JP2002111028A - タンデム型薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
タンデム型薄膜太陽電池の製造方法Info
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Abstract
ことなくその製造工程の融通性を高めかつ生産効率を改
善し得る製造方法を提供する。 【解決手段】 光入射側から順にp型層、i型光電変換
層、およびn型層を含む光電変換ユニットの複数が基板
1上で積層されていて少なくとも光入射側から最も遠い
後方ユニットは結晶質i型光電変換層を含む結晶質ユニ
ットであるタンデム型薄膜太陽電池の製造方法は、基板
1上で少なくとも1つのユニットがプラズマCVDによ
って形成された後に引続いて5nm以下の厚さのi型境
界層6をプラズマCVDで形成し、その後に基板1が大
気中に取出されることによってi型境界層6の表面が大
気に露呈され、その後にそのi型境界層6上に結晶質ユ
ニットがプラズマCVDで形成されるステップを含む。
Description
電池の製造方法に関し、特に、その太陽電池の性能を低
下させることなく製造工程の融通性を高めかつ生産効率
を改善し得る製造方法に関するものである。
の非晶質薄膜太陽電池の他に結晶質薄膜太陽電池も開発
され、これらを積層したタンデム型(ハイブリッド)薄
膜太陽電池も実用化されつつある。
も表面が絶縁性の基板上に順に積層された第1電極、1
以上の半導体薄膜光電変換ユニット、および第2電極を
含んでいる。そして、1つの光電変換ユニットはp型層
とn型層でサンドイッチされたi型層を含んでいる。
i型層は実質的に真性の半導体層であって、光電変換作
用は主としてこのi型層内で生じる。したがって、i型
光電変換層は光吸収のためには厚い方が好ましいが、必
要以上に厚くすればその堆積のためのコストと時間が増
大することになる。
ニット内に拡散電位を生じさせる役目を果たし、この拡
散電位の大きさによって薄膜太陽電池の重要な特性の1
つである開放端電圧の値が左右される。しかし、これら
の導電型層は光電変換に直接寄与しない不活性な層であ
り、導電型層にドープされた不純物によって吸収される
光は発電に寄与しない損失となる。したがって、p型と
n型の導電型層は、十分な拡散電位を生じさせ得る範囲
内で、できるだけ小さな厚さを有することが好ましい。
たは薄膜太陽電池は、それに含まれるp型とn型の導電
型層が非晶質か結晶質かにかかわらず、その主要部を占
めるi型の光電変換層が非晶質のものは非晶質ユニット
または非晶質薄膜太陽電池と称され、i型層が結晶質の
ものは結晶質ユニットまたは結晶質薄膜太陽電池と称さ
れる。
させる方法として、2以上の光電変換ユニットを積層し
てタンデム型にする方法がある。この方法においては、
薄膜太陽電池の光入射側に大きなバンドギャップを有す
る光電変換層を含む前方ユニットを配置し、その後ろに
順に小さなバンドギャップを有する(たとえばSi−G
e合金などの)光電変換層を含む後方ユニットを配置す
ることにより、入射光の広い波長範囲にわたって光電変
換を可能にし、これによって太陽電池全体としての変換
効率の向上が図られる。このようなタンデム型薄膜太陽
電池の中でも、非晶質光電変換ユニットと結晶質光電変
換ユニットの両方を含むものは特にハイブリッド薄膜太
陽電池と称されることもある。
し得る光の波長は長波長側において800nm程度まで
であるが、i型結晶質シリコンはそれより長い約110
0nm程度の波長の光までを光電変換することができ
る。ここで、光吸収係数の大きな非晶質シリコン光電変
換層は光吸収のためには単層でも0.3μm以下の厚さ
で十分であるが、光吸収係数の小さな結晶質シリコン光
電変換層は長波長の光をも十分に吸収するためには単層
では2〜3μm程度以上の厚さを有することが好まし
い。すなわち、結晶質光電変換層は、通常は、非晶質光
電変換層に比べて10倍程度に大きな厚さを有すること
が望まれる。
型薄膜太陽電池において、それが非晶質ユニットと結晶
