光電変換装置 - Google Patents
光電変換装置Info
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- JP2002076405A JP2002076405A JP2000263024A JP2000263024A JP2002076405A JP 2002076405 A JP2002076405 A JP 2002076405A JP 2000263024 A JP2000263024 A JP 2000263024A JP 2000263024 A JP2000263024 A JP 2000263024A JP 2002076405 A JP2002076405 A JP 2002076405A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 プラズマＣＶＤ法等で形成する光電変換層た
るシリコン薄膜におけるスピン密度と不純物原子濃度を
制御することでこれを高品質化し、光電変換装置の性能
を改善することを目的とする。 【解決手段】 電子スピン共鳴法で分析したスピン密度
が１×１０18個／ｃｍ 3以下であり、且つ酸素原子の平
均濃度が１×１０20個／ｃｍ3以下である結晶質を含む
シリコン薄膜を光電変換層に用いた光電変換装置であっ
て、上記シリコン薄膜中の導電型決定不純物原子の平均
濃度を１×１０16個／ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3とし
たシリコン薄膜を光電変換層に用いる。
るシリコン薄膜におけるスピン密度と不純物原子濃度を
制御することでこれを高品質化し、光電変換装置の性能
を改善することを目的とする。 【解決手段】 電子スピン共鳴法で分析したスピン密度
が１×１０18個／ｃｍ 3以下であり、且つ酸素原子の平
均濃度が１×１０20個／ｃｍ3以下である結晶質を含む
シリコン薄膜を光電変換層に用いた光電変換装置であっ
て、上記シリコン薄膜中の導電型決定不純物原子の平均
濃度を１×１０16個／ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3とし
たシリコン薄膜を光電変換層に用いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光電変換装置に関
し、特に薄膜多結晶シリコンを光電変換層に用いた太陽
電池に代表される光電変換装置に関する。
し、特に薄膜多結晶シリコンを光電変換層に用いた太陽
電池に代表される光電変換装置に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】薄膜多結晶シリコンを用いた光
電変換装置を低コストで製造するには、多結晶シリコン
薄膜をガラス基板等の低コスト基板上に６００℃程度以
下の比較的低温度下で形成する必要がある。この製膜方
法としては、従来より、プラズマＣＶＤ法や触媒ＣＶＤ
法が精力的に研究されている。
電変換装置を低コストで製造するには、多結晶シリコン
薄膜をガラス基板等の低コスト基板上に６００℃程度以
下の比較的低温度下で形成する必要がある。この製膜方
法としては、従来より、プラズマＣＶＤ法や触媒ＣＶＤ
法が精力的に研究されている。
【０００３】これらの手法で形成されたシリコン薄膜中
のスピン密度や残留不純物原子濃度については、しばし
ば議論の対象となっている。ここでいう残留不純物原子
とは、リンやボロンといった導電型決定不純物原子では
なく、シリコン薄膜の製膜中に様々な要因からシリコン
薄膜中に取り込まれる酸素、炭素等の原子のことであ
る。一般に光電変換装置のようなデバイスに適用し得る
シリコン薄膜の場合、スピン密度及び残留不純物原子濃
度は極力少ない方がよいと考えられている。
のスピン密度や残留不純物原子濃度については、しばし
ば議論の対象となっている。ここでいう残留不純物原子
とは、リンやボロンといった導電型決定不純物原子では
なく、シリコン薄膜の製膜中に様々な要因からシリコン
薄膜中に取り込まれる酸素、炭素等の原子のことであ
る。一般に光電変換装置のようなデバイスに適用し得る
シリコン薄膜の場合、スピン密度及び残留不純物原子濃
度は極力少ない方がよいと考えられている。
【０００４】スピン密度に関しては、例えば特開平４−
１８８８７９号に、非晶質シリコン薄膜中のスピン密度
を５×１０17個／ｃｍ3以下にする内容が記載されてい
るが、結晶質を含むシリコン薄膜に関するものではな
い。
１８８８７９号に、非晶質シリコン薄膜中のスピン密度
を５×１０17個／ｃｍ3以下にする内容が記載されてい
るが、結晶質を含むシリコン薄膜に関するものではな
い。
【０００５】残留不純物原子に関しては、例えば特開２
０００−５８８８９号に、プラズマＣＶＤ法で堆積した
シリコン系薄膜の酸素原子濃度を１×１０19個／ｃｍ3
〜１×１０20個／ｃｍ3にする内容が記載されている
が、これは酸素原子が熱的に活性化してｎ型シリコン系
薄膜のキャリア濃度が増加する効果を狙ったものである
が、キャリア濃度は１０15／ｃｍ3オーダー以下であ
り、充分なキャリア濃度とはなっておらず、またｐｎ制
御、再現性等、キャリア濃度の制御は実質的に不可能で
あった。
０００−５８８８９号に、プラズマＣＶＤ法で堆積した
シリコン系薄膜の酸素原子濃度を１×１０19個／ｃｍ3
〜１×１０20個／ｃｍ3にする内容が記載されている
が、これは酸素原子が熱的に活性化してｎ型シリコン系
薄膜のキャリア濃度が増加する効果を狙ったものである
が、キャリア濃度は１０15／ｃｍ3オーダー以下であ
り、充分なキャリア濃度とはなっておらず、またｐｎ制
御、再現性等、キャリア濃度の制御は実質的に不可能で
あった。
【０００６】また、上述の特開２０００−５８８８９号
のように、薄膜多結晶シリコンを用いた光電変換装置で
は、光電変換層に導電型決定不純物原子を導入しない真
性型シリコンを用いたｐｉｎ型、もしくはｎｉｐ型が主
流であり、光電変換層中の導電型決定不純物原子濃度に
ついては、前記スピン密度や残留不純物原子濃度と密接
な関係があることからも、導電型決定不純物原子濃度を
どの範囲にすれば最適なキャリア濃度が得られるかにつ
いては、経験的にも明らかにされてはいなかった。
のように、薄膜多結晶シリコンを用いた光電変換装置で
は、光電変換層に導電型決定不純物原子を導入しない真
性型シリコンを用いたｐｉｎ型、もしくはｎｉｐ型が主
流であり、光電変換層中の導電型決定不純物原子濃度に
ついては、前記スピン密度や残留不純物原子濃度と密接
な関係があることからも、導電型決定不純物原子濃度を
どの範囲にすれば最適なキャリア濃度が得られるかにつ
いては、経験的にも明らかにされてはいなかった。
【０００７】本発明はこのような従来技術の課題に鑑み
てなされたものであり、プラズマＣＶＤ法等で形成する
光電変換層たるシリコン薄膜におけるスピン密度と不純
物原子濃度を制御することでこれを高品質化し、光電変
換装置の性能を改善することを目的とする。
てなされたものであり、プラズマＣＶＤ法等で形成する
光電変換層たるシリコン薄膜におけるスピン密度と不純
物原子濃度を制御することでこれを高品質化し、光電変
換装置の性能を改善することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る光電変換装置では、電子スピン共鳴
法で分析したスピン密度が１×１０18個／ｃｍ3以下で
あり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個／ｃｍ3
以下である結晶質を含むシリコン薄膜を光電変換層に用
いた光電変換装置において、前記シリコン薄膜中の導電
型決定不純物原子の平均濃度を１ラ１０16個／ｃｍ3〜１
