JP2005228993A - 太陽電池用シリコン系薄膜評価方法および太陽電池製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 赤外光を透過しない基板上に製膜されたシリコン系薄膜の膜質を分析する太陽電池用シリコン系薄膜評価方法を提供する。
【解決手段】 本発明の太陽電池用シリコン系薄膜評価方法は、赤外光を透過しないソーダガラス等の透明ガラス基板５上に製膜された太陽電池に用いられるアモルファスシリコン薄膜３に対して赤外光１０を照射して、アモルファスシリコン系薄膜３で反射された反射波の吸収スペクトル１７を分析することによってアモルファスシリコン薄膜３の光劣化率を推定することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外光を殆ど透過しない基板上に製膜されたシリコン系薄膜を評価する太陽電池用シリコン系薄膜評価方法および太陽電池製造方法ならびに太陽電池用シリコン薄膜評価装置に関するものである。

従来より、半導体薄膜の膜質を分析する方法として、赤外光を透過するシリコンウエハ上に検査対象薄膜を製膜し、これに赤外光を照射して透過光のスペクトルを分析するものが多用されている（例えば特許文献１参照）。
太陽電池の光電変換層として採用されているアモルファスシリコン薄膜等のシリコン系薄膜についても、シリコンウエハ上にシリコン系薄膜を製膜して、同様の分析が行われている。

特開平１０−２６１６８２号公報（段落［００１８］〜［００４２］，図１）

しかしながら、太陽電池に用いられるシリコン系薄膜は、赤外光に対する透過率が小さく赤外光を透過しないソーダガラス等の透明ガラス基板や金属基板上に製膜される。したがって、従来のようにシリコンウエハ上のシリコン系薄膜を分析したのでは、シリコン系薄膜自体の分析にはなるが、透明ガラス基板や金属基板上に製膜されたシリコン系薄膜の分析ではないので、太陽電池としての評価としては不十分であるという問題がある。

また、従来の手法ではシリコンウエハ上にシリコン系薄膜を製膜する必要があるので、太陽電池の製造工程中に採用することができない。これでは、太陽電池をオンラインで全数検査できず、太陽電池の製品保証が困難であるという問題がある。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであって、赤外光に対する透過率が小さい基板上に製膜されたシリコン系薄膜の膜質を分析する太陽電池用シリコン系薄膜評価方法およびこれを用いた太陽電池製造方法ならびに太陽電池用シリコン薄膜評価装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の太陽電池用シリコン系薄膜評価方法によれば、赤外光に対する透過率が小さい基板上に製膜された太陽電池用シリコン系薄膜に対して赤外光を照射して、前記シリコン系薄膜で反射された反射波のスペクトルを分析することによって前記シリコン系薄膜の膜質を評価することを特徴とする。

太陽電池用シリコン系薄膜は、透明ガラス基板や金属基板といった赤外光に対する透過率が小さい（すなわち赤外光を殆ど透過しない）基板上に製膜される。本発明によれば、赤外光をシリコン系薄膜で反射させて得られる反射スペクトルを分析することとしたので、赤外光を殆ど透過しない基板上に製膜されたシリコン系薄膜であっても分析することができ、膜質の評価が可能となる。
シリコン系薄膜としては、例えば、水素化アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜が挙げられる。

また、本発明の太陽電池用シリコン系薄膜評価方法は、全反射減衰法によって前記反射波のスペクトルを得ることを特徴とする。
全反射減衰法（Attenuated Total Reflection）によれば、より精度良く反射波の吸収スペクトルを得ることができる。

また、本発明の太陽電池用シリコン系薄膜評価方法は、前記反射波のスペクトルの２０００ｃｍ^−１及び／又は２０９０ｃｍ^−１における値に基づいて前記シリコン系薄膜の光劣化を推定することを特徴とする。

シリコン系薄膜（特に水素化アモルファスシリコン薄膜）内に存在するＳｉＨおよびＳｉＨ_２の吸収波数は、それぞれ、２０００ｃｍ^−１、２０９０ｃｍ^−１となっている。一方、ＳｉＨ_２やＳｉＨの密度、又はこれらの比は、太陽電池の光劣化に影響を及ぼすことが知られている（例えば、Japan Journal Applied Physics, Vol.35(1996), pp.26-33）。よって、２０００ｃｍ^−１、２０９０ｃｍ^−１における反射波スペクトルの値（例えば吸収率）に基づいて膜質を評価すれば、太陽電池の光劣化を推定することができる。
特に、光劣化計測は加速法を用いても数時間を要するのに対して、本発明によれば、極めて短時間で光劣化を推定することができる。