質ユニットの両方を含む場合に、非晶質ユニットを形成
する際に最適なプラズマCVD条件と結晶質ユニットを
形成するのに最適なプラズマCVD条件とは互いに異な
るので、互いに別々のプラズマCVD装置でそれぞれの
最適条件のもとで形成することが好ましい。また、結晶
質ユニットは非晶質ユニットに比べて長い形成時間を要
するので、単一の製造ラインで形成された非晶質ユニッ
ト上に、結晶質ユニットを複数の製造ラインで迅速に形
成することが望まれる場合もある。さらに、タンデム型
薄膜太陽電池において、それが複数の結晶質ユニットの
みを含む場合でも、光吸収効率の最適化を図るために、
光入射側に近い前方ユニットとその後ろに形成される後
方ユニットとの間では互いに厚さやその他の特性が変え
られるので、各ユニットを別々のプラズマCVD装置で
形成することが望まれる場合が多い。
て、たとえば透明基板側から順にpinの接合を含むp
in型非晶質ユニットを形成した後に、その基板をプラ
ズマCVD装置から一旦大気中に取出して他のプラズマ
CVD装置に移してpin型結晶質ユニットをさらに形
成した場合、得られるタンデム型薄膜太陽電池の光電変
換特性は基板を大気中に取出すことなく両ユニットを連
続的に形成した場合に比べて低下するという事実を本発
明者たちは経験した。具体的には、光電変換効率の絶対
値による比較において0.5%以上の低下が見られた。
基づいて、本発明は、タンデム型薄膜太陽電池の性能を
低下させることなくその製造工程の融通性を高めかつ生
産効率を改善し得る製造方法を提供することを目的とし
ている。
側から順にp型層、i型光電変換層、およびn型層を含
む光電変換ユニットの複数が基板上で積層されていて、
少なくとも光入射側から最も遠い後方ユニットは結晶質
i型光電変換層を含む結晶質ユニットであるタンデム型
薄膜太陽電池の製造方法は、基板上で少なくとも1つの
ユニットがプラズマCVDによって形成された後に引続
いて5nm以下の厚さのi型境界層をプラズマCVDで
形成し、その後に基板が大気中に取出されることによっ
てi型境界層の表面が大気に露呈され、その後にそのi
型境界層上に結晶質ユニットがプラズマCVDで形成さ
れるステップを含むことを特徴としている。
層、i型光電変換層、およびn型層を含む場合には、i
型境界層上に結晶質ユニットを形成する直前に付加的な
n型層がプラズマCVDで形成されることが好ましい。
非晶質i型光電変換層を含む非晶質ユニットが基板上で
最初のユニットとして形成されることが好ましい。
iH4を含むガスが反応ガスとして好ましく利用され得
る。
晶質ユニットを形成した後にその基板をプラズマCVD
装置から一旦大気中に取出して他のプラズマCVD装置
に移してpin型結晶質ユニットをさらに形成した場合
に、得られるタンデム型薄膜太陽電池の光電変換特性が
基板を大気中に取出すことなく両ユニットを連続的に形
成した場合に比べて低下することの原因について、本発
明者たちが検討した。その結果、この原因の1つとし
て、非晶質ユニットと結晶質ユニットを連続的に形成し
た場合には非晶質ユニットのn層として微結晶層が形成
され(n層はp層に比べて結晶化しやすい)、そのn層
の微結晶が結晶核として作用してその上に良質の結晶質
ユニットが形成され得るのに対して、非晶質ユニットの
形成後にそれが一旦大気に露呈されれば、そのn層表面
の酸化や異物の付着などによって、その後に形成される
結晶質ユニットの結晶化が阻害されるという理由が考え
られた。
ればその表面がポーラスになりやすく、特にそのドープ
量が多くなるほどその傾向が強くなる。したがって、そ
のようなn層のポーラスな表面を大気に露呈すれば、平
坦な表面に比べて、より酸化や異物の付着などが促進さ
れやすいと考えられる。
ニットのn層をかなり厚めに形成した後にそれを大気中
に露呈し、その後に何らかのエッチングガスでそのn層
の表面層をエッチング除去してから、引続いてプラズマ
CVDで結晶質ユニットを形成することが考えられる。
しかし、この場合には、n層を厚く堆積することとエッ
チング工程が追加的に必要となることから、製造ライン
