JP2004071715A - Photovoltaic element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマCVD法によって製造され、太陽電池あるいはセンサー等に適用される光起電力素子及びその製造方法に関する。
【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の高周波電源が最も一般的に用いられる。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、この特徴を活かし、量産時の低コスト化が可能であることから、バルクシリコン型太陽電池を凌駕するものとして開発が進められている。
【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(いわゆるステブラーロンスキー効果)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、完全には解明されていないため、その抜本的な解決策も確立されていないのが現状である。
【0004】
これに対し、近年、実質的に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 A1., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vo.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型の光起電力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。また、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も可能である。
【0005】
前述したように、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構成のプラズマCVD法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。ここで、微結晶シリコン膜とは、非晶質シリコン以外の膜を意味し、多結晶シリコン膜や膜中に非晶質を含んだ結晶質シリコン膜も含まれる。通常、光電変換層に微結晶シリコン層を用いる光起電力素子では、いわゆるpin型が採用され、この場合、p層及びn層もi層と同様に微結晶シリコンが用いられる。微結晶シリコン層を用いる光起電力素子は、その構造から、サブストレート型とスーパーストレート型に大別できる。
【0006】
サブストレート型素子は、光透過性を有しない基板、例えばステンレス等を基板として構成されるものである。これに対し、スーパーストレート型素子は、ガラスに代表される光透過性を有する基板上に形成されるものである。スーパーストレート型素子の場合、非晶質シリコンと同様の集積型モジュールを構成できるが、基板側、すなわち、光入射側の電極には、光透過性と電気伝導性の両特性が要求されるため、一般的には、ITO、酸化スズSnO2、酸化亜鉛ZnO等の金属酸化物から構成される透明電極が用いられる。この透明電極と当接するp層の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、製膜に関与するシリコン系ラジカルの表面拡散を促進させることが不可欠である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなp層の微結晶化条件では、金属酸化物から構成される透明電極が損傷し、透明電極の光透過率及び導電率の低下を招く場合があり、さらに、この損傷が極端な場合には、金属酸化物が水素ラジカルによって還元され、その結果、析出した金属が微結晶p層内に拡散進入し、微結晶p層としての半導体特性を著しく低下させるという問題がある。
【0008】
また、非晶質シリコン系素子と微結晶シリコン系素子を膜厚方向に積層したタンデム構造の場合、微結晶p層と当接するのは、基本的に、非晶質n層となる。この場合、微結晶p層の微結晶化を促進するため、成長表面のダングリングボンドを終端させ、製膜に関与するラジカルの表面拡散を促進させる目的で高密度の水素ラジカルを発生させると、微結晶p層の下地層である非晶質n層が水素ラジカルによってエッチングされ、非晶質n層としての特性を損なうという問題がある。さらに、非晶質n層のドーパントであるV元素、代表的にはリンが、微結晶p層内に拡散進入し、微結晶p層としての半導体特性を損なうという問題がある。
【0009】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、その目的は微結晶p層の下地層である透明電極もしくは非晶質n層に損傷を与えることなく、良好な特性を有する光起電力素子を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の光起電力素子の製造方法は、基板と電極との間にシリコンを含む原料ガス及び水素ガスを同時に供給するとともに、10MHz以上300MHz以下の高周波を印加しプラズマガスを生成して、前記基板表面側に微結晶シリコンからなる、微結晶p層と、微結晶i層と、微結晶n層とを順次積層したセルを有する光起電力素子の製造方法であって、前記微結晶p層を形成するに際し、微結晶シリコンのバルク層を形成する前に、予め、該バルク層を形成する際の高周波電力より、低い高周波電力で微結晶シリコンの初期層を形成することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の光起電力素子の製造方法は、基板と電極との間にシリコンを含む原料ガス及び水素ガスを同時に供給するとともに、10MHz以上300MHz以下の高周波を印加しプラズマガスを生成して、前記基板表面側に微結晶シリコンからなる、微結晶p層と、微結晶i層と、微結晶n層とを順次積層したセルを有する光起電力素子の製造方法であって、前記微結晶p層を形成するに際し、微結晶シリコンのバルク層を形成する前に、予め、該バルク層を形成する際の基板温度より、低い基板温度で微結晶シリコンの初期層を形成することを特徴とする。
【0012】
また、本発明の光起電力素子の製造方法は、基板と電極との間にシリコンを含む原料ガス及び水素ガスを同時に供給するとともに、10MHz以上300MHz以下の高周波を印加しプラズマガスを生成して、前記基板表面側に微結晶シリコンからなる、微結晶p層と、微結晶i層と、微結晶n層とを順次積層したセルを有する光起電力素子の製造方法であって、前記微結晶p層を形成するに際し、微結晶シリコンのバルク層を形成する前に、予め、該バルク層を形成する際の前記プラズマガスの圧力より、高い圧力で微結晶シリコンの初期層を形成することを特徴とする。