また、本発明の太陽電池用シリコン系薄膜評価方法によれば、前記基板は、透明ガラス基板とされ、全反射減衰法によって得られた前記反射波のスペクトルの１０００ｃｍ^−１における値と、２０９０ｃｍ^−１及び／又は２０９０ｃｍ^−１における値とに基づいて前記シリコン系薄膜の光劣化を推定することを特徴とする。

全反射減衰法によれば、エバネッセント波（Evanescent Wave）がシリコン系薄膜およびその下方の透明ガラス基板にまで浸透する。ソーダガラス等の透明ガラス基板の特有の吸収波数は、１０００ｃｍ^−１となっている。したがって、１０００ｃｍ^−１における吸収率が大きいということは、より多くのエバネッセント波がシリコン系薄膜を通過して透明ガラス基板にまで浸透していることを意味する。つまり、シリコン系薄膜の膜厚が小さいほどエバネッセント波は透明ガラス基板に深く浸透して１０００ｃｍ^−１における光が多く吸収されることを意味する。よって、１０００ｃｍ^−１における吸収率の逆数がシリコン系薄膜の膜厚に比例することになる。
以上より、１０００ｃｍ^−１における値（吸収率）と２０００ｃｍ^−１及び／又は２０９０ｃｍ^−１における値（吸収率）との積は、単位膜厚あたりのＳｉＨ又はＳｉＨ_２の存在量すなわちＳｉＨ又はＳｉＨ_２の密度を意味する。ＳｉＨ又はＳｉＨ_２の密度が光劣化率に影響を及ぼすことは上記文献にも示されている通りであるから、光劣化率の推定がより精細に行われることになる。
特に、透明ガラス基板上に製膜されたシリコン系薄膜を全反射減衰法によって計測することで、簡便にＳｉＨ又はＳｉＨ_２の密度が算出できる点で大きな利点を有する。

また、本発明の太陽電池製造方法は、上記太陽電池用シリコン系薄膜評価方法を用いて太陽電池を製造することを特徴とする。
反射波を用いることにより、赤外光を殆ど透過しない基板上に製膜されたシリコン系薄膜の膜質を評価できるので、太陽電池製造工程に本発明の評価方法を組み込むことができる。したがって、全数検査が可能となり、歩留まりが向上する。

また、本発明の太陽電池用シリコン薄膜評価装置は、赤外光に対する透過率が小さい基板上に製膜された太陽電池用シリコン系薄膜に対して赤外光を照射する赤外光源と、前記シリコン系薄膜で反射された反射波のスペクトル分析を行う演算器と、該演算器の出力結果に基づいて前記シリコン系薄膜の膜質を評価する膜質評価部と、を備えていることを特徴とする。
反射波のスペクトル分析を行って膜質を評価することとしたので、赤外光を殆ど透過しない基板上に製膜されたシリコン系薄膜の膜質を評価できる。したがって、太陽電池製造工程に本発明の太陽電池用シリコン薄膜評価装置を組み込むことができる。

赤外光をシリコン系薄膜で反射させて得られる反射スペクトルを分析することとしたので、赤外光を透過しない基板上に製膜されたシリコン系薄膜であっても分析することができ、膜質の評価が可能となる。