に要する時間の延長、エッチング用のチャンバと配管の
追加、さらには非晶質ユニットのin界面におけるエッ
チングによるダメージなどの問題を生じることになる。
て、以下において本発明の好ましい実施の形態について
図面を参照しつつ説明する。なお、本願の各図におい
て、厚さや長さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化
のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わ
してはいない。
一例による製法によって作製されたタンデム型薄膜太陽
電池セルが模式的な断面図で示されている。すなわち、
この太陽電池セルでは、絶縁基板1上に第1電極2が形
成される。第1電極2上には、第1の光電変換ユニット
に含まれる1導電型層3、実質的に真性半導体の光電変
換層4、および逆導電型層5がプラズマCVDで順次に
堆積され、これに引続いて実質的に真性半導体の境界層
6がトンネル効果を生じ得る5nm以下の厚さにプラズ
マCVDで堆積される。
大気中に引出され、それによって境界層6の表面が大気
に露呈される。その後に、基板1が他のプラズマCVD
装置内に導入され、第2の光電変換ユニットに含まれる
1導電型層7、実質的に真性の結晶質光電変換層8およ
び逆導電型層9が順次プラズマCVDで堆積され、最後
に第2電極10が形成される。
製造方法において、真性半導体の境界層6は大気中に露
呈されても逆導電型層5に比べてその表面が劣化しにく
い。したがって、そのような境界層6上にプラズマCV
Dで形成された結晶質光電変換ユニット7,8,9は、
大気に露呈された逆導電型層5上に直接形成される場合
に比べて良好な結晶性を有し、基板1が第1の光電変換
ユニット3,4,5の形成後に一旦大気中に取出される
ことによる悪影響を軽減することができる。
第2ユニット7,8,9とが別々のCVD装置で形成す
ることが可能になれば、それぞれのユニットに求められ
る最良の特性を実現するために最も適合するCVD条件
を別々に設定することができ、タンデム型薄膜太陽電池
セル全体としての性能をむしろ改善し得ると期待され
る。また、それぞれのユニットのために複数の製造ライ
ンを利用することができるので生産効率を高めることが
でき、さらに複数のプラズマCVD装置の利用によって
それらの装置のメンテナンスを順次円滑に行なうことが
できるようになる。
による製法によって作製されたハイブリッド薄膜太陽電
池セルが模式的な断面図で示されている。この太陽電池
セルでは、ガラスなどの透明基板1上に透明導電性酸化
物からなる透明電極2が形成される。透明電極2上に
は、非晶質光電変換ユニットに含まれるp型層3p、実
質的に真性半導体の非晶質i型光電変換層4i、および
n型層5nがプラズマCVDで順次に堆積され、これに
引続いて実質的に真性半導体のi型境界層6iが5nm
以下の厚さにプラズマCVDで堆積される。
から大気中に引出され、それによってi型境界層6iの
表面が大気に露呈される。その後に、透明基板1が他の
プラズマCVD装置内に導入され、i型境界層6i上
に、まず付加的なn型層6nがプラズマCVDで堆積さ
れる。そして、この付加的n型層6n上に、結晶質光電
変換ユニットに含まれるp型層7p、実質的に真性半導
体の結晶質i型光電変換層8i、およびn型層9nがプ
ラズマCVDで順次に堆積され、最後に裏面金属電極1
0が形成される。
電変換ユニット7p,8i,9nが形成される前にn型
層6nがプラズマCVDによって堆積されることにおい
て図1の実施の形態と異なっている。一般に、p型層は
n型層に比べて結晶化しにくいが、この付加的なn型層
6nは容易に微結晶化され得る。したがって、この付加
的なn型層6nの微結晶が結晶核として作用し、その上
に良質の結晶質ユニット7p,8i,9nが形成され得
る。
によって得られるタンデム型薄膜太陽電池において、各
光電変換ユニットが効率的に光を吸収することができる
ように、光電変換されるべき光は各光電変換ユニットの
p型層側から入射させられる。また、タンデム型薄膜太
