JP2002319692A - シリコン薄膜の製膜方法およびシリコン薄膜太陽電池 - Google Patents
シリコン薄膜の製膜方法およびシリコン薄膜太陽電池Info
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Abstract
板上に高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に、シ
リコン薄膜の均一性を高めるとともに基板割れを防止し
て安定生産を実現できる方法を提供する。 【解決手段】 縦型プラズマCVD装置を用い、表面に
導電膜(22)が形成された面積1200cm2以上の
基板(21)を基板ホルダー(1)に保持して電極と対
向させ、100mW/cm2以上の電力密度でシリコン
薄膜を製膜するにあたり、例えば導電膜(22)に分離
溝(24)を設けることにより、基板ホルダー(1)と
基板(21)表面の導電膜(22)とを電気的に絶縁す
る。
Description
用いられるシリコン薄膜の製膜方法、およびシリコン薄
膜太陽電池に関する。
に積層された透明電極層、光電変換半導体層、ならびに
裏面電極層からなるストリング状の複数段の太陽電池セ
ルを直列に接続した構造を有する。上記の光電変換半導
体層はアモルファスシリコンで形成するのが最も安価で
あるが、光電変換効率が低いという問題がある。光電変
換効率を向上させるためには、例えばpin型アモルフ
ァスシリコンとpin型ポリシリコン(多結晶シリコ
ン)とを積層したハイブリッド型またはpin型ポリシ
リコンのみを用いたポリシリコン型のものが有利であ
る。また、薄膜太陽電池モジュールの生産効率を上げる
ために大面積の基板が用いられるようになってきてい
る。
された透明電極層上に光電変換半導体層を製膜するに
は、縦型インライン式プラズマCVD装置を用いるのが
効率的である。図1(a)および(b)を参照して縦型
インライン式プラズマCVD装置における光電変換半導
体層の製膜方法について説明する。図1(a)に示すよ
うに、枠体をなす基板ホルダー1は裏面側に基板2より
わずかに大きい凹部が形成されるように構成されてい
る。この基板ホルダー1を平置きにし、裏面側から基板
ホルダー1の凹部に、透明導電膜を表面側にして基板2
を嵌め込む。図1(b)に示すように、基板ホルダー1
の裏面からバックプレート3を押し当て、基板ホルダー
1の固定治具1aとバックプレート3の固定治具3aと
の間でピンをスライドさせて固定し、基板2を保持す
る。この状態で基板2を保持した基板ホルダー1を直立
させ、縦型インライン式プラズマCVD装置の内部で電
極4の位置まで移動させ、プラズマCVDにより光電変
換半導体層を製膜する。なお、大面積の基板を保持する
ときの機械的強度の観点から、基板ホルダー1にはSU
Sなどの導電材料が用いられている。
層の製膜時における基板ホルダーと基板との接触部を拡
大して示す。図2に示されるように、透明基板21上に
透明導電膜22が形成されており、透明導電膜22の周
縁部と基板ホルダー1の内周部が接触した状態になって
いる。
よりアモルファスシリコンを製膜する場合には問題は生
じなかったが、ポリシリコンを製膜する場合には薄膜に
異常分布や欠陥が生じ、最悪の場合には基板割れが発生
することがわかってきた。これは以下のような原因によ
ることが判明した。
高いため膜厚が薄くてもよいが、吸収係数が低いポリシ
リコンは膜厚を厚くする必要がある。厚いポリシリコン
層の製膜時間を短縮して生産効率を向上するには、基板
に大電力を投入して製膜速度を速くしなければならな
い。具体的には、ポリシリコン層を製膜する際には基板
上での電力密度を100mW/cm2以上にしている。
この電力密度は、アモルファスシリコン層を製膜する際
の電力密度の4〜6倍以上である。そして、図2に示し
たように基板ホルダー1と基板21表面の透明導電膜2
2とを接触させて電力密度100mW/cm2以上とい
う条件でプラズマCVDを実施すると、透明導電膜の黒
ずんだ変色、傷、えぐれなどの欠陥、基板割れなどが発
生する。これらの不良は投入電力が大きくなるほど顕著
になる。このような不良はプラズマCVDの際に透明導
電膜22にチャージが蓄積され、基板ホルダー1の先端
と透明導電膜22との間で異常放電(スパーク)が起こ
るために発生すると考えられる。
明導電膜22に完全に密着させることができれば、透明