【0013】
本発明の光起電力素子は、請求項1から4のいずれかに記載の光起電力素子の製造方法により作製されたことを特徴とする。
【0014】
これら光起電力素子の製造方法及び光起電力素子では、微結晶p層を形成するに際し、微結晶シリコンのバルク層を形成する前に、予め、このバルク層を形成する際の高周波電力より低い高周波電力で、又は、このバルク層を形成する際の基板温度より低い基板温度で、又は、このバルク層を形成する際のプラズマガスの圧力より高い圧力で微結晶シリコンの初期層を形成するため、微結晶p層を形成する際の下地層の損傷発生を抑制し、その半導体特性低下の発生を抑制することができる。さらに、この損傷発生抑制効果により、下地層から析出した元素等の微結晶p層内への拡散侵入発生を抑制することができるため、微結晶p層の半導体特性低下の発生を抑制することができる。これにより、高い光電変換効率を有する光起電力素子を形成することができる。
【0015】
また、本発明の光起電力素子の製造方法は、前記初期層の厚さを、5nm以上50nm以下とすることを特徴とする。この膜厚は特に、15nm以上50nm以下が好ましい。
【0016】
この光起電力素子の製造方法では、前記初期層の厚さが、5nm以上50nm以下であるため、微結晶p層を形成する際の下地層の損傷発生を抑制し、その半導体特性低下の発生を抑制することができる。また、この損傷発生抑制効果により、下地層から析出した元素等の微結晶p層の半導体特性低下の発生を抑制することができる。さらに、前記初期層での光の吸収量を最適なものとすることができ、光起電力素子としての短絡電流の低下発生を抑制することができる。以上により、高い光電変換効率を有する光起電力素子を提供することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光起電力素子及びその製造方法の第一実施形態を、図1〜図3を参照しながら説明する。
図1に示す光起電力素子20は、ガラスからなる基板9と、ITO、酸化スズSnO2あるいは酸化亜鉛ZnO等の金属酸化物からなる透明電極12と、微結晶シリコン素子からなるセル21と、裏面電極16とを備え、これらが順次積層された構成となっている。セル21は、p型の微結晶シリコンである微結晶p層13と、i型の微結晶シリコンである微結晶i層14と、n型の微結晶シリコンである微結晶n層15とが順次積層された構成となっている。
【0018】
微結晶p層13は、後述するように、製膜の初期段階で透明電極12表面に積層形成された微結晶シリコンの初期層13aと、この初期層13a表面に積層形成された微結晶シリコンのバルク層13bとから構成されている。初期層13aは、バルク層13bを形成する際の高周波電力より低い高周波電力で、又は、バルク層13bを形成する際の基板9及び透明電極12の温度より低い温度で、又は、バルク層13bを形成する際の後述するプラズマガスの圧力より高い圧力で形成される。
【0019】
以上のように構成された光起電力素子20のうち、微結晶p層13、微結晶i層14及び微結晶n層15、すなわち微結晶シリコン層の製造方法について図1〜図3に従い説明する。まず、微結晶シリコンの製造に供するプラズマCVD装置30について説明する。
【0020】
図2に示すプラズマCVD装置30は、ステンレス製の真空容器1と、ガス混合箱11と、基板ヒータ7と、放電用の電極2と、真空ポンプ8とを備えている。基板ヒータ7は、製膜面が下側となるように基板9を密着保持する機構(図示せず)を備えている。基板ヒータ7には図示しない温度センサ(図示せず)が取付けられ、基板9の温度が間接又は直接的に検出されるようになっている。温度センサは図示しない制御器の入力部に接続され、温度検出信号が制御器に入力されると、これに基づき制御器は基板ヒータ7への給電量を制御するようになっている。
【0021】
電極2は、基板ヒータ7と対向するように配設され、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、高周波電源4から電極2への給電線は分岐され、各分岐線を介して電極2の複数箇所に多点給電する構成となっており、これにより、電源の高周波数化に伴う電極内の電圧分布を緩和可能としている。ここで、電極2は、図3に示すように、矩形状の枠体のなかに、複数の棒が枠体の1組の辺と平行に、略同一ピッチで配設された構成をなしている。すなわち、電極2は直径4mm〜12mm程度のステンレス製の線材をはしご状に配設させた構成をなしており、容量結合型放電と誘導結合型放電の双方の特性を兼ね備えている。また、電極2は従来の平行平板型電極と比較すると、開口部が広く、原料ガスの流れの制御性に優れているため、均一製膜に好適である。以上により、電極2は、線材の断面形状、線材間の間隔あるいは給電位置等の設計の自由度が極めて高いため、従来の平行平板型電極と比較して、大面積、かつ均一なシリコン系薄膜の製膜に適した構成となっている。
【0022】
以上のように構成されたプラズマCVD装置30において、まず、脱脂洗浄及び乾燥させた基板9を基板ヒータ7表面に密着保持した後、真空ポンプ8により、排気管3を介して真空容器1内を1.33×10−4Pa以下に排気する。次に、原料ガス導入管6を介して、原料ガスを所定流量、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によって制御されている。原料ガスは、少なくとも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、トリクロロシラン等のハロシランガス及び水素を用いる。ここで、シリコンを含むガスの流量に対する水素の流量比は、5倍以上100倍以下に設定する。これは、水素の流量比が5倍未満の場合、水素ラジカルの発生量が少ないため、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り、その結果、製膜に関与するシリコン系ラジカルの表面拡散が不十分となり、結晶性が良好な微結晶シリコンが十分に成長しないためである。一方、水素の流量比が100倍を超えた場合、微結晶シリコンは成長するものの、製膜に関与するシリコン系ラジカルが少ないため、その製膜速度が極めて小さくなり、非晶質シリコンよりも厚い光電変換層を必要とする微結晶シリコン系の光起電力素子の場合、生産性が著しく低下するからである。
【0023】
次に、図示しない圧力調整弁により真空容器1内を13.3Pa以上665Pa以下に設定する。13.3Pa未満の場合、製膜に関与するシリコン系ラジカルが少ないため、製膜速度が極めて小さく、生産性が著しく低下するからである。一方、圧力が665Paを超える場合、製膜中に気相中で粉が生じ易くなるからである。この製膜中に発生した粉は、膜中に取り込まれて、微結晶シリコンの膜質を極端に低下させる他、真空容器1の開放保守の頻度を高める等の悪影響を及ぼすことになる。