陽電池が非晶質ユニットと結晶質ユニットとの両方を含
むハイブリッド薄膜太陽電池である場合には、より短い
波長の光を吸収し得る非晶質光電変換ユニットが光入射
側に近い前方ユニットとして配置され、より長い波長の
光を吸収し得る結晶質光電変換ユニットは光入射側から
遠い後方ユニットとして配置される。
電変換ユニットが積層された2段タンデム型薄膜太陽電
池のみについて説明されたが、本発明は3段以上の光電
変換ユニットを含むタンデム型薄膜太陽電池にも適用し
得ることは言うまでもない。
する積層構造を含む集積型ハイブリッド薄膜太陽電池の
製造方法の実施例が、図3を参照しつつ比較例とともに
説明される。
れた集積型ハイブリッド薄膜太陽電池を模式的な断面図
で図解している。この太陽電池の製造において、まず、
ガラス基板1上に、微細な表面凹凸構造(表面テクスチ
ャ)を有する酸化スズ膜からなる透明電極層2が形成さ
れた。この透明電極層2は、YAGレーザを用いたレー
ザスクライブによって形成された溝2aによって複数の
短冊状の透明電極領域に分離された。すなわち、透明電
極分離溝2aは、図3の紙面に対して垂直方向に延びて
いる。
基板温度のもとで、pin型の非晶質光電変換ユニット
層40がSiH4とH2を含む原料ガスを利用してプラズ
マCVDによって形成された。この非晶質光電変換ユニ
ット層40に含まれるp型シリコン層は、10nmの厚
さに堆積された。ノンドープのi型非晶質シリコン光電
変換層は、0.24μmの厚さに堆積された。そして、
n型シリコン層は、SiH4/PH3(H2ベースで0.
5%ドープ)/H2のそれぞれのガスの流量比が1/
0.6/100のもとで8nmの厚さに堆積され、さら
にPH3の流量比を0にした状態で厚さ4nmのi型境
界層が堆積された。
ンバ内に搬送され、そのチャンバが速やかにN2ガスで
満たされた後に、基板1が大気中に取出されて、i型境
界層6iの表面が大気に露呈された。
ロードチャンバ内にセットされ、185℃に昇温された
後に、厚さ30nmの微結晶n型シリコン層6nの堆積
に続いてpin型の結晶質光電変換ユニット層80が堆
積された。この結晶質光電変換ユニット層80に含まれ
るp型微結晶シリコン層は15nmの厚さに堆積され、
ノンドープのi型結晶質シリコン光電変換層が1.7μ
mの厚さに堆積され、そしてn型微結晶シリコン層が2
0nmの厚さに堆積された。さらに、裏面電極層10の
一部として働く厚さ60nmの酸化亜鉛膜が、結晶質光
電変換ユニット層80上を覆うようにスパッタリングに
よって形成された。
レーザを用いたレーザスクライブによって半導体層分割
溝80aが形成された。そして、さらに裏面電極10に
含まれる厚さ30nmの酸化亜鉛膜、200nmの銀
膜、および厚さ5nmのチタン膜がそれぞれスパッタリ
ングによって形成された。最後に、裏面電極層10を複
数の短冊状裏面電極に分離するために、YAGレーザを
用いたレーザスクライブによって裏面電極分離溝10a
が形成された。こうして、図3に示されているように左
右に隣接する短冊状ハイブリッドセルが互いに電気的に
直列接続された集積型ハイブリッド薄膜太陽電池が製造
された。
イブリッド薄膜太陽電池において、ソーラシミュレータ
を用いてAM1.5の光を1kW/m2のエネルギ密度
で25℃のもとで照射することによって光電変換特性が
測定された。
リッド薄膜太陽電池の製造においては、非晶質光電変換
ユニット層40に含まれるn型層が30nmの厚さに堆
積され、i型境界層6iと付加的な微結晶n型層6nが
形成されることなくそのまま引続いて結晶質光電変換ユ
ニット層80が堆積されたことのみにおいて実施例と異
なっていた。この比較例1の製造方法によって得られた
集積型ハイブリッド薄膜太陽電池についても実施例の場
合と同様の条件で光照射して、その光電変換効率が測定
された。
は、i型境界層6iが形成されたなかったことのみにお
いて実施例と異なっている。この比較例2の製造方法で
得られた集積型ハイブリッド薄膜太陽電池についても、
実施例の場合と同様の光照射条件のもとで光電変換特性