また、２０００ｃｍ^−１及び／又は２０９０ｃｍ^−１における反射波スペクトルの値に基づいて膜質を評価することとしたので、太陽電池の光劣化を推定することができる。

また、１０００ｃｍ^−１における値と２０００ｃｍ^−１及び／又は２０９０ｃｍ^−１における値とを用いて評価することとしたので、ＳｉＨ又はＳｉＨ_２の密度を得ることができ、光劣化の推定をより精細に行なうことができる。
特に、透明ガラス基板上に製膜されたシリコン系薄膜を全反射減衰法によって計測することで、簡便にＳｉＨ又はＳｉＨ_２の密度が算出できる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、太陽電池製造工程に設けられたアモルファスシリコン薄膜評価装置（太陽電池用シリコン薄膜評価装置）１の模式図が示されている。
このアモルファスシリコン薄膜評価装置１は、フーリエ変換赤外分光光度計（Fourier Transform Infrared Spectroscopy；FT-IR）に全反射減衰法（Attenuated Total Reflection；以下「ＡＴＲ法」という。）を適用したものである。
アモルファスシリコン薄膜（シリコン系薄膜）３は、図示しない前工程において、ソーダガラス等の透明ガラス基板５上に、プラズマＣＶＤ装置によって製膜されている。このアモルファスシリコン薄膜は、製膜時にシランに対して水素を付加して得られるものであり、厳密には水素化アモルファスシリコン薄膜である。ただし、以下の説明において、簡便のため、水素化アモルファスシリコン薄膜を単に「アモルファスシリコン薄膜」ということにする。
なお、透明ガラス基板５とアモルファスシリコン薄膜３との間には、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、酸化亜鉛、酸化錫等の透明導電膜（TCO：Transparent
Conductive Oxide）が設けられている。

アモルファスシリコン薄膜３上には、ＡＴＲ法に用いられる高屈折率のゲルマニウムから成るATR結晶７が配置されている。このATR結晶７は、下側が球状とされた半球形状を有しており、下側頂部が微小間隔を有してアモルファスシリコン薄膜３に対向している。
ATR結晶７には、赤外光源９からの赤外光１０が入射するようになっている。

赤外光源９とATR結晶７との間には、干渉計１１が配置されている。この干渉計１１において、干渉波（インターフェログラム）が生成される。
干渉計１１を出た干渉波は、ATR結晶７に入射する。

ATR結晶７に入射した赤外光（干渉波）は、このATR結晶７内で全反射を繰り返し、ATR結晶７の下側頂部からエバネッセント波がアモルファスシリコン薄膜３側に浸透する。このエバネッセント波は、アモルファスシリコン薄膜３および透明ガラス基板５を浸透する際に、アモルファスシリコン薄膜３および透明ガラス基板５に存在する化学種の振動に対応する波数の赤外光が吸収される。
アモルファスシリコン薄膜３および透明ガラス基板５を浸透した後の赤外光は、ATR結晶７内で全反射を繰り返し、ATR結晶７から出射される。

ATR結晶７から出射した反射光（赤外光）１０ａは、赤外光検出器１３に入射する。
赤外光検出器１３に入射した反射光は、増幅された後、演算器１５においてフーリエ変換が行われ、反射光の吸収スペクトル１７が得られる。
図２には、演算器１５において得られた吸収スペクトル１７が示されている。同図において、縦軸は吸収率、横軸は波数（ｃｍ^−１）となっている。同図（ａ）は、吸収率が０〜０．０２５、波数が５００〜４０００ｃｍ^−１について示されており、同図（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大したものであり、吸収率が０〜０．００５０、波数が１８００〜２３００ｃｍ^−１について示されている。

上記のように得られた反射光スペクトル１７に基づいて、アモルファスシリコン薄膜３の膜質評価が次のように行われる。
アモルファスシリコン薄膜３内に存在するＳｉＨおよびＳｉＨ_２の吸収波数は、それぞれ、２０００ｃｍ^−１、２０９０ｃｍ^−１となっている。したがって、これらの波数における吸収率から、ＳｉＨに対するＳｉＨ_２の存在比すなわちＳｉＨ_２／ＳｉＨが得られる。
一方、ＳｉＨ_２／ＳｉＨは、太陽電池の光劣化に影響を及ぼすことが知られている（例えば、Japan Journal Applied Physics, Vol.35(1996), pp.26-33）。よって、このＳｉＨ_２／ＳｉＨを膜質評価部１９において算出することにより、光劣化の程度を予測する。
なお、各波数における吸収率を用いる場合、その波数に対応する値を用いても良いし、その波数周辺の値を積分したものを用いてもよい。