【0024】
この真空容器1内の圧力調整と併行して、基板ヒータ7に通電加熱し、基板9をガラス等の安価な材質が使用可能な100℃以上500℃以下に加熱する。基板温度が100℃未満の場合、基板9表面に吸着した製膜に関与するシリコン系ラジカルの表面拡散が不十分となるため、結晶性が良好な微結晶シリコンが十分に成長しないからである。
【0025】
そして、基板温度及び圧力が安定した後、高周波電源4から周波数10MHz以上300MHz以下の高周波電力を電極2に供給し、プラズマガスを発生させ、基板9表面に微結晶シリコン膜を形成する。この際、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。ここで、周波数が10MHz未満の場合、プラズマ密度が低く、プラズマ中で励起される水素ラジカルが少ないため、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り、その結果、製膜に関与するシリコン系ラジカルの表面拡散が不十分となり、微結晶シリコンの結晶化が促進されないという問題があるからである。一方、周波数が300MHzを超える場合、電極2内での電圧分布が大きくなり、均一な放電が困難となるからである。
その後、所定時間製膜した後、原料ガスを排気するとともに、基板9を冷却した後、真空容器1から微結晶シリコン層を製膜した基板9を取り出す。
【0026】
以上により、微結晶シリコン層が製膜されるが、製膜の際に、原料ガスにIII族元素を含むガス、例えばB2H6、BF3等のボロンを含むガスを添加すると、p型の微結晶シリコン層が製膜できる。さらに、原料ガスにV族元素を含むガス、例えばPH3等のリンを含むガスを添加すると、n型の微結晶シリコン層が製膜できる。なお、後述するように、微結晶p層を構成する初期層13aを形成する際には、高周波電力、基板温度及びプラズマガスの圧力のいずれか1つ、もしくは複数の条件を調整し、透明電極12を損傷させない条件に設定する。すなわち、微結晶p層を構成するバルク層13bを形成する際の高周波電力より低い高周波電力、又は、バルク層13bを形成する際の基板温度より低い基板温度、又は、バルク層13bを形成する際のプラズマガスの圧力より高い圧力で、初期層13aを形成する。
【0027】
次に、図1に示す光起電力素子20の製造方法について説明する。
まず、脱脂、洗浄したガラスからなる基板9上にCVD法、またはスパッタ法等のPVD法を施し、例えば、酸化スズSnO2からなる膜厚700nmの透明電極2を積層形成し、基板25を形成する。次に、基板25上に、前述した方法により、微結晶p層の初期層13a、微結晶p層のバルク層13b、微結晶i層14及び微結晶n層15を順次積層形成し、セル21を形成する。
【0028】
ここで、初期層13aは、高周波電力を25W、プラズマガスの圧力を66.5Paとして形成され、その膜厚は、5nm以上50nm以下で、本実施形態においては、12nmで形成される。初期層13aの膜厚が5nm未満になると、部分的に透明電極12が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、初期層13a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からである。一方、膜厚が50nmを超えると、光入射側の層である初期層13aでの光の吸収量が過多となり、光電変換層である微結晶i層14に到達する光量が低減するため、光電変換効率が低下するからである。
【0029】
また、バルク層13bは、高周波電力が75Wで形成され、その膜厚は、5nm以上100nm以下で、本実施形態においては、30nmで形成される。バルク層13bの膜厚が5nm未満になると、微結晶p層としての膜厚が不足し、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からである。一方、バルク層13bの膜厚が100nmを超えると、光入射側の層であるバルク層13bでの光の吸収量が過多となり、光電変換層である微結晶i層14へ到達する光量が減少するため、光起電力素子としての短絡電流が低下するからである。
【0030】
また、微結晶i層14の膜厚は、透明電極12、バルク層13b及び微結晶i層14の表面形状にもよるが、1000nm以上10000nm以下で形成される。微結晶i層14の膜厚が1000nm未満になると、入射光を十分に吸収できなくなるため、光起電力素子としての短絡電流が小さくなるという問題を生じるからである。一方、微結晶i層14の膜厚が10000nmを超えると、微結晶i層14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とともに、製膜時間が長くなり、生産性が低くなるからである。
【0031】
また、微結晶n層15の膜厚は、5nm以上100nm以下で形成される。微結晶n層15の膜厚が5nm未満になると、部分的に微結晶i層14が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合、微結晶n層15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からである。一方、微結晶n層15の膜厚が100nmを超えると、微結晶n層15での光の吸収量が過多となり、裏面電極16で反射した光を有効に利用できないという問題が生じるからである。
【0032】
次に、このように形成されたセル21上に、アルミニウムAl、銀Ag、チタンTi、ニッケルNi、クロムCr、銅Cuあるいはそれらの合金から成る裏面電極16を、真空蒸着法またはスパッタ法等の物理蒸着法を用いて形成する。この裏面電極16は、微結晶i層14を透過した光を充分に反射できるように膜厚200nm以上で形成される。以上により、図1に示す光起電力素子20が完成する。
【0033】
次に、本発明に係る第二実施形態として、初期層13aの製膜条件を、高周波電力75W、基板温度150℃にそれぞれ設定し、その他の製膜条件は第一実施形態と同一にして光起電力素子20を形成した。さらに、本発明に係る第三実施形態として、初期層13aの製膜条件を、高周波電力75W、プラズマガスの圧力93.1Paにそれぞれ設定し、その他の製膜条件は第一実施形態と同一にして光起電力素子20を形成した。また、第一従来例として、初期層13aをバルク層13bの製膜条件と同一にして、微結晶p層13がバルク層13bのみからなる光起電力素子を併せて形成した。なお、第一〜第三実施例及び第一従来例は、初期層13aの製膜条件を除く他の条件は全て同一にして形成した。