導電膜22表面に蓄積したチャージを基板ホルダー1を
通して逃がすことができるはずであるが、現実には基板
21の反りなどのために基板ホルダー1と透明導電膜2
2とを完全に密着させることはできない。
プラズマCVD装置を用いて大面積の基板上に高い電力
密度でシリコン薄膜を製膜する際に、シリコン薄膜の均
一性を高めるとともに基板割れを防止して安定生産を実
現できる方法を提供することにある。
製膜方法は、プラズマCVD装置を用い、表面に導電膜
が形成された面積1200cm2以上の基板を基板ホル
ダーに保持して電極と対向させ、100mW/cm2以
上(生産効率を考慮すれば200mW/cm2以上)の
電力密度でシリコン薄膜を製膜するにあたり、前記基板
ホルダーと前記基板表面の導電膜とを電気的に絶縁する
ことを特徴とする。
面に形成された導電膜を有し、前記導電膜に、前記基板
の4つの外周辺の各々に沿って、前記基板外周辺から3
mm〜40mm内側の範囲に、それぞれ少なくとも1本
ずつ分離溝が形成されていることを特徴とする。
と基板表面の導電膜とを電気的に絶縁しているので、1
200cm2以上の大面積の基板上に100mW/cm2
以上という高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際
に、基板ホルダーと基板表面の導電膜との間の異常放電
を防止できる。したがって、シリコン薄膜の均一性を高
め、かつ基板割れを防止できる。
することで、両者の接触部での異常放電の発生を抑え
る。異常放電は、導電膜上に帯電した電荷が基板ホルダ
ーへ逃げようとする際に、相当量の電荷量が蓄積されて
いる場合に発生すると考えられる。帯電した電荷は基板
と基板ホルダーとの接触部から逃げようとするため、本
発明における基板ホルダーの構造上、基板ホルダーに一
度に逃げる電荷量は「基板面積/基板周囲長」に依存す
る。この値は基板サイズに二乗で依存するため、大面積
ほど異常放電が起き易くなる。以上のことから、大面積
・大電力の場合、本発明の方法が不可欠になる。
の導電膜とを電気的に絶縁するための具体的な方法につ
いて図面を参照して説明する。
に形成された透明導電膜22に、基板ホルダー21の内
周から0.1〜30mmの距離dだけ離れるように分離
溝24を形成することにより、基板ホルダー1と透明導
電膜22とを電気的に絶縁する方法が挙げられる。基板
ホルダー21の内周から分離溝24までの距離dは、1
〜30mmであることがより好ましい。距離dが0.1
mm未満では異常放電を防止することが困難になるう
え、基板の位置ずれにより所望の距離dを確保すること
も困難になる。距離dが30mmを超えると基板上での
太陽電池セルの利用効率が低下する。また、絶縁の信頼
性を向上させるため、もしくは更なる大電力を投入する
場合、距離dが1〜30mmである範囲内に、0.5m
m〜2mmの間隔を空けて2〜3本の分離溝を形成する
ことが好ましい。分離溝が3本以下であれば、透明導電
膜のレーザースクライブを実施するタクトタイムが比較
的短く、生産上現実的である。
は、基板を支える上で3mm以上であることが好まし
い。一方、この幅をあまり大きくとると半導体層の実効
面積が減少するため、この幅は10mm以下であること
が好ましい。よって実際に基板の透明電極に分離溝を形
成する際には、基板外周辺から内側に向かって3mm〜
40mm内側の範囲に分離溝を形成することが好まし
い。また、透明電極に、前記基板の4つの外周辺の各々
に沿って、それぞれ少なくとも1本ずつ分離溝を形成す
ることが好ましい。
る。図4に示されるように、ストリング状の太陽電池セ
ルを形成するために、基板21表面の透明導電膜22に
は、光電変換半導体層を製膜する前にレーザースクライ
バーを用いてジグザク状にスクライブライン23が形成
される。さらに、太陽電池セルの集積方向(図中、矢印
で表示)に平行な2つの辺の近傍において、スクライブ
ライン23がつながっている部分より内側に、レーザー
スクライブにより分離溝24を設けることにより、透明
導電膜22を周縁部とセル集積領域に分離する。このよ
うに分離溝24を設ければ、太陽電池セルの集積方向の
前方および後方では、透明導電膜22は本来のスクライ
ブライン23によって周縁部とセル集積領域に分離され
る。この状態で、光電変換半導体層を製膜する。
は、透明電極層に周縁分離溝を形成した後、光電変換半
導体層を製膜することが記載されている。しかし、この
