JP2006093477A - Zinc oxide layer and photovoltaic element - Google Patents

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隆治 近藤
Jo Toyama
上 遠山
Susumu Hayashi
享 林
Yuichi Sonoda
雄一 園田
Tomonori Nishimoto
智紀 西元
Masumitsu Iwata
益光 岩田
Yusuke Miyamoto
祐介 宮本
Satoshi Yamada
聡 山田
Toshimitsu Kariya
俊光 狩谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To inexpensively form a zinc oxide layer with excellent reflection characteristics/electric characteristics, and to inexpensively supply a highly efficient element by incorporating the layer in a photovoltaic element. <P>SOLUTION: The photovoltaic element formed by stacking at least the zinc oxide layer and a semiconductor layer on a substrate, wherein the zinc oxide layer contains chlorine atoms of 1.0×10<SP>18</SP>cm<SP>-3</SP>≤ and ≥5.0×10<SP>19</SP>cm<SP>-3</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は酸化亜鉛層、及び酸化亜鉛層と半導体層を積層させて形成した光起電力素子に係わる。   The present invention relates to a zinc oxide layer and a photovoltaic element formed by stacking a zinc oxide layer and a semiconductor layer.

従来、水素化非晶質シリコン、水素化非晶質シリコンゲルマニウム、水素化非晶質シリコンカーバイド、微結晶シリコンまたは多結晶シリコンなどからなる光起電力素子は、長波長における収集効率を改善するために、裏面の反射層が利用されてきた。かかる反射層は、半導体材料のバンド端に近くその吸収の小さくなる波長、即ち800nmから1200nmで有効な反射特性を示すのが望ましい。この条件を十分に満たすのは、金・銀・銅・アルミニウムといった金属やそれらの合金などである。また、光閉じ込めとして知られる所定の波長範囲で光学的に透明な凸凹層を設けることも行なわれていて、一般的には前記金属層と半導体活性層の間に凸凹の透明導電性層を設けて、反射光を有効に利用して短絡電流密度Jscを改善することが試みられている。さらに、前記透明導電性層は、シャントパスによる特性低下を防止する。極めて一般的にはこれらの層は、真空蒸着やスパッタといった方法にて成膜され、短絡電流密度の改善を示している。   Conventionally, photovoltaic devices made of hydrogenated amorphous silicon, hydrogenated amorphous silicon germanium, hydrogenated amorphous silicon carbide, microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, etc., improve collection efficiency at long wavelengths. In addition, the back reflective layer has been used. Such a reflective layer desirably exhibits an effective reflective characteristic at a wavelength close to the band edge of the semiconductor material and at which absorption is reduced, that is, from 800 nm to 1200 nm. It is metals such as gold, silver, copper, and aluminum and their alloys that sufficiently satisfy this condition. An optically transparent uneven layer is also provided in a predetermined wavelength range known as optical confinement. Generally, an uneven transparent conductive layer is provided between the metal layer and the semiconductor active layer. Thus, attempts have been made to improve the short-circuit current density Jsc by effectively using the reflected light. Further, the transparent conductive layer prevents deterioration of characteristics due to a shunt path. Very generally, these layers are deposited by methods such as vacuum evaporation and sputtering, and show improved short circuit current density.

その例として、非特許文献1、非特許文献2などに、銀原子から構成される反射層について反射率とテクスチャー構造について検討されている。これらの例においては、反射層を基板温度を変えて形成した銀の2層堆積とすることで有効な凸凹を形成し、これによって酸化亜鉛層とのコンビネーションにて、光閉じ込め効果による短絡電流の増大を達成したとしている。   As an example, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and the like have examined the reflectance and texture structure of a reflective layer composed of silver atoms. In these examples, an effective unevenness is formed by depositing the reflective layer with two layers of silver formed by changing the substrate temperature, and in this way, in combination with the zinc oxide layer, the short circuit current due to the light confinement effect is reduced. The increase is said to have been achieved.

また、特許文献1では、亜鉛イオン0.001mol/l〜0.5mol/l、及び硝酸イオン0.001mol/l〜0.5mol/lを含有する水溶液からなる酸化亜鉛層作製用電解液を用いて作製した酸化亜鉛層は、膜厚及び組成が均一で、光学的透明性に優れた酸化亜鉛層が形成されたことが開示されている。   Moreover, in patent document 1, the electrolyte solution for zinc oxide layer preparation which consists of aqueous solution containing zinc ion 0.001 mol / l-0.5 mol / l and nitrate ion 0.001 mol / l-0.5 mol / l is used. It is disclosed that the zinc oxide layer produced in this manner has a uniform film thickness and composition and a zinc oxide layer excellent in optical transparency.

また、特許文献2では、基体上にスパッタ法により第1の酸化亜鉛薄膜を形成する工程と、少なくとも硝酸イオン、亜鉛イオン、及び炭水化物を含有してなる水溶液に前記基体を浸漬し、該溶液中に浸漬された電極との間に通電することにより、第2の酸化亜鉛薄膜を前記第1の酸化亜鉛薄膜上に形成する工程とを有することを特徴とする酸化亜鉛薄膜の製造方法では、安価で実施することが可能であり、膜の異常成長が抑制でき、基板密着性に優れた酸化亜鉛薄膜の形成が可能であることが開示されている。   In Patent Document 2, a step of forming a first zinc oxide thin film on a substrate by a sputtering method, and immersing the substrate in an aqueous solution containing at least nitrate ions, zinc ions, and carbohydrates, A method of forming a second zinc oxide thin film on the first zinc oxide thin film by energizing the electrode immersed in the electrode, and a method for producing the zinc oxide thin film, which is inexpensive It is disclosed that it is possible to suppress the abnormal growth of the film and to form a zinc oxide thin film having excellent substrate adhesion.

また、特許文献3では、導電性基体と対向電極とを少なくとも硝酸イオンと亜鉛イオンとを含有する水溶液に浸漬し、該導電性基体と対向電極との間に通電することにより該導電性基体上に酸化亜鉛層を形成する酸化亜鉛層の形成方法において、前記水溶液として、sp2混成軌道を有する複数の炭素にカルボキシル基が結合した多価カルボン酸又はそのエステルを含有する水溶液を用いて形成した酸化亜鉛層は、光閉じ込め効果の高いテクスチャー形状を有することが開示されている。   Further, in Patent Document 3, a conductive substrate and a counter electrode are immersed in an aqueous solution containing at least nitrate ions and zinc ions, and a current is passed between the conductive substrate and the counter electrode, whereby the conductive substrate and the counter electrode are placed on the conductive substrate. In the method of forming a zinc oxide layer in which a zinc oxide layer is formed, an oxidation solution formed using an aqueous solution containing a polyvalent carboxylic acid in which carboxyl groups are bonded to a plurality of carbons having sp2 hybrid orbitals or an ester thereof as the aqueous solution. It is disclosed that the zinc layer has a texture shape with a high light confinement effect.

特許第3273294号公報Japanese Patent No. 3273294 特開平10−140373号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-140373 特開2002−167695号公報JP 2002-167695 A 「29p−MF−22ステンレス基板上のa−SiGe太陽電池における光閉じ込め効果」(1990年秋季)第51回応用物理学会学術講演会講演予稿集p747"Optical confinement effect in a-SiGe solar cell on 29p-MF-22 stainless steel substrate" (Autumn 1990) Proceedings of the 51st JSAP scientific conference p747 P−IA−15a−SiC/a−Si/a−SiGe Multi−Bandgap Stacked Solar Cells With Bandgap Profiling,”Sannomiya et al.,Technical Digest of the International PVSEC−5,Kyoto,Japan,p381,1990P-IA-15a-SiC / a-Si / a-SiGe Multi-Bandgap Stacked Solar Cells With Bandgap Profiling, “Sanomiya et al., Technical Digest of the International Jp 19

前述のようにすでに開示された光閉じ込め層は、優れた光変換特性を有するものであるが、非特許文献1、非特許文献2では、酸化亜鉛層を抵抗加熱や電子ビームによる真空蒸着法、スッパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法などに方法によってのみ形成されており、ターゲット材料などの作成工賃が高いことや、真空装置の償却費の大きいことや、材料の利用効率が高くないことは、これらの技術を用いる光起電力素子のコストを極めて高いものとして、太陽電池を産業的に応用しようとする上で大きなバリアとなっている。   As described above, the light confinement layer already disclosed has excellent light conversion characteristics. However, in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, the zinc oxide layer is heated by resistance heating or vacuum deposition using an electron beam, It is formed only by the sputtering method, ion plating method, CVD method, etc., and the production cost of the target material etc. is high, the depreciation cost of the vacuum equipment is large, and the utilization efficiency of the material is not high This is a great barrier to industrial application of solar cells by making the cost of photovoltaic devices using these technologies extremely high.

また、特許文献1では、膜厚および組成が均一で光学的特性の優れた酸化亜鉛層の作成に関する技術が開示されているが、テクスチャー構造を備えた酸化亜鉛層の作成に関しては触れられておらず、例えば、表面に酸化亜鉛層を備えた基板上に、半導体膜を積層させて形成した光起電力素子において、酸化亜鉛層として膜厚の均一なものを使用した場合には、光閉じ込め効果が十分に発揮されず、光電変換特性、特に短絡電流を増加させる効果は不十分である。   Patent Document 1 discloses a technique relating to the production of a zinc oxide layer having a uniform film thickness and composition and excellent optical characteristics, but does not mention the production of a zinc oxide layer having a texture structure. For example, in a photovoltaic element formed by laminating a semiconductor film on a substrate having a zinc oxide layer on the surface, when a uniform thickness is used as the zinc oxide layer, the light confinement effect Is not sufficiently exhibited, and the photoelectric conversion characteristics, particularly the effect of increasing the short-circuit current is insufficient.

また、前記亜鉛イオン及び硝酸イオンを含有する水溶液からの電析によって形成された酸化亜鉛薄膜は、特に、電流密度を上昇させたり、溶液の濃度を上げたりする条件下で形成した場合には、堆積上にミクロンオーダーを超えるような針状や球状や樹脂状などの形状をした異常成長が生成しやすく、この酸化亜鉛薄膜を光起電力素子の一部として用いた場合には、これらの異常成長が光起電力素子のシャントパスを誘発する原因となると考えられる。さらに、前記亜鉛イオン及び硝酸イオンを含有する水溶液からの電析によって形成された酸化亜鉛薄膜は、酸化亜鉛結晶粒の大きさにばらつきが生じやすく、大面積化したときの均一性に問題があった。さらに、前記亜鉛イオン及び硝酸イオンを含有する水溶液からの電析によって形成された酸化亜鉛薄膜は、基体上への密着性が抵抗加熱や電子ビームによる真空蒸着法、スッパッタリング法、イオンプレーティング法、CVD法などによって形成されたものに対して劣るといった問題点があった。   In addition, the zinc oxide thin film formed by electrodeposition from an aqueous solution containing zinc ions and nitrate ions, particularly when formed under conditions that increase the current density or increase the concentration of the solution, Abnormal growth in the shape of needles, spheres, or resins that exceed the micron order is likely to occur on the deposit, and these anomalies are likely to occur when this zinc oxide thin film is used as part of a photovoltaic device. It is considered that the growth causes a shunt path of the photovoltaic device. Furthermore, the zinc oxide thin film formed by electrodeposition from an aqueous solution containing zinc ions and nitrate ions tends to vary in the size of zinc oxide crystal grains, and has a problem in uniformity when the area is increased. It was. Further, the zinc oxide thin film formed by electrodeposition from an aqueous solution containing zinc ions and nitrate ions has an adhesion property to the substrate, such as resistance heating or electron beam vacuum deposition, sputtering, ion plating. There is a problem that it is inferior to those formed by the method, the CVD method or the like.

