JP2002217114A - Method and apparatus for manufacturing silicon based thin film, and photovoltaic device and method for manufacturing it - Google Patents

Method and apparatus for manufacturing silicon based thin film, and photovoltaic device and method for manufacturing it

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JP2002217114A
JP2002217114A JP2001010315A JP2001010315A JP2002217114A JP 2002217114 A JP2002217114 A JP 2002217114A JP 2001010315 A JP2001010315 A JP 2001010315A JP 2001010315 A JP2001010315 A JP 2001010315A JP 2002217114 A JP2002217114 A JP 2002217114A
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thin film
substrate
film
crystalline silicon
silicon layer
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JP2001010315A
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Japanese (ja)
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Shoji Morita
章二 森田
Tetsuhiro Horie
哲弘 堀江
Yoshiaki Takeuchi
良昭 竹内
Katsuhiko Kondo
勝彦 近藤
Tatsuyuki Nishimiya
立享 西宮
Kengo Yamaguchi
賢剛 山口
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and apparatus for manufacturing a silicon-based thin film having a good priority orientation and grown columnar crystal, and a photovoltaic device and a method for manufacturing it. SOLUTION: A substrate is heated to a predetermined temperature in a reaction chamber, silicon-containing gas and hydrogen gas are supplied between the substrate and a discharge electrode, a high frequency electric power of a source frequency of 100 MHz to 300 MHz is applied between the discharge electrode and the substrate to produce a discharge plasma, and a thin-film- crystal-like silicon thin film is stack-formed on the substrate.

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、シリコン系薄膜の
製造方法、その製造装置、同シリコン系薄膜を用いるp
in型もしくはnip型のシリコン系薄膜光起電力素子
及びその製造方法に係り、特に太陽電池あるいはセンサ
ー等に用いられるシリコン系薄膜の製造方法、その製造
装置、光起電力素子及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a silicon-based thin film, a manufacturing apparatus therefor,
The present invention relates to an in-type or nip-type silicon-based thin-film photovoltaic device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a method of manufacturing a silicon-based thin film used for a solar cell or a sensor, a manufacturing apparatus thereof, a photovoltaic device, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】シリコン系薄膜を用いた光起電力素子の
代表格として、非晶質シリコン系の太陽電池がある。非
晶質シリコンは、通常、原料ガスとしてシランあるいは
ジシラン等の水素化珪素ガスを用いるプラズマCVD法
によって製造される。プラズマの発生には、通常、周波
数13.56MHzの高周波電源が用いられる。非晶質
シリコンは、200℃以下の低温でガラス、金属あるい
はプラスチック等の安価な基板上に製膜することがで
き、かつ、大面積製膜が可能であることを特徴とする。
非晶質シリコン系太陽電池は、このような特徴を有して
いるため、量産した場合の低コスト化が期待されてい
る。
2. Description of the Related Art A typical example of a photovoltaic element using a silicon-based thin film is an amorphous silicon-based solar cell. Amorphous silicon is usually manufactured by a plasma CVD method using a silicon hydride gas such as silane or disilane as a source gas. For generating plasma, a high-frequency power source having a frequency of 13.56 MHz is generally used. Amorphous silicon is characterized in that it can be formed on an inexpensive substrate such as glass, metal or plastic at a low temperature of 200 ° C. or lower, and that a large-area film can be formed.
Since amorphous silicon-based solar cells have such characteristics, cost reduction in mass production is expected.

【0003】しかし、非晶質シリコン系太陽電池に光を
照射すると光電変換層であるi層内に欠陥が発生し、光
電変換効率が初期状態と比較して、1割から3割程度低
下する光劣化現象が実用化上の大きな障害となってい
る。光劣化現象のメカニズムについては、種々の研究が
精力的に行われているにもかかわらず、未だ完全には解
明されていないため、抜本的な解決策も確立されていな
いのが現状である。
However, when the amorphous silicon-based solar cell is irradiated with light, defects occur in the i-layer, which is a photoelectric conversion layer, and the photoelectric conversion efficiency is reduced by about 10 to 30% as compared with the initial state. The photo-deterioration phenomenon is a major obstacle in practical use. Regarding the mechanism of the photodegradation phenomenon, although various studies have been conducted energetically, it has not been completely elucidated yet, and at present, no drastic solution has been established.

【0004】これに対して、近年、i型の光電変換層と
して非晶質シリコンの代わりに微結晶シリコンを用いる
試みが報告されている(J. Meier et al., Mat. Res. S
oc.Symp. Proc. Vol. 420, p3 (1996))。これによる
と、周波数110MHzのVHF帯の電源を用いた高周
波プラズマCVD法によりpin型の光電変換素子を形
成しており、非晶質シリコンのような光劣化現象を伴わ
ないと報告されている。
On the other hand, in recent years, attempts have been reported to use microcrystalline silicon instead of amorphous silicon as the i-type photoelectric conversion layer (J. Meier et al., Mat. Res. S.
oc. Symp. Proc. Vol. 420, p3 (1996)). According to this report, a pin-type photoelectric conversion element is formed by a high-frequency plasma CVD method using a power supply in a VHF band at a frequency of 110 MHz, and it is reported that the pin-type photoelectric conversion element is not accompanied by a light degradation phenomenon such as amorphous silicon.

【0005】微結晶シリコンを用いた光起電力素子は、
非晶質シリコンと同様にプラズマCVD法で製膜できる
ため、大面積化及び量産時の低コスト化の可能性を秘め
ている。光電変換層として微結晶シリコンを用いた光起
電力素子は、非晶質シリコンを用いた光起電力素子と比
較して、分光感度スペクトルのピークが長波長側に存在
するため、非晶質シリコンをトップセル、微結晶シリコ
ンをボトムセルの光電変換層とする積層型の光起電力素
子、いわゆるタンデム化による高効率化も可能である。
A photovoltaic element using microcrystalline silicon is:
Since the film can be formed by the plasma CVD method as in the case of amorphous silicon, it has the potential of increasing the area and reducing the cost during mass production. A photovoltaic element using microcrystalline silicon as the photoelectric conversion layer has a peak in the spectral sensitivity spectrum on the longer wavelength side, compared to a photovoltaic element using amorphous silicon. Is a top cell and microcrystalline silicon is a photoelectric conversion layer of a bottom cell.

【0006】前記したように、微結晶シリコンを用いた
光起電力素子は、基本的に従来と同様のプラズマCVD
技術による製膜が可能であり、かつ光劣化現象を伴わな
いという長所がある。
As described above, a photovoltaic element using microcrystalline silicon is basically a plasma CVD device similar to the conventional one.
There is an advantage that a film can be formed by a technique and there is no light deterioration phenomenon.

【0007】微結晶化を促進するためには、高密度の水
素ラジカルを発生させ、成長表面のダングリングボンド
を終端させ、製膜に関与する活性種(ラジカル)の表面
拡散を促進させることが不可欠である。プラズマを発生
させるための電源として、従来から用いられている周波
数13.56MHzの電源を用いる場合、高密度の水素
ラジカルを発生させ、微結晶化を図るためには、シリコ
ンを含む原料ガスに対する水素ガスの流量比を極端に大
きくする、もしくは高周波電力を大きくすることが必要
である。このような条件を必要とするのは、周波数1
3.56MHzの電源を用いる場合、プラズマ密度が小
さいことに起因している。
In order to promote microcrystallization, it is necessary to generate high-density hydrogen radicals, terminate dangling bonds on the growth surface, and promote surface diffusion of active species (radicals) involved in film formation. It is essential. In the case where a conventionally used power supply having a frequency of 13.56 MHz is used as a power supply for generating plasma, high-density hydrogen radicals are generated and micro-crystallization is performed by using hydrogen with respect to a source gas containing silicon. It is necessary to increase the gas flow ratio extremely or increase the high frequency power. Such a condition is required for frequency 1
When a power supply of 3.56 MHz is used, the reason is that the plasma density is low.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、シリコンを含
む原料ガスに対する水素ガスの流量比を極端に大きくし
た場合、製膜速度が低下するため、産業利用上、生産性
が低下するという問題がある。また、高周波電力を大き
くして製膜する場合、真空容器内で局所的な異常放電が
発生し、気相中で粉が発生しやすくなる。このような状
況で製膜した微結晶シリコンは、膜内に気相中で生じた
粉を採り込んでいるため、その膜質は著しく低下すると
いう問題がある。
However, when the flow rate ratio of hydrogen gas to the raw material gas containing silicon is extremely increased, there is a problem that the productivity is reduced in industrial use because the film forming speed is reduced. . In addition, when forming a film by increasing the high-frequency power, local abnormal discharge occurs in the vacuum vessel, and powder is easily generated in the gas phase. The microcrystalline silicon formed in such a situation has a problem that the quality of the film is remarkably deteriorated because the powder generated in the gas phase is taken into the film.