ラ１０18個／ｃｍ3としたシリコン薄膜を光電変換層に用
いる。
に、請求項１に係る光電変換装置では、電子スピン共鳴
法で分析したスピン密度が１×１０18個／ｃｍ3以下で
あり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個／ｃｍ3
以下である結晶質を含むシリコン薄膜を光電変換層に用
いた光電変換装置において、前記シリコン薄膜中の導電
型決定不純物原子の平均濃度を１ラ１０16個／ｃｍ3〜１
ラ１０18個／ｃｍ3としたシリコン薄膜を光電変換層に用
いる。
【０００９】上記光電変換装置では、前記導電型決定不
純物原子がボロン又はリンのうちの少なくとも１種を含
むことが望ましい。
純物原子がボロン又はリンのうちの少なくとも１種を含
むことが望ましい。
【００１０】また、上記光電変換装置では、前記シリコ
ン薄膜が体積結晶化分率６０％以上の結晶質を含むこと
が望ましい。
ン薄膜が体積結晶化分率６０％以上の結晶質を含むこと
が望ましい。
【００１１】また、上記光電変換装置では、前記シリコ
ン薄膜の膜厚が０.５〜２０μｍであることが望まし
い。
ン薄膜の膜厚が０.５〜２０μｍであることが望まし
い。
【００１２】また、上記光電変換装置では、前記シリコ
ン薄膜中の炭素原子の平均濃度が１×１０19個／ｃｍ3
以下であることが望ましい。
ン薄膜中の炭素原子の平均濃度が１×１０19個／ｃｍ3
以下であることが望ましい。
【００１３】また、上記光電変換装置では、前記シリコ
ン薄膜中の窒素原子の平均濃度が１×１０19個／ｃｍ3
以下であることが望ましい。
ン薄膜中の窒素原子の平均濃度が１×１０19個／ｃｍ3
以下であることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、請求項１に係る光電変換装
置の実施形態を図１に基づいて説明する。ここでは、光
入射面側にｎ型層を形成した場合について説明するが、
光入射面側にｐ型層を形成した場合は、文中の導電型を
逆に読み替えればよい。
置の実施形態を図１に基づいて説明する。ここでは、光
入射面側にｎ型層を形成した場合について説明するが、
光入射面側にｐ型層を形成した場合は、文中の導電型を
逆に読み替えればよい。
【００１５】まず、ガラス、ＳＵＳ等の低コスト基板１
上にＴｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌの
うち、少なくとも１種からなる金属、またはその窒化
膜、あるいはそのシリサイド膜で形成される薄膜層から
成る裏電極２を電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等
の真空成膜法によりシート抵抗が１Ω／□以下となるよ
うに適当な膜厚に堆積する。具体的には、Ｔｉ膜を０．
１μｍ成膜し、この上にＡｇ膜を１μｍ成膜し、さらに
Ｔｉ膜を０．１μｍ成膜するとシート抵抗０．１Ω／□
以下が実現される。なお、前記Ｔｉ及びＡｇ膜は以下の
工程で問題のない限り他の金属等に置き換えても良い。
上にＴｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌの
うち、少なくとも１種からなる金属、またはその窒化
膜、あるいはそのシリサイド膜で形成される薄膜層から
成る裏電極２を電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等
の真空成膜法によりシート抵抗が１Ω／□以下となるよ
うに適当な膜厚に堆積する。具体的には、Ｔｉ膜を０．
１μｍ成膜し、この上にＡｇ膜を１μｍ成膜し、さらに
Ｔｉ膜を０．１μｍ成膜するとシート抵抗０．１Ω／□
以下が実現される。なお、前記Ｔｉ及びＡｇ膜は以下の
工程で問題のない限り他の金属等に置き換えても良い。
【００１６】次に、前記裏電極２上にＢＳＦ層となるｐ
+型Ｓｉ層３を形成する。具体的には前記裏電極２上
に、プラズマＣＶＤ法または触媒ＣＶＤ法等により、ボ
ロン、アルミニウム等のｐ型不純物原子が１×１０18個
／ｃｍ3〜１×１０22個／ｃｍ3程度含まれた多結晶Ｓｉ
層を１μｍ程度以下の膜厚に成膜し、高ＢＳＦ機能を有
する下地層とする。
+型Ｓｉ層３を形成する。具体的には前記裏電極２上
に、プラズマＣＶＤ法または触媒ＣＶＤ法等により、ボ
ロン、アルミニウム等のｐ型不純物原子が１×１０18個
／ｃｍ3〜１×１０22個／ｃｍ3程度含まれた多結晶Ｓｉ
層を１μｍ程度以下の膜厚に成膜し、高ＢＳＦ機能を有
する下地層とする。
【００１７】次に、前記ｐ+型Ｓｉ層３上に、同層と同
一導電型（すなわちｐ型）の本発明の光電変換層となる
結晶質を含むＳｉ層４をプラズマＣＶＤ法または触媒Ｃ
ＶＤ法等によって厚さ０．３〜３０μｍ程度に形成す
る。具体的には、例えば４０ＭＨｚの高周波電源を用い
た平行平板型プラズマＣＶＤ法により形成することがで
きる。
一導電型（すなわちｐ型）の本発明の光電変換層となる
結晶質を含むＳｉ層４をプラズマＣＶＤ法または触媒Ｃ
ＶＤ法等によって厚さ０．３〜３０μｍ程度に形成す
る。具体的には、例えば４０ＭＨｚの高周波電源を用い
た平行平板型プラズマＣＶＤ法により形成することがで
きる。
【００１８】成膜時の反応ガスとしてはシラン系ガス、
水素ガス及びドーピングガスを用いる。シラン系ガスと
してはモノシランガス、ジシランガス等に加え、ジクロ
ロシランガス等のハロゲン化ケイ素系ガス等を用いても
良い。シラン系ガスに対する水素ガスの流量は１０倍以
上であることが好ましい。ドーピングガスとしてはｐ型
Ｓｉ膜を形成する場合はジボランガス等を、ｎ型Ｓｉ膜
を形成する場合はホスフィンガス等を用いる。このとき
のシラン系ガスに対するドーピングガスの流量は、Ｓｉ
膜のドーピング（導電型決定不純物）原子濃度が１×１
０15個／ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3程度になるよう調
節する。流量で調整しきれない場合は、水素等の希釈ガ
スで適当な濃度に希釈したドーピングガスを用いる。本
実施例においては、反応ガスとして、モノシランガス、
水素ガス、ジボランガスを用い、各ガスの流量はモノシ
ランガス１〜２０ｓｃｃｍ、水素ガス１００〜１０００
ｓｃｃｍ、ジボランガス（水素により１００ｐｐｍに希
釈）０．０２〜１ｓｃｃｍとする。成膜時の圧力として
は０．５〜５ｔｏｒｒ、成膜温度は１００〜４００℃、
放電パワーは例えば１５〜１００Ｗなどである。
水素ガス及びドーピングガスを用いる。シラン系ガスと
してはモノシランガス、ジシランガス等に加え、ジクロ
ロシランガス等のハロゲン化ケイ素系ガス等を用いても
良い。シラン系ガスに対する水素ガスの流量は１０倍以
上であることが好ましい。ドーピングガスとしてはｐ型
Ｓｉ膜を形成する場合はジボランガス等を、ｎ型Ｓｉ膜
を形成する場合はホスフィンガス等を用いる。このとき
のシラン系ガスに対するドーピングガスの流量は、Ｓｉ
膜のドーピング（導電型決定不純物）原子濃度が１×１
０15個／ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3程度になるよう調
節する。流量で調整しきれない場合は、水素等の希釈ガ
スで適当な濃度に希釈したドーピングガスを用いる。本
実施例においては、反応ガスとして、モノシランガス、
水素ガス、ジボランガスを用い、各ガスの流量はモノシ
ランガス１〜２０ｓｃｃｍ、水素ガス１００〜１０００
ｓｃｃｍ、ジボランガス（水素により１００ｐｐｍに希
釈）０．０２〜１ｓｃｃｍとする。成膜時の圧力として
は０．５〜５ｔｏｒｒ、成膜温度は１００〜４００℃、
放電パワーは例えば１５〜１００Ｗなどである。
【００１９】上述の条件において石英基板上に形成され
るＳｉ膜のスピン密度を電子スピン共鳴法により求める