方法は、最終形態の製品においてセル集積領域と周縁部
との間で十分な絶縁を確保することを目的としている。
この公報には、本発明のように縦型プラズマCVD装置
を用いて大面積の基板上に高い電力密度でシリコン薄膜
を製膜する際に異常放電を防止するという目的は示され
ていない。
部で透明導電膜22を除去し、透明導電膜22が除去さ
れた基板21周縁部に基板ホルダー1を接触させて基板
1を保持することにより、基板ホルダー1と透明導電膜
22とを電気的に絶縁する方法を用いてもよい。
には、基板の外周部から所定幅の透明導電膜を機械的に
除去する方法が記載されている。しかし、この方法は、
セル集積領域と周縁部との間で十分な絶縁分離部の加工
を短時間で行うことを目的としている。この公報にも、
本発明のように縦型プラズマCVD装置を用いて大面積
の基板上に高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に
異常放電を防止するという目的は示されていない。
透明導電膜22と基板ホルダー1との間に絶縁物を設け
ることにより、基板ホルダー1と透明導電膜22とを電
気的に絶縁する方法を用いてもよい。絶縁物としてはデ
ガスの少ないポリイミドテープなどの絶縁テープ25を
用いてもよいし、基板ホルダー1の表面に例えば100
μm程度のアルマイトの溶射などを施すことにより形成
された絶縁物被覆を用いてもよい。
は、基板表面に形成された酸化物透明電極と基板ホルダ
ーとの間に絶縁性スペーサーを設けて基板を保持し、プ
ラズマCVDによりアモルファスシリコンを製膜する方
法が記載されている。しかし、この方法は、酸化物透明
電極が基板ホルダーに接触してアース電位となり、還元
性雰囲気下で還元されて金属化して透明性を失うことを
防止することを目的としている。この公報にも、本発明
のように縦型プラズマCVD装置を用いて大面積の基板
上に高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に異常放
電を防止するという目的は示されていない。
うに、基板21表面に形成された透明導電膜22に基板
ホルダー21の内周から0.1〜30mm離れるように
分離溝24を形成するとともに、基板21表面の透明導
電膜22と基板ホルダー1との間に絶縁テープ25を設
けることにより、基板ホルダー1と透明導電膜22とを
電気的に絶縁する方法を用いてもよい。同様に、図8に
示すように基板21表面に形成された透明導電膜22に
基板ホルダー21の内周から0.1〜30mm離れるよ
うに分離溝24を形成するとともに、基板ホルダー1の
基板との接触部に絶縁物被覆26を設けることにより、
基板ホルダー1と透明導電膜22とを電気的に絶縁する
方法を用いてもよい。
ー1と透明導電膜22とを電気的に絶縁するためには最
も効果的な方法であり、基板21表面での電力密度が非
常に高い場合でも、基板ホルダー1の先端と透明導電膜
22との間の異常放電を有効に防止できる。
の寸法を有するガラス基板を用意した。図3および図4
に示すように、このガラス基板21の表面に形成された
透明導電膜22に、基板ホルダー1への設置時に基板ホ
ルダー1の内周から3mm離れるように、レーザースク
ライブにより幅約100μmの分離溝24を形成した。
された分離溝24をまたいで約8mmの間隔を空けて透
明導電膜22にメガテスターの探針28を接触させ、2
50Vの電圧を印可した場合、0.5MΩ以上の絶縁を
得ることが出来た。
ズマCVD装置の基板ホルダー1に上記寸法の1枚のガ
ラス基板21を保持した。このとき、ガラス基板21の
位置ずれを見込むと、基板ホルダー1の内周から分離溝
24までの距離は3±2mmの範囲となる。ガラス基板
21を保持した基板ホルダー1を、115cm×118
cmの電極4が設置されている位置に移動させて、反応
ガスとして水素とシランを導入し、3kWの電力を投入
してポリシリコンを製膜した。この条件では、基板表面
での電力密度は約221mW/cm2である。その結
果、製膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜
の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
W/cm2)又は8kWの電力(電力密度約590mW
/cm2)を投入した以外は上記と全く同様の条件でポ
リシリコンを製膜した。これらの場合にも、製膜された
ポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認めら
れず、基板割れも生じなかった。
4の幅を約40μmまたは約200μmとした場合に
も、異常放電は発生しなかった。
離溝24を設けなかった以外は実施例1と同様の条件で
ポリシリコンを製膜した。この場合、投入電力3kWで
も5kWでも製膜されたポリシリコンに異常放電に起因
する膜の欠陥が認められ、基板割れが生じることもあっ
た。
の寸法を有するガラス基板を用意し、実施例1と同様に
基板ホルダー1への設置時に基板ホルダー1の内周から
3mm離れるように、レーザースクライブにより幅約1
00μmの分離溝24を形成した。
板ホルダー1に上記寸法の2枚のガラス基板21を保持
した。この場合、2枚のガラス基板21の中間にも基板
ホルダー1が配置される。それ以外は実施例1と同様に
投入電力3kWまたは5kWの条件でポリシリコンを製
膜した。その結果、いずれの条件でも製膜されたポリシ
リコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、
基板割れも生じなかった。
の寸法を有するガラス基板を用意し、実施例1と同様に
基板ホルダー1への設置時に基板ホルダー1の内周から
3mm離れるように、レーザースクライブにより幅約1
00μmの分離溝24を形成した。それ以外は実施例1
と同様に投入電力3kWまたは5kWの条件でポリシリ
コンを製膜した。その結果、いずれの条件でも製膜され
たポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認め
られず、基板割れも生じなかった。
の寸法を有するガラス基板を用意し、分離溝24を設け
る代わりに、図5に示すように基板21の端から5mm
以上の位置まで透明導電膜22を研磨して除去した。そ
れ以外は実施例1と同様に投入電力3kWまたは5kW
の条件でポリシリコンを製膜した。その結果、いずれの
条件でも製膜されたポリシリコンには異常放電に起因す
る膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかった。
の寸法を有するガラス基板を用意し、分離溝24を設け
る代わりに、図6に示すように基板21表面の透明導電
膜22と基板ホルダー1との間にポリイミドからなる絶
縁テープ25を設けた。それ以外は実施例1と同様に投
入電力3kWまたは5kWの条件でポリシリコンを製膜
した。その結果、いずれの条件でも製膜されたポリシリ
コンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基
板割れも生じなかった。
の寸法を有するガラス基板を用意し、図8に示すように
透明導電膜22に分離溝24を設けるとともに、基板ホ
ルダー1のガラス基板接触部にアルマイト溶射100μ
mからなる絶縁物被覆26を設けた。それ以外は実施例
1と同様に投入電力3kWまたは5kWまたは8kW
(電力密度約590mW/cm2)の条件でポリシリコ
ンを製膜した。その結果、製膜されたポリシリコンには
異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基板割れも
生じなかった。
の寸法を有するガラス基板を用意し、図7に示すように
透明導電膜22に分離溝24を設けるとともに、基板2
1表面の透明導電膜22と基板ホルダー1との間にポリ
イミドからなる絶縁テープ25を設けた。また、投入電
力8kW(電力密度約590mW/cm 2)の条件でポ
リシリコンを製膜した。その結果、製膜されたポリシリ
コンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められず、基
板割れも生じなかった。
の寸法を有するガラス基板を用意した。図10に示すよ
うに、このガラス基板21の表面に形成された透明導電
膜22に、基板ホルダー1への設置時に基板ホルダー1
の内周から約1mm離れるように、レーザースクライブ
により幅約100μmの第1の分離溝24を形成し、更
に第1の分離溝24から内側に向かって約0.7mm離
れるようにレーザースクライブにより幅約100μmの
第2の分離溝28を形成した。
された第1および第2の分離溝24、28をまたいで約
8mmの間隔を空けて透明導電膜22にメガテスターの
探針を接触させ、250Vの電圧を印可した場合、0.