【0034】
以上のように形成された第一〜第三実施形態の光起電力素子20及び前記従来の光起電力素子のガラス基板9側から、模擬太陽光(AM(通過空気量)1.5、100mW/cm2)を照射し、各々の光電変換効率を計測した。結果を表1に示す。
【0035】
【表1】
【0036】
表1は、第一従来例の光起電力素子の光電変換効率を1.00とした相対値で示している。第一〜第三実施形態では、各々、初期層13a製膜時の高周波電力、基板温度及び圧力を制御し、第一従来例と比し、下地層である透明電極12に対して緩やかな製膜条件を設定したことが確認できる。すなわち、第一実施形態においては、高周波電力を第一従来例より小とし、第二実施形態においては、基板温度を第一従来例より小とし、第三実施形態においては、プラズマガスの圧力を第一従来例より大としたところ、微結晶p層13形成時の透明電極12の損傷発生が抑制され、透明電極12の半導体特性低下の発生が抑制されるとともに、この損傷発生抑制効果により、下地層である透明電極12から析出した元素等の微結晶p層13内への拡散侵入発生が抑制され、微結晶p層13の半導体特性低下の発生が抑制されたことから、光電変換効率が改善されたことが確認できる。第一〜第三実施形態では、第一従来例より11%〜15%改善されたことが確認できる。
【0037】
次に、それぞれで初期層13aの膜厚のみを異ならせ、その他時間を除く製膜条件の全てを第一実施形態と同一として複数の光起電力素子20を形成し、前述と同様にして、それぞれの光起電力素子20について光電変換効率を計測した。すなわち、初期層13aの膜厚と、光電変換効率との関係を図4に示す。図4は、第一従来例の光起電力素子の変換効率を1.00とした相対値で示している。
【0038】
図4において、初期層13aによる透明電極12の損傷発生抑制効果が現れるのは、初期層13aの膜厚が5nm以上50nm以下の範囲であり、特に、膜厚15nm以上50nm以下の場合に、その効果が顕著であることが確認できる。また、膜厚50nmを超えると、透明電極12の損傷抑制効果は飽和するとともに、初期層13aでの光の吸収量が過多となり、光起電力素子としての短絡電流が低下し、光電変換効率が低下することが確認できる。
【0039】
次に、本発明の第四実施形態について説明するが、前述の第一〜第三実施形態と同様の部位には、同一符号を付し、その説明を省略する。
本第四実施形態による光起電力素子22は、図5に示すように、基板25と、非晶質シリコン素子からなるトップセル23と、微結晶シリコン素子からなるボトムセル24と、裏面電極16とを備え、これらが順次積層された構成となっている。トップセル23は、p型の非晶質シリコンである非晶質p層17と、i型の非晶質シリコンである非晶質i層18と、n型の非晶質シリコンである非晶質n層19とを備え、これらが順次積層された構成となっている。また、ボトムセル24は、微結晶p層13と、微結晶i層14と、微結晶n層15とを備え、これらが順次積層された構成となっており、ボトムセル24は、微結晶p層13を介してトップセル23上に設けられるとともに、微結晶n層15上に裏面電極16が設けられた構成となっている。ここで、微結晶p層13は、製膜の初期段階で透明電極12表面に積層形成された初期層13aと、この初期層13a表面に積層形成されたバルク層13bとから構成されている。
【0040】
ここで、非晶質p層17の膜厚は、5nm以上50nm以下で形成されている。これは、非晶質p層17の膜厚が5nm未満の場合、部分的に透明電極12が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合に、非晶質p層17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からである。一方、非晶質p層17の膜厚が50nmを超える場合、基板25側からの光の入射層である非晶質p層17での光の吸収量が過多となり、光電変換層である非晶質i層18及び微結晶i層14への入射光量が減少し、光起電力素子としての短絡電流が低下するからである。
【0041】
また、非晶質i層18の膜厚は、100nm以上500nm以下で形成されている。これは、非晶質i層18の膜厚が100nm未満の場合、入射する光を充分に吸収できないため、光起電力素子としての短絡電流が低下するからである。一方、非晶質i層18の膜厚が500nmを超える場合、吸収した光によって非晶質i層18の欠陥が増加する、いわゆるステブラーロンスキー効果により、光劣化が大きくなるからである。
【0042】
また、非晶質n層19の膜厚は、5nm以上50nm以下で形成されている。これは、非晶質n層19の膜厚が5nm未満の場合、部分的に非晶質i層18が露出した状態、いわゆる島状成長となる。この場合に、非晶質n層19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からである。一方、非晶質n層19の膜厚が50nmを超える場合、非晶質n層19での光の吸収量が過多となり、ボトムセル24への入射光量が減少し、光起電力素子としての短絡電流が低下するからである。
【0043】
以上のように構成された光起電力素子22の製造方法について説明する。
まず、第一〜第三実施形態と同様にして、ガラス基板9と透明電極12とからなる基板25を形成する。次に、基板25の透明電極12形成面に、トップセル23を形成する。すなわち、透明電極12上にプラズマCVD法を施し、非晶質p層17、非晶質i層18及び非晶質n層19を順次積層形成する。ここで、プラズマCVD法に用いる原料ガスは、シランSiH4あるいはジシランSi2H6等の水素化珪素ガス、またはジクロロシラン、トリクロロシラン等のハロシラン系ガスを用い、このときの電源周波数は、13.56MPaに設定する。非晶質p層17を製膜する場合は、ドーピングガスとして、III族元素を含むB2H6、BF3等を添加する。また、非晶質n層19を製膜する場合には、ドーピングガスとして、V族元素を含むPH3等を添加する。
【0044】
次に、トップセル23上にボトムセル24を形成するに際し、微結晶p層13の初期層13aは、前述した実施形態で使用した同一の装置30において、製膜条件を、高周波電力30W、基板温度165℃、プラズマガスの圧力66.5Paにそれぞれ設定し、膜厚を12nmで形成した。次に、微結晶p層13のバルク層13bは、初期層13aの製膜条件のうち高周波電力を75Wに変更し、膜厚を25nmで形成した。以下、前述の実施形態と同様にして、微結晶i層14、微結晶n層15、アルミニウムAlからなる裏面電極16を順次積層形成し、光起電力素子22を形成する。