【0009】光起電力素子に用いる微結晶シリコンの組
織は、電流が流れる方向、すなわち、膜厚方向に結晶が
発達した、いわゆる柱状晶であることが望ましい。プラ
ズマCVD法による微結晶シリコンの製膜において、柱
状晶を発達させるためには、つまり特定の結晶方位に優
先的に配向させるためには、製膜温度を高めるととも
に、プラズマを発生させる高周波電力を高くする必要が
ある。このような条件で製膜する微結晶シリコンを光電
変換層に用いる光起電力素子では、光電変換層製膜中に
下地のn層(またはp層)から、ドーピング元素である
リン(またはボロン)が光電変換層に拡散し、真性半導
体としての特性が低下するという問題がある。また、金
属酸化物からなる透明導電膜上に高温で、水素ガスを主
成分とするプラズマを発生させると、透明導電膜が還元
され、透過率が低下するとともに、金属酸化物が還元さ
れて析出した金属がシリコン層内に拡散し、半導体特性
を著しく低下させるという問題がある。さらに、光電変
換層製膜の際の高周波電力を高くすると、核発生密度が
高い製膜条件であるため、製膜の初期段階で発生した多
数の結晶核が成長の過程で互いに干渉し、粒成長を阻害
するため、結果的には、柱状晶が十分には発達していな
い微細な結晶粒の微結晶シリコンが形成される。微細な
結晶粒の微結晶シリコンを光電変換層として用いた光起
電力素子は、電流が流れる方向、すなわち膜厚方向に多
数存在する結晶粒界の影響のため、その光電変換特性は
不十分である。
The structure of microcrystalline silicon used for the photovoltaic element is preferably a so-called columnar crystal in which the crystal has developed in the direction of current flow, that is, in the film thickness direction. In the microcrystalline silicon film formation by the plasma CVD method, in order to develop columnar crystals, that is, to preferentially orient to a specific crystal orientation, it is necessary to raise the film formation temperature and to use high frequency power for generating plasma. Need to be higher. In a photovoltaic element using microcrystalline silicon for forming a photoelectric conversion layer under such conditions, a doping element, phosphorus (or boron), is formed from the underlying n-layer (or p-layer) during the formation of the photoelectric conversion layer. Is diffused into the photoelectric conversion layer, and the characteristics as an intrinsic semiconductor deteriorate. In addition, when plasma containing hydrogen gas as a main component is generated at a high temperature on a transparent conductive film made of a metal oxide, the transparent conductive film is reduced, the transmittance is reduced, and the metal oxide is reduced and deposited. There is a problem that the deposited metal diffuses into the silicon layer and significantly degrades semiconductor characteristics. Furthermore, if the high-frequency power during film formation of the photoelectric conversion layer is increased, the nucleation density is high, so that a large number of crystal nuclei generated in the initial stage of film formation interfere with each other during the growth process, and the grain size increases. Since growth is inhibited, microcrystalline silicon of fine crystal grains in which columnar crystals have not sufficiently developed is eventually formed. A photovoltaic element using microcrystalline silicon having fine crystal grains as a photoelectric conversion layer has insufficient photoelectric conversion characteristics due to the influence of a large number of crystal grain boundaries in the direction in which current flows, that is, in the film thickness direction. is there.

【0010】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであって、優先配向性に優れ、柱状晶が発達し
たシリコン系薄膜の製造方法、その製造装置、光起電力
素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a silicon-based thin film having excellent preferential orientation and having developed columnar crystals, an apparatus for manufacturing the same, a photovoltaic element, and manufacturing thereof. The aim is to provide a method.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明に係るシリコン系
薄膜の製膜方法は、反応容器内で基板を所定温度に加熱
し、基板と放電用電極との間にシリコン含有ガスおよび
水素ガスを供給するとともに、電源周波数が10MHz
以上300MHz以下の高周波電力を該放電用電極と基
板との間に印加して放電プラズマを生成させ、基板上に
薄膜結晶系シリコン薄膜を積層形成することを特徴とす
る。
According to a method of forming a silicon-based thin film according to the present invention, a substrate is heated to a predetermined temperature in a reaction vessel, and a silicon-containing gas and a hydrogen gas are supplied between the substrate and a discharge electrode. Supply and power frequency is 10MHz
A high-frequency power of 300 MHz or less is applied between the discharge electrode and the substrate to generate discharge plasma, and a thin film crystalline silicon thin film is formed on the substrate.

【0012】本発明では、水素ガスとシリコン含有ガス
との共存下で10MHz以上300MHz以下の周波数
の高高周波(VHF)を印加して放電プラズマを生じさ
せると、放電プラズマ中に高密度の水素ラジカルが生成
され、成長表面のダングリングボンドが終端され、活性
種の表面拡散が促進されるため、優先配向性に、かつ柱
状晶の発達した膜が得られる。
In the present invention, when a high frequency (VHF) having a frequency of 10 MHz or more and 300 MHz or less is applied to generate a discharge plasma in the coexistence of a hydrogen gas and a silicon-containing gas, high-density hydrogen radicals are generated in the discharge plasma. Is generated, dangling bonds on the growth surface are terminated, and surface diffusion of active species is promoted. Thus, a film having a preferred orientation and a columnar crystal is obtained.

【0013】また、本発明では、基板加熱用ヒータと放
電用電極との間に製膜表面ヒータを配置し、成長中の膜
表面を加熱する。これにより成長表面に吸着した製膜に
関与するラジカルの拡散がさらに促進され、結晶成長が
促されるので、柱状晶が発達する。
In the present invention, a film forming surface heater is disposed between the substrate heating heater and the discharge electrode to heat the growing film surface. This further promotes the diffusion of radicals involved in film formation adsorbed on the growth surface, and promotes crystal growth, so that columnar crystals develop.

【0014】また、本発明では上記の方法を用いて製膜
することにより、優先配向性に優れ、かつ柱状晶が十分
に発達したシリコン系薄膜を光電変換層に用いた光起電
力素子及びその製造方法が提供される。
Further, in the present invention, by forming a film using the above-described method, a photovoltaic element using a silicon-based thin film excellent in preferential orientation and having well-developed columnar crystals as a photoelectric conversion layer, and a photovoltaic element using the same. A manufacturing method is provided.

【0015】さらに、本発明では、上記の方法により、
透明導電膜が変質あるいは還元されない温度域で製膜さ
れたp層もしくはn層を用いたpin型もしくはnip
型の光起電力素子及びその製造方法が提供される。
Further, in the present invention, by the above method,
Pin-type or nip using a p-layer or n-layer formed in a temperature range where the transparent conductive film is not deteriorated or reduced
A photovoltaic device of the type and a method of manufacturing the same are provided.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の好ましい実施の形態について説明する。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0017】図1は薄膜結晶系シリコンの製膜に用いた
プラズマCVD装置の一例を示す内部透視断面模式図で
ある。プラズマCVD装置はステンレス鋼製の反応容器
1により外側が覆われている。この反応容器1の適所に
おいて排気管3が開口し、排気管3を介して真空ポンプ
8により反応容器1の内部が所定圧力に真空排気される
ようになっている。
FIG. 1 is a schematic perspective cross-sectional view showing an example of a plasma CVD apparatus used for forming a thin film crystalline silicon film. The outside of the plasma CVD apparatus is covered with a reaction vessel 1 made of stainless steel. An exhaust pipe 3 is opened at an appropriate position in the reaction vessel 1, and the inside of the reaction vessel 1 is evacuated to a predetermined pressure by a vacuum pump 8 through the exhaust pipe 3.

【0018】反応容器1の中には放電用電極2、基板加
熱用ヒータ7、ガス混合箱11および製膜表面ヒータ1
2がそれぞれ適所に配置されている。放電用電極2と基
板加熱用ヒータ7とは対面配置され、これら電極2とヒ
ータ7との間に製膜表面ヒータ12が挿入されている。
基板9は、製膜面を下向きとする姿勢でヒータ7に密着
して保持されるようになっている。
In a reaction vessel 1, a discharge electrode 2, a substrate heating heater 7, a gas mixing box 11, and a film forming surface heater 1 are provided.
2 are respectively located at appropriate places. The discharge electrode 2 and the substrate heating heater 7 are arranged facing each other, and a film forming surface heater 12 is inserted between the electrode 2 and the heater 7.
The substrate 9 is held in close contact with the heater 7 with the film-forming surface facing downward.

【0019】放電用電極2は、基板ヒータ7と対峙する
位置に配置され、同軸ケーブル10を介して、インピー
ダンス整合器5及び高周波電源4に接続されている。ま
た、基板9の付近にはステンレス鋼製メッシュからなる
製膜表面ヒータ12が設けられている。製膜表面ヒータ
12は電源13に接続されている。なお、基板加熱用ヒ
ータ7にも電源(図示せず)が接続されている。
The discharge electrode 2 is arranged at a position facing the substrate heater 7, and is connected to the impedance matching device 5 and the high frequency power supply 4 via a coaxial cable 10. A film forming surface heater 12 made of a stainless steel mesh is provided near the substrate 9. The film forming surface heater 12 is connected to a power supply 13. A power supply (not shown) is also connected to the substrate heating heater 7.