と１×１０18個／ｃｍ3以下となる。スピン密度が１×
１０1 8個／ｃｍ3以上となると、膜中欠陥の増加により
キャリアの再結合が顕著になり、光電変換装置の変換効
率が低下する。一方、スピン密度を測定する場合には石
英基板もしくは高品質の単結晶Ｓｉ基板上にＳｉ膜を形
成することが好ましい。特にＳｉ膜の膜厚が薄い場合及
びスピン密度が小さい場合は、基板の信号（バックグラ
ウンド）を極力低減して測定することが必要である。
るＳｉ膜のスピン密度を電子スピン共鳴法により求める
と１×１０18個／ｃｍ3以下となる。スピン密度が１×
１０1 8個／ｃｍ3以上となると、膜中欠陥の増加により
キャリアの再結合が顕著になり、光電変換装置の変換効
率が低下する。一方、スピン密度を測定する場合には石
英基板もしくは高品質の単結晶Ｓｉ基板上にＳｉ膜を形
成することが好ましい。特にＳｉ膜の膜厚が薄い場合及
びスピン密度が小さい場合は、基板の信号（バックグラ
ウンド）を極力低減して測定することが必要である。
【００２０】また、このＳｉ膜中の残留不純物原子濃度
を二次イオン質量分析法により求めると、酸素原子の平
均濃度が１×１０20個／ｃｍ3以下、炭素原子の平均濃
度が１×１０19個／ｃｍ3以下、窒素原子の平均濃度が
１×１０19個／ｃｍ3以下となる。デバイスグレードの
膜品質を維持するためには、残留不純物原子濃度には上
限があり、酸素濃度については１×１０20個／ｃｍ3、
炭素濃度については１×１０19個／ｃｍ3、窒素濃度に
ついては１×１０19個／ｃｍ3とすることが望ましい。
を二次イオン質量分析法により求めると、酸素原子の平
均濃度が１×１０20個／ｃｍ3以下、炭素原子の平均濃
度が１×１０19個／ｃｍ3以下、窒素原子の平均濃度が
１×１０19個／ｃｍ3以下となる。デバイスグレードの
膜品質を維持するためには、残留不純物原子濃度には上
限があり、酸素濃度については１×１０20個／ｃｍ3、
炭素濃度については１×１０19個／ｃｍ3、窒素濃度に
ついては１×１０19個／ｃｍ3とすることが望ましい。
【００２１】さらに分光エリプソメーターによるフィッ
ティングにより算出した体積結晶化分率は６０％以上と
なる。体積結晶化分率が６０％以下であると、アモルフ
ァス成分の増加に伴い光電変換装置の短絡電流密度の低
下が顕著になり、また光劣化の問題も生じてくる。
ティングにより算出した体積結晶化分率は６０％以上と
なる。体積結晶化分率が６０％以下であると、アモルフ
ァス成分の増加に伴い光電変換装置の短絡電流密度の低
下が顕著になり、また光劣化の問題も生じてくる。
【００２２】導電型決定不純物原子濃度が１×１０16個
／ｃｍ3以下であると、前記残留不純物原子の影響によ
り、導入した導電型決定不純物原子によるキャリア生成
が有効に行われず、所望のキャリア濃度を得にくい。ま
た、導電型決定不純物原子濃度が１×１０18個／ｃｍ3
以上であると、この導電型決定不純物原子による欠陥に
よりＳｉ膜の品質が低下し、高い変換効率が得られにく
い。この導電型決定不純物原子としては、Ｂ、Ｐが比較
的安価なガスを用いることができ、且つ扱いやすいこと
から望ましい。
／ｃｍ3以下であると、前記残留不純物原子の影響によ
り、導入した導電型決定不純物原子によるキャリア生成
が有効に行われず、所望のキャリア濃度を得にくい。ま
た、導電型決定不純物原子濃度が１×１０18個／ｃｍ3
以上であると、この導電型決定不純物原子による欠陥に
よりＳｉ膜の品質が低下し、高い変換効率が得られにく
い。この導電型決定不純物原子としては、Ｂ、Ｐが比較
的安価なガスを用いることができ、且つ扱いやすいこと
から望ましい。
【００２３】また膜厚が０．５μｍ以下であると、充分
な光電流が取り出せず、高い変換効率が得られにくい。
一方、デバイスグレードの膜品質が維持できる現状で得
られている最大の成膜速度は２４０ｎｍ／分程度であ
り、２０μｍの膜厚を形成するには約８３分かかること
になる。さらなる高成膜速度化が進むとしても２０μｍ
が実質的に生産可能なレベルである。
な光電流が取り出せず、高い変換効率が得られにくい。
一方、デバイスグレードの膜品質が維持できる現状で得
られている最大の成膜速度は２４０ｎｍ／分程度であ
り、２０μｍの膜厚を形成するには約８３分かかること
になる。さらなる高成膜速度化が進むとしても２０μｍ
が実質的に生産可能なレベルである。
【００２４】次に、前記光電変換層４上にｐ+型Ｓｉ層
３とは反対の導電型（すなわちｎ型）の非晶質、多結晶
もしくは微結晶を含むＳｉ層５を、プラズマＣＶＤ法ま
たは触媒ＣＶＤ法等によって厚さ１μｍ以下に形成す
る。ｎ型不純物原子としてリン等を１×１０18個／ｃｍ
3〜１×１０22個／ｃｍ3程度に高濃度にドープする。
３とは反対の導電型（すなわちｎ型）の非晶質、多結晶
もしくは微結晶を含むＳｉ層５を、プラズマＣＶＤ法ま
たは触媒ＣＶＤ法等によって厚さ１μｍ以下に形成す
る。ｎ型不純物原子としてリン等を１×１０18個／ｃｍ
3〜１×１０22個／ｃｍ3程度に高濃度にドープする。
【００２５】次に、前記ｎ型Ｓｉ層５上に、ＩＴＯ、Ｓ
ｎＯ2、ＺｎＯ等の透明導電膜６をスパッタリング法や
ＭＯＣＶＤ法等の真空成膜法を用いて６０〜１００ｎｍ
程度の膜厚で形成する。
ｎＯ2、ＺｎＯ等の透明導電膜６をスパッタリング法や
ＭＯＣＶＤ法等の真空成膜法を用いて６０〜１００ｎｍ
程度の膜厚で形成する。
【００２６】さらに、前記透明導電膜６上に、Ａｇ、Ｔ
ｉ、Ｃｕ等から成る櫛形状の表金属集電極７を蒸着法や
プリント及び焼成技術等によって、厚さ１μｍ以上に形
成する。以上によって、薄膜多結晶シリコン光電変換装
置が得られる。
ｉ、Ｃｕ等から成る櫛形状の表金属集電極７を蒸着法や
プリント及び焼成技術等によって、厚さ１μｍ以上に形
成する。以上によって、薄膜多結晶シリコン光電変換装
置が得られる。
【００２７】
【実施例】以下において、本発明の幾つかの実施例によ
る光電変換装置である薄膜多結晶シリコン太陽電池と比
較例について説明する。 （実施例１）光電変換層であるＳｉ層は４０ＭＨｚの高
周波電源を用いた平行平板型プラズマＣＶＤ法により形
成した。この成膜室はターボ分子ポンプによって排気を
行い、圧力調整バルブにより所望の成膜圧力に制御す
る。成膜前の背圧は３×１０-7ｔｏｒｒ、成膜時の圧力
は１.５ｔｏｒｒとした。成膜時の反応ガスとしてモノ
シランガス、水素ガス及びジボランガスを用い、各々の
流量は５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ、０.２ｓｃｃｍと
した。また放電パワーは２５Ｗ、成膜温度は２００℃と
した。膜厚は１.５μｍで、成膜速度が１８ｎｍ／分で
あるため、成膜時間は約８３分である。
る光電変換装置である薄膜多結晶シリコン太陽電池と比
較例について説明する。 （実施例１）光電変換層であるＳｉ層は４０ＭＨｚの高
周波電源を用いた平行平板型プラズマＣＶＤ法により形
成した。この成膜室はターボ分子ポンプによって排気を
行い、圧力調整バルブにより所望の成膜圧力に制御す
る。成膜前の背圧は３×１０-7ｔｏｒｒ、成膜時の圧力
は１.５ｔｏｒｒとした。成膜時の反応ガスとしてモノ
シランガス、水素ガス及びジボランガスを用い、各々の
流量は５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ、０.２ｓｃｃｍと
した。また放電パワーは２５Ｗ、成膜温度は２００℃と
した。膜厚は１.５μｍで、成膜速度が１８ｎｍ／分で
あるため、成膜時間は約８３分である。
【００２８】このＳｉ薄膜のスピン密度を電子スピン共
鳴法により求めたところ、４×１０ 16個／ｃｍ3であっ
た。また、不純物原子濃度を二次イオン質量分析法によ
り分析した結果を図２に示す（表面及び裏面の領域を除
く図中の両端矢印で示した範囲が光電変換層である）。