【0045】
次に、本発明に係る第五実施形態として、微結晶p層13の初期層13aの第四実施形態における製膜条件のうち、基板温度を150℃に、高周波電力を75Wにそれぞれ変更し、光起電力素子22を形成した。さらに、第六実施形態として、第四実施形態における製膜条件のうち、プラズマガスの圧力を99.8Paに、高周波電力を75Wにそれぞれ変更し、光起電力素子22を形成した。また、第二従来例として、微結晶p層13の初期層13aを、第四〜第六実施形態における微結晶p層13のバルク層13bの製膜条件と同一にして形成し、微結晶p層13が微結晶バルク層13bのみからなる光起電力素子を併せて形成した。
【0046】
以上のように形成された第四〜第六実施形態の光起電力素子22及び前記従来の光起電力素子のガラス基板9側から、模擬太陽光(AM(通過空気量)1.5、100mW/cm2)を照射し、各々の光電変換効率を計測した。結果を表2に示す。
【0047】
【表2】
【0048】
表2は、第二従来例の光起電力素子の変換効率を1.00とした相対値で示している。第四〜第六実施形態では、各々、初期層13a製膜時の高周波電力、基板温度及びプラズマガスの圧力を制御し、第二従来例と比し、下地層である非晶質n層19に対して緩やかな製膜条件を設定したことが確認できる。すなわち、初期層13a製膜時において、第四実施形態においては、高周波電力を第二従来例より小とし、第五実施形態においては、基板温度を第二従来例より小とし、第六実施形態においては、プラズマガスの圧力を第二従来例より大としたところ、微結晶p層13製膜時の非晶質n層19の損傷発生が抑制され、非晶質n層19の半導体特性低下の発生が抑制されるとともに、この損傷発生抑制効果により、非晶質n層19から析出したリンPの微結晶p層13内への拡散侵入発生が抑制され、微結晶p層13の半導体特性低下の発生が抑制されたことから、光電変換効率が改善されたことが確認できる。すなわち、第四〜第六実施形態では、第二従来例より10%〜12%改善されたことが確認できる。これにより、タンデム構造においても、微結晶p層13の初期層13aにより光電変換効率が改善されることが確認できる。
【0049】
以上説明したように、第一〜第六実施形態による光起電力素子の製造方法及び光起電力素子によれば、微結晶p層13を形成するに際し、微結晶シリコンのバルク層13bを形成する前に、予め、微結晶シリコンの初期層13aを、バルク層13bを形成する際の高周波電力より低い高周波電力で、又は、バルク層13bを形成する際の基板温度より低い基板温度で、又は、バルク層13bを形成する際のプラズマガスの圧力より高い圧力で形成するため、微結晶p層13を形成する際の下地層、すなわち、透明電極12又は非晶質n層19の損傷発生を抑制することができる。これにより、高い光電変換効率を有する光起電力素子を形成することができる。
【0050】
また、初期層13aの厚さが、5nm以上50nm以下であるため、微結晶p層13を形成する際の下地層、すなわち、透明電極12又は非晶質n層19の損傷発生を抑制し、その半導体特性低下の発生を抑制することができる。また、この損傷発生抑制効果により、下地層から析出した元素等の微結晶p層13内への拡散進入を抑制でき、微結晶p層13の半導体特性低下の発生を抑制することができる。さらに、初期層13aでの光の吸収量を最適なものとすることができ、光起電力素子としての短絡電流の低下発生を効率的に抑制することができる。以上により、高い光電変換効率を有する光起電力素子を提供することができる。
【0051】
なお、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0052】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る光起電力素子の製造方法及び光起電力素子によれば、微結晶p層を形成する際に、予め、下地層に対して低負荷な製膜条件で微結晶シリコンの初期層を形成しておき、その後、微結晶シリコンのバルク層を形成するため、微結晶p層の下地層の損傷発生が抑制され、良好な光電変換特性を有する光起電力素子を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第一〜第三実施形態において、光起電力素子を示す断面図である。
【図2】本発明に係る光起電力素子の製造に用いた製造装置を示す概略図である。
【図3】図2に示す製造装置の電極を示す平面図である。
【図4】微結晶p層の初期層の膜厚と光起電力素子の光電変換効率との関係を示す図である。
【図5】本発明に係る第四〜第六実施形態において、光起電力素子を示す断面図である。
【符号の説明】
1…真空容器
2…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…基板ヒータ
8…真空ポンプ
9…ガラス基板
10…同軸ケーブル
11…ガス混合箱
12…透明電極
13…微結晶p層
13a…初期層
13b…バルク層
14…微結晶i層
15…微結晶n層
16…裏面電極
17…非晶質p層
18…非晶質i層
19…非晶質n層
20、22…光起電力素子
21…セル
23…トップセル
24…ボトムセル(セル)
25…基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photovoltaic element manufactured by a plasma CVD method and applied to a solar cell, a sensor, or the like, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior 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. In general, a high frequency power supply having a frequency of 13.56 MHz is most commonly used for generating plasma. 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. Taking advantage of this feature, amorphous silicon solar cells can be reduced in cost during mass production, and are being developed as being superior to bulk silicon solar cells.