【0020】ガス混合箱11は放電用電極2をバックア
ップするように放電用電極2をほぼ水平に支持してい
る。ただし、ガス混合箱11と放電用電極2とは絶縁部
材11aにより電気的に絶縁されている。このガス混合
箱11の中には原料ガス導入管6に連通する多孔の分散
管が収納されている。多孔の分散管から基板9に向けて
原料ガスが均等に分散供給されるようになっている。
The gas mixing box 11 supports the discharge electrode 2 substantially horizontally so as to back up the discharge electrode 2. However, the gas mixing box 11 and the discharge electrode 2 are electrically insulated by the insulating member 11a. The gas mixing box 11 contains a porous dispersion pipe communicating with the raw material gas introduction pipe 6. The source gas is evenly dispersed and supplied from the porous dispersion tube toward the substrate 9.

【0021】原料ガス導入管6は図示しないガス供給源
に連通している。ガス供給源は、原料ガスとしてシリコ
ンを含むガス、具体的にはシラン、ジシラン等の水素化
珪素ガス、弗化珪素ガスあるいはジクロロシラン等のハ
ロシランガス等を水素ガスで希釈したガスをガス混合箱
11に供給するか、又は単体のシリコン含有ガスおよび
単体の水素ガスをガス混合箱11に供給するものであ
る。
The raw material gas introduction pipe 6 communicates with a gas supply source (not shown). The gas supply source is a gas mixing box made of a gas containing silicon as a source gas, specifically, a gas obtained by diluting a silicon hydride gas such as silane or disilane, a halosilane gas such as silicon fluoride gas or dichlorosilane with a hydrogen gas, or the like. 11 or a single silicon-containing gas and a single hydrogen gas are supplied to the gas mixing box 11.

【0022】次に、薄膜結晶系シリコンの製膜方法につ
いて述べる。
Next, a method for forming a thin film crystalline silicon will be described.

【0023】基板9を脱脂洗浄し、乾燥させ、反応容器
1内に搬入し、基板加熱用ヒータ7に密着保持させる。
ヒータ7と対峙する位置には放電用電極2が設置されて
いる。また、ヒータ7と放電用電極2との間には製膜表
面ヒータ12が挿入されている。膜への不純物混入を極
力避けるため、真空ポンプ8により、排気管3を介して
反応容器1内を1×10−6Torr以下に排気する。
The substrate 9 is degreased and washed, dried, carried into the reaction vessel 1, and held in close contact with the substrate heating heater 7.
The discharge electrode 2 is provided at a position facing the heater 7. A film forming surface heater 12 is inserted between the heater 7 and the discharge electrode 2. In order to minimize the contamination of the film with impurities, the inside of the reaction vessel 1 is evacuated to 1 × 10 −6 Torr or less by the vacuum pump 8 via the exhaust pipe 3.

【0024】次いで、原料ガス導入管6を介して所定流
量の原料ガスをガス混合箱11に導入する。原料ガスの
流量は、図示しないマスフローコントローラーによって
制御されている。原料ガスには、シリコン含有ガス、具
体的にはシラン、ジシラン等の水素化珪素ガス、弗化珪
素ガスあるいはジクロロシラン等のハロシランガス等を
水素で希釈したものを用いる。
Next, a raw material gas at a predetermined flow rate is introduced into the gas mixing box 11 through the raw material gas introducing pipe 6. The flow rate of the source gas is controlled by a mass flow controller (not shown). As a source gas, a silicon-containing gas, specifically, a gas obtained by diluting a silicon hydride gas such as silane or disilane, a silicon fluoride gas or a halosilane gas such as dichlorosilane with hydrogen is used.

【0025】この場合にシリコン含有ガスの流量に対す
る水素ガスの流量比を5倍以上100倍以下とすること
が望ましい。水素ガス/シリコン含有ガスの流量比が5
倍を下回ると、プラズマ中の水素ラジカルの発生量が不
足して、成長中の膜表面のダングリングボンドの終端が
不十分となる。その結果、製膜に関与するラジカルの表
面拡散が不十分となり、薄膜結晶系シリコンの結晶成長
が十分に進行しなくなるので、その下限値は5倍とす
る。一方、水素ガス/シリコン含有ガスの流量比が10
0倍を上回ると、薄膜結晶系シリコンは成長するもの
の、その製膜速度は極めて小さく、非晶質シリコンより
も厚い光電変換層を必要とする薄膜結晶系シリコン系光
起電力素子においては工業的な生産ベースにのらないで
不経済であるので、その上限値は100倍とする。
In this case, the ratio of the flow rate of the hydrogen gas to the flow rate of the silicon-containing gas is desirably 5 times or more and 100 times or less. The flow rate ratio of hydrogen gas / silicon-containing gas is 5
If the ratio is less than twice, the amount of generated hydrogen radicals in the plasma becomes insufficient, and the termination of dangling bonds on the surface of the growing film becomes insufficient. As a result, the surface diffusion of the radicals involved in the film formation becomes insufficient and the crystal growth of the thin-film crystalline silicon does not proceed sufficiently, so the lower limit is set to 5 times. On the other hand, when the flow ratio of hydrogen gas / silicon-containing gas is 10
If it exceeds 0 times, the thin film crystalline silicon grows, but the film formation speed is extremely low, and the thin film crystalline silicon photovoltaic element requiring a photoelectric conversion layer thicker than amorphous silicon is industrially required. Since it is uneconomical without being on a suitable production base, its upper limit is set to 100 times.

【0026】次に、図示しない圧力調整弁により反応容
器1内を所定圧力に調整する。反応容器1内の圧力は
0.1Torr以上5Torr以下とすることが望まし
い。圧力が0.1Torrを下回ると、製膜速度が極め
て小さくなり、生産性が大幅に低下するため、その下限
値は0.1Torrとする。一方、圧力が5Torrを
上回ると、製膜中に気相中でパーティクルを生じ易くな
るので、その上限値は5Torrとする。製膜中に発生
したパーティクルは、膜中に取り込まれて薄膜結晶系シ
リコンの膜質を極端に低下させるばかりでなく、反応容
器1の開放保守点検の頻度を増大させ、装置稼働率を低
下させる等の悪影響を及ぼすからである。
Next, the inside of the reaction vessel 1 is adjusted to a predetermined pressure by a pressure adjusting valve (not shown). It is desirable that the pressure in the reaction vessel 1 be 0.1 Torr or more and 5 Torr or less. If the pressure is lower than 0.1 Torr, the film forming speed becomes extremely low, and the productivity is greatly reduced. Therefore, the lower limit is set to 0.1 Torr. On the other hand, if the pressure exceeds 5 Torr, particles are likely to be generated in the gas phase during film formation, so the upper limit is set to 5 Torr. Particles generated during the film formation are not only taken into the film and extremely deteriorate the film quality of the thin-film crystalline silicon, but also increase the frequency of open maintenance inspection of the reaction vessel 1 and lower the equipment operation rate. This is because it has an adverse effect.

【0027】反応容器1内の圧力調整と併行して、基板
ヒータ7及び製膜表面ヒータ12に通電加熱し、基板9
を所定温度に加熱する。基板9の表面温度は、基板ヒー
タ7及び製膜表面ヒータ12への投入電力の組合せによ
り、任意に制御可能であるが、ガラスあるいはステンレ
ス鋼等の安価な材料を使用できる500℃以下の温度域
とすることが望ましい。この場合に、基板温度の下限値
は100℃とする。基板温度を100℃未満に設定する
と、基板表面に吸着した製膜に関与するラジカルの表面
拡散が不十分となるため、薄膜結晶系シリコンが十分に
成長しなくなるからである。
At the same time as adjusting the pressure in the reaction vessel 1, the substrate heater 7 and the film forming surface heater 12 are energized and heated.
Is heated to a predetermined temperature. The surface temperature of the substrate 9 can be arbitrarily controlled by a combination of the electric power supplied to the substrate heater 7 and the film forming surface heater 12, but a temperature range of 500 ° C. or lower where an inexpensive material such as glass or stainless steel can be used. It is desirable that In this case, the lower limit of the substrate temperature is 100 ° C. If the substrate temperature is set to less than 100 ° C., the surface diffusion of radicals involved in film formation adsorbed on the substrate surface becomes insufficient, so that the thin-film crystalline silicon does not grow sufficiently.