酸素原子濃度は１×１０19個／ｃｍ3、炭素原子濃度は
２×１０18個／ｃｍ3、窒素原子濃度は３×１０17個／
ｃｍ3であった。体積結晶化分率は分光エリプソメータ
ーによるフィッティングにより算出し９３.２％であっ
た。
鳴法により求めたところ、４×１０ 16個／ｃｍ3であっ
た。また、不純物原子濃度を二次イオン質量分析法によ
り分析した結果を図２に示す（表面及び裏面の領域を除
く図中の両端矢印で示した範囲が光電変換層である）。
酸素原子濃度は１×１０19個／ｃｍ3、炭素原子濃度は
２×１０18個／ｃｍ3、窒素原子濃度は３×１０17個／
ｃｍ3であった。体積結晶化分率は分光エリプソメータ
ーによるフィッティングにより算出し９３.２％であっ
た。
【００２９】この薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池に入射光とし
てＡＭ１.５、１００ｍＷ／ｃｍ2を用いたときの出力特
性は開放端電圧０.４４１Ｖ、短絡電流密度１９.１ｍＡ
／ｃｍ2、曲線因子０.６０６、変換効率５.１％であっ
た。 （実施例２〜１２）光電変換層であるＳｉ層の成膜条件
を様々に変化させて、実施例１と同様に薄膜多結晶Ｓｉ
太陽電池を形成した。このＳｉ薄膜のスピン密度、不純
物原子濃度、体積結晶化分率、膜厚及び変換効率を表
１、２に示した。
てＡＭ１.５、１００ｍＷ／ｃｍ2を用いたときの出力特
性は開放端電圧０.４４１Ｖ、短絡電流密度１９.１ｍＡ
／ｃｍ2、曲線因子０.６０６、変換効率５.１％であっ
た。 （実施例２〜１２）光電変換層であるＳｉ層の成膜条件
を様々に変化させて、実施例１と同様に薄膜多結晶Ｓｉ
太陽電池を形成した。このＳｉ薄膜のスピン密度、不純
物原子濃度、体積結晶化分率、膜厚及び変換効率を表
１、２に示した。
【００３０】尚、導電型決定不純物原子として、実施例
２〜８についてはボロンを、実施例９〜１２については
リンを用いた。 （比較例１）成膜圧力を０.５ｔｏｒｒとし、その他の
成膜条件は実施例１と同様である。 （比較例２）排気はターボ分子ポンプを作動させず油回
転ポンプのみによって行い、圧力調整バルブにより所望
の成膜圧力に制御する。成膜前の背圧は１.５×１０-2
ｔｏｒｒで、その他の成膜条件は実施例１と同様であ
る。 （比較例３、４）ボロンドーピング濃度を５×１０15個
／ｃｍ3及び２×１０18個／ｃｍ3とし、その他の成膜条
件は実施例１と同様である。
２〜８についてはボロンを、実施例９〜１２については
リンを用いた。 （比較例１）成膜圧力を０.５ｔｏｒｒとし、その他の
成膜条件は実施例１と同様である。 （比較例２）排気はターボ分子ポンプを作動させず油回
転ポンプのみによって行い、圧力調整バルブにより所望
の成膜圧力に制御する。成膜前の背圧は１.５×１０-2
ｔｏｒｒで、その他の成膜条件は実施例１と同様であ
る。 （比較例３、４）ボロンドーピング濃度を５×１０15個
／ｃｍ3及び２×１０18個／ｃｍ3とし、その他の成膜条
件は実施例１と同様である。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】これらの実施例および比較例より、光電変
換層たるＳｉ層のスピン密度が１×１０18個／ｃｍ3以
下であり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個／ｃ
ｍ3以下であって、さらに導電型決定不純物原子の平均
濃度が１ラ１０16個／ｃｍ3〜１ラ１０18個／ｃｍ3の範囲
内であれば、高い変換効率が得られることが明らかとな
った。また体積結晶化分率は６０％以上、膜厚について
は０.５μｍ以上、膜中の炭素原子濃度、窒素原子濃度
についてはそれぞれ１×１０19個／ｃｍ3以下が望まし
いことが分かる。
換層たるＳｉ層のスピン密度が１×１０18個／ｃｍ3以
下であり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個／ｃ
ｍ3以下であって、さらに導電型決定不純物原子の平均
濃度が１ラ１０16個／ｃｍ3〜１ラ１０18個／ｃｍ3の範囲
内であれば、高い変換効率が得られることが明らかとな
った。また体積結晶化分率は６０％以上、膜厚について
は０.５μｍ以上、膜中の炭素原子濃度、窒素原子濃度
についてはそれぞれ１×１０19個／ｃｍ3以下が望まし
いことが分かる。
【００３４】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、電子ス
ピン共鳴法で分析したスピン密度が１×１０18個／ｃｍ
3以下であり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個
／ｃｍ3以下である結晶質を含むシリコン薄膜を光電変
換層に用いた光電変換装置において、前記シリコン薄膜
中の導電型決定不純物原子の平均濃度を１ラ１０16個／
ｃｍ3〜１ラ１０18個／ｃｍ3としたことから、プラズマ
ＣＶＤ法等によって成膜された光電変換層たる多結晶シ
リコン薄膜を高品質化でき、薄膜多結晶シリコン光電変
換装置の高性能化が可能となる。
ピン共鳴法で分析したスピン密度が１×１０18個／ｃｍ
3以下であり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個
／ｃｍ3以下である結晶質を含むシリコン薄膜を光電変
換層に用いた光電変換装置において、前記シリコン薄膜
中の導電型決定不純物原子の平均濃度を１ラ１０16個／
ｃｍ3〜１ラ１０18個／ｃｍ3としたことから、プラズマ
ＣＶＤ法等によって成膜された光電変換層たる多結晶シ
リコン薄膜を高品質化でき、薄膜多結晶シリコン光電変
換装置の高性能化が可能となる。
【図１】本発明の光電変換装置の構造の一態様を示す図
である。
である。
【図２】実施例１におけるシリコン膜中の不純物原子濃
度の深さ方向プロファイルを示す図である。
度の深さ方向プロファイルを示す図である。
１ ガラス基板 ２ 裏電極 ３ ｐ+型Ｓｉ層 ４ 光電変換層 ５ ｎ型Ｓｉ層 ６ 透明導電膜 ７ 表金属集電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１０月２３日（２０００．１０．
２３）
２３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 光電変換装置
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光電変換装置に関
し、特に薄膜多結晶シリコンを光電変換層に用いた太陽
電池に代表される光電変換装置に関する。
し、特に薄膜多結晶シリコンを光電変換層に用いた太陽
電池に代表される光電変換装置に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】薄膜多結晶シリコンを用いた光
電変換装置を低コストで製造するには、多結晶シリコン
薄膜をガラス基板等の低コスト基板上に６００℃程度以
下の比較的低温度下で形成する必要がある。この製膜方
法としては、従来より、プラズマＣＶＤ法や触媒ＣＶＤ
法が精力的に研究されている。
電変換装置を低コストで製造するには、多結晶シリコン
薄膜をガラス基板等の低コスト基板上に６００℃程度以
下の比較的低温度下で形成する必要がある。この製膜方
法としては、従来より、プラズマＣＶＤ法や触媒ＣＶＤ
法が精力的に研究されている。
【０００３】これらの手法で形成されたシリコン薄膜中
のスピン密度や残留不純物原子濃度については、しばし
ば議論の対象となっている。ここでいう残留不純物原子
とは、リンやボロンといった導電型決定不純物原子では
なく、シリコン薄膜の製膜中に様々な要因からシリコン
薄膜中に取り込まれる酸素、炭素等の原子のことであ
る。一般に光電変換装置のようなデバイスに適用し得る