特許文献2や特許文献3で開示された技術は、光閉じ込め効果に優れた形状を有し、異常成長を低減し、均一性を向上させたもので、光起電力素子の基板としては優れた特性をもつものであるが、さらに高い光起電力素子の特性を得るためには、凹凸に富んだ形状を維持しつつ、光起電力素子により適した透過率、導電率を有した酸化亜鉛層とすることが重要となる。   The techniques disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3 have a shape excellent in light confinement effect, reduce abnormal growth, and improve uniformity, and are excellent as a substrate of a photovoltaic device. In order to obtain a higher photovoltaic element characteristic, the zinc oxide layer has a transmittance and conductivity more suitable for the photovoltaic element while maintaining the shape rich in irregularities. Is important.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、従来の方法に比べさらなる優れた反射特性・電気特性をもつ酸化亜鉛層を安価に形成することができ、これを光起電力素子に組み入れることにより、効率の高い素子を安価に供給することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a zinc oxide layer having further excellent reflection characteristics and electrical characteristics compared to conventional methods can be formed at low cost, and this can be used as a photovoltaic device. By incorporating it, an object is to supply a highly efficient device at a low cost.

上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下のとおりである。   The configuration of the present invention made to achieve the above object is as follows.

即ち、本発明は、基体上に形成した酸化亜鉛層であって、該酸化亜鉛層は、1.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下の塩素原子を含有していることを特徴とする酸化亜鉛層にある。 That is, the present invention is a zinc oxide layer formed on a substrate, the zinc oxide layer containing 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 5.0 × 10 19 cm −3 or less chlorine atoms. It is in the zinc oxide layer characterized by having.

また、本発明は、基体上に少なくとも酸化亜鉛層と半導体層を積層させて形成した光起電力素子であって、該酸化亜鉛層は、1.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下の塩素原子を含有していることを特徴とする光起電力素子にある。 The present invention also relates to a photovoltaic element formed by laminating at least a zinc oxide layer and a semiconductor layer on a substrate, the zinc oxide layer being 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 5.0 × The photovoltaic element is characterized by containing chlorine atoms of 10 19 cm −3 or less.

本発明の光起電力素子においては、前記酸化亜鉛層中の塩素原子が、該酸化亜鉛層の層厚方向に含有量が変化しており、膜中に極大値を有することが好ましい。この場合、前記酸化亜鉛層中に前記極大値を複数有することが好ましく、さらに前記酸化亜鉛層中に有する前記複数の極大値のうち、前記基体側に存在する極大値が前記半導体層側に存在する極大値よりも小さいことが好ましい。   In the photovoltaic device of the present invention, it is preferable that the chlorine atom in the zinc oxide layer has a maximum content in the film, with the content changing in the thickness direction of the zinc oxide layer. In this case, it is preferable to have a plurality of the maximum values in the zinc oxide layer, and among the plurality of maximum values in the zinc oxide layer, a maximum value existing on the substrate side exists on the semiconductor layer side. It is preferably smaller than the local maximum value.

また、前記半導体層中に含まれる塩素原子の含有量の最大値が、前記酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の含有量の最大値よりも小さいことが好ましい。この場合、前記半導体層中に含まれる塩素原子の含有量の最大値が、前記酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の含有量の最大値の1/10以下であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the maximum value of the content of chlorine atoms contained in the semiconductor layer is smaller than the maximum value of the content of chlorine atoms contained in the zinc oxide layer. In this case, it is preferable that the maximum value of the content of chlorine atoms contained in the semiconductor layer is 1/10 or less of the maximum value of the content of chlorine atoms contained in the zinc oxide layer.

本発明の酸化亜鉛層によれば、酸化亜鉛層の形状を凹凸形状に富んだ構成を維持しながら、高い透過率・導電率を有する酸化亜鉛層の形成が可能であり、またこれに半導体層を積層させて形成した本発明の光起電力素子は、短絡電流密度が大きく、シリーズ抵抗が小さな、光電変換素子として優れた特性を有する。   According to the zinc oxide layer of the present invention, it is possible to form a zinc oxide layer having high transmittance / conductivity while maintaining the configuration of the zinc oxide layer rich in irregularities, and to this, the semiconductor layer The photovoltaic element of the present invention formed by laminating the layers has excellent short circuit current density, low series resistance, and excellent characteristics as a photoelectric conversion element.

前述した課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発明者は、基体上に形成した酸化亜鉛層に1.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下の塩素原子を含有せしめることによって、酸化亜鉛層の形状を凹凸形状に富んだ構成を維持しつつ、高い透過率・導電率を達成することが可能であり、またこれに半導体層を積層させて形成した光起電力素子は、短絡電流密度が大きく、シリーズ抵抗が小さな、光電変換素子として優れた特性を有することを見出したものである。 As a result of intensive studies in order to solve the above-described problems, the present inventor has found that the zinc oxide layer formed on the substrate has a thickness of 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 5.0 × 10 19 cm −3 or less. By containing chlorine atoms, it is possible to achieve high transmittance and electrical conductivity while maintaining a rich structure of the zinc oxide layer, and by laminating a semiconductor layer on it. The obtained photovoltaic element has been found to have excellent characteristics as a photoelectric conversion element having a large short-circuit current density and a small series resistance.

以下で本発明の特徴が及ぼす作用について説明する。   In the following, the effect of the characteristics of the present invention will be described.

酸化亜鉛層の導電性を変化させる方法としては、アルミニウムやリチウムなどの金属を混入させる方法が知られているが、かかる方法では膜全体の結晶構造に影響を与えてしまい、凹凸形状に富んだ構成を維持しつつ導電性を変化させることができない。それに対して本発明による酸化亜鉛層に所定量の塩素原子を含有させる方法によれば、凹凸形状に富んだ構成を維持しながら、酸化亜鉛層の導電率を変化させることが可能となる。この詳細なメカニズムは不明であるが、本発明による酸化亜鉛層では格子の骨格である亜鉛原子を他の金属原子と置き換えることがないために、膜全体の結晶構造への影響を極力与えずに導電率を変化させることができるためではないかと推測している。また、酸化亜鉛層中の塩素原子が、膜中の歪の発生を抑制する効果を有し、歪が抑制されることで、高い透過率・導電率を得る効果もあるのではないかと考えている。   As a method for changing the conductivity of the zinc oxide layer, a method in which a metal such as aluminum or lithium is mixed is known. However, this method affects the crystal structure of the entire film, and is rich in uneven shape. The conductivity cannot be changed while maintaining the configuration. On the other hand, according to the method of adding a predetermined amount of chlorine atoms to the zinc oxide layer according to the present invention, it is possible to change the conductivity of the zinc oxide layer while maintaining a configuration rich in uneven shape. Although the detailed mechanism is unknown, the zinc oxide layer according to the present invention does not replace the zinc atom, which is the lattice skeleton, with other metal atoms, so that the influence on the crystal structure of the entire film is minimized. It is presumed that the conductivity can be changed. Also, the chlorine atoms in the zinc oxide layer have the effect of suppressing the generation of strain in the film, and it is thought that there is also the effect of obtaining high transmittance and conductivity by suppressing the strain. Yes.

酸化亜鉛層中の塩素原子の量としては、1.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下が好ましい範囲として挙げられる。1.0×1018cm-3よりも少ないと、上記の効果の発現が顕著でなく、5.0×1019cm-3より多いと、酸化亜鉛層の粒界に塩素原子が蓄積されるなどの理由により、むしろ透過率の減少が起こってしまうため好ましくない。 The amount of chlorine atoms in the zinc oxide layer, 1.0 × 10 18 cm -3 or more 5.0 × 10 19 cm -3 or less can be cited as a preferable range. When the amount is less than 1.0 × 10 18 cm −3 , the above effect is not significantly exhibited. When the amount is more than 5.0 × 10 19 cm −3 , chlorine atoms accumulate at the grain boundaries of the zinc oxide layer. For the reasons described above, the transmittance is rather decreased, which is not preferable.

酸化亜鉛層中の塩素原子の分布は、膜中に同量を均一に分布させる構成でもよいが、塩素原子の量を酸化亜鉛と隣接層との界面付近で減少させるように分布させ、膜厚の内部に極大値を有する構成が好ましいものである。かかる構成によれば、隣接層への塩素原子の拡散を効果的に防止することができる。また酸化亜鉛形成初期領域の塩素原子の含有量を相対的に少なくすることにより、酸化亜鉛形成初期領域の微小結晶粒の発生を抑制でき、透過率のより高い酸化亜鉛層の形成が可能になると本発明者らは考えている。   The distribution of chlorine atoms in the zinc oxide layer may be configured so that the same amount is uniformly distributed in the film, but the distribution is such that the amount of chlorine atoms is reduced near the interface between the zinc oxide and the adjacent layer. A configuration having a maximum value inside is preferable. According to such a configuration, diffusion of chlorine atoms to the adjacent layer can be effectively prevented. In addition, by relatively reducing the content of chlorine atoms in the initial region of zinc oxide formation, it is possible to suppress the generation of fine crystal grains in the initial region of zinc oxide formation and to form a zinc oxide layer with higher transmittance. The present inventors are thinking.

基体上に形成した酸化亜鉛層を、反射特性の優れた構造にするためには、その表面形状を適切なサイズの凹凸構造となるように制御し、反射すべき波長域の光を、十分に反射することのできる形状とすることが好ましいものである。具体的には、反射すべき波長域のオーダーの凹凸形状を有していることが好ましい。表面形状の制御が求められるときの酸化亜鉛層の形成方法としては、少なくともその一部を水溶液からの電気化学的反応による電析法を用いることが好ましい構成として挙げられる。電析法では、水溶液中のイオンの濃度、添加物の種類及び量、水溶液温度、pH、水溶液の循環方法、などの調整により、スパッタ法などの他の形成方法と比べて形状の制御をより簡便に実施することが可能である。特に、酸化亜鉛層の表面層の形成を電析法で行うことは好ましいものである。さらにスパッタ法では必要となる、高価な酸化物ターゲットや真空装置が、電析法では不要であり、材料も製造装置も低コストで作成することが可能であるため、少なくとも一部の酸化亜鉛を電析法で形成することは、コストの面からも有利である。   In order to make the zinc oxide layer formed on the substrate into a structure with excellent reflection characteristics, the surface shape is controlled so as to be an uneven structure of an appropriate size, and the light in the wavelength range to be reflected is sufficiently A shape that can be reflected is preferable. Specifically, it is preferable to have an uneven shape in the order of the wavelength range to be reflected. As a method for forming a zinc oxide layer when control of the surface shape is required, it is preferable to use an electrodeposition method based on an electrochemical reaction from an aqueous solution at least partly. In the electrodeposition method, by controlling the concentration of ions in the aqueous solution, the type and amount of additives, the aqueous solution temperature, pH, the aqueous solution circulation method, etc., the shape can be controlled more than in other methods such as sputtering. It is possible to carry out simply. In particular, it is preferable to form the surface layer of the zinc oxide layer by an electrodeposition method. In addition, expensive oxide targets and vacuum devices, which are necessary for sputtering, are not necessary for electrodeposition, and materials and manufacturing equipment can be produced at low cost. Forming by an electrodeposition method is advantageous from the viewpoint of cost.