【0028】製膜表面ヒータ12に投入する電力は、5
W以上500W以下とすることが望ましい。製膜表面ヒ
ータ投入電力が5Wを下回ると、成長中の膜表面への入
熱量が不足して、表面吸着したラジカルの拡散が促進さ
れなくなり、柱状晶の発達が不十分となるので、その下
限値は5Wとする。一方、製膜表面ヒータ投入電力が5
00Wを超えると、製膜表面ヒータ12自体の表面が高
温になり、シリコンを含む原料ガスが製膜表面ヒータ1
2表面で熱分解され、気相中で微細な粉を生じる。製膜
中に発生した粉は、膜中に取り込まれて、薄膜結晶系シ
リコンの膜質を極端に低下させるばかりでなく、反応容
器1の開放保守点検の頻度を増大させ、装置稼働率を低
下させる等の悪影響を及ぼす。したがって製膜表面ヒー
タ投入電力の上限値は500Wとする。
The electric power supplied to the film forming surface heater 12 is 5
It is desirable to set it to W or more and 500 W or less. If the power supplied to the film forming surface heater is less than 5 W, the amount of heat input to the growing film surface is insufficient, the diffusion of surface-adsorbed radicals is not promoted, and the development of columnar crystals becomes insufficient. The value is 5W. On the other hand, the power supplied to the film forming surface heater is 5
When the temperature exceeds 00 W, the surface of the film forming surface heater 12 itself becomes high temperature, and the raw material gas containing silicon is supplied to the film forming surface heater 1.
2 Pyrolyzed on the surface, producing fine powder in the gas phase. The powder generated during the film formation is taken into the film and not only extremely deteriorates the film quality of the thin-film crystalline silicon, but also increases the frequency of open maintenance of the reaction vessel 1 and lowers the operation rate of the apparatus. And other adverse effects. Therefore, the upper limit of the power supplied to the film forming surface heater is set to 500 W.

【0029】基板温度及び圧力が安定した状態で、高周
波電源4から所定周波数の高周波電力を放電用電極2に
供給し、プラズマを発生させ、基板9の表面に薄膜結晶
系シリコンを製膜する。このとき反射電力が最小となる
ようにインピーダンス整合器5を調整する。
While the substrate temperature and pressure are stable, high frequency power of a predetermined frequency is supplied from the high frequency power supply 4 to the discharge electrode 2 to generate plasma, and a thin film crystalline silicon is formed on the surface of the substrate 9. At this time, the impedance matching unit 5 is adjusted so that the reflected power is minimized.

【0030】高周波電源4の周波数は10MHz以上3
00MHz以下とすることが望ましい。周波数が10M
Hzを下回ると、プラズマ密度が低下してプラズマ中で
励起される水素ラジカルの数が減少し、成長中の膜表面
のダングリングボンドの終端が不十分となる。その結
果、製膜に関与するラジカルの表面拡散が不十分とな
り、柱状晶の発達が不十分となるので、電源周波数の下
限値は10MHzとする。一方、周波数が300MHz
を超えると、放電用電極2内での電圧分布が大きくな
り、放電用電極2の全面にわたる均一な放電が困難とな
るので、その上限値は300MHzとする。
The frequency of the high frequency power supply 4 is 10 MHz or more and 3
It is desirable that the frequency be 00 MHz or less. 10M frequency
When the frequency is lower than Hz, the plasma density decreases, the number of hydrogen radicals excited in the plasma decreases, and the termination of dangling bonds on the surface of the growing film becomes insufficient. As a result, the surface diffusion of the radicals involved in the film formation becomes insufficient and the columnar crystals develop insufficiently. Therefore, the lower limit of the power supply frequency is set to 10 MHz. On the other hand, the frequency is 300 MHz
Is exceeded, the voltage distribution in the discharge electrode 2 becomes large, and uniform discharge over the entire surface of the discharge electrode 2 becomes difficult. Therefore, the upper limit is set to 300 MHz.

【0031】上記の条件下で所定時間製膜した後に、反
応容器1から原料ガスを排気するとともに、基板9を冷
却し、反応容器1から基板9を取り出す。この基板9上
には柱状晶が発達した所定厚さの薄膜結晶系シリコン層
が形成されている。
After forming the film under the above conditions for a predetermined time, the raw material gas is exhausted from the reaction vessel 1, the substrate 9 is cooled, and the substrate 9 is taken out from the reaction vessel 1. On this substrate 9, a thin-film crystalline silicon layer of a predetermined thickness with columnar crystals developed is formed.

【0032】以上が、光電変換層として用いられる基本
的に真性な半導体特性を有する微結晶シリコンの製膜方
法である。なお、製膜時の原料ガスにB,BF
等のボロン等の3価の不純物を含むガスを添加すると、
p型の薄膜結晶系シリコンを製膜することもできる。ま
た、原料ガスにPH等のリン等の5価の不純物を含む
ガスを添加すると、n型の薄膜結晶系シリコンを製膜す
ることもできる。
The above is a method of forming microcrystalline silicon having essentially intrinsic semiconductor characteristics used as a photoelectric conversion layer. Note that B 2 H 6 , BF 3
When a gas containing trivalent impurities such as boron is added,
A p-type thin film crystalline silicon can also be formed. Further, when a gas containing a pentavalent impurity such as phosphorus such as PH 3 is added to the source gas, an n-type thin film crystalline silicon can be formed.

【0033】次に、本発明に係る光起電力素子の製造方
法について述べる。
Next, a method for manufacturing a photovoltaic device according to the present invention will be described.

【0034】図2に、本発明に係る薄膜結晶系シリコン
を用いた光起電力素子の構成の一例を示す。ガラス、ス
テンレス鋼等からなる基板9上に第1及び第2の下部電
極層14,15を形成する。第1の下部電極層A14
は、Al,Ag,Ti,Ni,Cr,Cu等の金属ある
いはそれらの合金からなり、真空蒸着法またはスパッタ
法等の物理蒸着法を用いて積層形成する。一方、第2の
下部電極層B15は、ZnO,SnOあるいはITO
等の金属酸化物系透明導電膜からなり、CVD法または
スパッタ法等を用いて積層形成する。
FIG. 2 shows an example of the structure of a photovoltaic element using thin-film crystalline silicon according to the present invention. First and second lower electrode layers 14 and 15 are formed on a substrate 9 made of glass, stainless steel, or the like. First lower electrode layer A14
Is made of a metal such as Al, Ag, Ti, Ni, Cr, Cu or an alloy thereof, and is formed by lamination using a physical vapor deposition method such as a vacuum vapor deposition method or a sputtering method. On the other hand, the second lower electrode layer B15 is made of ZnO, SnO 2 or ITO.
And the like, and is formed by lamination using a CVD method or a sputtering method.

【0035】次いで、製膜表面ヒータ加熱を利用する上
述の方法により、n型(またはp型)薄膜結晶系シリコ
ン層16、i型薄膜結晶系シリコン層17及びp型(ま
たはn型)薄膜結晶系シリコン層18を基板9上に順次
積層形成する。
Next, the n-type (or p-type) thin-film crystalline silicon layer 16, the i-type thin-film crystalline silicon layer 17, and the p-type (or n-type) thin film A system silicon layer 18 is sequentially formed on the substrate 9.

【0036】n型薄膜結晶系シリコン層16の膜厚は5
nm以上50nm以下とすることが望ましい。n型薄膜
結晶系シリコン層16の膜厚が5nmを下回ると、下部
電極層B15の全面がn型薄膜結晶系シリコン層16で
覆われなくなり、下部電極層B15の一部が斑状に露出
した状態、すなわちn型薄膜結晶系シリコン層16は島
状成長となる。この場合に、n型薄膜結晶系シリコン層
16で覆われていない部分は、正常な半導体pn接合が
形成されないため、光起電力素子としての特性が著しく
低下する。一方、n型薄膜結晶系シリコン層16の膜厚
が50nmを上回ると、n型薄膜結晶系シリコン層16
での光吸収の影響が大きくなり、下部電極層A14で反
射した光を有効に光電変換に利用できないため、長波長
光に対する感度が低下するという素子性能上の問題を生
じる。
The thickness of the n-type thin film crystalline silicon layer 16 is 5
It is desirable that the thickness be not less than nm and not more than 50 nm. When the film thickness of the n-type thin film crystalline silicon layer 16 falls below 5 nm, the entire surface of the lower electrode layer B15 is no longer covered with the n-type thin film crystalline silicon layer 16, and a part of the lower electrode layer B15 is exposed in a patchy manner. That is, the n-type thin film crystalline silicon layer 16 grows in an island shape. In this case, a portion not covered with the n-type thin film crystalline silicon layer 16 does not form a normal semiconductor pn junction, so that characteristics as a photovoltaic element are significantly reduced. On the other hand, if the thickness of the n-type thin film crystalline silicon layer 16 exceeds 50 nm,
In this case, the effect of light absorption by the light source becomes large, and the light reflected by the lower electrode layer A14 cannot be effectively used for photoelectric conversion. This causes a problem in device performance that sensitivity to long-wavelength light is reduced.