図３には、光劣化率に対するＳｉＨ_２／ＳｉＨを示したグラフが示されている。
同図には、実際に計測されたＳｉＨ_２／ＳｉＨの光劣化率がプロットされている。これは、ＡＭ＝１．５、１０００ｍＷ／ｃｍ^２、電池膜温度４８℃にて１０００時間の光照射を模擬し、AM＝１．５、５０００ｍＷ／ｃｍ^２、電池膜温度３０℃にて２時間の光照射を行い計測された値である。
そして、これら計測値を１次式で近似した光劣化率推定線が点線で示されている。
膜質評価部１９は、この光劣化率推定線を用いて光劣化率を推定し、アモルファスシリコン薄膜３の膜質を評価する。

図４には、図３に示した光劣化率推定線を用いたアモルファスシリコン薄膜３の評価フローが示されている。
まず、上述したように、吸収スペクトル１７から、２０００ｃｍ^−１及び２０９０ｃｍ^−１における吸収率を得る。
そして、膜質評価部１９において、ＳｉＨ_２／ＳｉＨを算出する。このＳｉＨ_２／ＳｉＨの値に基づいて、図３のグラフにおける光劣化率推定線を参照して光劣化率を推定する。
そして、膜質評価部１９は、光劣化率が例えば２０％といった所定値を超えるアモルファスシリコン薄膜３を不良品と判断し、光劣化率が２０％以下のものを正常と判断する。

上記アモルファスシリコン薄膜評価装置１によって膜質を評価された後、アモルファスシリコン薄膜３付きガラス基板５は、後工程に送られ、裏面電極がスパッタリングにより形成される。そして、所定の形状にレーザパターニングされた後にモジュール化が行われて最終製品である太陽電池が製造される。

なお、ＡＴＲ法で得た吸収スペクトルの形状に対して、２０００ｃｍ^−１および２０９０ｃｍ^−１のピークに対して波形分離を行ってアモルファスシリコン薄膜の膜質を評価しても良い。波形分離を行えば、より正確に吸収率を得ることができ、正確な膜質評価を行うことができる。

また、２０００ｃｍ^−１および２０９０ｃｍ^−１における吸収率を用いることに代えて、１０００ｃｍ^−１および２０９０ｃｍ^−１における吸収率を用いるようにしても良い。
１０００ｃｍ^−１は、アモルファスシリコン薄膜３の下方に位置する透明ガラス基板５に特有の吸収波数である。したがって、１０００ｃｍ^−１における吸収率が大きいということは、より多くのエバネッセント波がアモルファスシリコン薄膜３を通過して透明ガラス基板５にまで浸透していることを意味する。つまり、アモルファスシリコン薄膜３の膜厚が小さいほどエバネッセント波は透明ガラス基板５に深く浸透することを意味する。よって、１０００ｃｍ^−１における吸収率の逆数がアモルファスシリコン薄膜３の膜厚に比例することになる。
以上より、１０００ｃｍ^−１における吸収率と２０９０ｃｍ^−１における吸収率との積は、単位膜厚あたりのＳｉＨ_２の存在量すなわちＳｉＨ_２の密度を意味する。ＳｉＨ_２の密度が光劣化率に影響を及ぼすことは上記文献にも示されている通りであるから、光劣化率の予測がより精細に行われることになる。
特に、透明ガラス基板５上に製膜されたアモルファスシリコン薄膜３をＡＴＲ法によって計測することで、透明ガラス基板５との関係で簡便にＳｉＨ_２の密度が算出できる点で大きな利点を有する。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
赤外光を透過しない透明ガラス基板５上に製膜されたアモルファスシリコン薄膜３であっても、赤外光をアモルファスシリコン薄膜３で反射させて得られる反射スペクトルを分析することとしたので、膜質の評価が可能となる。

また、ＡＴＲ法を用いたので、より精度良く反射波の吸収スペクトルを得ることができる。

また、反射波スペクトルの２０００ｃｍ^−１及び２０９０ｃｍ^−１における値に基づいてアモルファスシリコン薄膜の膜質を評価することとしたので、太陽電池の光劣化に影響を及ぼすＳｉＨおよびＳｉＨ_２の存在比を得ることができ、太陽電池の光劣化を推定することができる。
特に、光劣化計測は加速法を用いても数時間を要するのに対して、本実施形態によれば、極めて短時間で光劣化を推定することができる。