本発明の形状を満たす酸化亜鉛層の形成方法としては、上述したように、少なくともその一部を水溶液からの電気化学的反応による電析法を用いることにより、スパッタ法などの他の形成方法だけで実施した場合と比べて、形成後に加工するなどの手段をとることなく形状の制御が可能である点から好ましいものであるが、特に、酸化亜鉛層の表面層の形成を電析法で行うことは好ましいものである。   As described above, as a method for forming a zinc oxide layer satisfying the shape of the present invention, at least a part of the zinc oxide layer is formed by using an electrodeposition method based on an electrochemical reaction from an aqueous solution. Compared with the case where it is carried out in (1), it is preferable because the shape can be controlled without taking measures such as processing after the formation. In particular, the formation of the surface layer of the zinc oxide layer is performed by an electrodeposition method. That is preferred.

酸化亜鉛層と下部層との組み合わせによっては、酸化亜鉛層と下部層との密着性をより強化する必要がある場合や、あるいは下部層上に電析法では酸化亜鉛の成長核の形成することが難しい場合など、下部層上に直接電析法で酸化亜鉛層の形成をすることが困難である場合には、前記酸化亜鉛層を、第一の酸化亜鉛層をスパッタ法でまず形成し、該第一の酸化亜鉛層上に、水溶液からの電気化学的反応による電析法で第二の酸化亜鉛層を積層する層構成とすることは、好ましいものである。この場合、第二の酸化亜鉛層の条件を、第一の酸化亜鉛層の材質や形状に合わせて調整することで、様々な表面形状を有する酸化亜鉛層を形成することが可能である。   Depending on the combination of the zinc oxide layer and the lower layer, it may be necessary to further strengthen the adhesion between the zinc oxide layer and the lower layer, or the formation of zinc oxide growth nuclei on the lower layer by electrodeposition In the case where it is difficult to form a zinc oxide layer by direct electrodeposition on the lower layer, such as when it is difficult, the zinc oxide layer is first formed by sputtering the first zinc oxide layer, It is preferable to form a layer structure in which the second zinc oxide layer is laminated on the first zinc oxide layer by an electrodeposition method using an electrochemical reaction from an aqueous solution. In this case, it is possible to form zinc oxide layers having various surface shapes by adjusting the conditions of the second zinc oxide layer according to the material and shape of the first zinc oxide layer.

酸化亜鉛層を上述したような複数の積層構成とした場合には、酸化亜鉛層中に含まれる塩素原子の含有量は、それぞれの酸化亜鉛層に適した値となるように制御することが好ましい構成である。また、それぞれの酸化亜鉛層の塩素含有量を、上述したように膜厚の内部に極大値を有する構成とすることも、同様に好ましいものである。この場合、酸化亜鉛層全体では、塩素含有量の複数の極大値を有した構成となる。   When the zinc oxide layer has a plurality of laminated structures as described above, the content of chlorine atoms contained in the zinc oxide layer is preferably controlled so as to be a value suitable for each zinc oxide layer. It is a configuration. Similarly, it is also preferable that the chlorine content of each zinc oxide layer has a maximum value inside the film thickness as described above. In this case, the entire zinc oxide layer has a configuration having a plurality of maximum values of chlorine content.

前記酸化亜鉛層を、第一の酸化亜鉛層をスパッタ法でまず形成し、該第一の酸化亜鉛層上に、水溶液からの電気化学的反応による電析法で第二の酸化亜鉛層を積層する層構成とした場合、第一の酸化亜鉛層の塩素原子の含有量の極大値が、第二の酸化亜鉛層の極大値よりも小さいほうが、より好ましい構成である。その理由は、電析法で形成した酸化亜鉛の方が、スパッタ法で形成した酸化亜鉛よりも酸素原子の亜鉛原子の比が化学量論比に近いために導電率が低く、電析法で形成した酸化亜鉛層中により多くの塩素原子を含有させることにより酸化亜鉛層の導電率を高める手段となる、或いは塩素原子の存在が過剰の亜鉛原子を格子間位置に収容することが可能になる作用を有しているなどの理由により、電析法で形成した酸化亜鉛層の導電率を高める効果を発現しているのではないかと推察している。   First, the first zinc oxide layer is formed by sputtering, and the second zinc oxide layer is laminated on the first zinc oxide layer by an electrodeposition method using an electrochemical reaction from an aqueous solution. When it is set as the layer structure to perform, the one where the maximum value of content of the chlorine atom of a 1st zinc oxide layer is smaller than the maximum value of a 2nd zinc oxide layer is a more preferable structure. The reason is that zinc oxide formed by the electrodeposition method has a lower electrical conductivity because the ratio of zinc atoms to oxygen atoms is closer to the stoichiometric ratio than zinc oxide formed by the sputtering method. Inclusion of more chlorine atoms in the formed zinc oxide layer can be a means to increase the conductivity of the zinc oxide layer, or the presence of chlorine atoms can accommodate excess zinc atoms at interstitial positions. It is presumed that the effect of increasing the conductivity of the zinc oxide layer formed by the electrodeposition method is exhibited due to the fact that it has an action.

また、基体上に少なくとも上述した酸化亜鉛層と半導体層を積層させて光起電力素子を形成する際、酸化亜鉛層上に積層するシリコン原子を含有した半導体層においては、半導体層に含まれる塩素原子は欠陥の誘発などを引き起こすために、その含有量は所定量以下であることが好ましく、半導体層に含まれる塩素原子の量が、酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の量よりも相対的に小さいほうが好ましいものである。具体的には、前記半導体層中に含まれる塩素原子の含有量の最大値が、前記酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の含有量の最大値の1/10以下であるのが好ましい形態として挙げられる。   Further, when a photovoltaic element is formed by laminating at least the above-described zinc oxide layer and a semiconductor layer on a substrate, in the semiconductor layer containing silicon atoms laminated on the zinc oxide layer, chlorine contained in the semiconductor layer In order for atoms to induce defects and the like, the content is preferably below a predetermined amount, and the amount of chlorine atoms contained in the semiconductor layer is relatively greater than the amount of chlorine atoms contained in the zinc oxide layer. The smaller one is preferable. Specifically, it is preferable that the maximum value of the chlorine atom content contained in the semiconductor layer is 1/10 or less of the maximum value of the chlorine atom content contained in the zinc oxide layer. It is done.

次に本発明の光起電力素子の構成要素について説明する。   Next, components of the photovoltaic element of the present invention will be described.

図1、図2は本発明の光起電力素子及び基板の一例を示す模式的な断面図である。図中101は基板、102−1はn型半導体層、102−2はi型半導体層、102−3はp型半導体層、103は透明導電層、104は集電電極である。また、101−1は基体、101−2は反射層、101−3は酸化亜鉛層であり、これらは基板101の構成部材である。ここで、図2(A)に示した基板101は酸化亜鉛層101−3が1層構成、図2(B)に示した基板101は酸化亜鉛層101−3が2層構成(第一の酸化亜鉛層101−3A及び第二の酸化亜鉛層101−3B)のものである。なお、反射層101−2は必要に応じて形成される。   1 and 2 are schematic cross-sectional views showing examples of the photovoltaic element and the substrate of the present invention. In the figure, 101 is a substrate, 102-1 is an n-type semiconductor layer, 102-2 is an i-type semiconductor layer, 102-3 is a p-type semiconductor layer, 103 is a transparent conductive layer, and 104 is a collecting electrode. Reference numeral 101-1 denotes a base body, 101-2 denotes a reflective layer, and 101-3 denotes a zinc oxide layer. These are constituent members of the substrate 101. Here, the substrate 101 shown in FIG. 2A has a single layer structure of the zinc oxide layer 101-3, and the substrate 101 shown in FIG. Those of the zinc oxide layer 101-3A and the second zinc oxide layer 101-3B). The reflective layer 101-2 is formed as necessary.

(基体)
基体101−1としては、金属、樹脂、ガラス、セラミックス、半導体バルク等からなる板状部材やシート状部材が好適に用いられる。その表面には微細な凸凹を有していてもよい。透明基体を用いて基体側から光が入射する構成としてもよい。なお、透明基体側から光が入射する構成とする場合には、反射層101−2を設ける場合は、反射層101−2は半導体層よりも光入射側とは反対側に配置する。また、基体を長尺の形状とすることによってロール・ツー・ロール法を用いた連続成膜を行うことができる。特にステンレス、ポリイミド等の可撓性を有する材料は基体101−1の材料として好適である。
(Substrate)
As the substrate 101-1, a plate-like member or sheet-like member made of metal, resin, glass, ceramics, semiconductor bulk, or the like is preferably used. The surface may have fine irregularities. It is good also as a structure which light injects from the base | substrate side using a transparent base | substrate. In the case where light is incident from the transparent substrate side, when the reflective layer 101-2 is provided, the reflective layer 101-2 is disposed on the opposite side of the light incident side from the semiconductor layer. Moreover, continuous film formation using a roll-to-roll method can be performed by making the base into a long shape. In particular, a flexible material such as stainless steel or polyimide is suitable as the material of the base 101-1.

(反射層)
反射層101−2は電極としての役割と、到達した光を反射して半導体層102で再利用させる反射層としての役割とを有する。その材料としては、Al、Cu、Ag、Au、CuMg、AlSiやこれらの合金を好適に用いることができる。また反射層をNi、Cr、Tiなどの遷移金属を下地層とした積層構造とすることも好適である。このような積層構造とすることにより、基体と反射層の密着性をより向上させる効果が期待できる。反射層の形成方法としては、蒸着、スパッタ、電析、印刷等の方法が好適である。反射層101−2は、その表面に凸凹を有することが好ましい。それにより反射光の半導体層102内での光路長を伸ばし、短絡電流を増大させることができる。
(Reflective layer)
The reflective layer 101-2 has a role as an electrode and a role as a reflective layer that reflects the reached light and reuses it in the semiconductor layer 102. As the material, Al, Cu, Ag, Au, CuMg, AlSi and alloys thereof can be preferably used. It is also preferable that the reflective layer has a laminated structure in which a transition metal such as Ni, Cr, or Ti is used as an underlayer. With such a laminated structure, an effect of further improving the adhesion between the substrate and the reflective layer can be expected. As a method for forming the reflective layer, methods such as vapor deposition, sputtering, electrodeposition, and printing are suitable. The reflective layer 101-2 preferably has an uneven surface. Thereby, the optical path length of the reflected light in the semiconductor layer 102 can be extended, and the short circuit current can be increased.