【0037】i型薄膜結晶系シリコン層17の膜厚は、
下部電極層B15及びi型薄膜結晶系シリコン層17の
表面形状などに依存する光閉じ込め状態によるが、0.
5μm以上10μm以下とすることが望ましい。i型薄
膜結晶系シリコン層17の膜厚が0.5μmを下回る
と、入射光を十分には吸収できなくなり、光起電力素子
としての短絡電流が小さくなるので、その下限値は0.
5μmとする。また、i型薄膜結晶系シリコン層17の
膜厚が10μmを上回ると、i型薄膜結晶系シリコン層
17に生じる内部電界が弱くなり、光起電力素子として
の開放電圧が低下するばかりでなく、製膜時間が長くな
って生産性が低下するので、その上限値は10μmとす
る。
The thickness of the i-type thin film crystalline silicon layer 17 is
Although it depends on the light confinement state depending on the surface shape of the lower electrode layer B15 and the i-type thin-film crystalline silicon layer 17, it is determined that the lower limit value is 0.1.
It is desirable that the thickness be 5 μm or more and 10 μm or less. If the thickness of the i-type thin-film crystalline silicon layer 17 is less than 0.5 μm, the incident light cannot be sufficiently absorbed and the short-circuit current as a photovoltaic element becomes small.
5 μm. When the thickness of the i-type thin film crystalline silicon layer 17 exceeds 10 μm, the internal electric field generated in the i-type thin film crystalline silicon layer 17 becomes weak, and not only the open voltage as a photovoltaic element decreases, but also Since the film formation time is prolonged and the productivity is reduced, the upper limit is set to 10 μm.

【0038】p型薄膜結晶系シリコン層18の膜厚は5
nm以上50nm以下とすることが望ましい。p型薄膜
結晶系シリコン層18の膜厚が5nmを下回ると、i型
薄膜結晶系シリコン層17の全面がp型薄膜結晶系シリ
コン層18で覆われなくなり、i型薄膜結晶系シリコン
層17の一部が斑状に露出した状態、すなわちp型薄膜
結晶系シリコン層18は島状成長となる。この場合に、
p型薄膜結晶系シリコン層18が製膜されていない部分
は、正常な半導体pn接合が形成されないため、光起電
力素子としての特性が著しく低下するので、p型薄膜結
晶系シリコン層18の膜厚の下限値は5nmとする。一
方、p型薄膜結晶系シリコン層18の膜厚が50nmを
上回ると、p型薄膜結晶系シリコン層18での光吸収の
影響が大きくなり、i型薄膜結晶系シリコン層17に到
達する光量が低下するため、光起電力素子としての短絡
電流が小さいという素子性能上の問題を生じるので、そ
の上限値は50nmとする。
The thickness of the p-type thin film crystalline silicon layer 18 is 5
It is desirable that the thickness be not less than nm and not more than 50 nm. When the thickness of the p-type thin film crystalline silicon layer 18 falls below 5 nm, the entire surface of the i-type thin film crystalline silicon layer 17 is not covered with the p-type thin film crystalline silicon layer 18 and Partially exposed in a patch-like manner, that is, the p-type thin film crystalline silicon layer 18 grows in an island shape. In this case,
Since a normal semiconductor pn junction is not formed in a portion where the p-type thin film crystalline silicon layer 18 is not formed, the characteristics as a photovoltaic element are significantly reduced. The lower limit of the thickness is 5 nm. On the other hand, when the film thickness of the p-type thin film crystalline silicon layer 18 exceeds 50 nm, the influence of light absorption in the p-type thin film crystalline silicon layer 18 becomes large, and the amount of light reaching the i-type thin film crystalline silicon layer 17 is reduced. Since this causes a problem in element performance that the short-circuit current of the photovoltaic element is small, the upper limit is set to 50 nm.

【0039】次いで、ZnO,SnOあるいはITO
等からなる透明導電膜層19を積層形成する。透明導電
膜層19はCVD法またはスパッタ法等により形成する
ことが好ましい。
Next, ZnO, SnO 2 or ITO
A transparent conductive film layer 19 made of the above is laminated. The transparent conductive film layer 19 is preferably formed by a CVD method, a sputtering method, or the like.

【0040】次いで、Al,Ag,Ti,Ni,Cr,
Cuの群から選択される1種又は2種以上の金属あるい
はそれらの合金からなるくし型形状の集電電極20を形
成すると、図2に示す光起電力素子が完成する。集電電
極20は、真空蒸着法またはスパッタ法等の物理蒸着法
あるいは印刷法等によって形成される。なお、図2に示
す構造の光起電力素子では、光は透明導電膜層19の側
から入射する。
Next, Al, Ag, Ti, Ni, Cr,
When the comb-shaped collector electrode 20 made of one or more metals selected from the group of Cu or an alloy thereof is formed, the photovoltaic element shown in FIG. 2 is completed. The collecting electrode 20 is formed by a physical vapor deposition method such as a vacuum vapor deposition method or a sputtering method, or a printing method. In the photovoltaic element having the structure shown in FIG. 2, light enters from the transparent conductive film layer 19 side.

【0041】次に、図3を参照しながら本発明の他の実
施形態に係る光起電力素子について説明する。
Next, a photovoltaic element according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0042】本実施形態の光起電力素子では、ガラス、
プラスチック等の透光性を有する基板9を用いる。透光
性基板9上に、ZnO,SnOあるいはITO等から
なる金属酸化物透明導電膜層19aを、CVD法あるい
はスパッタ法等により積層形成する。
In the photovoltaic element of this embodiment, glass,
A light-transmitting substrate 9 such as plastic is used. On the translucent substrate 9, a metal oxide transparent conductive film layer 19a made of ZnO, SnO 2, ITO, or the like is formed by lamination by a CVD method, a sputtering method, or the like.

【0043】次いで、製膜表面ヒータ加熱を利用する上
述の方法により、n型(またはp型)薄膜結晶系シリコ
ン層16、i型薄膜結晶系シリコン層17及びp型(ま
たはn型)薄膜結晶系シリコン層18を透光性基板9上
に順次積層形成する。n型(またはp型)薄膜結晶系シ
リコン層16、i型薄膜結晶系シリコン層17及びp型
(またはn型)薄膜結晶系シリコン層18の各層の膜厚
の範囲は、上記第1の実施形態と同じである。
Next, the n-type (or p-type) thin film crystalline silicon layer 16, the i-type thin film crystalline silicon layer 17, and the p-type (or n-type) thin film A system silicon layer 18 is sequentially formed on the translucent substrate 9. The thickness of each of the n-type (or p-type) thin-film crystalline silicon layer 16, the i-type thin-film crystalline silicon layer 17, and the p-type (or n-type) thin-film crystalline silicon layer 18 depends on the first embodiment. Same as the form.

【0044】次いで、ZnO,SnOあるいはITO
等からなる透明導電膜層19bを、CVD法あるいはス
パッタ法等により薄膜結晶系シリコン層16の上に積層
形成する。最後に、Al,Ag,Ti,Ni,Cr,C
u等の金属あるいはそれらの合金からなる裏面電極層2
1を形成すると、図3に示す光起電力素子が完成する。
なお、図3に示す構造の光起電力素子では、光は透光性
基板9の側から入射する。
Next, ZnO, SnO 2 or ITO
Is formed on the thin-film crystalline silicon layer 16 by a CVD method, a sputtering method, or the like. Finally, Al, Ag, Ti, Ni, Cr, C
back electrode layer 2 made of a metal such as u or an alloy thereof
When 1 is formed, the photovoltaic element shown in FIG. 3 is completed.
In the photovoltaic element having the structure shown in FIG. 3, light enters from the light transmitting substrate 9 side.

【0045】次に、本発明の具体的な実施例として、基
板9上に製膜した実質的に真性なi型薄膜結晶系シリコ
ン膜について比較例と比べて説明する。(実施例1−1
〜1−2)脱脂洗浄したガラス基板9を図1に示した製
膜装置にセットし、前述の方法により、i型薄膜結晶系
シリコン膜を製膜した。原料ガスには、シランSiH
及び水素Hを用いた。
Next, as a specific embodiment of the present invention, a substantially intrinsic i-type thin film crystalline silicon film formed on the substrate 9 will be described in comparison with a comparative example. (Example 1-1)
-1-2) The degreased and cleaned glass substrate 9 was set in the film forming apparatus shown in FIG. 1, and an i-type thin film crystalline silicon film was formed by the method described above. The source gas is silane SiH 4
And using hydrogen H 2.

【0046】表1に実施例1−1〜1−2及び比較例1
−1の製膜条件を示す。なお、比較例1−1は、製膜表
面ヒータ12を用いない点を除いて、実施例1−2と実
質的に同じ条件とした。また、製膜表面ヒータ12を用
いて製膜した実施例1−1は、比較例1−1と同一の基
板表面温度となるように、基板ヒータ7の設定温度を調
整した。各試験片の膜厚は、いずれも1.0μmとなる
ように製膜時間を調整した。
Table 1 shows Examples 1-1 and 1-2 and Comparative Example 1.
The film forming condition of -1 is shown. The conditions of Comparative Example 1-1 were substantially the same as those of Example 1-2 except that the film-forming surface heater 12 was not used. In Example 1-1 in which the film was formed using the film forming surface heater 12, the set temperature of the substrate heater 7 was adjusted so that the same substrate surface temperature as in Comparative Example 1-1 was obtained. The film forming time was adjusted so that the thickness of each test piece was 1.0 μm.