また、ＡＴＲ法によって得られた反射波スペクトルの１０００ｃｍ^−１における値と２０９０ｃｍ^−１における値とに基づいてＳｉＨ_２の密度を得ることとしたので、光劣化率の推定をより精細に行うことができる。

また、反射波を用いることにより、透明ガラス基板上に製膜されたアモルファスシリコン薄膜３の膜質を評価することとしたので、太陽電池製造工程に本実施形態による評価方法を組み込むことができる。したがって、全数検査が可能となり、歩留まりが向上する。

また、ＳｉＨ_２／ＳｉＨやＳｉＨ_２密度といった値を製造条件とすることにより、太陽電池の光劣化に直結する指標の下で製造管理できるので、製品の信頼性が向上する。

なお、本発明は、本実施形態に示されたアモルファスシリコン薄膜に限定されるものではなく、微結晶シリコン薄膜であってもよい。また、発電層がｐ，ｉ，ｎ層から成る１段とされた太陽電池に限定されるものではなく、２段とされたタンデム型であっても良い。
また、アモルファスシリコン薄膜が製膜される基板としては、透明ガラス基板に限定されるものではなく、例えば金属基板であってもよい。

［第２実施形態］
第１実施形態では、ＡＴＲ法を用いてアモルファスシリコン薄膜の膜質を評価したが、ATR結晶を用いずに赤外光を薄膜に直接照射して反射させる反射法を用いて反射率を測定することによって膜質を評価することもできる。
図５（ａ）には、反射法によって測定された反射率が波数に対して示されている。同図の右下には、吸収がない場合の反射率予測が点線で示されている。
図５（ｂ）には、図５（ａ）の反射率と吸収がない場合の反射率予測とから得られる消衰係数が波数に対して示されている。
図５（ｂ）に示されたグラフから、２０００ｃｍ^−１及び２０９０ｃｍ^−１における消衰係数を得て、ＳｉＨおよびＳｉＨ_２の値を算出することができる。
このように、本実施形態における反射法によれば、第１実施形態のようにATR結晶７を用いる必要がないので、簡便に膜質評価を行うことができる。

本発明によるアモルファスシリコン薄膜の膜質評価装置を示した概略図である。 ＡＴＲ法による吸収スペクトルを示した図である。 太陽電池の光劣化率とＳｉＨ_２／ＳｉＨとの関係を示した図である。 光劣化率を指標とした膜質評価方法を示したフローチャートである。 反射法による反射スペクトルを示した図である。

符号の説明

１ アモルファスシリコン薄膜評価装置
３ アモルファスシリコン薄膜
５ 透明ガラス基板
９ 赤外光源
１３ 赤外光検出器
１７ 吸収スペクトル
１９ 膜質評価部

Claims (6)

1. 赤外光に対する透過率が小さい基板上に製膜された太陽電池用シリコン系薄膜に対して赤外光を照射して、
   前記シリコン系薄膜で反射された反射波のスペクトルを分析することによって前記シリコン系薄膜の膜質を評価することを特徴とする太陽電池用シリコン系薄膜評価方法。
2. 全反射減衰法によって前記反射波のスペクトルを得ることを特徴とする請求項１記載の太陽電池用シリコン系薄膜評価方法。
3. 前記反射波のスペクトルの２０００ｃｍ^−１及び／又は２０９０ｃｍ^−１における値に基づいて前記シリコン系薄膜の光劣化を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池用シリコン系薄膜評価方法。
4. 前記基板は、透明ガラス基板とされ、
   前記反射波のスペクトルの１０００ｃｍ^−１における値と２０９０ｃｍ^−１及び／又は２０９０ｃｍ^−１における値とに基づいて前記シリコン系薄膜の光劣化を推定することを特徴とする請求項２に記載の太陽電池用シリコン系薄膜評価方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載された太陽電池用シリコン系薄膜評価方法を用いて太陽電池を製造することを特徴とする太陽電池製造方法。
6. 赤外光に対する透過率が小さい基板上に製膜された太陽電池用シリコン系薄膜に対して赤外光を照射する赤外光源と、
   前記シリコン系薄膜で反射された反射波のスペクトル分析を行う演算器と、
   該演算器の出力結果に基づいて前記シリコン系薄膜の膜質を評価する膜質評価部と、
   を備えていることを特徴とする太陽電池用シリコン系薄膜評価装置。

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