[0003]
However, when the amorphous silicon-based solar cell is irradiated with light, a defect occurs in the i-layer, which is a photoelectric conversion layer, and a photodegradation phenomenon in which the photoelectric conversion efficiency is reduced by about 10% to 30% compared with the initial state. (The so-called Stepleronsky effect) is a major obstacle to practical application. Although various studies have been conducted energetically on the mechanism of the photodegradation phenomenon, it has not been completely elucidated, and at present, no drastic solution has been established.
[0004]
In contrast, 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. Soc. Symp. Proc. Vo.420.P3 (1996)). According to this, a pin-type photovoltaic 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 photovoltaic element does not involve a photodegradation phenomenon such as amorphous silicon. . In addition, a photovoltaic element using microcrystalline silicon as a photoelectric conversion layer has a peak in a spectral sensitivity spectrum on a longer wavelength side as compared with a photovoltaic element using amorphous silicon, A so-called tandem type of stacked photovoltaic device in which porous silicon is used as a top cell and microcrystalline silicon is used as a photoelectric conversion layer in a bottom cell is also possible.
[0005]
As described above, the photovoltaic element using microcrystalline silicon has an advantage that a film can be formed by a plasma CVD method having a configuration basically similar to that of the related art, and there is no light deterioration phenomenon. Here, the microcrystalline silicon film means a film other than amorphous silicon, and includes a polycrystalline silicon film and a crystalline silicon film containing amorphous in the film. Normally, a so-called pin type is adopted in a photovoltaic element using a microcrystalline silicon layer as a photoelectric conversion layer. In this case, the p-layer and the n-layer use microcrystalline silicon similarly to the i-layer. Photovoltaic elements using a microcrystalline silicon layer can be roughly classified into a substrate type and a superstrate type based on their structures.
[0006]
The substrate type element is configured using a substrate having no light transmission property, for example, a substrate such as stainless steel. On the other hand, the superstrate type element is formed on a substrate having light transmissivity represented by glass. In the case of a super-straight element, an integrated module similar to amorphous silicon can be constructed, but the substrate side, that is, the electrode on the light incident side, is required to have both characteristics of light transmission and electrical conductivity. , Generally, ITO, tin oxide SnO 2 A transparent electrode made of a metal oxide such as zinc oxide or ZnO is used. In order to promote microcrystallization of the p layer in contact with the transparent electrode, high-density hydrogen radicals are generated, dangling bonds on the growth surface are terminated, and surface diffusion of silicon-based radicals involved in film formation is reduced. It is essential to promote.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, under such microcrystallization conditions for the p-layer, the transparent electrode composed of a metal oxide may be damaged, leading to a reduction in light transmittance and electrical conductivity of the transparent electrode. In such a case, there is a problem that the metal oxide is reduced by hydrogen radicals, and as a result, the deposited metal diffuses and enters the microcrystalline p-layer, thereby significantly lowering the semiconductor characteristics as the microcrystalline p-layer.
[0008]
In the case of a tandem structure in which an amorphous silicon-based element and a microcrystalline silicon-based element are stacked in the film thickness direction, the amorphous n-layer is basically in contact with the microcrystalline p-layer. In this case, to promote microcrystallization of the microcrystalline p-layer, dangling bonds on the growth surface are terminated, and high-density hydrogen radicals are generated for the purpose of promoting surface diffusion of radicals involved in film formation. There is a problem in that the amorphous n-layer, which is the underlayer of the microcrystalline p-layer, is etched by hydrogen radicals, which impairs the characteristics of the amorphous n-layer. Further, there is a problem that the V element, typically phosphorus, which is a dopant of the amorphous n-layer, diffuses into the microcrystalline p-layer and impairs the semiconductor characteristics of the microcrystalline p-layer.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a light-emitting device having good characteristics without damaging a transparent electrode or an amorphous n-layer which is a base layer of a microcrystalline p-layer. It is to provide an electromotive element.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems and achieve such an object, the present invention proposes the following means.
The method for manufacturing a photovoltaic device of the present invention comprises simultaneously supplying a source gas containing silicon and a hydrogen gas between a substrate and an electrode, applying a high frequency of 10 MHz to 300 MHz to generate a plasma gas, A method for manufacturing a photovoltaic device having a cell in which a microcrystalline p-layer, a microcrystalline i-layer, and a microcrystalline n-layer made of microcrystalline silicon are sequentially stacked on a substrate surface side, wherein the microcrystalline p-layer Is characterized in that, before forming a bulk layer of microcrystalline silicon, an initial layer of microcrystalline silicon is formed in advance at a high frequency power lower than the high frequency power at the time of forming the bulk layer.