【0047】製膜したガラス基板9上の膜について、X
線回折を行い、(111)面の回折強度に対する(22
0)面の回折強度の比を比較した。その結果を表1に示
す。表1から明らかなように、実施例1−1及び1−2
は、比較例1−1に比べてX線回折における(111)
面の回折強度に対する(220)面の回折強度の比が増
大しており、(220)優先配向性が強くなった。ちな
みに実施例1−1は比較例1−1と基板表面温度は同じ
であるが、製膜表面ヒータ12を用いているため、(2
20)優先配向性が強く、柱状晶の発達したi型薄膜結
晶系シリコン膜が得られることが判明した。この傾向
は、基板ヒータ温度を揃えて製膜した実施例1−2と比
較例1−1との比較でより顕著となっている。これは、
基板ヒータ7のみで加熱する比較例1−1と比較して、
実施例1−1及び1−2では、成長中の膜の表面を製膜
表面ヒータ12により加熱しているため、膜表面に吸着
したラジカルの表面拡散が促進され、結晶成長が進行
し、(220)優先配向性の強い、柱状構造が発達した
組織になったためである。
Regarding the film formed on the glass substrate 9, X
X-ray diffraction was performed, and the diffraction intensity of (22) was
The diffraction intensity ratio of the 0) plane was compared. Table 1 shows the results. As is clear from Table 1, Examples 1-1 and 1-2
Is (111) in X-ray diffraction as compared with Comparative Example 1-1.
The ratio of the diffraction intensity of the (220) plane to the diffraction intensity of the plane increased, and the (220) preferred orientation increased. Incidentally, although the substrate surface temperature of Example 1-1 is the same as that of Comparative Example 1-1, since the film forming surface heater 12 is used, (2
20) It was found that an i-type thin film crystalline silicon film having strong columnar orientation and columnar crystals was obtained. This tendency is more remarkable in the comparison between Example 1-2 in which a film is formed at the same substrate heater temperature and Comparative Example 1-1. this is,
As compared with Comparative Example 1-1 in which heating is performed only by the substrate heater 7,
In Examples 1-1 and 1-2, since the surface of the growing film is heated by the film forming surface heater 12, the surface diffusion of the radicals adsorbed on the film surface is promoted, and the crystal growth proceeds. 220) This is because the structure has developed a columnar structure with strong preferential orientation.

【0048】(実施例2−1〜2−2)以下では、図2
に示す構成の光起電力素子の実施例を、比較例とともに
説明する。
(Embodiments 2-1 to 2-2) In the following, FIG.
Examples of the photovoltaic element having the structure shown in FIG.

【0049】ガラスからなる基板9上に、下部電極層A
14として膜厚500nmのAgを真空蒸着法により形
成した。次に、下部電極層B15として、膜厚50nm
のZnOをスパッタ法により形成した。次に、前述した
プラズマCVD法により、リンを添加したn型薄膜結晶
系シリコン層16、i型薄膜結晶系シリコン層17及び
ボロンを添加したp型薄膜結晶系シリコン層18を製膜
した。
On a substrate 9 made of glass, a lower electrode layer A
As No. 14, Ag having a thickness of 500 nm was formed by a vacuum evaporation method. Next, as the lower electrode layer B15, a film thickness of 50 nm
Was formed by sputtering. Next, an n-type thin-film crystalline silicon layer 16 to which phosphorus was added, an i-type thin-film crystalline silicon layer 17 and a p-type thin-film crystalline silicon layer 18 to which boron was added were formed by the aforementioned plasma CVD method.

【0050】n型薄膜結晶系シリコン層16及びp型薄
膜結晶系シリコン層18の膜厚は、各々、20nm及び
30nmとした。次にスパッタ法により、ITOからな
る膜厚80nmの透明導電膜層19を形成した。最後
に、真空蒸着法によりAlからなるくし型形状の集電電
極20を形成した。このようにして形成した光起電力素
子に透明導電膜層19側から模擬太陽光(AM1.5、
100mW/cm)を照射し、その光電変換効率を計
測した。
The thicknesses of the n-type thin film crystalline silicon layer 16 and the p-type thin film crystalline silicon layer 18 were 20 nm and 30 nm, respectively. Next, an 80 nm-thick transparent conductive film layer 19 made of ITO was formed by a sputtering method. Finally, a comb-shaped current collecting electrode 20 made of Al was formed by a vacuum evaporation method. Simulated sunlight (AM1.5, AM1.5) was applied to the photovoltaic element thus formed from the transparent conductive film layer 19 side.
100 mW / cm 2 ), and the photoelectric conversion efficiency was measured.

【0051】表2に、実施例2−1〜2−2及び比較例
2−1について、i型薄膜結晶系シリコン層17の製膜
条件を示す。比較例2−1は、製膜表面用ヒータ12を
用いない点を除き、実施例2−2と基本的に同一の製膜
条件とした。また、実施例2−1は、比較例2−1と同
一の基板表面温度となるように、基板ヒータ7の設定温
度を調整した。各試験片において、i型薄膜結晶系シリ
コン層17の膜厚は、2.0μmとした。
Table 2 shows film forming conditions of the i-type thin film crystalline silicon layer 17 for Examples 2-1 to 2-2 and Comparative example 2-1. Comparative Example 2-1 had basically the same film forming conditions as Example 2-2 except that the film forming surface heater 12 was not used. In Example 2-1, the set temperature of the substrate heater 7 was adjusted so that the same substrate surface temperature as that of Comparative Example 2-1 was obtained. In each test piece, the thickness of the i-type thin-film crystalline silicon layer 17 was 2.0 μm.

【0052】表2に製膜した実施例2−1〜2−2及び
比較例2−1の光電変換効率の比較を示す。表2中の変
換効率は、製膜表面用ヒータ12を用いずにi型薄膜結
晶系シリコン17を製膜した比較例2−1の光電変換効
率を1.0とした場合の相対値を示した。比較例2−1
と比べて、製膜表面用ヒータ12を用いてi型薄膜結晶
系シリコン層17を製膜した実施例2−1〜2−2で
は、光電変換効率がそれぞれ1.06,1.13に向上
した。製膜表面用ヒータ12を用いてi型薄膜結晶系シ
リコン層17を製膜した実施例2−1〜2−2では前述
した理由により、比較例2−1と比較して、i型薄膜結
晶系シリコン層17の柱状構造がより発達する。このた
め、電流の流れる方向を横切る結晶粒界が減少し、i型
薄膜結晶系シリコン層17内で光発生したキャリアが、
再結合によって損失されることなく、効率的に外部回路
に取り出されるため、比較例2−1に比べて光電変換効
率が向上した。
Table 2 shows a comparison of the photoelectric conversion efficiencies of Examples 2-1 to 2-2 and Comparative Example 2-1 in which the films were formed. The conversion efficiency in Table 2 indicates a relative value when the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 2-1 in which the i-type thin film crystalline silicon 17 was formed without using the film forming surface heater 12 was 1.0. Was. Comparative Example 2-1
In comparison, in Examples 2-1 and 2-2 in which the i-type thin-film crystalline silicon layer 17 was formed using the film forming surface heater 12, the photoelectric conversion efficiency was improved to 1.06 and 1.13, respectively. did. In Examples 2-1 and 2-2 in which the i-type thin-film crystalline silicon layer 17 was formed using the film-forming surface heater 12, the i-type thin-film crystal was compared with Comparative Example 2-1 for the reason described above. The columnar structure of the system silicon layer 17 further develops. Therefore, the number of crystal grain boundaries crossing the direction in which current flows decreases, and carriers generated by light in the i-type thin-film crystalline silicon layer 17 become
Since it was efficiently taken out to an external circuit without being lost by recombination, the photoelectric conversion efficiency was improved as compared with Comparative Example 2-1.

【0053】(実施例3−1)以下では、図3に示す透
光性基板9を用いる光起電力素子の実施例3−1を、比
較例3−1とともに説明する。ガラスからなる透光性基
板9上に、透明導電膜層19aとして膜厚700nmの
SnO及び膜厚40nmのZnOを、それぞれ熱CV
D法及びスパッタ法により形成した。
(Example 3-1) Hereinafter, Example 3-1 of the photovoltaic element using the translucent substrate 9 shown in FIG. 3 will be described together with Comparative Example 3-1. On a translucent substrate 9 made of glass, SnO 2 having a thickness of 700 nm and ZnO having a thickness of 40 nm were each applied as a transparent conductive film layer 19 a by thermal CV.
It was formed by the D method and the sputtering method.

【0054】次いで、製膜表面ヒータ加熱を利用する上
述のプラズマCVD法によりリンを添加したn型薄膜結
晶系シリコン層16、i型薄膜結晶系シリコン層17、
及びボロンを添加したp型薄膜結晶系シリコン層18を
順次積層形成した。
Next, the n-type thin-film crystalline silicon layer 16, the i-type thin-film crystalline silicon layer 17, to which phosphorus is added by the above-mentioned plasma CVD method using the film forming surface heater heating,
Then, a p-type thin film crystalline silicon layer 18 to which boron and boron were added was sequentially formed.