シリコン薄膜の場合、スピン密度及び残留不純物原子濃
度は極力少ない方がよいと考えられている。
のスピン密度や残留不純物原子濃度については、しばし
ば議論の対象となっている。ここでいう残留不純物原子
とは、リンやボロンといった導電型決定不純物原子では
なく、シリコン薄膜の製膜中に様々な要因からシリコン
薄膜中に取り込まれる酸素、炭素等の原子のことであ
る。一般に光電変換装置のようなデバイスに適用し得る
シリコン薄膜の場合、スピン密度及び残留不純物原子濃
度は極力少ない方がよいと考えられている。
【０００４】スピン密度に関しては、例えば特開平４−
１８８８７９号に、非晶質シリコン薄膜中のスピン密度
を５×１０17個／ｃｍ3以下にする内容が記載されてい
るが、結晶質を含むシリコン薄膜に関するものではな
い。
１８８８７９号に、非晶質シリコン薄膜中のスピン密度
を５×１０17個／ｃｍ3以下にする内容が記載されてい
るが、結晶質を含むシリコン薄膜に関するものではな
い。
【０００５】残留不純物原子に関しては、例えば特開２
０００−５８８８９号に、プラズマＣＶＤ法で堆積した
シリコン系薄膜の酸素原子濃度を１×１０19個／ｃｍ3
〜１×１０20個／ｃｍ3にする内容が記載されている
が、これは酸素原子が熱的に活性化してｎ型シリコン系
薄膜のキャリア濃度が増加する効果を狙ったものである
が、キャリア濃度は１０15／ｃｍ3オーダー以下であ
り、充分なキャリア濃度とはなっておらず、またｐｎ制
御、再現性等、キャリア濃度の制御は実質的に不可能で
あった。
０００−５８８８９号に、プラズマＣＶＤ法で堆積した
シリコン系薄膜の酸素原子濃度を１×１０19個／ｃｍ3
〜１×１０20個／ｃｍ3にする内容が記載されている
が、これは酸素原子が熱的に活性化してｎ型シリコン系
薄膜のキャリア濃度が増加する効果を狙ったものである
が、キャリア濃度は１０15／ｃｍ3オーダー以下であ
り、充分なキャリア濃度とはなっておらず、またｐｎ制
御、再現性等、キャリア濃度の制御は実質的に不可能で
あった。
【０００６】また、上述の特開２０００−５８８８９号
のように、薄膜多結晶シリコンを用いた光電変換装置で
は、光電変換層に導電型決定不純物原子を導入しない真
性型シリコンを用いたｐｉｎ型、もしくはｎｉｐ型が主
流であり、光電変換層中の導電型決定不純物原子濃度に
ついては、前記スピン密度や残留不純物原子濃度と密接
な関係があることからも、導電型決定不純物原子濃度を
どの範囲にすれば最適なキャリア濃度が得られるかにつ
いては、経験的にも明らかにされてはいなかった。
のように、薄膜多結晶シリコンを用いた光電変換装置で
は、光電変換層に導電型決定不純物原子を導入しない真
性型シリコンを用いたｐｉｎ型、もしくはｎｉｐ型が主
流であり、光電変換層中の導電型決定不純物原子濃度に
ついては、前記スピン密度や残留不純物原子濃度と密接
な関係があることからも、導電型決定不純物原子濃度を
どの範囲にすれば最適なキャリア濃度が得られるかにつ
いては、経験的にも明らかにされてはいなかった。
【０００７】本発明はこのような従来技術の課題に鑑み
てなされたものであり、プラズマＣＶＤ法等で形成する
光電変換層たるシリコン薄膜におけるスピン密度と不純
物原子濃度を制御することでこれを高品質化し、光電変
換装置の性能を改善することを目的とする。
てなされたものであり、プラズマＣＶＤ法等で形成する
光電変換層たるシリコン薄膜におけるスピン密度と不純
物原子濃度を制御することでこれを高品質化し、光電変
換装置の性能を改善することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る光電変換装置では、電子スピン共鳴
法で分析したスピン密度が１×１０18個／ｃｍ3以下で
あり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個／ｃｍ3
以下である結晶質を含むシリコン薄膜を光電変換層に用
いた光電変換装置において、前記シリコン薄膜中の導電
型決定不純物原子の平均濃度を１×１０16個／ｃｍ3〜
１×１０18個／ｃｍ3としたシリコン薄膜を光電変換層
に用いる。
に、請求項１に係る光電変換装置では、電子スピン共鳴
法で分析したスピン密度が１×１０18個／ｃｍ3以下で
あり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個／ｃｍ3
以下である結晶質を含むシリコン薄膜を光電変換層に用
いた光電変換装置において、前記シリコン薄膜中の導電
型決定不純物原子の平均濃度を１×１０16個／ｃｍ3〜
１×１０18個／ｃｍ3としたシリコン薄膜を光電変換層
に用いる。
【０００９】上記光電変換装置では、前記導電型決定不
純物原子がボロン又はリンのうちの少なくとも１種を含
むことが望ましい。
純物原子がボロン又はリンのうちの少なくとも１種を含
むことが望ましい。
【００１０】また、上記光電変換装置では、前記シリコ
ン薄膜が体積結晶化分率６０％以上の結晶質を含むこと
が望ましい。
ン薄膜が体積結晶化分率６０％以上の結晶質を含むこと
が望ましい。
【００１１】また、上記光電変換装置では、前記シリコ
ン薄膜の膜厚が０.５〜２０μｍであることが望まし
い。
ン薄膜の膜厚が０.５〜２０μｍであることが望まし
い。
【００１２】また、上記光電変換装置では、前記シリコ
ン薄膜中の炭素原子の平均濃度が１×１０19個／ｃｍ3
以下であることが望ましい。
ン薄膜中の炭素原子の平均濃度が１×１０19個／ｃｍ3
以下であることが望ましい。
【００１３】また、上記光電変換装置では、前記シリコ
ン薄膜中の窒素原子の平均濃度が１×１０19個／ｃｍ3
以下であることが望ましい。
ン薄膜中の窒素原子の平均濃度が１×１０19個／ｃｍ3
以下であることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、請求項１に係る光電変換装
置の実施形態を図１に基づいて説明する。ここでは、光
入射面側にｎ型層を形成した場合について説明するが、
光入射面側にｐ型層を形成した場合は、文中の導電型を
逆に読み替えればよい。
置の実施形態を図１に基づいて説明する。ここでは、光
入射面側にｎ型層を形成した場合について説明するが、
光入射面側にｐ型層を形成した場合は、文中の導電型を
逆に読み替えればよい。
【００１５】まず、ガラス、ＳＵＳ等の低コスト基板１
上にＴｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌの
うち、少なくとも１種からなる金属、またはその窒化
膜、あるいはそのシリサイド膜で形成される薄膜層から
成る裏電極２を電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等
の真空成膜法によりシート抵抗が１Ω／□以下となるよ
うに適当な膜厚に堆積する。具体的には、Ｔｉ膜を０．
１μｍ成膜し、この上にＡｇ膜を１μｍ成膜し、さらに
Ｔｉ膜を０．１μｍ成膜するとシート抵抗０．１Ω／□
以下が実現される。なお、前記Ｔｉ及びＡｇ膜は以下の
工程で問題のない限り他の金属等に置き換えても良い。
上にＴｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌの
うち、少なくとも１種からなる金属、またはその窒化
膜、あるいはそのシリサイド膜で形成される薄膜層から
成る裏電極２を電子ビーム蒸着法、スパッタリング法等
の真空成膜法によりシート抵抗が１Ω／□以下となるよ
うに適当な膜厚に堆積する。具体的には、Ｔｉ膜を０．
１μｍ成膜し、この上にＡｇ膜を１μｍ成膜し、さらに
Ｔｉ膜を０．１μｍ成膜するとシート抵抗０．１Ω／□
以下が実現される。なお、前記Ｔｉ及びＡｇ膜は以下の
工程で問題のない限り他の金属等に置き換えても良い。