(酸化亜鉛層)
酸化亜鉛層101−3は、入射光及び反射光の乱反射を増大し、半導体層102内での光路長を伸ばす役割を有する。また、反射層101−2の元素が半導体層102へ拡散あるいはマイグレーションを起こし、光起電力素子がシャントすることを防止する役割を有する。さらに、適度な抵抗をもつことにより、半導体層のピンホール等の欠陥によるショートを防止する役割を有する。酸化亜鉛層101−3は、入射光及び反射光の乱反射を増大させるために、波長オーダーの凹凸形状を有する構成とするのが好ましい。上述した凹凸形状を形成するためには、酸化亜鉛層の少なくとも一部を、水溶液からの電気化学的反応による電析法によって形成するのが、表面形状の制御を、形成後に加工するなどの手段をとることなく、可能である点から好ましいものである。また、凹凸に富んだ形状を維持しつつ、光起電力素子に最適な透過率、導電率を有した酸化亜鉛層とするために、酸化亜鉛層は、1.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下の塩素原子を含有しているのが好ましい。
(Zinc oxide layer)
The zinc oxide layer 101-3 has a role of increasing the irregular reflection of incident light and reflected light and extending the optical path length in the semiconductor layer 102. In addition, the element of the reflective layer 101-2 has a role of preventing the photovoltaic element from being shunted due to diffusion or migration to the semiconductor layer 102. Furthermore, it has a role of preventing a short circuit due to a defect such as a pinhole in the semiconductor layer by having an appropriate resistance. The zinc oxide layer 101-3 preferably has a concavo-convex shape on the order of wavelengths in order to increase the irregular reflection of incident light and reflected light. In order to form the concavo-convex shape described above, at least a part of the zinc oxide layer is formed by an electrodeposition method using an electrochemical reaction from an aqueous solution. It is preferable because it is possible without taking. Further, in order to obtain a zinc oxide layer having optimal transmittance and conductivity while maintaining a shape rich in irregularities, the zinc oxide layer is 1.0 × 10 18 cm −3 or more. It preferably contains not more than 5.0 × 10 19 cm −3 of chlorine atoms.

電析法によって酸化亜鉛層を形成する条件は、耐腐食性容器内に、硝酸イオン、亜鉛イオンを含んだ水溶液を用いるのが好ましい。水溶液に含まれる物質の濃度は、下地層の形状や材質によって最適値は異なるが、硝酸イオン、亜鉛イオンの濃度は、0.002mol/lから2.0mol/lの範囲にあるのが望ましく、0.01mol/lから1.0mol/lの範囲にあるのがより望ましく、0.1mol/lから0.5mol/lの範囲にあるのがさらに望ましい。硝酸イオン、亜鉛イオンの供給源としては特に限定するものではなく、両方のイオンの供給源である硝酸亜鉛でもよいし、硝酸イオンの供給源である硝酸アンモニウムなどの水溶性の硝酸塩と、亜鉛イオンの供給源である硫酸亜鉛などの亜鉛塩の混合物であってもよい。さらに、水溶液に、異常成長を抑制したり密着性を向上させるために、サッカロースやデキストリンなどの炭水化物を加えることも好ましいものである。ただし過剰の炭水化物は、酸化亜鉛のc軸配向に特定する働きが強まり、表面形状を平坦化させるため好ましくない。以上のことから、水溶液中の炭水化物の量は炭水化物の種類にもよるが概ね、サッカロースの場合には、1g/lから500g/l、さらに好ましくは3g/lから100g/lが好ましい範囲として挙げられ、デキストリンの場合には、0.01g/lから10g/l、さらに好ましくは、0.025g/lから1g/lが好ましい範囲として挙げられる。また、詳細な効果やその機構については不明であるが、水溶液に、前記構成物の凹凸形状の大きさを制御したり、傾斜角を制御したりする目的のために、sp2混成軌道を有する複数の炭素にカルボキシル基が結合した多価カルボン酸またはそのエステルを導入することが好ましいものである。sp2混成軌道を有する複数の炭素にカルボキシル基が結合した多価カルボン酸又はそのエステルとしては、−C=C−基を有しこれらの炭素それぞれにカルボキシル基又はエステル基が結合したものや、芳香環(ベンゼン環や複素芳香環など)中の複数の炭素にカルボキシル基が結合したものが挙げられる。より具体的には、フタル酸、イソフタル酸、マレイン酸、ナフタル酸あるいはこれらのエステルなどが挙げられる。ただし過剰の多価カルボン酸は、酸化亜鉛層の凹凸形状を微小化させる働きがあるため好ましくない。以上のことから、これらの多価カルボン酸の濃度は、0.5μmol/l〜500μmol/lとすることが好ましく、1μmol/l〜300μmol/lとすることがさらに好ましい範囲として挙げられる。電析法により酸化亜鉛層を堆積する場合には、前記の水溶液中に酸化亜鉛層を堆積する基体を陰極にし、亜鉛、白金、炭素などを陽極とするのが好ましい。また陽極と陰極間に流す電流値の範囲としては、好ましくは0.1mA/cm2〜100mA/cm2、さらに好ましくは1mA/cm2〜30mA/cm2、最適には4mA/cm2〜20mA/cm2が挙げられる。酸化亜鉛中に塩素原子を含有させる方法としては、硫酸亜鉛などの原材料中に所定の濃度の塩化物を混入させたものを用いたり、水溶液中にCl-やClO-などの塩素原子を含有したイオンを混入させる方法などが挙げられる。 As a condition for forming the zinc oxide layer by the electrodeposition method, it is preferable to use an aqueous solution containing nitrate ions and zinc ions in a corrosion-resistant container. The concentration of the substance contained in the aqueous solution varies depending on the shape and material of the underlayer, but the concentration of nitrate ions and zinc ions is preferably in the range of 0.002 mol / l to 2.0 mol / l. It is more desirably in the range of 0.01 mol / l to 1.0 mol / l, and further desirably in the range of 0.1 mol / l to 0.5 mol / l. The source of nitrate ions and zinc ions is not particularly limited, and may be zinc nitrate which is a source of both ions, water-soluble nitrate such as ammonium nitrate which is the source of nitrate ions, and zinc ions. It may be a mixture of zinc salts such as zinc sulfate as a supply source. It is also preferable to add carbohydrates such as saccharose and dextrin to the aqueous solution in order to suppress abnormal growth or improve adhesion. However, excessive carbohydrates are not preferable because the action of specifying the c-axis orientation of zinc oxide is strengthened and the surface shape is flattened. From the above, although the amount of carbohydrate in the aqueous solution depends on the kind of carbohydrate, in the case of sucrose, it is generally 1 g / l to 500 g / l, more preferably 3 g / l to 100 g / l. In the case of dextrin, a preferable range is 0.01 g / l to 10 g / l, more preferably 0.025 g / l to 1 g / l. Further, although the detailed effect and the mechanism thereof are unknown, a plurality of sp2 hybrid orbitals are provided in the aqueous solution for the purpose of controlling the size of the concavo-convex shape of the component or controlling the inclination angle. It is preferable to introduce a polyvalent carboxylic acid having a carboxyl group bonded to carbon or an ester thereof. Examples of the polyvalent carboxylic acid or ester thereof in which a carboxyl group is bonded to a plurality of carbons having sp2 hybrid orbitals include those having a —C═C— group and a carboxyl group or an ester group bonded to each of these carbons, The thing which the carboxyl group couple | bonded with several carbon in a ring (a benzene ring, a heteroaromatic ring, etc.) is mentioned. More specifically, phthalic acid, isophthalic acid, maleic acid, naphthalic acid or esters thereof can be mentioned. However, excess polyvalent carboxylic acid is not preferable because it has a function of miniaturizing the uneven shape of the zinc oxide layer. From the above, the concentration of these polyvalent carboxylic acids is preferably 0.5 μmol / l to 500 μmol / l, and more preferably 1 μmol / l to 300 μmol / l. When depositing a zinc oxide layer by an electrodeposition method, it is preferable to use the substrate on which the zinc oxide layer is deposited in the aqueous solution as a cathode and zinc, platinum, carbon or the like as an anode. The range of the current value flowing between the anode and the cathode is preferably 0.1 mA / cm 2 to 100 mA / cm 2 , more preferably 1 mA / cm 2 to 30 mA / cm 2 , optimally 4 mA / cm 2 to 20 mA. / Cm 2 . The method for incorporating the chlorine atom in the zinc oxide, or used as obtained by mixing the chloride of a predetermined concentration in the raw material, in an aqueous solution Cl, such as zinc sulfate - containing chlorine atoms, such as - and ClO Examples include a method of mixing ions.

スパッタ法によって酸化亜鉛層を形成する条件は、方法やガスの種類と流量、内圧、投入電力、成膜速度、基板温度等が大きく影響を及ぼす。例えばDCマグネトロンスパッタ法で、酸化亜鉛ターゲットを用いて酸化亜鉛層を形成する場合には、ガスの種類としてはAr、Ne、Kr、Xe、Hg、O2などが挙げられ、流量は、装置の大きさと排気速度によって異なるが、例えば成膜空間の容積が20リットルの場合、1cm3/min(normal)から100cm3/min(normal)が好ましい。また成膜時の内圧は10mPaから10Paが好ましい。投入電力は、ターゲットの大きさにもよるが、10Wから10kWが好ましい。また基板温度は、成膜速度によって好適な範囲が異なるが、70℃から450℃であることが好ましい。酸化亜鉛中に塩素原子を含有させる方法としては、スパッタガス雰囲気中に塩素原子を含有するガスを混入させたり、ターゲット材に塩化物を載置あるいは混入させる方法などが挙げられる。 The conditions for forming the zinc oxide layer by the sputtering method are greatly affected by the method, gas type and flow rate, internal pressure, input power, film formation rate, substrate temperature, and the like. For example, in the case of forming a zinc oxide layer using a zinc oxide target by DC magnetron sputtering, examples of the gas include Ar, Ne, Kr, Xe, Hg, O 2, etc., and the flow rate is For example, when the volume of the film formation space is 20 liters, it is preferably 1 cm 3 / min (normal) to 100 cm 3 / min (normal), depending on the size and the exhaust speed. The internal pressure during film formation is preferably 10 mPa to 10 Pa. The input power is preferably 10 W to 10 kW, although it depends on the size of the target. The substrate temperature is preferably in the range of 70 ° C. to 450 ° C., although the preferred range varies depending on the deposition rate. Examples of the method for containing chlorine atoms in zinc oxide include a method in which a gas containing chlorine atoms is mixed in the sputtering gas atmosphere, and a method in which chloride is placed on or mixed in the target material.

(基板)
以上の方法により、基体101−1上に、必要に応じて反射層101−2を形成した後、酸化亜鉛層101−3を積層して基板101を形成する。また、素子の集積化を容易にするために、基板101に絶縁層を設けてもよい。
(substrate)
After the reflective layer 101-2 is formed on the base 101-1 as necessary by the above method, the substrate 101 is formed by laminating the zinc oxide layer 101-3. Further, an insulating layer may be provided over the substrate 101 in order to facilitate integration of elements.

(半導体層)
半導体層にシリコン系薄膜を用いた場合の主たる材料としては、非晶質相あるいは結晶相、さらにはこれらの混相系が用いられる。Siに代えて、SiとC又はGeとの合金を用いても構わない。半導体層には同時に、水素及び/又はハロゲン原子が含有される。その好ましい含有量は0.1〜40原子%である。さらに半導体層は、酸素、窒素などを含有してもよい。半導体層をp型半導体層とするにはIII属元素、n型半導体層とするにはV属元素を含有する。p型層及びn型層の電気特性としては、活性化エネルギーが0.2eV以下のものが好ましく、0.1eV以下のものが最適である。また比抵抗としては100Ωcm以下が好ましく、1Ωcm以下が最適である。
(Semiconductor layer)
As a main material when a silicon-based thin film is used for the semiconductor layer, an amorphous phase or a crystalline phase, or a mixed phase system thereof is used. Instead of Si, an alloy of Si and C or Ge may be used. The semiconductor layer simultaneously contains hydrogen and / or halogen atoms. Its preferable content is 0.1 to 40 atomic%. Furthermore, the semiconductor layer may contain oxygen, nitrogen, and the like. To make the semiconductor layer a p-type semiconductor layer, a group III element is contained. To make the semiconductor layer an n-type semiconductor layer, a group V element is contained. As the electrical characteristics of the p-type layer and the n-type layer, those having an activation energy of 0.2 eV or less are preferable, and those having an activation energy of 0.1 eV or less are optimal. The specific resistance is preferably 100 Ωcm or less, and most preferably 1 Ωcm or less.