【0055】n型薄膜結晶系シリコン層16及びp型薄
膜結晶系シリコン層18の膜厚は、各々20nm及び3
0nmとした。次にスパッタ法により、ITOからなる
膜厚80nmの透明導電膜層19bを形成した。最後
に、真空蒸着法によりAlからなる裏面電極21を形成
した。このようにして形成した光起電力素子に透光性基
板9側から模擬太陽光(AM1.5、100mW/cm
)を照射し、その光電変換効率を計測した。
The thicknesses of the n-type thin film crystalline silicon layer 16 and the p-type thin film crystalline silicon layer 18 are 20 nm and 3 nm, respectively.
It was set to 0 nm. Next, an 80 nm-thick transparent conductive film layer 19b made of ITO was formed by a sputtering method. Finally, a back electrode 21 made of Al was formed by a vacuum evaporation method. Simulated sunlight (AM 1.5, 100 mW / cm) was applied to the photovoltaic element thus formed from the transparent substrate 9 side.
2 ) was irradiated, and the photoelectric conversion efficiency was measured.

【0056】表3に、実施例3−1及び比較例3−1に
ついてi型薄膜結晶系シリコン層17の製膜条件を示
す。比較例3−1は、製膜表面用ヒータ12を用いずに
i型薄膜結晶系シリコン層17を製膜したものであり、
実施例3−1は、製膜表面用ヒータ12を用いてi型薄
膜結晶系シリコン層17を製膜したものである。実施例
3−1では、基板表面温度が比較例3−1と同一となる
ように、基板ヒータ7の設定温度を調整した。各試験片
において、i型薄膜結晶系シリコン層17の膜厚は、
2.0μmとした。
Table 3 shows the conditions for forming the i-type thin film crystalline silicon layer 17 for Example 3-1 and Comparative example 3-1. In Comparative Example 3-1, the i-type thin film crystalline silicon layer 17 was formed without using the film forming surface heater 12.
In Example 3-1, the i-type thin film crystalline silicon layer 17 was formed using the film forming surface heater 12. In Example 3-1, the set temperature of the substrate heater 7 was adjusted so that the substrate surface temperature was the same as in Comparative Example 3-1. In each test piece, the thickness of the i-type thin-film crystalline silicon layer 17 is
2.0 μm.

【0057】表3には実施例3−1及び比較例3−1の
各素子の光電変換効率を併記している。表3は、製膜表
面用ヒータ12を用いずにi型薄膜結晶系シリコン層1
7を製膜した比較例3−1の光電変換効率を1.0とし
た場合の相対値を示す。比較例3−1と比べて実施例3
−1の光電変換効率は1.12と大幅に向上した。これ
は、製膜表面用ヒータ12を用いてi型薄膜結晶系シリ
コン層17を製膜した実施例3−1では、前述した理由
により、i型薄膜結晶系シリコン層17の柱状晶がさら
に発達したことに加え、比較例3−1では、i型薄膜結
晶系シリコン層17の製膜の際に、酸化物からなる透明
導電膜層19aが還元され、光透過率が低下するととも
に、透明導電膜層19aが還元されて析出した金属が、
半導体層に拡散して半導体接合特性を低下させたためで
ある。一方、実施例3−1では、製膜表面用ヒータ12
により、膜表面を加熱しており、基板ヒータ7は比較的
低温に保たれているため、透明導電膜層19aの還元が
生じないため、比較例3−1に比べ、光電変換効率が向
上した。
Table 3 also shows the photoelectric conversion efficiency of each element of Example 3-1 and Comparative example 3-1. Table 3 shows that the i-type thin film crystalline silicon layer 1 was used without using the film forming surface heater 12.
7 shows a relative value when the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 3-1 in which a film No. 7 was formed was 1.0. Example 3 as compared with Comparative Example 3-1
The photoelectric conversion efficiency of -1 was significantly improved to 1.12. This is because in Example 3-1 in which the i-type thin-film crystalline silicon layer 17 was formed using the film-forming surface heater 12, the columnar crystals of the i-type thin-film crystalline silicon layer 17 were further developed for the reasons described above. In addition, in Comparative Example 3-1, in forming the i-type thin-film crystalline silicon layer 17, the transparent conductive film layer 19a made of an oxide is reduced, the light transmittance is reduced, and the transparent conductive film 19a is reduced. The metal deposited by the reduction of the film layer 19a is
This is because they diffused into the semiconductor layer and reduced the semiconductor junction characteristics. On the other hand, in Example 3-1, the heater 12 for the film forming surface was used.
As a result, since the film surface is heated and the substrate heater 7 is kept at a relatively low temperature, the reduction of the transparent conductive film layer 19a does not occur, so that the photoelectric conversion efficiency is improved as compared with Comparative Example 3-1. .

【0058】[0058]

【表1】 [Table 1]

【0059】[0059]

【表2】 [Table 2]

【0060】[0060]

【表3】 [Table 3]

【0061】[0061]

【発明の効果】本発明によれば、反応容器内に基板をセ
ットする基板加熱ヒータと放電用電極が対向して配置さ
れ、原料ガスとしてシリコンを含むガスと水素を用い、
かつ高周波電源の周波数が10MHz以上300MHz
以下である高周波プラズマCVD法により製膜すること
を特徴とするシリコン系薄膜の製膜において、基板と放
電電極との間に、製膜に寄与する活性種を加熱するため
の製膜表面ヒータを配置することを特徴とするシリコン
系薄膜の製造装置を用いることにより、優先配向性が強
く、柱状構造の発達したシリコン系薄膜、及びそれを用
い、優れた光電変換特性を有するシリコン系薄膜光起電
力素子を形成することができる。
According to the present invention, a substrate heater for setting a substrate in a reaction vessel and a discharge electrode are arranged opposite to each other, and a gas containing silicon and hydrogen are used as raw material gases.
And the frequency of the high frequency power supply is 10MHz or more and 300MHz
In the formation of a silicon-based thin film characterized in that the film is formed by the following high-frequency plasma CVD method, a film forming surface heater for heating active species contributing to film formation is provided between a substrate and a discharge electrode. By using a silicon-based thin film manufacturing apparatus characterized by being arranged, a silicon-based thin film having a strong preferential orientation and a columnar structure is developed, and a silicon-based thin film photovoltaic device using the silicon-based thin film having excellent photoelectric conversion characteristics. A power element can be formed.

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

【図1】本発明の実施形態に係るシリコン系薄膜の製膜
方法に用いた装置を模式的に示すブロック断面図。
FIG. 1 is a block sectional view schematically showing an apparatus used for a method of forming a silicon-based thin film according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態に係る光起電力素子を示す概
略断面図。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の他の実施形態に係る光起電力素子を示
す概略断面図。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a photovoltaic element according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…反応容器、 2…放電用電極、 3…排気管、 4…高周波電源、 5…インピーダンス整合器、 6…原料ガス導入管、 7…基板加熱用ヒータ、 8…真空ポンプ、 9…基板、 10…同軸ケーブル、 11…ガス混合箱、 11a…絶縁部材、 12…製膜表面ヒータ、 13…ヒータ用電源、 14…下部電極層A、 15…下部電極層B、 16…n型(またはp型)薄膜結晶系シリコン層、 17…i型薄膜結晶系シリコン層、 18…p型(またはn型)薄膜結晶系シリコン層、 19…透明導電膜層、 20…集電電極、 21…裏面電極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reaction container, 2 ... Discharge electrode, 3 ... Exhaust pipe, 4 ... High frequency power supply, 5 ... Impedance matching device, 6 ... Source gas introduction pipe, 7 ... Heater for substrate heating, 8 ... Vacuum pump, 9 ... Substrate, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Coaxial cable, 11 ... Gas mixing box, 11a ... Insulating member, 12 ... Film forming surface heater, 13 ... Heater power supply, 14 ... Lower electrode layer A, 15 ... Lower electrode layer B, 16 ... n-type (or p-type) Type) thin-film crystalline silicon layer, 17 ... i-type thin-film crystalline silicon layer, 18 ... p-type (or n-type) thin-film crystalline silicon layer, 19 ... transparent conductive film layer, 20 ... current collecting electrode, 21 ... back electrode .