[0011]
In the method for manufacturing a photovoltaic device of the present invention, a source gas containing silicon and a hydrogen gas are simultaneously supplied between a substrate and an electrode, and a plasma gas is generated by applying a high frequency of 10 MHz to 300 MHz. A method of manufacturing a photovoltaic element having a cell in which a microcrystalline p-layer, a microcrystalline i-layer, and a microcrystalline n-layer made of microcrystalline silicon are sequentially stacked on the substrate surface side; In forming the p-layer, before forming the bulk layer of microcrystalline silicon, an initial layer of microcrystalline silicon is formed at a substrate temperature lower than the substrate temperature at which the bulk layer is formed. I do.
[0012]
In the method for manufacturing a photovoltaic device of the present invention, a source gas containing silicon and a hydrogen gas are simultaneously supplied between a substrate and an electrode, and a plasma gas is generated by applying a high frequency of 10 MHz to 300 MHz. A method of manufacturing a photovoltaic element having a cell in which a microcrystalline p-layer, a microcrystalline i-layer, and a microcrystalline n-layer made of microcrystalline silicon are sequentially stacked on the substrate surface side; In forming the p-layer, before forming the bulk layer of microcrystalline silicon, it is necessary to form an initial layer of microcrystalline silicon at a higher pressure than the pressure of the plasma gas when forming the bulk layer. Features.
[0013]
A photovoltaic device according to the present invention is manufactured by the method for manufacturing a photovoltaic device according to any one of claims 1 to 4.
[0014]
In the photovoltaic element manufacturing method and the photovoltaic element, when forming the microcrystalline p-layer, before forming the microcrystalline silicon bulk layer, the high-frequency power is lower than the high-frequency power when forming the bulk layer in advance. To form an initial layer of microcrystalline silicon at high frequency power or at a substrate temperature lower than the substrate temperature at which this bulk layer is formed, or at a pressure higher than the plasma gas pressure at the time of forming this bulk layer In addition, it is possible to suppress the occurrence of damage to the underlying layer when the microcrystalline p-layer is formed, and to suppress the deterioration of the semiconductor characteristics. Further, the effect of suppressing the occurrence of damage can suppress the occurrence of diffusion and intrusion of elements and the like deposited from the underlayer into the microcrystalline p-layer, thereby suppressing a decrease in the semiconductor characteristics of the microcrystalline p-layer. it can. Thereby, a photovoltaic element having high photoelectric conversion efficiency can be formed.
[0015]
In the method for manufacturing a photovoltaic element according to the present invention, the thickness of the initial layer is set to 5 nm or more and 50 nm or less. The thickness is particularly preferably from 15 nm to 50 nm.
[0016]
In this method of manufacturing a photovoltaic element, the thickness of the initial layer is not less than 5 nm and not more than 50 nm. Can be suppressed. Further, the effect of suppressing the occurrence of damage can suppress the deterioration of the semiconductor characteristics of the microcrystalline p-layer such as elements precipitated from the underlayer. Further, the amount of light absorption in the initial layer can be optimized, and a decrease in short-circuit current as a photovoltaic element can be suppressed. As described above, a photovoltaic element having high photoelectric conversion efficiency can be provided.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of a photovoltaic element and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The
[0018]
As will be described later, the microcrystalline p-
[0019]
The method for manufacturing the microcrystalline p-
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
In the
[0023]
Next, the pressure inside the vacuum vessel 1 is set to 13.3 Pa or more and 665 Pa or less by a pressure adjusting valve (not shown). If the pressure is less than 13.3 Pa, since the amount of silicon-based radicals involved in film formation is small, the film formation speed is extremely low, and the productivity is significantly reduced. On the other hand, if the pressure exceeds 665 Pa, powder is likely to be generated in the gas phase during film formation. The powder generated during the film formation is taken into the film and extremely deteriorates the film quality of the microcrystalline silicon, and also has an adverse effect such as increasing the frequency of the open maintenance of the vacuum vessel 1.
