JP2009038064A - 光電変換装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 p型シリコン系半導体の層を製膜する工程、i型シリコン系半導体の層を製膜する工程、及びn型シリコン系半導体の層を製膜する工程によりpin接合を形成して光電変換層を形成する光電変換装置の製造方法において、前記i型シリコン系半導体の層を製膜する工程を、ゲルマニウムを50原子%以上含有する微結晶シリコンゲルマニウムの層を100℃以上250℃以下の製膜温度でプラズマCVD法により製膜する工程とする。
【選択図】 図3
Description
上記i層は光吸収層としての機能を有する層である。微結晶シリコンゲルマニウム膜は微結晶シリコン膜に比べてバンドギャップが狭く、長波長光(赤外光)の吸収特性に優れることから、前記i層としてその開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。
本発明の第1の態様に係る光電変換装置の製造方法は、p型シリコン系半導体の層を製膜する工程、i型シリコン系半導体の層を製膜する工程、及びn型シリコン系半導体の層を製膜する工程によりpin接合を形成して光電変換層を形成する光電変換装置の製造方法であって、前記i型シリコン系半導体の層を製膜する工程が、ゲルマニウムを50原子%以上含有する微結晶シリコンゲルマニウムの層を100℃以上250℃以下の製膜温度でプラズマCVD法により製膜する工程である、光電変換装置の製造方法である。ここで製膜温度は基板温度で代表するものとする。
図3は、n−型からp−型へ遷移するゲルマニウム濃度閾値の製膜温度依存性を示したグラフである。横軸は製膜温度(Ts;単位:℃)を示し、縦軸はゲルマニウム濃度(x;原子%)を示している。
図3のグラフより、製膜温度が高温になるほど、p−型となるゲルマニウム濃度の領域が広がることが分かる。また、製膜温度が低温の場合は、p−型に遷移しにくいことが分かる。
図4は、微結晶シリコンゲルマニウム(ゲルマニウム濃度30原子%)からなるi層を含むpin接合型太陽電池における、量子効率スペクトルのi層伝導タイプ依存性を示したグラフである。横軸は入射光の波長(単位:nm)を示し、縦軸は量子効率を示している。
微結晶シリコンゲルマニウムをi層に用いたpin接合型太陽電池において、光生成キャリアの収集特性はi層のキャリア濃度に強く依存するが、図4のグラフから、同じキャリア濃度でもi層の伝導タイプをn−型とする方がp−型とする場合に比べてキャリア収集特性が優れていることがわかった。
図5は、微結晶シリコンゲルマニウム(ゲルマニウム濃度(x)20原子%及び40原子%)からなるi層を含むpin接合型太陽電池における、発電効率の製膜温度依存性を示したグラフである。横軸はプラズマCVD法によるi層の製膜温度(Ts;単位:℃)を示し、縦軸は製膜温度200℃における発電効率(η(200℃))を1として表した各製膜温度(Ts)における発電効率(η(Ts))の相対値を示している。
図5の発電効率はAM1.5、100mW/cm2に調整したソーラーシミュレーターを用いて室温25℃にて計測した。
一方、i層の製膜温度を極度に低温化すると膜質が悪くなり光伝導度が低下してしまうので、却って太陽電池の発電効率が低下してしまう。このため、n−型伝導を示す範囲で製膜温度を適正化する必要がある。従って、本実施形態において、i層の製膜温度の下限は100℃とした。この製膜温度の下限は、100℃がより好ましく、120℃がさらに好ましい。
以下、上記実施形態による太陽電池の製造例について説明するが、本発明はこれに限定されない。
A.太陽電池の構造
以下の層構成を有する太陽電池を製造した:
ガラス基板/TCO(GZO)/AR層(TiO2/GZO)/p層(微結晶Si)/i層(微結晶SiGe)/n層(微結晶Si)/裏面電極(GZO/Ag/GZO)。
但し、「TCO」は透明導電性酸化物、「GZO」はガリウム添加酸化亜鉛、「AR層」は反射防止層の略称である。
B−1.光電変換層の製膜条件
以下の条件でプラズマCVD法によりp層、n層及びi層を製膜した。
(p層)
圧力: 0.5Torr
パワー: 200mW/cm2
ガス流量: SiH4:4.5sccm、B2H6:0.015sccm、H2:450sccm