【００１６】次に、前記裏電極２上にＢＳＦ層となるｐ
+型Ｓｉ層３を形成する。具体的には前記裏電極２上
に、プラズマＣＶＤ法または触媒ＣＶＤ法等により、ボ
ロン、アルミニウム等のｐ型不純物原子が１×１０18個
／ｃｍ3〜１×１０22個／ｃｍ3程度含まれた多結晶Ｓｉ
層を１μｍ程度以下の膜厚に成膜し、高ＢＳＦ機能を有
する下地層とする。
+型Ｓｉ層３を形成する。具体的には前記裏電極２上
に、プラズマＣＶＤ法または触媒ＣＶＤ法等により、ボ
ロン、アルミニウム等のｐ型不純物原子が１×１０18個
／ｃｍ3〜１×１０22個／ｃｍ3程度含まれた多結晶Ｓｉ
層を１μｍ程度以下の膜厚に成膜し、高ＢＳＦ機能を有
する下地層とする。
【００１７】次に、前記ｐ+型Ｓｉ層３上に、同層と同
一導電型（すなわちｐ型）の本発明の光電変換層となる
結晶質を含むＳｉ層４をプラズマＣＶＤ法または触媒Ｃ
ＶＤ法等によって厚さ０．３〜３０μｍ程度に形成す
る。具体的には、例えば４０ＭＨｚの高周波電源を用い
た平行平板型プラズマＣＶＤ法により形成することがで
きる。
一導電型（すなわちｐ型）の本発明の光電変換層となる
結晶質を含むＳｉ層４をプラズマＣＶＤ法または触媒Ｃ
ＶＤ法等によって厚さ０．３〜３０μｍ程度に形成す
る。具体的には、例えば４０ＭＨｚの高周波電源を用い
た平行平板型プラズマＣＶＤ法により形成することがで
きる。
【００１８】成膜時の反応ガスとしてはシラン系ガス、
水素ガス及びドーピングガスを用いる。シラン系ガスと
してはモノシランガス、ジシランガス等に加え、ジクロ
ロシランガス等のハロゲン化ケイ素系ガス等を用いても
良い。シラン系ガスに対する水素ガスの流量は１０倍以
上であることが好ましい。ドーピングガスとしてはｐ型
Ｓｉ膜を形成する場合はジボランガス等を、ｎ型Ｓｉ膜
を形成する場合はホスフィンガス等を用いる。このとき
のシラン系ガスに対するドーピングガスの流量は、Ｓｉ
膜のドーピング（導電型決定不純物）原子濃度が１×１
０15個／ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3程度になるよう調
節する。流量で調整しきれない場合は、水素等の希釈ガ
スで適当な濃度に希釈したドーピングガスを用いる。本
実施例においては、反応ガスとして、モノシランガス、
水素ガス、ジボランガスを用い、各ガスの流量はモノシ
ランガス１〜２０ｓｃｃｍ、水素ガス１００〜１０００
ｓｃｃｍ、ジボランガス（水素により１００ｐｐｍに希
釈）０．０２〜１ｓｃｃｍとする。成膜時の圧力として
は０．５〜５ｔｏｒｒ、成膜温度は１００〜４００℃、
放電パワーは例えば１５〜１００Ｗなどである。
水素ガス及びドーピングガスを用いる。シラン系ガスと
してはモノシランガス、ジシランガス等に加え、ジクロ
ロシランガス等のハロゲン化ケイ素系ガス等を用いても
良い。シラン系ガスに対する水素ガスの流量は１０倍以
上であることが好ましい。ドーピングガスとしてはｐ型
Ｓｉ膜を形成する場合はジボランガス等を、ｎ型Ｓｉ膜
を形成する場合はホスフィンガス等を用いる。このとき
のシラン系ガスに対するドーピングガスの流量は、Ｓｉ
膜のドーピング（導電型決定不純物）原子濃度が１×１
０15個／ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3程度になるよう調
節する。流量で調整しきれない場合は、水素等の希釈ガ
スで適当な濃度に希釈したドーピングガスを用いる。本
実施例においては、反応ガスとして、モノシランガス、
水素ガス、ジボランガスを用い、各ガスの流量はモノシ
ランガス１〜２０ｓｃｃｍ、水素ガス１００〜１０００
ｓｃｃｍ、ジボランガス（水素により１００ｐｐｍに希
釈）０．０２〜１ｓｃｃｍとする。成膜時の圧力として
は０．５〜５ｔｏｒｒ、成膜温度は１００〜４００℃、
放電パワーは例えば１５〜１００Ｗなどである。
【００１９】上述の条件において石英基板上に形成され
るＳｉ膜のスピン密度を電子スピン共鳴法により求める
と１×１０18個／ｃｍ3以下となる。スピン密度が１×
１０1 8個／ｃｍ3以上となると、膜中欠陥の増加により
キャリアの再結合が顕著になり、光電変換装置の変換効
率が低下する。一方、スピン密度を測定する場合には石
英基板もしくは高品質の単結晶Ｓｉ基板上にＳｉ膜を形
成することが好ましい。特にＳｉ膜の膜厚が薄い場合及
びスピン密度が小さい場合は、基板の信号（バックグラ
ウンド）を極力低減して測定することが必要である。
るＳｉ膜のスピン密度を電子スピン共鳴法により求める
と１×１０18個／ｃｍ3以下となる。スピン密度が１×
１０1 8個／ｃｍ3以上となると、膜中欠陥の増加により
キャリアの再結合が顕著になり、光電変換装置の変換効
率が低下する。一方、スピン密度を測定する場合には石
英基板もしくは高品質の単結晶Ｓｉ基板上にＳｉ膜を形
成することが好ましい。特にＳｉ膜の膜厚が薄い場合及
びスピン密度が小さい場合は、基板の信号（バックグラ
ウンド）を極力低減して測定することが必要である。
【００２０】また、このＳｉ膜中の残留不純物原子濃度
を二次イオン質量分析法により求めると、酸素原子の平
均濃度が１×１０20個／ｃｍ3以下、炭素原子の平均濃
度が１×１０19個／ｃｍ3以下、窒素原子の平均濃度が
１×１０19個／ｃｍ3以下となる。デバイスグレードの
膜品質を維持するためには、残留不純物原子濃度には上
限があり、酸素濃度については１×１０20個／ｃｍ3、
炭素濃度については１×１０19個／ｃｍ3、窒素濃度に
ついては１×１０19個／ｃｍ3とすることが望ましい。
を二次イオン質量分析法により求めると、酸素原子の平
均濃度が１×１０20個／ｃｍ3以下、炭素原子の平均濃
度が１×１０19個／ｃｍ3以下、窒素原子の平均濃度が
１×１０19個／ｃｍ3以下となる。デバイスグレードの
膜品質を維持するためには、残留不純物原子濃度には上
限があり、酸素濃度については１×１０20個／ｃｍ3、
炭素濃度については１×１０19個／ｃｍ3、窒素濃度に
ついては１×１０19個／ｃｍ3とすることが望ましい。
【００２１】さらに分光エリプソメーターによるフィッ
ティングにより算出した体積結晶化分率は６０％以上と
なる。体積結晶化分率が６０％以下であると、アモルフ
ァス成分の増加に伴い光電変換装置の短絡電流密度の低
下が顕著になり、また光劣化の問題も生じてくる。
ティングにより算出した体積結晶化分率は６０％以上と
なる。体積結晶化分率が６０％以下であると、アモルフ
ァス成分の増加に伴い光電変換装置の短絡電流密度の低
下が顕著になり、また光劣化の問題も生じてくる。
【００２２】導電型決定不純物原子濃度が１×１０16個
／ｃｍ3以下であると、前記残留不純物原子の影響によ
り、導入した導電型決定不純物原子によるキャリア生成
が有効に行われず、所望のキャリア濃度を得にくい。ま
た、導電型決定不純物原子濃度が１×１０18個／ｃｍ3
以上であると、この導電型決定不純物原子による欠陥に
よりＳｉ膜の品質が低下し、高い変換効率が得られにく
い。この導電型決定不純物原子としては、Ｂ、Ｐが比較
的安価なガスを用いることができ、且つ扱いやすいこと
から望ましい。
／ｃｍ3以下であると、前記残留不純物原子の影響によ
り、導入した導電型決定不純物原子によるキャリア生成
が有効に行われず、所望のキャリア濃度を得にくい。ま
た、導電型決定不純物原子濃度が１×１０18個／ｃｍ3
以上であると、この導電型決定不純物原子による欠陥に
よりＳｉ膜の品質が低下し、高い変換効率が得られにく
い。この導電型決定不純物原子としては、Ｂ、Ｐが比較
的安価なガスを用いることができ、且つ扱いやすいこと
から望ましい。
【００２３】また膜厚が０．５μｍ以下であると、充分
な光電流が取り出せず、高い変換効率が得られにくい。
一方、デバイスグレードの膜品質が維持できる現状で得