が測定された。
のそれぞれにおいて3つのサンプルについて光電変換特
性が測定された。表1は比較例1による集積型ハイブリ
ッド薄膜太陽電池における光電変換性を基準として、実
施例と比較例2による集積型ハイブリッド薄膜太陽電池
の光電変換効率が規格化されて示されている。
ド薄膜太陽電池においてi型境界層6iを形成した後に
基板が大気中に露呈されても、最終的に得られる太陽電
池の光電変換効率は、i型境界層6iが形成されること
なく非晶質光電変換ユニット層40と結晶質光電変換ユ
ニット層80が連続的に形成された比較例1に比べて最
大でも3%程度以内の低下に留まることがわかる。
ニット層40と結晶質光電変換ユニット層80を連続的
にプラズマCVDで形成する際には基板ホルダの熱容量
の関係から温度を変更することが困難なことから185
℃の一定温度のもとでそれらの光電変換ユニット層が形
成された。そして、この比較例1との比較を明瞭化する
ために、実施例においても非晶質光電変換ユニット層4
0と結晶質光電変換ユニット層80の堆積時における基
板温度も185℃の一定温度に維持された。しかし、非
晶質光電変換ユニット層40のより好ましい堆積温度は
200℃であり、結晶質光電変換ユニット層80のより
好ましい堆積温度は150℃である。したがって、もし
実施例においてこれらの最適温度が採用されていたなら
ば、実施例の薄膜太陽電池は比較例に比べて光電変換効
率がむしろ改善されるのではないかという可能性もあ
る。
iが形成されることなく非晶質光電変換ユニット層40
に含まれるn型層が大気に露呈されたので、実施例に比
べて明らかに光電変換効率が低下していることがわか
る。
ム型薄膜太陽電池の性能を低下させることなくその製造
工程の融通性を高めかつ生産効率を改善し得る製造方法
を提供することができる。
よって作製されるタンデム型薄膜太陽電池を示す模式的
な断面図である。
り作製されるハイブリッド薄膜太陽電池を示す模式的な
断面図である。
する集積型ハイブリッド薄膜太陽電池を示す模式的な断
面図である。
性半導体の光電変換層、5 逆導電型層、6 真性半導
体の境界層、7 1導電型層、8 真性半導体の結晶質
光電変換層、9 逆導電型層、10 第2電極、3p
p型層、4ii型光電変換層、5n n型層、6i i
型境界層、6n 付加的なn型層、7p p型層、8i
i型光電変換層、9n n型層、2a 透明電極分離
溝、10a 裏面電極分離溝、40 pin型非晶質光
電変換ユニット層、80 pin型結晶質光電変換ユニ
ット層、80a 半導体層分割溝。
Claims (4)
- 【請求項1】 光入射側から順にp型層、i型光電変換
層、およびn型層を含む光電変換ユニットの複数が基板
上で積層されていて、少なくとも光入射側から最も遠い
後方ユニットは結晶質i型光電変換層を含む結晶質ユニ
ットであるタンデム型薄膜太陽電池の製造方法であっ
て、 前記基板上で少なくとも1つの前記ユニットがプラズマ
CVDによって形成された後に引続いて5nm以下の厚
さのi型境界層をプラズマCVDで形成し、その後に前
記基板が大気中に取出されることによって前記i型境界
層の表面が大気に露呈され、その後にそのi型境界層上
に結晶質ユニットがプラズマCVDで形成されるステッ
プを含むことを特徴とする製造方法。 - 【請求項2】 各前記光電変換ユニットは基板側から順
にp型層、i型光電変換層、およびn型層を含み、前記
i型境界層上に前記結晶質ユニットを形成する直前に付
加的なn型層がプラズマCVDで形成されることを特徴
とする請求項1に記載の製造方法。 - 【請求項3】 光入射側に最も近い前方ユニットとし
て、非晶質i型光電変換層を含む非晶質ユニットが前記
基板上で最初のユニットとして形成されることを特徴と
する請求項2に記載の製造方法。 - 【請求項4】 前記プラズマCVDにはH2で希釈され
たSiH4を含むガスが反応ガスとして利用されること
を特徴とする請求項1から3のいずれかの項に記載の製
造方法。
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