5MΩ以上の絶縁を得ることが出来た。
kWの条件でポリシリコンを製膜した。その結果、いず
れの条件でも製膜されたポリシリコンには異常放電に起
因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかっ
た。更に8kWの条件でポリシリコンを製膜しても、製
膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥
は認めらなかった。
8との間隔を、約0.5mmまたは約2mmにしたとき
にも同様に、メガテスターを用いて250Vの電圧を印
可した場合、0.5MΩ以上の絶縁を得ることができ
た。そして、上記と同様に、3kW、5kWまたは8k
Wの条件でポリシリコンを製膜しても、製膜されたポリ
シリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認められな
かった。
4、28の幅を約40μmまたは約200μmとした場
合にも、異常放電は発生しなかった。
の寸法を有するガラス基板を用意した。図11に示すよ
うに、このガラス基板21の表面に形成された透明導電
膜22に、基板ホルダー1への設置時に基板ホルダー1
の内周から約1mm離れるように、レーザースクライブ
により幅約100μmの第1の分離溝24を形成し、更
に第1の分離溝24から内側に向かって約0.7mm離
れるようにレーザースクライブにより幅約100μmの
第2の分離溝28を形成し、更に分離溝28から内側に
向かって約0.7mm離れるようにレーザースクライブ
により幅約100μmの第3の分離溝29を形成した。
された第1〜第3の分離溝24、28、29をまたいで
約8mmの間隔を空けて透明導電膜22にメガテスター
の探針を接触させ、250Vの電圧を印可した場合、
0.5MΩ以上の絶縁を得ることが出来た。
kWの条件でポリシリコンを製膜した。その結果、いず
れの条件でも製膜されたポリシリコンには異常放電に起
因する膜の欠陥は認められず、基板割れも生じなかっ
た。更に8kWの条件でポリシリコンを製膜しても、製
膜されたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥
は認めらなかった。
9の相互間の間隔を、約0.5mmまたは約2mmにし
たときにも同様に、メガテスターを用いて250Vの電
圧を印可した場合、0.5MΩ以上の絶縁を得ることが
できた。そして、上記と同様に、3kW、5kWまたは
8kWの条件でポリシリコンを製膜しても、製膜された
ポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認めら
れなかった。
4、28、29の幅を約40μmまたは約200μmと
した場合にも、同様に、0.5MΩ以上の絶縁を得るこ
とができた。そして、上記と同様に、3kW、5kWま
たは8kWの条件でポリシリコンを製膜しても、製膜さ
れたポリシリコンには異常放電に起因する膜の欠陥は認
められなかった。
板の外側から内側へ向かって順次複数の分離溝を形成す
る例を示したが、複数の分離溝を基板の内側から外側へ
向かって順次形成するようにしてもよい。
れば、縦型プラズマCVD装置を用いて大面積の基板上
に高い電力密度でシリコン薄膜を製膜する際に、シリコ
ン薄膜の均一性を高めるとともに基板割れを防止して安
定生産を実現できる。
および断面図。
触状態を示す断面図。
ルダーと基板との接触状態を示す断面図。
ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
図。
板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
板ホルダーと基板との接触状態を示す断面図。
Claims (8)
- 【請求項1】 プラズマCVD装置を用い、表面に導電
膜が形成された面積1200cm2以上の基板を基板ホ
ルダーに保持して電極と対向させ、100mW/cm2
以上の電力密度でシリコン薄膜を製膜するにあたり、前
記基板ホルダーと前記基板表面の導電膜とを電気的に絶
縁することを特徴とするシリコン薄膜の製膜方法。 - 【請求項2】 前記基板の周縁部で導電膜を除去し、導
電膜が除去された基板周縁部に基板ホルダーを接触させ
て基板を保持することを特徴とする請求項1記載のシリ
コン薄膜の製膜方法。 - 【請求項3】 前記基板表面に形成された導電膜に前記
基板ホルダーの内周から0.1〜30mm離れるように
分離溝を形成することを特徴とする請求項1記載のシリ
コン薄膜の製膜方法。 - 【請求項4】 前記基板表面の導電膜と前記基板ホルダ
ーとの間に絶縁物を設けることを特徴とする請求項1記
載のシリコン薄膜の製膜方法。 - 【請求項5】 前記基板表面に形成された導電膜に前記
基板ホルダーの内周から0.1〜30mm離れるように
分離溝を形成するとともに、前記基板表面の導電膜と前
記基板ホルダーとの間に絶縁物を設けることを特徴とす
る請求項1記載のシリコン薄膜の製膜方法。 - 【請求項6】 前記基板表面に形成された導電膜に前記
基板ホルダーの内周から0.1〜30mm離れるように
第1の分離溝を形成し、前記基板ホルダーの内周からの
距離が30mm以内の範囲に、前記第1の分離溝の端か
ら0.5mm〜2mmの間隔を空けて第2の分離溝を形
成することを特徴とする請求項1記載のシリコン薄膜の
製膜方法。 - 【請求項7】 前記基板表面に形成された導電膜に前記
基板ホルダーの内周から0.1〜30mm離れるように
第1の分離溝を形成し、前記基板ホルダーの内周からの
距離が30mm以内の範囲に、前記第1の分離溝の端か
ら0.5mm〜2mmの間隔を空けて第2の分離溝を形
成し、更に前記基板ホルダーの内周からの距離が30m
m以内の範囲に、前記第2の分離溝の端から0.5mm
〜2mmの間隔を空けて第3の分離溝を形成することを
特徴とする請求項1記載のシリコン薄膜の製膜方法。 - 【請求項8】 基板表面に形成された導電膜を有し、前
記導電膜に、前記基板の4つの外周辺の各々に沿って、
前記基板外周辺から3mm〜40mm内側の範囲に、そ
れぞれ少なくとも1本ずつ分離溝が形成されていること
を特徴とするシリコン薄膜太陽電池。
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