られている最大の成膜速度は２４０ｎｍ／分程度であ
り、２０μｍの膜厚を形成するには約８３分かかること
になる。さらなる高成膜速度化が進むとしても２０μｍ
が実質的に生産可能なレベルである。
な光電流が取り出せず、高い変換効率が得られにくい。
一方、デバイスグレードの膜品質が維持できる現状で得
られている最大の成膜速度は２４０ｎｍ／分程度であ
り、２０μｍの膜厚を形成するには約８３分かかること
になる。さらなる高成膜速度化が進むとしても２０μｍ
が実質的に生産可能なレベルである。
【００２４】次に、前記光電変換層４上にｐ+型Ｓｉ層
３とは反対の導電型（すなわちｎ型）の非晶質、多結晶
もしくは微結晶を含むＳｉ層５を、プラズマＣＶＤ法ま
たは触媒ＣＶＤ法等によって厚さ１μｍ以下に形成す
る。ｎ型不純物原子としてリン等を１×１０18個／ｃｍ
3〜１×１０22個／ｃｍ3程度に高濃度にドープする。
３とは反対の導電型（すなわちｎ型）の非晶質、多結晶
もしくは微結晶を含むＳｉ層５を、プラズマＣＶＤ法ま
たは触媒ＣＶＤ法等によって厚さ１μｍ以下に形成す
る。ｎ型不純物原子としてリン等を１×１０18個／ｃｍ
3〜１×１０22個／ｃｍ3程度に高濃度にドープする。
【００２５】次に、前記ｎ型Ｓｉ層５上に、ＩＴＯ、Ｓ
ｎＯ2、ＺｎＯ等の透明導電膜６をスパッタリング法や
ＭＯＣＶＤ法等の真空成膜法を用いて６０〜１００ｎｍ
程度の膜厚で形成する。
ｎＯ2、ＺｎＯ等の透明導電膜６をスパッタリング法や
ＭＯＣＶＤ法等の真空成膜法を用いて６０〜１００ｎｍ
程度の膜厚で形成する。
【００２６】さらに、前記透明導電膜６上に、Ａｇ、Ｔ
ｉ、Ｃｕ等から成る櫛形状の表金属集電極７を蒸着法や
プリント及び焼成技術等によって、厚さ１μｍ以上に形
成する。以上によって、薄膜多結晶シリコン光電変換装
置が得られる。
ｉ、Ｃｕ等から成る櫛形状の表金属集電極７を蒸着法や
プリント及び焼成技術等によって、厚さ１μｍ以上に形
成する。以上によって、薄膜多結晶シリコン光電変換装
置が得られる。
【００２７】
【実施例】以下において、本発明の幾つかの実施例によ
る光電変換装置である薄膜多結晶シリコン太陽電池と比
較例について説明する。 （実施例１）光電変換層であるＳｉ層は４０ＭＨｚの高
周波電源を用いた平行平板型プラズマＣＶＤ法により形
成した。この成膜室はターボ分子ポンプによって排気を
行い、圧力調整バルブにより所望の成膜圧力に制御す
る。成膜前の背圧は３×１０-7ｔｏｒｒ、成膜時の圧力
は１.５ｔｏｒｒとした。成膜時の反応ガスとしてモノ
シランガス、水素ガス及びジボランガスを用い、各々の
流量は５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ、０.２ｓｃｃｍと
した。また放電パワーは２５Ｗ、成膜温度は２００℃と
した。膜厚は１.５μｍで、成膜速度が１８ｎｍ／分で
あるため、成膜時間は約８３分である。
る光電変換装置である薄膜多結晶シリコン太陽電池と比
較例について説明する。 （実施例１）光電変換層であるＳｉ層は４０ＭＨｚの高
周波電源を用いた平行平板型プラズマＣＶＤ法により形
成した。この成膜室はターボ分子ポンプによって排気を
行い、圧力調整バルブにより所望の成膜圧力に制御す
る。成膜前の背圧は３×１０-7ｔｏｒｒ、成膜時の圧力
は１.５ｔｏｒｒとした。成膜時の反応ガスとしてモノ
シランガス、水素ガス及びジボランガスを用い、各々の
流量は５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ、０.２ｓｃｃｍと
した。また放電パワーは２５Ｗ、成膜温度は２００℃と
した。膜厚は１.５μｍで、成膜速度が１８ｎｍ／分で
あるため、成膜時間は約８３分である。
【００２８】このＳｉ薄膜のスピン密度を電子スピン共
鳴法により求めたところ、４×１０ 16個／ｃｍ3であっ
た。また、不純物原子濃度を二次イオン質量分析法によ
り分析した結果を図２に示す（表面及び裏面の領域を除
く図中の両端矢印で示した範囲が光電変換層である）。
酸素原子濃度は１×１０19個／ｃｍ3、炭素原子濃度は
２×１０18個／ｃｍ3、窒素原子濃度は３×１０17個／
ｃｍ3であった。体積結晶化分率は分光エリプソメータ
ーによるフィッティングにより算出し９３.２％であっ
た。
鳴法により求めたところ、４×１０ 16個／ｃｍ3であっ
た。また、不純物原子濃度を二次イオン質量分析法によ
り分析した結果を図２に示す（表面及び裏面の領域を除
く図中の両端矢印で示した範囲が光電変換層である）。
酸素原子濃度は１×１０19個／ｃｍ3、炭素原子濃度は
２×１０18個／ｃｍ3、窒素原子濃度は３×１０17個／
ｃｍ3であった。体積結晶化分率は分光エリプソメータ
ーによるフィッティングにより算出し９３.２％であっ
た。
【００２９】この薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池に入射光とし
てＡＭ１.５、１００ｍＷ／ｃｍ2を用いたときの出力特
性は開放端電圧０.４４１Ｖ、短絡電流密度１９.１ｍＡ
／ｃｍ2、曲線因子０.６０６、変換効率５.１％であっ
た。 （実施例２〜１２）光電変換層であるＳｉ層の成膜条件
を様々に変化させて、実施例１と同様に薄膜多結晶Ｓｉ
太陽電池を形成した。このＳｉ薄膜のスピン密度、不純
物原子濃度、体積結晶化分率、膜厚及び変換効率を表
１、２に示した。
てＡＭ１.５、１００ｍＷ／ｃｍ2を用いたときの出力特
性は開放端電圧０.４４１Ｖ、短絡電流密度１９.１ｍＡ
／ｃｍ2、曲線因子０.６０６、変換効率５.１％であっ
た。 （実施例２〜１２）光電変換層であるＳｉ層の成膜条件
を様々に変化させて、実施例１と同様に薄膜多結晶Ｓｉ
太陽電池を形成した。このＳｉ薄膜のスピン密度、不純
物原子濃度、体積結晶化分率、膜厚及び変換効率を表
１、２に示した。
【００３０】尚、導電型決定不純物原子として、実施例
２〜８についてはボロンを、実施例９〜１２については
リンを用いた。 （比較例１）成膜圧力を０.５ｔｏｒｒとし、その他の
成膜条件は実施例１と同様である。 （比較例２）排気はターボ分子ポンプを作動させず油回
転ポンプのみによって行い、圧力調整バルブにより所望
の成膜圧力に制御する。成膜前の背圧は１.５×１０-2
ｔｏｒｒで、その他の成膜条件は実施例１と同様であ
る。 （比較例３、４）ボロンドーピング濃度を５×１０15個
／ｃｍ3及び２×１０18個／ｃｍ3とし、その他の成膜条
件は実施例１と同様である。
２〜８についてはボロンを、実施例９〜１２については
リンを用いた。 （比較例１）成膜圧力を０.５ｔｏｒｒとし、その他の
成膜条件は実施例１と同様である。 （比較例２）排気はターボ分子ポンプを作動させず油回
転ポンプのみによって行い、圧力調整バルブにより所望
の成膜圧力に制御する。成膜前の背圧は１.５×１０-2
ｔｏｒｒで、その他の成膜条件は実施例１と同様であ
る。 （比較例３、４）ボロンドーピング濃度を５×１０15個
／ｃｍ3及び２×１０18個／ｃｍ3とし、その他の成膜条
件は実施例１と同様である。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】これらの実施例および比較例より、光電変
換層たるＳｉ層のスピン密度が１×１０18個／ｃｍ3以
下であり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個／ｃ
ｍ3以下であって、さらに導電型決定不純物原子の平均
濃度が１×１０16個／ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3の範
囲内であれば、高い変換効率が得られることが明らかと
なった。また体積結晶化分率は６０％以上、膜厚につい
ては０.５μｍ以上、膜中の炭素原子濃度、窒素原子濃