スタックセル(pin接合を複数有する光起電力素子)の場合、光入射側に近いpin接合のi型半導体層はバンドギャップが広く、光入射側から遠いpin接合になるに随いバンドギャップが狭くなるのが好ましい。また、i層内部ではその膜厚方向の中心よりもp層寄りにバンドギャップの極小値があるのが好ましい。光入射側のドープ層(p型層もしくはn型層)は光吸収の少ない結晶性の半導体か、又はバンドギャップの広い半導体が適している。pin接合を2組積層したスタックセルの例としては、i型シリコン系半導体層の組み合わせとして、光入射側から(アモルファス半導体層、結晶相を含む半導体層)、(結晶相を含む半導体層、結晶相を含む半導体層)、(アモルファス半導体層、アモルファス半導体層)となるものが挙げられる。また、pin接合を3組積層した光起電力素子の例としては、i型シリコン系半導体層の組み合わせとして、光入射側から(アモルファス半導体層、アモルファス半導体層、結晶相を含む半導体層)、(アモルファス半導体層、結晶相を含む半導体層、結晶相を含む半導体層)、(結晶相を含む半導体層、結晶相を含む半導体層、結晶相を含む半導体層)となるものが挙げられる。   In the case of a stack cell (photovoltaic element having a plurality of pin junctions), the pin junction i-type semiconductor layer close to the light incident side has a wide band gap, and the band gap narrows as the pin junction becomes far from the light incident side. Preferably it is. In addition, it is preferable that the band gap has a minimum value closer to the p layer than the center in the film thickness direction inside the i layer. The doped layer (p-type layer or n-type layer) on the light incident side is preferably a crystalline semiconductor with little light absorption or a semiconductor with a wide band gap. As an example of a stack cell in which two pairs of pin junctions are stacked, as a combination of i-type silicon semiconductor layers, from the light incident side (amorphous semiconductor layer, semiconductor layer including crystal phase), (semiconductor layer including crystal phase, crystal Semiconductor layer including a phase) and (amorphous semiconductor layer, amorphous semiconductor layer). In addition, as an example of a photovoltaic element in which three sets of pin junctions are stacked, as a combination of i-type silicon-based semiconductor layers, from the light incident side (amorphous semiconductor layer, amorphous semiconductor layer, semiconductor layer including a crystal phase), ( And an amorphous semiconductor layer, a semiconductor layer including a crystal phase, a semiconductor layer including a crystal phase), and a semiconductor layer including a crystal phase, a semiconductor layer including a crystal phase, and a semiconductor layer including a crystal phase.

i型半導体層としては光(630nm)の吸収係数(α)が5000cm-1以上、ソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm2)による擬似太陽光照射化の光伝導度(σp)が10×10-5S/cm以上、暗伝導度(σd)が10×10-6S/cm以下、コンスタントフォトカレントメソッド(CPM)によるアーバックエナジーが55meV以下であるのが好ましい。i型半導体層としては、わずかにp型、n型になっているものでも使用することができる。 As an i-type semiconductor layer, the absorption coefficient (α) of light (630 nm) is 5000 cm −1 or more, and the photoconductivity (σp) of simulated sunlight irradiation by a solar simulator (AM1.5, 100 mW / cm 2 ) is 10 ×. It is preferable that 10 −5 S / cm or more, dark conductivity (σd) is 10 × 10 −6 S / cm or less, and Urbach energy by a constant photocurrent method (CPM) is 55 meV or less. As the i-type semiconductor layer, even a slightly p-type or n-type layer can be used.

(半導体層の形成方法)
シリコン系半導体、及び上述の半導体層を形成するには、高周波プラズマCVD法が適している。以下、高周波プラズマCVD法によって半導体層を形成する手順の好適な例を示す。
(Method for forming semiconductor layer)
In order to form a silicon-based semiconductor and the above-described semiconductor layer, a high-frequency plasma CVD method is suitable. Hereinafter, a preferred example of the procedure for forming the semiconductor layer by the high-frequency plasma CVD method will be shown.

減圧状態にできる堆積室(真空チャンバー)内を所定の堆積圧力に減圧する。堆積室内に原料ガス、希釈ガス等の材料ガスを導入し、堆積室内を真空ポンプによって排気しつつ、堆積室内を所定の堆積圧力に設定する。基板101をヒーターによって所定の温度に設定する。高周波電源によって発振された高周波を前記堆積室に導入する。前記堆積室への高周波の導入方法は、高周波を導波管によって導き、アルミナセラミックスなどの誘電体窓を介して堆積室内に導入する方法、或いは高周波を同軸ケーブルによって導き、金属電極を介して堆積室内に導入する方法がある。堆積室内にプラズマを生起させて原料ガスを分解し、堆積室内に配置された基板101上に堆積膜を形成する。この手順を必要に応じて複数回繰り返して半導体層102を形成する。半導体層の形成条件としては、堆積室内の基板温度は100〜450℃、圧力は50mPa〜1500Pa、高周波パワーは0.001〜1W/cm3が好適な条件として挙げられる。 The inside of the deposition chamber (vacuum chamber) that can be decompressed is decompressed to a predetermined deposition pressure. A material gas such as a source gas or a dilution gas is introduced into the deposition chamber, and the deposition chamber is set to a predetermined deposition pressure while the deposition chamber is evacuated by a vacuum pump. The substrate 101 is set to a predetermined temperature by a heater. A high frequency generated by a high frequency power supply is introduced into the deposition chamber. The method of introducing a high frequency into the deposition chamber is a method in which a high frequency is guided through a waveguide and introduced into a deposition chamber through a dielectric window such as alumina ceramics, or a high frequency is guided through a coaxial cable and deposited through a metal electrode. There is a method to introduce it indoors. Plasma is generated in the deposition chamber to decompose the source gas, and a deposited film is formed on the substrate 101 disposed in the deposition chamber. This procedure is repeated a plurality of times as necessary to form the semiconductor layer 102. As conditions for forming the semiconductor layer, the substrate temperature in the deposition chamber is 100 to 450 ° C., the pressure is 50 mPa to 1500 Pa, and the high frequency power is 0.001 to 1 W / cm 3 .

本発明のシリコン系半導体、及び上述の半導体層の形成に適した原料ガスとしては、SiH4、Si26、SiF4等のシリコン原子を含有したガス化しうる化合物が挙げられる。合金系にする場合にはさらに、GeH4やCH4などのようにGeやCを含有したガス化しうる化合物を原料ガスに添加することが望ましい。原料ガスは、希釈ガスで希釈して堆積室内に導入することが望ましい。希釈ガスとしては、H2やHeなどが挙げられる。さらに窒素、酸素等を含有したガス化しうる化合物を原料ガス乃至希釈ガスとして添加してもよい。半導体層をp型層とするためのドーパントガスとしてはB26、BF3等が用いられる。また、半導体層をn型層とするためのドーパントガスとしては、PH3、PF3等が用いられる。結晶相の薄膜や、SiC等の光吸収が少ないかバンドギャップの広い層を堆積する場合には、原料ガスに対する希釈ガスの割合を増やし、比較的高いパワーの高周波を導入するのが好ましい。 Examples of the source gas suitable for forming the silicon-based semiconductor of the present invention and the semiconductor layer described above include gasifiable compounds containing silicon atoms such as SiH 4 , Si 2 H 6 , and SiF 4 . In the case of using an alloy system, it is desirable to add a gasifiable compound containing Ge or C such as GeH 4 or CH 4 to the raw material gas. The source gas is desirably diluted with a diluent gas and introduced into the deposition chamber. Examples of the dilution gas include H 2 and He. Further, a gasifiable compound containing nitrogen, oxygen or the like may be added as a source gas or a dilution gas. B 2 H 6 , BF 3 or the like is used as a dopant gas for making the semiconductor layer a p-type layer. Further, PH 3 , PF 3 or the like is used as a dopant gas for making the semiconductor layer an n-type layer. In the case of depositing a crystal phase thin film or a layer having a small optical absorption such as SiC or a wide band gap, it is preferable to increase the ratio of the dilution gas to the source gas and introduce a relatively high power high frequency.

(透明導電層)
透明導電層103は、光入射側の電極であるとともに、その膜厚を適当に設定することにより反射防止膜の役割を兼ねることができる。透明導電層103は、半導体層102の吸収可能な波長領域において高い透過率を有することと、抵抗率が低いことが要求される。好ましくは550nmにおける透過率が80%以上、より好ましくは85%以上であることが望ましい。透明導電層103の材料としては、ITO、ZnO、In23等を好適に用いることができる。その形成方法としては、蒸着、CVD、スプレー、スピンオン、浸漬などの方法が好適である。これらの材料に導電率を変化させる物質を添加してもよい。
(Transparent conductive layer)
The transparent conductive layer 103 is an electrode on the light incident side, and can also serve as an antireflection film by setting its film thickness appropriately. The transparent conductive layer 103 is required to have a high transmittance in the wavelength region that can be absorbed by the semiconductor layer 102 and to have a low resistivity. The transmittance at 550 nm is preferably 80% or more, and more preferably 85% or more. As a material of the transparent conductive layer 103, ITO, ZnO, In 2 O 3 or the like can be suitably used. As the formation method, methods such as vapor deposition, CVD, spraying, spin-on, and immersion are suitable. You may add the substance which changes electrical conductivity to these materials.

(集電電極)
集電電極104は集電効率を向上するために透明導電層103上に設けられる。その形成方法として、マスクを用いてスパッタによって電極パターンの金属を形成する方法や、導電性ペーストあるいは半田ペーストを印刷する方法、金属線を導電性ペーストで固着する方法などが好適である。
(Collector electrode)
The collecting electrode 104 is provided on the transparent conductive layer 103 in order to improve the collecting efficiency. As the formation method, a method of forming a metal of an electrode pattern by sputtering using a mask, a method of printing a conductive paste or a solder paste, a method of fixing a metal wire with a conductive paste, and the like are suitable.

なお、必要に応じて光起電力素子の両面に保護層を形成することがある。同時に光起電力素子の裏面(光入射側と反射側)などに鋼板等の補強材を併用してもよい。   In addition, a protective layer may be formed on both surfaces of the photovoltaic element as necessary. At the same time, a reinforcing material such as a steel plate may be used in combination on the back surface (light incident side and reflection side) of the photovoltaic element.

以下の実施例では、光起電力素子として太陽電池を例に挙げて本発明を具体的に説明するが、これらの実施例は本発明の内容をなんら限定するものではない。   In the following examples, the present invention will be specifically described by taking solar cells as examples of photovoltaic elements, but these examples do not limit the contents of the present invention.