フロントページの続き (72)発明者 竹内 良昭 長崎県長崎市深堀町五丁目717番1号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 近藤 勝彦 長崎県長崎市深堀町五丁目717番1号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 西宮 立享 長崎県長崎市深堀町五丁目717番1号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 山口 賢剛 長崎県長崎市深堀町五丁目717番1号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 Fターム(参考) 4K030 AA06 AA17 BA29 CA06 FA03 HA04 JA18 KA24 KA30 LA16 5F045 AA08 AB02 AC01 AD07 AE19 AE21 BB12 BB15 BB16 CA13 DA65 DP05 EH04 EK07 EK08 5F051 AA04 AA05 CA13 CA16 CA24 CA34 DA04 FA04 FA06 Continued on the front page (72) Inventor Yoshiaki Takeuchi 5-717-1, Fukahori-cho, Nagasaki-city, Nagasaki Prefecture Inside the Nagasaki Research Laboratory, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (72) Inventor Katsuhiko Kondo 5-717-1, Fukahori-cho, Nagasaki-city, Nagasaki Prefecture (72) Inventor Tatsuyoshi Nishinomiya 5-7-17-1 Fukahori-cho, Nagasaki-shi, NagasakiMitsuhishi Heavy Industries, Ltd. F-term (reference), 57-17-1 Mitsuhishi Heavy Industries, Ltd. Nagasaki Research Laboratory 4K030 AA06 AA17 BA29 CA06 FA03 HA04 JA18 KA24 KA30 LA16 5F045 AA08 AB02 AC01 AD07 AE19 AE21 BB12 BB15 BB16 CA13 DA65 DP05 EH04 EK07 AEK05A05A05 A055 CA16 CA24 CA34 DA04 FA04 FA06

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 反応容器内で基板を所定温度に加熱し、
基板と放電用電極との間にシリコン含有ガスおよび水素
ガスを供給するとともに、電源周波数が10MHz以上
300MHz以下の高周波電力を該放電用電極と基板と
の間に印加して放電プラズマを生成させ、基板上に薄膜
結晶系シリコンを積層形成することを特徴とするシリコ
ン系薄膜の製造方法。
A substrate is heated to a predetermined temperature in a reaction vessel,
A silicon-containing gas and a hydrogen gas are supplied between the substrate and the discharge electrode, and a power frequency of 10 MHz to 300 MHz is applied between the discharge electrode and the substrate to generate discharge plasma. A method of manufacturing a silicon-based thin film, comprising laminating thin-film crystalline silicon on a substrate.
【請求項2】 さらに基板加熱用ヒータと放電用電極と
の間に製膜表面ヒータを配置し、この製膜表面ヒータに
より基板上の薄膜表面を加熱することを特徴とする請求
項1項記載の製造方法。
2. The method according to claim 1, further comprising disposing a film forming surface heater between the substrate heating heater and the discharge electrode, and heating the thin film surface on the substrate by the film forming surface heater. Manufacturing method.
【請求項3】 反応容器と、この反応容器内で基板を保
持し加熱する基板加熱用ヒータと、この基板加熱用ヒー
タに保持された基板と対面するように配置された放電用
電極と、この放電用電極に10MHz以上300MHz
以下の周波数の高周波を印加する高周波電源と、前記放
電用電極と基板との間に原料ガスとしてシリコン含有ガ
スおよび水素ガスを供給するガス供給源と、を具備する
製造装置において、 前記基板加熱用ヒータと前記放電電極との間に製膜表面
ヒータを有することを特徴とするシリコン系薄膜の製造
装置。
3. A reaction vessel, a substrate heating heater for holding and heating a substrate in the reaction vessel, a discharge electrode arranged to face the substrate held by the substrate heating heater, 10 MHz or more and 300 MHz for the discharge electrode
A manufacturing apparatus comprising: a high-frequency power source that applies a high-frequency power of the following frequency; and a gas supply source that supplies a silicon-containing gas and a hydrogen gas as a source gas between the discharge electrode and the substrate. An apparatus for manufacturing a silicon-based thin film, comprising a film forming surface heater between a heater and said discharge electrode.
【請求項4】 基板と、この基板上に積層された金属又
は合金膜からなる第1の電極層と、この第1の電極層の
上に積層された金属酸化物系透明導電膜からなる第2の
電極層と、この第2の電極層の上に請求項1記載の方法
を用いて積層形成された第一導電型の薄膜結晶系シリコ
ン層と、この第一導電型の薄膜結晶系シリコン層の上に
請求項1記載の方法を用いて積層形成されたi型薄膜結
晶系シリコン層と、このi型薄膜結晶系シリコン層の上
に請求項1記載の方法を用いて積層形成された第二導電
型の薄膜結晶系シリコン層と、この第二導電型の薄膜結
晶系シリコン層の上に積層された透明導電膜からなる第
3の電極層と、この第3の電極層の上に設けられた集電
電極と、を具備することを特徴とする光起電力素子。
4. A substrate, a first electrode layer composed of a metal or alloy film laminated on the substrate, and a first electrode layer composed of a metal oxide-based transparent conductive film laminated on the first electrode layer. A first conductive type thin film crystalline silicon layer laminated on the second electrode layer by using the method according to claim 1; and a first conductive type thin film crystalline silicon layer. An i-type thin-film crystalline silicon layer formed on the layer by using the method according to claim 1, and a lamination formed on the i-type thin-film crystalline silicon layer by using the method according to claim 1. A second conductive type thin film crystalline silicon layer, a third electrode layer made of a transparent conductive film laminated on the second conductive type thin film crystalline silicon layer, and a third electrode layer formed on the third electrode layer. A photovoltaic element comprising: a provided current collecting electrode.
【請求項5】 上記第一導電型の薄膜結晶系シリコン
層、i型薄膜結晶系シリコン層および第二導電型の薄膜
結晶系シリコン層は、基板加熱用ヒータと放電用電極と
の間に配置された製膜表面ヒータを用いて基板上の薄膜
表面を加熱することによりそれぞれ形成されることを特
徴とする請求項4項記載の光起電力素子。
5. The thin film crystalline silicon layer of the first conductivity type, the i-type thin film crystalline silicon layer, and the thin film crystalline silicon layer of the second conductivity type are arranged between a substrate heating heater and a discharge electrode. 5. The photovoltaic device according to claim 4, wherein each of the photovoltaic devices is formed by heating the surface of a thin film on a substrate using a formed film forming surface heater.
【請求項6】 上記第一導電型および第二導電型の薄膜
結晶系シリコン層は、基板加熱用ヒータと放電用電極と
の間に配置された製膜表面ヒータを用いて基板上の薄膜
表面を加熱することによりそれぞれ形成されることを特
徴とする請求項4項記載の光起電力素子。
6. The thin film crystalline silicon layer of the first conductivity type and the second conductivity type is formed on the surface of the thin film on the substrate by using a film forming surface heater disposed between the substrate heating heater and the discharge electrode. 5. The photovoltaic device according to claim 4, wherein said photovoltaic device is formed by heating each of said photovoltaic devices.
【請求項7】 物理蒸着法により金属又は合金膜からな
る第1の電極層を基板上に積層し、CVD法またはスパ
ッタ法により金属酸化物系透明導電膜からなる第2の電
極層を前記第1の電極層の上に積層し、請求項1の方法
を用いて第一導電型の薄膜結晶系シリコン層を前記第2
の電極層の上に積層し、請求項1の方法を用いてi型薄
膜結晶系シリコン層を前記第一導電型の薄膜結晶系シリ
コン層の上に積層し、請求項1の方法を用いて第二導電
型の薄膜結晶系シリコン層を前記i型薄膜結晶系シリコ
ン層の上に積層し、CVD法またはスパッタ法により透
明導電膜からなる第3の電極層を前記第二導電型の薄膜
結晶系シリコン層の上に積層し、物理蒸着法または印刷
法により集電電極を前記第3の電極層の上に形成するこ
とを特徴とする光起電力素子の製造方法。
7. A first electrode layer made of a metal or alloy film is laminated on a substrate by a physical vapor deposition method, and a second electrode layer made of a metal oxide-based transparent conductive film is formed by a CVD method or a sputtering method. A first conductive type thin film crystalline silicon layer formed on the second electrode layer by using the method of claim 1;
And an i-type thin film crystalline silicon layer is stacked on the first conductive type thin film crystalline silicon layer by using the method of claim 1, and using the method of claim 1. A second conductive type thin film crystalline silicon layer is laminated on the i-type thin film crystalline silicon layer, and a third electrode layer made of a transparent conductive film is formed by a CVD method or a sputtering method. A method for manufacturing a photovoltaic element, comprising laminating on a system silicon layer, and forming a current collecting electrode on the third electrode layer by a physical vapor deposition method or a printing method.
【請求項8】 さらに基板加熱用ヒータと放電用電極と
の間に製膜表面ヒータを配置し、この製膜表面ヒータに
より基板上の薄膜表面を加熱することにより上記第一導
電型の薄膜結晶系シリコン層、i型薄膜結晶系シリコン
層および第二導電型の薄膜結晶系シリコン層を形成する
ことを特徴とする請求項7記載の製造方法。
8. A film forming surface heater is disposed between a substrate heating heater and a discharge electrode, and the thin film surface on the substrate is heated by the film forming surface heater to form the first conductive type thin film crystal. 8. The manufacturing method according to claim 7, wherein a system silicon layer, an i-type thin film crystal silicon layer and a second conductivity type thin film crystal silicon layer are formed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008202066A (en) * 2007-02-16 2008-09-04 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Vacuum processing device

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