度についてはそれぞれ１×１０19個／ｃｍ3以下が望ま
しいことが分かる。
換層たるＳｉ層のスピン密度が１×１０18個／ｃｍ3以
下であり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個／ｃ
ｍ3以下であって、さらに導電型決定不純物原子の平均
濃度が１×１０16個／ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3の範
囲内であれば、高い変換効率が得られることが明らかと
なった。また体積結晶化分率は６０％以上、膜厚につい
ては０.５μｍ以上、膜中の炭素原子濃度、窒素原子濃
度についてはそれぞれ１×１０19個／ｃｍ3以下が望ま
しいことが分かる。
【００３４】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、電子ス
ピン共鳴法で分析したスピン密度が１×１０18個／ｃｍ
3以下であり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個
／ｃｍ3以下である結晶質を含むシリコン薄膜を光電変
換層に用いた光電変換装置において、前記シリコン薄膜
中の導電型決定不純物原子の平均濃度を１×１０16個／
ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3としたことから、プラズマ
ＣＶＤ法等によって成膜された光電変換層たる多結晶シ
リコン薄膜を高品質化でき、薄膜多結晶シリコン光電変
換装置の高性能化が可能となる。
ピン共鳴法で分析したスピン密度が１×１０18個／ｃｍ
3以下であり、且つ酸素原子の平均濃度が１×１０20個
／ｃｍ3以下である結晶質を含むシリコン薄膜を光電変
換層に用いた光電変換装置において、前記シリコン薄膜
中の導電型決定不純物原子の平均濃度を１×１０16個／
ｃｍ3〜１×１０18個／ｃｍ3としたことから、プラズマ
ＣＶＤ法等によって成膜された光電変換層たる多結晶シ
リコン薄膜を高品質化でき、薄膜多結晶シリコン光電変
換装置の高性能化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電変換装置の構造の一態様を示す図
である。
である。
【図２】実施例１におけるシリコン膜中の不純物原子濃
度の深さ方向プロファイルを示す図である。
度の深さ方向プロファイルを示す図である。
【符号の説明】 １ ガラス基板 ２ 裏電極 ３ ｐ+型Ｓｉ層 ４ 光電変換層 ５ ｎ型Ｓｉ層 ６ 透明導電膜 ７ 表金属集電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千田 浩文 滋賀県八日市市蛇溝町長谷野1166番地の６ 京セラ株式会社滋賀工場八日市ブロック 内 Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA17 AA20 BA29 BB03 JA01 LA16 5F045 AA08 AB03 AC01 AC05 AC19 AD05 AD06 AD07 AE19 AE21 AF07 BB12 BB16 CA13 DA59 EH13 5F051 AA03 AA04 AA16 CA16 CB12
Claims (6)
- 【請求項１】 電子スピン共鳴法で分析したスピン密度
が１×１０18個／ｃｍ 3以下であり、且つ酸素原子の平
均濃度が１×１０20個／ｃｍ3以下である結晶質を含む
シリコン薄膜を光電変換層に用いた光電変換装置におい
て、前記シリコン薄膜中の導電型決定不純物原子の平均
濃度を１ラ１０16個／ｃｍ3〜１ラ１０18個／ｃｍ3とした
ことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項２】 前記導電型決定不純物原子がボロン又は
リンのうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請
求項１に記載の光電変換装置。 - 【請求項３】 前記シリコン薄膜が体積結晶化分率６０
％以上の結晶質を含むシリコン薄膜であることを特徴と
する請求項１に記載の光電変換装置。 - 【請求項４】 前記シリコン薄膜の膜厚が０.５〜２０
μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換
装置。 - 【請求項５】 前記シリコン薄膜中の炭素原子の平均濃
度が１×１０19個／ｃｍ3以下であることを特徴とする
請求項１に記載の光電変換装置。 - 【請求項６】 前記シリコン薄膜中の窒素原子の平均濃
度が１×１０19個／ｃｍ3以下であることを特徴とする
請求項１に記載の光電変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000263024A JP2002076405A (ja) | 2000-08-31 | 2000-08-31 | 光電変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000263024A JP2002076405A (ja) | 2000-08-31 | 2000-08-31 | 光電変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002076405A true JP2002076405A (ja) | 2002-03-15 |
Family
ID=18750621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000263024A Pending JP2002076405A (ja) | 2000-08-31 | 2000-08-31 | 光電変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002076405A (ja) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04188879A (ja) * | 1990-11-22 | 1992-07-07 | Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd | 光電変換素子およびその製法 |
| JPH07169985A (ja) * | 1994-10-27 | 1995-07-04 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 半導体装置 |
| JPH09156916A (ja) * | 1995-11-29 | 1997-06-17 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 多結晶珪素作製装置およびその動作方法 |
| JPH09232235A (ja) * | 1995-02-24 | 1997-09-05 | Mitsui Toatsu Chem Inc | 光電変換素子 |
| JPH10275923A (ja) * | 1997-03-31 | 1998-10-13 | Kyocera Corp | 光電変換装置 |
| JP2000058889A (ja) * | 1998-08-07 | 2000-02-25 | Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd | シリコン系薄膜およびシリコン系薄膜光電変換装置 |
-
2000
- 2000-08-31 JP JP2000263024A patent/JP2002076405A/ja active Pending
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