(実施例1)
まず、ステンレス(SUS430−BA)からなる帯状の基体101−1(幅40cm、長さ200m、厚さ0.125mm)を十分に脱脂、洗浄し、図3の堆積膜形成装置301を用いて、上記基体101−1上に、Agからなる反射層101−2、酸化亜鉛層101−3を形成し、図2(A)に示したような構成を有する基板101を形成した。
Example 1
First, a strip-shaped substrate 101-1 (width 40 cm, length 200 m, thickness 0.125 mm) made of stainless steel (SUS430-BA) is sufficiently degreased and washed, and using the deposited film forming apparatus 301 of FIG. A reflective layer 101-2 and a zinc oxide layer 101-3 made of Ag were formed over the base 101-1, and a substrate 101 having a configuration as shown in FIG. 2A was formed.

図3は、本発明の酸化亜鉛層を含む基板を製造する堆積膜形成装置の一例を示す模式的な断面図である。図3に示す堆積膜形成装置301は、基板送り出し容器302、真空容器311〜314、基板巻き取り容器303がガスゲートを介して結合することによって構成されている。この堆積膜形成装置301には、堆積膜形成用の各真空容器を貫いて帯状の基体101−1がセットされる。帯状の基体は、基板送り出し容器302に設置されたボビンから巻き出され、基板巻き取り容器303で別のボビンに巻き取られる。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a deposited film forming apparatus for producing a substrate including a zinc oxide layer according to the present invention. The deposited film forming apparatus 301 shown in FIG. 3 is configured by combining a substrate delivery container 302, vacuum containers 311 to 314, and a substrate winding container 303 through a gas gate. In the deposited film forming apparatus 301, a belt-like substrate 101-1 is set through each vacuum container for forming a deposited film. The band-shaped substrate is unwound from a bobbin installed in the substrate delivery container 302 and is wound on another bobbin by the substrate take-up container 303.

各真空容器には、ターゲットがカソード電極341〜344として設置されており、直流電源351〜354からカソード電極に印加することによって、基体101−1上に反射層101−2、酸化亜鉛層101−3を形成することができるようになっている。また、各真空容器には、スパッタガスを導入するためのガス導入管331〜334が接続されている。また、各真空容器には、基体と放電空間との接触面積を調整するための、不図示の成膜領域調整板が設けられており、これを調整することによって各真空容器で形成される堆積膜の膜厚を調整することができるようになっている。   In each vacuum vessel, a target is installed as cathode electrodes 341 to 344, and by applying a direct current power source 351 to 354 to the cathode electrode, a reflective layer 101-2 and a zinc oxide layer 101- are formed on the base 101-1. 3 can be formed. In addition, gas introduction pipes 331 to 334 for introducing sputtering gas are connected to each vacuum vessel. Each vacuum vessel is provided with a film formation region adjusting plate (not shown) for adjusting the contact area between the substrate and the discharge space, and the deposition formed in each vacuum vessel by adjusting this is provided. The film thickness of the film can be adjusted.

まず基体304を堆積膜形成装置301に設置し、各真空容器内を十分に排気した。次に、真空排気系を作動させつつ、ガス導入管331、332、333、334からスパッタガスを供給した。この状態で真空排気系の排気能力を調整して、各真空容器内の圧力を所定の圧力に調整した。形成条件は表1に示す通りである。   First, the substrate 304 was placed in the deposited film forming apparatus 301, and each vacuum vessel was sufficiently evacuated. Next, sputtering gas was supplied from the gas introduction pipes 331, 332, 333, and 334 while operating the vacuum exhaust system. In this state, the exhaust capacity of the vacuum exhaust system was adjusted, and the pressure in each vacuum vessel was adjusted to a predetermined pressure. The formation conditions are as shown in Table 1.

Figure 2006093477
Figure 2006093477

各真空容器内の圧力が安定したところで、基板送り出し容器302から基板巻き取り容器303の方向に、基体の移動を開始した。基体を移動させながら、各真空容器内の赤外線ランプヒーター(不図示)を作動させ、基体の成膜面の温度が、表1に示す値になるように調整した。カソード電極341には、純度99.99重量%の銀のターゲットを使用し、カソード電極342、343、344には0.1重量%の塩化亜鉛を含有した酸化亜鉛のターゲットを使用し、各カソード電極に表1に示すスパッタ電力を投入して、基体101−1上に真空容器311で銀による反射層101−2(厚さ800nm)を堆積し、真空容器312、313、314で酸化亜鉛層101−3(厚さ2.0μm)を堆積して、図2(A)に示したような構成を有する基板101を形成した。   When the pressure in each vacuum vessel was stabilized, the substrate started to move from the substrate delivery container 302 toward the substrate take-up container 303. While moving the substrate, an infrared lamp heater (not shown) in each vacuum vessel was operated to adjust the temperature of the film formation surface of the substrate to the values shown in Table 1. A silver target having a purity of 99.99 wt% is used for the cathode electrode 341, and a zinc oxide target containing 0.1 wt% zinc chloride is used for the cathode electrodes 342, 343, and 344, and each cathode is used. Sputtering power shown in Table 1 was applied to the electrodes, a silver reflective layer 101-2 (thickness 800 nm) was deposited on the substrate 101-1, and the zinc oxide layer was deposited in the vacuum containers 312, 313, and 314. 101-3 (thickness 2.0 μm) was deposited to form a substrate 101 having a structure as shown in FIG.

次に図4に示した堆積膜形成装置401を用い、以下の手順で、図5に示した光起電力素子を形成した。図5は本発明のシリコン系半導体を有する光起電力素子の一例を示す模式的な断面図である。図中、図1と同様の部材には同じ符号を付して説明を省略する。この光起電力素子の半導体層は、非晶質n型半導体層102−1A、結晶相を含むi型半導体層102−2A、結晶相を含むp型半導体層102−3Aからなっている。   Next, using the deposited film forming apparatus 401 shown in FIG. 4, the photovoltaic element shown in FIG. 5 was formed by the following procedure. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a photovoltaic element having the silicon-based semiconductor of the present invention. In the figure, members similar to those in FIG. The semiconductor layer of this photovoltaic element is composed of an amorphous n-type semiconductor layer 102-1A, an i-type semiconductor layer 102-2A containing a crystalline phase, and a p-type semiconductor layer 102-3A containing a crystalline phase.

図4は、本発明の光起電力素子を製造する堆積膜形成装置の一例を示す模式的な断面図である。図4に示す堆積膜形成装置401は、基板送り出し容器402、半導体形成用真空容器411〜416、基板巻き取り容器403が、ガスゲート421〜427を介して結合することによって構成されている。この堆積膜形成装置401には、各真空容器及び各ガスゲートを貫いて、前記帯状の基板101がセットされる。帯状の基板101は、基板送り出し容器402に設置されたボビンから巻き出され、基板巻き取り容器403で別のボビンに巻き取られる。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a deposited film forming apparatus for producing the photovoltaic element of the present invention. The deposited film forming apparatus 401 shown in FIG. 4 includes a substrate delivery container 402, semiconductor forming vacuum containers 411 to 416, and a substrate winding container 403 that are connected through gas gates 421 to 427. In the deposited film forming apparatus 401, the belt-like substrate 101 is set through each vacuum vessel and each gas gate. The belt-like substrate 101 is unwound from a bobbin installed in the substrate delivery container 402 and is wound on another bobbin by the substrate take-up container 403.

半導体形成用真空容器411〜416は、それぞれ堆積室を有しており、該堆積室内の放電電極441〜446に高周波電源451〜456から高周波電力を印加することによってグロー放電を生起させ、それによって原料ガスを分解し基板上に半導体層を堆積させる。また、各半導体形成用真空容器411〜416には、原料ガスや希釈ガスを導入するためのガス導入管431〜436が接続されている。   Each of the semiconductor forming vacuum vessels 411 to 416 has a deposition chamber. Glow discharge is caused by applying high frequency power from the high frequency power sources 451 to 456 to the discharge electrodes 441 to 446 in the deposition chamber, thereby The source gas is decomposed and a semiconductor layer is deposited on the substrate. In addition, gas introduction pipes 431 to 436 for introducing a source gas and a dilution gas are connected to the respective semiconductor forming vacuum vessels 411 to 416.

図4に示した堆積膜形成装置401の各半導体形成用真空容器には、各堆積室内での基板101と放電空間との接触面積を調整するための、不図示の成膜領域調整板が設けられており、これを調整することによって各容器で形成される各半導体膜の膜厚を調整することができるようになっている。   Each vacuum chamber for semiconductor formation of the deposited film forming apparatus 401 shown in FIG. 4 is provided with a film formation region adjusting plate (not shown) for adjusting the contact area between the substrate 101 and the discharge space in each deposition chamber. By adjusting this, the film thickness of each semiconductor film formed in each container can be adjusted.

次に基板送り出し容器402に、基板101を巻いたボビンを装着し、基板を搬入側のガスゲート、半導体形成用真空容器411〜416、搬出側のガスゲートを介し、基板巻き取り容器403まで通し、帯状の基板が弛まないように張力調整を行った。そして、基板送り出し容器402、半導体形成用真空容器411〜416、基板巻き取り容器403を不図示の真空ポンプからなる真空排気系により、十分に真空排気した。   Next, a bobbin around which the substrate 101 is wound is attached to the substrate delivery container 402, and the substrate is passed through the gas gate on the carry-in side, the vacuum vessels 411 to 416 for semiconductor formation, and the gas gate on the carry-out side to the substrate take-up container 403. The tension was adjusted so as not to loosen the substrate. Then, the substrate delivery container 402, the semiconductor forming vacuum containers 411 to 416, and the substrate winding container 403 were sufficiently evacuated by an evacuation system including a vacuum pump (not shown).

次に、真空排気系を作動させつつ、半導体形成用真空容器411〜416へガス導入管431〜436から原料ガス及び希釈ガスを供給した。   Next, the source gas and the dilution gas were supplied from the gas introduction pipes 431 to 436 to the semiconductor forming vacuum vessels 411 to 416 while operating the vacuum exhaust system.

また、不図示の各ゲートガス供給管から、各ガスゲートにゲートガスとして500cm3/min(normal)のH2ガスを供給した。この状態で真空排気系の排気能力を調整して、半導体形成用真空容器411〜416内の圧力を所望の圧力に調整した。形成条件は表2に示す通りである。 Also, 500 cm 3 / min (normal) of H 2 gas was supplied to each gas gate from each gate gas supply pipe (not shown). In this state, the exhaust capacity of the vacuum exhaust system was adjusted to adjust the pressure in the semiconductor formation vacuum vessels 411 to 416 to a desired pressure. The formation conditions are as shown in Table 2.

Figure 2006093477
Figure 2006093477

半導体形成用真空容器411〜416内の圧力が安定したところで、基板送り出し容器402から基板巻き取り容器403の方向に、基板の移動を開始した。   When the pressure in the semiconductor forming vacuum vessels 411 to 416 was stabilized, the movement of the substrate was started in the direction from the substrate delivery container 402 to the substrate winding container 403.