[0024]
At the same time as the pressure adjustment in the vacuum vessel 1, the
[0025]
Then, after the substrate temperature and pressure are stabilized, high-frequency power having a frequency of 10 MHz or more and 300 MHz or less is supplied from the high-
Thereafter, after forming the film for a predetermined time, the raw material gas is exhausted, and the
[0026]
As described above, a microcrystalline silicon layer is formed. At the time of film formation, a gas containing a group III element as a source gas, for example, B 2 H 6 , BF 3 When a gas containing boron such as is added, a p-type microcrystalline silicon layer can be formed. Further, a gas containing a group V element as a source gas, for example, PH 3 When a gas containing phosphorus is added, an n-type microcrystalline silicon layer can be formed. As described later, when forming the
[0027]
Next, a method for manufacturing the
First, a PVD method such as a CVD method or a sputtering method is performed on a
[0028]
Here, the
[0029]
The
[0030]
The thickness of the microcrystalline i-
[0031]
The thickness of the microcrystalline n-
[0032]
Next, on the
[0033]
Next, as a second embodiment according to the present invention, the film forming conditions of the
[0034]
Simulated sunlight (AM (passing air amount) 1.5, 100 mW) was applied from the
[0035]
[Table 1]
[0036]
Table 1 shows relative values with the photoelectric conversion efficiency of the photovoltaic element of the first conventional example set to 1.00. In the first to third embodiments, the high frequency power, the substrate temperature and the pressure at the time of forming the
[0037]
Next, a plurality of
[0038]
In FIG. 4, the effect of suppressing the occurrence of damage to the
[0039]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in the above-described first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
As shown in FIG. 5, the
[0040]
Here, the thickness of the
[0041]
The film thickness of the amorphous i-
[0042]
The thickness of the amorphous n-
[0043]
A method for manufacturing the
First, in the same manner as in the first to third embodiments, a
[0044]
Next, when the
[0045]
Next, as a fifth embodiment according to the present invention, of the film forming conditions in the fourth embodiment of the
[0046]
Simulated sunlight (AM (passing air amount) 1.5, 100 mW) from the
[0047]
[Table 2]
[0048]
Table 2 shows relative values with the conversion efficiency of the photovoltaic element of the second conventional example set to 1.00. In the fourth to sixth embodiments, the high-frequency power, the substrate temperature and the pressure of the plasma gas at the time of forming the
[0049]
As described above, according to the photovoltaic device manufacturing method and the photovoltaic device according to the first to sixth embodiments, when forming the microcrystalline p-
[0050]
Further, since the thickness of the
[0051]
Note that the technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0052]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the photovoltaic element manufacturing method and the photovoltaic element according to the present invention, when forming the microcrystalline p-layer, the production with a low load on the underlayer is performed in advance. An initial layer of microcrystalline silicon is formed under film conditions, and then a bulk layer of microcrystalline silicon is formed. Therefore, the occurrence of damage to the underlying layer of the microcrystalline p layer is suppressed, and light having good photoelectric conversion characteristics is obtained. An electromotive element can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a photovoltaic element in first to third embodiments according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a manufacturing apparatus used for manufacturing a photovoltaic device according to the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing an electrode of the manufacturing apparatus shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thickness of an initial layer of a microcrystalline p-layer and the photoelectric conversion efficiency of a photovoltaic element.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a photovoltaic element in fourth to sixth embodiments according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Vacuum container
2 ... electrode
3. Exhaust pipe
4: High frequency power supply
5 Impedance matching device
6 ... Source gas inlet pipe
7 ... substrate heater
8. Vacuum pump
9 ... Glass substrate
10 ... Coaxial cable
11 ... Gas mixing box
12 ... Transparent electrode
13: Microcrystalline p-layer
13a: Initial layer
13b: Bulk layer
14 ... microcrystalline i-layer
15 ... Microcrystalline n-layer
16 Back electrode
17 ... Amorphous p-layer
18 ... Amorphous i-layer
19 ... Amorphous n-layer
20, 22 ... Photovoltaic element
21 ... cell
23 ... Top cell
24 ... Bottom cell (cell)
25 ... Substrate
Claims (5)
前記微結晶p層を形成するに際し、微結晶シリコンのバルク層を形成する前に、予め、該バルク層を形成する際の高周波電力より、低い高周波電力で微結晶シリコンの初期層を形成することを特徴とする光起電力素子の製造方法。A source gas containing silicon and a hydrogen gas are simultaneously supplied between the substrate and the electrode, and a high frequency wave of 10 MHz or more and 300 MHz or less is applied to generate a plasma gas, and the microcrystalline silicon is formed on the surface of the substrate. A method for manufacturing a photovoltaic device having a cell in which a p-layer, a microcrystalline i-layer, and a microcrystalline n-layer are sequentially stacked,
In forming the microcrystalline p-layer, before forming a microcrystalline silicon bulk layer, an initial layer of microcrystalline silicon is formed in advance with a high-frequency power lower than a high-frequency power used in forming the bulk layer. A method for manufacturing a photovoltaic element, comprising:
前記微結晶p層を形成するに際し、微結晶シリコンのバルク層を形成する前に、予め、該バルク層を形成する際の基板温度より、低い基板温度で微結晶シリコンの初期層を形成することを特徴とする光起電力素子の製造方法。A source gas containing silicon and a hydrogen gas are simultaneously supplied between the substrate and the electrode, and a high frequency wave of 10 MHz or more and 300 MHz or less is applied to generate a plasma gas, and the microcrystalline silicon is formed on the surface of the substrate. A method for manufacturing a photovoltaic device having a cell in which a p-layer, a microcrystalline i-layer, and a microcrystalline n-layer are sequentially stacked,
In forming the microcrystalline p layer, before forming a bulk layer of microcrystalline silicon, an initial layer of microcrystalline silicon is formed at a substrate temperature lower than the substrate temperature at which the bulk layer is formed. A method for manufacturing a photovoltaic element, comprising:
前記微結晶p層を形成するに際し、微結晶シリコンのバルク層を形成する前に、予め、該バルク層を形成する際の前記プラズマガスの圧力より、高い圧力で微結晶シリコンの初期層を形成することを特徴とする光起電力素子の製造方法。A source gas containing silicon and a hydrogen gas are simultaneously supplied between the substrate and the electrode, and a high frequency wave of 10 MHz or more and 300 MHz or less is applied to generate a plasma gas, and the microcrystalline silicon is formed on the surface of the substrate. A method for manufacturing a photovoltaic device having a cell in which a p-layer, a microcrystalline i-layer, and a microcrystalline n-layer are sequentially stacked,
In forming the microcrystalline p-layer, before forming the bulk layer of microcrystalline silicon, an initial layer of microcrystalline silicon is formed at a higher pressure than the pressure of the plasma gas when forming the bulk layer in advance. A method for manufacturing a photovoltaic element.
前記初期層の厚さを、5nm以上50nm以下とすることを特徴とする光起電力素子の製造方法。The method for manufacturing a photovoltaic element according to claim 1,
A method for manufacturing a photovoltaic device, wherein the thickness of the initial layer is 5 nm or more and 50 nm or less.
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