製膜温度: 180℃
電極−基板間距離: 15mm
膜厚: 35nm
圧力: 1.5Torr
パワー: 200mW/cm2
ガス流量: SiH4:0−5.4sccm、GeH4:0.28sccm、H2:360sccm
製膜温度: 200℃
電極−基板間距離: 10mm
膜厚: 1000nm
膜厚は500nm以上1500nm以下であることが望ましく、実施例では1000nmを用いた結果を示す。
圧力: 0.5Torr
パワー: 200mW/cm2
ガス流量: SiH4:3sccm、PH3:0.04sccm、H2:400sccm
製膜温度: 200℃
電極−基板間距離: 20mm
膜厚: 40nm
GZO(TCO):
1.1mm厚のガラス基板上に厚さ1μmのGZOを基板温度300℃でマグネトロンスパッタ(6インチ径、DC電力400W)により製膜した。
真空チャンバーから取り出した後、塩酸水溶液によりGZO膜を厚さ0.2μm以上0.3μm以下までエッチングし、シート抵抗を10Ω/sq.以上15Ω/sq.以下とした。
この化学エッチングにより、GZO膜表面には凹凸形状ができ、C光源のもとで測定されるヘイズ率は約35%であった。
テクスチャ形成したGZO膜付き基板を再び真空スパッタリングチャンバーに設置し、基板温度300℃に加熱した。
Ar100sccm、圧力15mTorrで、TiO2ターゲットに高周波電力(500W、13.56MHz)を供給し、厚さ40nmの酸化チタン層を形成した。
TiO2の製膜終了後、圧力を5mTorrまで下げ、GZOのターゲットに直流電力(400W)を印加し、厚さ10nmのGZO層を形成した。
マグネトロンスパッタ真空装置に設置し、室温でGZO層20nm、Ag層200nm、GZO層20nmを順に積層した。
最裏面のZnO層はプラズマ素子分離の際にマスクとして用いた。
試料を真空装置から取り出した後、裏面電極のパターニングにより面積0.25cm2の太陽電池を16個得た。その後、150℃のポストアニーリングを4時間おこなった。
2 第1透明電極
3 光電変換層
9 第2透明電極
10 裏面電極
Claims (6)
- p型シリコン系半導体の層を製膜する工程、
i型シリコン系半導体の層を製膜する工程、及び
n型シリコン系半導体の層を製膜する工程
によりpin接合を形成して光電変換層を形成する光電変換装置の製造方法であって、
前記i型シリコン系半導体の層を製膜する工程が、ゲルマニウムを50原子%以上含有する微結晶シリコンゲルマニウムの層を100℃以上250℃以下の製膜温度でプラズマCVD法により製膜する工程である、光電変換装置の製造方法。 - p型シリコン系半導体の層を製膜する工程、
i型シリコン系半導体の層を製膜する工程、及び
n型シリコン系半導体の層を製膜する工程
によりpin接合を形成して光電変換層を形成する光電変換装置の製造方法であって、
前記i型シリコン系半導体の層を製膜する工程が、微結晶シリコンゲルマニウムの層を100℃以上160℃以下の製膜温度でプラズマCVD法により製膜する工程である、光電変換装置の製造方法。 - p型シリコン系半導体の層、i型シリコン系半導体の層及びn型シリコン系半導体の層を積層したpin接合を有する光電変換層を備えた光電変換装置であって、
前記i型シリコン系半導体の層が、ゲルマニウムを50原子%以上含有し、100℃以上250℃以下の製膜温度でプラズマCVD法により製膜された微結晶シリコンゲルマニウムの層である、光電変換装置。 - 前記光電変換層と異なる光の吸収帯を有する他の光電変換層をさらに積層した2接合型または3接合型からなる請求項3に記載の光電変換装置。
- p型シリコン系半導体の層、i型シリコン系半導体の層及びn型シリコン系半導体の層を積層したpin接合を有する光電変換層を備えた光電変換装置であって、
前記i型シリコン系半導体の層が、100℃以上160℃以下の製膜温度でプラズマCVD法により製膜された微結晶シリコンゲルマニウムの層である、光電変換装置。 - 前記光電変換層と異なる光の吸収帯を有する他の光電変換層をさらに積層した2接合型または3接合型からなる請求項5に記載の光電変換装置。
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