次に、半導体形成用真空容器411〜416内の放電電極441〜446に高周波電源451〜456より高周波を導入し、半導体形成用真空容器411〜416内の堆積室内にグロー放電を生起し、基板上に非晶質n型半導体層(膜厚50nm)、結晶相を含むi型半導体層(膜厚3.5μm)、結晶相を含むp型半導体層(膜厚10nm)を形成し光起電力素子を形成し、不図示の連続モジュール化装置を用いて、形成した帯状の光起電力素子を36cm×22cmの太陽電池モジュールに加工した(実施例1)。   Next, high frequency power is introduced from the high frequency power sources 451 to 456 to the discharge electrodes 441 to 446 in the semiconductor forming vacuum vessels 411 to 416 to cause glow discharge in the deposition chamber in the semiconductor forming vacuum vessels 411 to 416, An amorphous n-type semiconductor layer (film thickness: 50 nm), an i-type semiconductor layer containing a crystal phase (film thickness: 3.5 μm), and a p-type semiconductor layer containing a crystal phase (film thickness: 10 nm) are formed on the surface. An element was formed, and the formed strip-like photovoltaic element was processed into a 36 cm × 22 cm solar cell module using a continuous modularization apparatus (not shown) (Example 1).

次に、カソード電極342、343、344には塩化亜鉛を含有しない酸化亜鉛のターゲットを使用したことを除いては、実施例1と同様の手順で太陽電池モジュールを作成した(比較例1−1)。   Next, a solar cell module was prepared in the same procedure as in Example 1 except that a zinc oxide target not containing zinc chloride was used for the cathode electrodes 342, 343, and 344 (Comparative Example 1-1). ).

次に、カソード電極342、343、344には2重量%のアルミニウムを含有させた酸化亜鉛のターゲットを使用したことを除いては、実施例1と同様の手順で太陽電池モジュールを作成した(比較例1−2)。   Next, a solar cell module was prepared in the same procedure as in Example 1 except that a zinc oxide target containing 2 wt% aluminum was used for the cathode electrodes 342, 343, and 344 (comparison). Example 1-2).

実施例1で作成した酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の量は、SIMS分析を行った結果、5.0×1018cm-3であり、比較例1−1及び比較例1−2に含まれる塩素原子の量は、1.0×1017cm-3以下であった。 The amount of chlorine atoms contained in the zinc oxide layer prepared in Example 1 is 5.0 × 10 18 cm −3 as a result of SIMS analysis, and is included in Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2. The amount of chlorine atoms produced was 1.0 × 10 17 cm −3 or less.

次に実施例1、比較例1−1、比較例1−2で作成した太陽電池モジュールの光電変換効率をソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm2)を用いて測定した。その結果、実施例1の太陽電池モジュールの光電変換効率は、比較例1−1、比較例1−2の太陽電池モジュールの光電変換効率のそれぞれ1.12倍、1.08倍であった。実施例1の太陽電池モジュールは、比較例1−1の太陽電池モジュールに比べて短絡電流密度が大きく、シリーズ抵抗が小さい点が優れていた。また、比較例1−2の太陽電池モジュールに比べては、短絡電流密度が優れており、入射した光を半導体層で効率よく吸収することができたことがわかる。比較例1−2で形成した酸化亜鉛層の表面形状は、実施例1の酸化亜鉛層の表面形状よりも、凹凸形状が小さくなっていた。 Next, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell modules prepared in Example 1, Comparative Example 1-1, and Comparative Example 1-2 was measured using a solar simulator (AM1.5, 100 mW / cm 2 ). As a result, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell module of Example 1 was 1.12 times and 1.08 times the photoelectric conversion efficiency of the solar cell modules of Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2, respectively. The solar cell module of Example 1 was superior in that the short-circuit current density was large and the series resistance was small as compared with the solar cell module of Comparative Example 1-1. Moreover, compared with the solar cell module of Comparative Example 1-2, it turns out that the short circuit current density is excellent and the incident light was able to be absorbed efficiently with the semiconductor layer. As for the surface shape of the zinc oxide layer formed in Comparative Example 1-2, the uneven shape was smaller than the surface shape of the zinc oxide layer of Example 1.

また、実施例1の太陽電池モジュールの半導体層中に含まれる塩素原子をSIMS分析で調べたところ、最大値でも1.0×1017cm-3以下であり、酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の含有量の最大値の1/10以下であった。 Moreover, when the chlorine atom contained in the semiconductor layer of the solar cell module of Example 1 was investigated by SIMS analysis, the maximum value was 1.0 × 10 17 cm −3 or less, and the chlorine atom contained in the zinc oxide layer It was 1/10 or less of the maximum value of content.

以上のことから、本発明の光起電力素子を含む太陽電池モジュールは優れた特長をもつことがわかる。   From the above, it can be seen that the solar cell module including the photovoltaic element of the present invention has excellent features.

(実施例2)
カソード電極342、343、344に使用したターゲットに含まれる塩化亜鉛の量を、0.05重量%から0.5重量%まで変化させながら、それ以外は実施例1と同様の手順で太陽電池モジュールを形成し、酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の量をSIMS分析により求め、太陽電池モジュールの光電変換効率を測定した。測定結果を表3に示す。
(Example 2)
A solar cell module in the same procedure as in Example 1 except that the amount of zinc chloride contained in the target used for the cathode electrodes 342, 343, 344 is changed from 0.05 wt% to 0.5 wt%. The amount of chlorine atoms contained in the zinc oxide layer was determined by SIMS analysis, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell module was measured. Table 3 shows the measurement results.

Figure 2006093477
Figure 2006093477

表3に示されたように、酸化亜鉛層中の塩素原子量が1.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下のものが、優れた光電変換効率を示している。塩素含有量が、5.0×1019cm-3を超えたものは、短絡電流値が低下した。以上のことから、本発明の光起電力素子を含む太陽電池モジュールは優れた特長をもつことがわかる。 As shown in Table 3, those having a chlorine atom amount in the zinc oxide layer of 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 5.0 × 10 19 cm −3 or less show excellent photoelectric conversion efficiency. . When the chlorine content exceeded 5.0 × 10 19 cm −3 , the short-circuit current value decreased. From the above, it can be seen that the solar cell module including the photovoltaic element of the present invention has excellent features.

(実施例3)
カソード電極342、343、344に使用したターゲットに含まれる塩化亜鉛の量をそれぞれ、0.07重量%、0.1重量%、0.07重量%とし、酸化亜鉛層中の塩素原子の含有量を変化させるようにして、それ以外は実施例1と同様の手順で光起電力素子を形成し、太陽電池モジュールを作成した。
(Example 3)
The amounts of zinc chloride contained in the targets used for the cathode electrodes 342, 343, and 344 are 0.07 wt%, 0.1 wt%, and 0.07 wt%, respectively, and the content of chlorine atoms in the zinc oxide layer The photovoltaic element was formed in the same procedure as in Example 1 except that the solar cell module was changed.

実施例3で作成した酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の量は、SIMS分析を行った結果、反射層側及び半導体層側で1.0×1018cm-3、膜の中間部で5.0×1018cm-3であった。 As a result of SIMS analysis, the amount of chlorine atoms contained in the zinc oxide layer prepared in Example 3 was 1.0 × 10 18 cm −3 on the reflective layer side and the semiconductor layer side, and 5. It was 0 × 10 18 cm −3 .

次に、太陽電池モジュールの光電変換効率を測定したところ、実施例1の太陽電池モジュールに対して1.05倍の光電変換効率を得た。以上のことから、酸化亜鉛層中の塩素原子の含有量が膜中に極大値を有する本発明の光起電力素子を含む太陽電池モジュールはより優れた特長をもつことがわかる。   Next, when the photoelectric conversion efficiency of the solar cell module was measured, the photoelectric conversion efficiency 1.05 times that of the solar cell module of Example 1 was obtained. From the above, it can be seen that the solar cell module including the photovoltaic element of the present invention in which the content of chlorine atoms in the zinc oxide layer has a maximum value in the film has more excellent features.

(実施例4)
酸化亜鉛層を図2(B)に示したような2層構成とし、第一の酸化亜鉛層101−3Aを酸化亜鉛ターゲットを用いたスパッタ法で300nm形成し、第二の酸化亜鉛層101−3Bを電析法で1.7μm形成した以外は、実施例3と同様の方法で、光起電力素子を形成し、太陽電池モジュールを作成した(実施例4−1)。
Example 4
The zinc oxide layer has a two-layer structure as shown in FIG. 2B, and the first zinc oxide layer 101-3A is formed to a thickness of 300 nm by a sputtering method using a zinc oxide target, and the second zinc oxide layer 101- A photovoltaic element was formed by the same method as in Example 3 except that 3B was formed by 1.7 μm by an electrodeposition method (Example 4-1).

ここで、第一の酸化亜鉛層を形成する際には、実施例3で行ったようにターゲットに含まれる塩化亜鉛の量が0.07重量%、0.1重量%であるターゲットを用いて、第一の酸化亜鉛層に含まれる塩素原子量が、反射層側及び第二の酸化亜鉛層側で1.0×1018cm-3、膜の中間部で5.0×1018cm-3となるように形成した。 Here, when the first zinc oxide layer is formed, a target in which the amount of zinc chloride contained in the target is 0.07% by weight and 0.1% by weight as in Example 3 is used. The amount of chlorine atoms contained in the first zinc oxide layer is 1.0 × 10 18 cm −3 at the reflective layer side and the second zinc oxide layer side, and 5.0 × 10 18 cm −3 at the middle portion of the film. It formed so that it might become.

また、第二の酸化亜鉛層101−3Bは、図6に示す堆積膜形成装置601を用いて形成した。図6は、本発明の酸化亜鉛を含む基板を製造する堆積膜形成装置の一例を示す模式的な断面図である。図6に示す堆積膜形成装置601には、送り出しローラー602、3つの形成容器611−1、611−2、611−3、水洗容器613、乾燥容器615、巻き取りローラー603から構成されている。この堆積膜形成装置601には、各容器を貫いて帯状の反射層のついた基体がセットされる。帯状の基体は、送り出しローラー602に設置されたボビンから巻き出され、巻き取りローラー603で別のボビンに巻き取られる。形成容器611−1、611−2、611−3内には亜鉛の対向電極621−1、621−2、621−3が備えられており、この対向電極は不図示の負荷抵抗および電源631−1、631−2、631−3と接続されている。また不図示のヒーターと熱伝対を用いて、溶液を攪拌させながら温度をモニターし、形成容器611−1、611−2、611−3内の水溶液の温度調整を行なえるようになっている。また水洗容器613で基板表面の水溶液を、不図示の超音波装置を用いながら洗い流し、水洗容器の出口側では純水シャワー614により純水洗浄を行ない、乾燥容器615では、赤外線ヒーター616を用いて基板表面を乾燥できるようになっている。また、図6に示すように複数の形成容器を直列に配置した構成では、形成容器ごとに異なる条件で酸化亜鉛層を形成する方法を取ることが可能になる。   The second zinc oxide layer 101-3B was formed using the deposited film forming apparatus 601 shown in FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a deposited film forming apparatus for manufacturing a substrate containing zinc oxide according to the present invention. The deposited film forming apparatus 601 shown in FIG. 6 includes a feed roller 602, three forming containers 611-1, 611-2, 611-3, a water washing container 613, a drying container 615, and a take-up roller 603. In this deposited film forming apparatus 601, a substrate with a belt-like reflective layer is set through each container. The belt-shaped substrate is unwound from a bobbin installed on the feed roller 602 and wound on another bobbin by the take-up roller 603. Zinc counter electrodes 621-1, 621-2, and 621-3 are provided in the forming containers 611-1, 611-2, and 611-3, and this counter electrode includes a load resistor and a power source 631- 1, 631-2, 631-3. Further, by using a heater and a thermocouple (not shown), the temperature is monitored while stirring the solution, and the temperature of the aqueous solution in the forming containers 611-1, 611-2, 611-3 can be adjusted. . Further, the aqueous solution on the substrate surface is washed away with a washing container 613 using an ultrasonic device (not shown), pure water is washed with a pure water shower 614 at the outlet side of the washing container, and an infrared heater 616 is used with the drying container 615. The substrate surface can be dried. Further, in the configuration in which a plurality of forming containers are arranged in series as shown in FIG. 6, it is possible to take a method of forming a zinc oxide layer under different conditions for each forming container.

形成容器611−1、611−2、611−3内の水溶液を、亜鉛イオン濃度0.15mol/l、pH=5.0、水溶液温度85℃、陽極と陰極間に流す電流値を15mA/cm2、デキストリン濃度0.10g/l、フタル酸水素カリウムを加えることによってフタル酸濃度を30μmol/lにして基体の搬送を開始し、第二の酸化亜鉛層(厚さ1.7μm)の形成を行なった。ここで、形成容器611−1及び611−3の溶液には塩酸を加えて水溶液中の塩素原子の濃度を5μmol/lとし、形成容器611−2の溶液には水溶液中の塩素原子の濃度を100μmol/lとして作成した。 The aqueous solution in the forming containers 611-1, 611-2, 611-3 is a zinc ion concentration of 0.15 mol / l, pH = 5.0, an aqueous solution temperature of 85 ° C., and a current value flowing between the anode and the cathode is 15 mA / cm. 2. Add dextrin concentration of 0.10 g / l and potassium hydrogen phthalate to make the phthalic acid concentration 30 μmol / l and start transporting the substrate to form the second zinc oxide layer (thickness 1.7 μm). I did it. Here, hydrochloric acid is added to the solutions in the forming containers 611-1 and 611-3 to adjust the concentration of chlorine atoms in the aqueous solution to 5 μmol / l, and the solution in the forming container 611-2 has a concentration of chlorine atoms in the aqueous solution. It was prepared as 100 μmol / l.

巻き取りローラーに巻き取られた基板を、真空ポンプに接続された不図示の乾燥容器に基板を入れ、10kPaの窒素雰囲気中で雰囲気温度を250℃で5時間乾燥させた。第二の酸化亜鉛層をSIMS分析により調べたところ、中央部は1.0×1019cm-3の塩素原子が含まれており、両端部は1.0×1018cm-3の塩素原子が含まれていた。 The substrate taken up by the take-up roller was placed in a drying container (not shown) connected to a vacuum pump, and dried in a 10 kPa nitrogen atmosphere at 250 ° C. for 5 hours. When the second zinc oxide layer was examined by SIMS analysis, the central portion contained 1.0 × 10 19 cm −3 of chlorine atoms, and both ends were 1.0 × 10 18 cm −3 of chlorine atoms. Was included.

次に、形成容器611−2の水溶液中の塩素原子の濃度を20μmol/lとして形成したこと以外は実施例4−1と同様に光起電力素子を形成し、太陽電池モジュールを作成した(実施例4−2)。第二の酸化亜鉛層をSIMS分析により調べたところ、中央部は3.0×1018cm-3の塩素原子が含まれており、両端部は1.0×1018cm-3の塩素原子が含まれていた。 Next, a photovoltaic element was formed in the same manner as in Example 4-1, except that the concentration of chlorine atoms in the aqueous solution of the forming vessel 611-2 was set to 20 μmol / l, thereby producing a solar cell module (implementation). Example 4-2). When the second zinc oxide layer was examined by SIMS analysis, the central part contained 3.0 × 10 18 cm −3 chlorine atoms, and both ends contained 1.0 × 10 18 cm −3 chlorine atoms. Was included.

次に、水溶液中に塩酸を加えずに第二の酸化亜鉛層を形成したこと以外は実施例4−1と同様の方法で、光起電力素子を形成し、太陽電池モジュールを作成した(実施例4−3)。このとき、第二の酸化亜鉛層をSIMS分析により調べたところ、塩素原子の量は、1.0×1017cm-3以下であった。 Next, a photovoltaic element was formed in the same manner as in Example 4-1, except that the second zinc oxide layer was formed without adding hydrochloric acid in the aqueous solution, thereby producing a solar cell module (implementation). Example 4-3). At this time, when the second zinc oxide layer was examined by SIMS analysis, the amount of chlorine atoms was 1.0 × 10 17 cm −3 or less.

実施例4−1、実施例4−2、実施例4−3で形成した太陽電池モジュールの光電変換効率を測定したところ、各太陽電池モジュールは、比較例1−1の太陽電池モジュールに対して優れた光電変換効率を得た。特に、第一の酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の含有量の極大値が、第二の酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の含有量の極大値よりも小さい、実施例4−1の太陽電池モジュールは、より優れた光電変換効率を有していた。以上のことから、本発明の光起電力素子を含む太陽電池モジュールはすぐれた特長をもつことがわかる。   When the photoelectric conversion efficiency of the solar cell module formed in Example 4-1, Example 4-2, and Example 4-3 was measured, each solar cell module was compared with the solar cell module of Comparative Example 1-1. Excellent photoelectric conversion efficiency was obtained. In particular, the solar cell of Example 4-1 in which the maximum value of the content of chlorine atoms contained in the first zinc oxide layer is smaller than the maximum value of the content of chlorine atoms contained in the second zinc oxide layer The module had better photoelectric conversion efficiency. From the above, it can be seen that the solar cell module including the photovoltaic element of the present invention has excellent features.

本発明の光起電力素子の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the photovoltaic element of this invention. 本発明の酸化亜鉛層を含む基板の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the board | substrate containing the zinc oxide layer of this invention. 本発明の酸化亜鉛層を含む基板を製造する堆積膜形成装置の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the deposited film formation apparatus which manufactures the board | substrate containing the zinc oxide layer of this invention. 本発明の光起電力素子を製造する堆積膜形成装置の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the deposited film formation apparatus which manufactures the photovoltaic element of this invention. 本発明のシリコン系半導体を有する光起電力素子の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the photovoltaic device which has a silicon-type semiconductor of this invention. 本発明の酸化亜鉛を含む基板を製造する堆積膜形成装置の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the deposited film formation apparatus which manufactures the board | substrate containing the zinc oxide of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101:基板
101−1:基体
101−2:反射層
101−3:酸化亜鉛層
101−3A:第一の酸化亜鉛層
101−3B:第二の酸化亜鉛層
102−1:n型半導体層
102−1A:非晶質n型半導体層
102−2:i型半導体層
102−2A:結晶相を含むi型半導体層
102−3:p型半導体層
102−3A:結晶相を含むp型半導体層
103:透明導電層
104:集電電極
301:堆積膜形成装置
302:基板送り出し容器
303:基板巻き取り容器
311〜314:真空容器
331〜334:ガス導入管
341〜344:カソード電極
351〜354:直流電源
401:堆積膜形成装置
402:基板送り出し容器
403:基板巻き取り容器
411〜416:半導体形成用真空容器
421〜427:ガスゲート
431〜436:ガス導入管
441〜446:放電電極
451〜456:高周波電源
601:堆積膜形成装置
602:送り出しローラー
603:巻き取りローラー
611:形成容器
613:水洗容器
614:純水シャワー
615:乾燥容器
616:赤外線ヒーター
621:対向電極
631:電源
101: Substrate 101-1: Base 101-2: Reflective layer 101-3: Zinc oxide layer 101-3A: First zinc oxide layer 101-3B: Second zinc oxide layer 102-1: n-type semiconductor layer 102 -1A: amorphous n-type semiconductor layer 102-2: i-type semiconductor layer 102-2A: i-type semiconductor layer 102-3 including crystal phase: p-type semiconductor layer 102-3A: p-type semiconductor layer including crystal phase 103: transparent conductive layer 104: current collecting electrode 301: deposited film forming apparatus 302: substrate delivery container 303: substrate take-up containers 311 to 314: vacuum containers 331 to 334: gas introduction pipes 341 to 344: cathode electrodes 351 to 354: DC power supply 401: Deposited film forming apparatus 402: Substrate delivery container 403: Substrate winding container 411-416: Semiconductor forming vacuum containers 421-427: Gas gates 431-436: Gas Inlet pipes 441 to 446: discharge electrodes 451 to 456: high frequency power source 601: deposited film forming apparatus 602: delivery roller 603: take-up roller 611: forming container 613: washing container 614: pure water shower 615: drying container 616: infrared heater 621 : Counter electrode 631: Power supply

Claims (7)

基体上に形成した酸化亜鉛層であって、該酸化亜鉛層は、1.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下の塩素原子を含有していることを特徴とする酸化亜鉛層。 A zinc oxide layer formed on a substrate, wherein the zinc oxide layer contains 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 5.0 × 10 19 cm −3 or less of chlorine atoms. Zinc oxide layer to do. 基体上に少なくとも酸化亜鉛層と半導体層を積層させて形成した光起電力素子であって、該酸化亜鉛層は、1.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下の塩素原子を含有していることを特徴とする光起電力素子。 A photovoltaic element formed by laminating at least a zinc oxide layer and a semiconductor layer on a substrate, wherein the zinc oxide layer is 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 5.0 × 10 19 cm −3 or less. A photovoltaic element characterized by containing a chlorine atom. 前記酸化亜鉛層中の塩素原子が、該酸化亜鉛層の層厚方向に含有量が変化しており、膜中に極大値を有することを特徴とする、請求項2に記載の光起電力素子。   3. The photovoltaic element according to claim 2, wherein the chlorine atom in the zinc oxide layer changes in content in the thickness direction of the zinc oxide layer and has a maximum value in the film. . 前記酸化亜鉛層中に前記極大値を複数有することを特徴とする、請求項3に記載の光起電力素子。   The photovoltaic element according to claim 3, wherein the zinc oxide layer has a plurality of the maximum values. 前記酸化亜鉛層中に有する前記複数の極大値のうち、前記基体側に存在する極大値が前記半導体層側に存在する極大値よりも小さいことを特徴とする、請求項4に記載の光起電力素子。   5. The photovoltaic according to claim 4, wherein, among the plurality of maximum values included in the zinc oxide layer, a maximum value existing on the substrate side is smaller than a maximum value existing on the semiconductor layer side. Power element. 前記半導体層中に含まれる塩素原子の含有量の最大値が、前記酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の含有量の最大値よりも小さいことを特徴とする、請求項2乃至5のいずれか1項に記載の光起電力素子。   6. The maximum value of the chlorine atom content contained in the semiconductor layer is smaller than the maximum value of the chlorine atom content contained in the zinc oxide layer. The photovoltaic device according to Item. 前記半導体層中に含まれる塩素原子の含有量の最大値が、前記酸化亜鉛層に含まれる塩素原子の含有量の最大値の1/10以下であることを特徴とする、請求項6に記載の光起電力素子。   The maximum value of the chlorine atom content contained in the semiconductor layer is 1/10 or less of the maximum value of the chlorine atom content contained in the zinc oxide layer. Photovoltaic element.
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JP2009275273A (en) * 2008-05-16 2009-11-26 Ulvac Japan Ltd Apparatus for producing transparent electroconductive film, and method for producing transparent electroconductive film
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