JP2009158603A - Photoelectric conversion device, electronic equipment, manufacturing method of photoelectric conversion device, and manufacturing method of electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換装置、特に、液体シリコン材料を用いた光電変換装置やその製造方法等に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device, in particular, a photoelectric conversion device using a liquid silicon material, a manufacturing method thereof, and the like.
省エネルギかつ省資源でクリーンなエネルギ源として太陽電池(光電変換装置)の開発が注目を浴びている。太陽電池は、光起電力効果を利用し、光エネルギを直接電力に変換する電力機器である。その構成には、種々のものがあるが、例えば、変換効率が高く、また、温度特性の良好な太陽電池としてHIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)型の太陽電池が挙げられる。このHIT型太陽電池は、結晶系のシリコン基板の片面または両面に、アモルファスシリコン層と透光性導電膜とを積層形成したものである(例えば、下記特許文献1参照)。
本発明者らは、液体シリコン材料を用いた太陽電池(光電変換装置、半導体装置)に関する研究開発を行っており、製造が容易で、また、特性の良い太陽電池の検討を行っている。 The present inventors are conducting research and development on solar cells (photoelectric conversion devices and semiconductor devices) using a liquid silicon material, and studying solar cells that are easy to manufacture and have good characteristics.
特に、変換効率を向上させるためには、光吸収層と光電変換層との界面積を大きくする必要がある。例えば、上記特許文献1においては、結晶シリコン表面に数ミクロンオーダーの凹凸構造を形成している。 In particular, in order to improve the conversion efficiency, it is necessary to increase the interface area between the light absorption layer and the photoelectric conversion layer. For example, in Patent Document 1 described above, a concavo-convex structure on the order of several microns is formed on the crystalline silicon surface.
しかしながら、上記特許文献1の構造では、フォトリソ工程やエッチング工程が複雑となり、製造コストが上がる可能性がある。また、かかる構造では、光電変換に寄与する界面積も増加し得るが、その増加にも限界がある。 However, in the structure of Patent Document 1, the photolithography process and the etching process are complicated, and the manufacturing cost may increase. Further, in such a structure, the interfacial area contributing to photoelectric conversion can be increased, but the increase is limited.
そこで、容易に界面積を向上させることができる太陽電池の新しい構造の開発が望まれる。また、当該太陽電池の抵コスト化および製法の簡易化の開発が望まれる。 Therefore, it is desired to develop a new structure of a solar cell that can easily improve the interfacial area. In addition, development of cost reduction and simplification of the manufacturing method of the solar cell is desired.
よって、本発明に係る具体的態様は、特性の良好な光電変換装置およびその製造方法を提供することを目的とする。特に、液体シリコン材料を用いた良好な光電変換装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, a specific embodiment according to the present invention aims to provide a photoelectric conversion device having good characteristics and a method for manufacturing the photoelectric conversion device. In particular, an object of the present invention is to provide a good photoelectric conversion device using a liquid silicon material and a manufacturing method thereof.
本発明に係る光電変換装置は、第1導電型の微結晶シリコン層と、前記微結晶シリコン層上に形成されたアモルファスシリコン層と、を有する。かかる構成によれば、微結晶シリコン層とアモルファスシリコン層との界面積を向上させることができる。よって、光電変換効率を向上させることができる。前記アモルファスシリコン層は、真性である。 The photoelectric conversion device according to the present invention includes a first conductivity type microcrystalline silicon layer and an amorphous silicon layer formed on the microcrystalline silicon layer. With this configuration, the interface area between the microcrystalline silicon layer and the amorphous silicon layer can be improved. Therefore, the photoelectric conversion efficiency can be improved. The amorphous silicon layer is intrinsic.
例えば、前記アモルファスシリコン層は、堆積膜である。このように、アモルファスシリコン層として堆積膜を用いてもよい。 For example, the amorphous silicon layer is a deposited film. Thus, a deposited film may be used as the amorphous silicon layer.
本発明に係る光電変換装置は、第1導電型の微結晶シリコン層と、前記微結晶シリコン層中の微結晶粒間および前記微結晶シリコン層上に形成されたアモルファスシリコン層と、を有する。かかる構成によれば、微結晶粒とアモルファスシリコン層とが接触することとなり、界面積を向上させることができる。よって、光電変換効率を向上させることができる。 The photoelectric conversion device according to the present invention includes a first conductivity type microcrystalline silicon layer, and an amorphous silicon layer formed between the microcrystalline grains in the microcrystalline silicon layer and on the microcrystalline silicon layer. According to such a configuration, the fine crystal grains and the amorphous silicon layer come into contact with each other, and the interface area can be improved. Therefore, the photoelectric conversion efficiency can be improved.
例えば、前記アモルファスシリコン層は、前記微結晶シリコン層上に塗布された液体シリコン材料を固化してなる。かかる構成によれば、容易に微結晶粒間にアモルファスシリコン層を配置することができる。 For example, the amorphous silicon layer is formed by solidifying a liquid silicon material applied on the microcrystalline silicon layer. According to such a configuration, the amorphous silicon layer can be easily disposed between the microcrystalline grains.
例えば、前記アモルファスシリコン層上に形成された第2導電型のアモルファスシリコン層と、前記第2導電型のアモルファスシリコン層上に形成された電極と、を有する。このように、第2導電型のアモルファスシリコン層と電極を配置してもよい。 For example, a second conductive type amorphous silicon layer formed on the amorphous silicon layer and an electrode formed on the second conductive type amorphous silicon layer. In this way, the second conductivity type amorphous silicon layer and the electrode may be disposed.
本発明に係る電子機器は、上記太陽電池を有する。かかる構成によれば、電子機器の特性を向上させることができる。また、かかる電子機器の生産性を向上させることができる。 The electronic device according to the present invention includes the solar cell. According to such a configuration, the characteristics of the electronic device can be improved. In addition, the productivity of such electronic devices can be improved.
本発明に係る光電変換装置の製造方法は、第1導電型の微結晶シリコン層を形成する第1工程と、前記微結晶シリコン層上に堆積法を用いてアモルファスシリコン層を形成する第2工程と、を有する。かかる方法によれば、微結晶シリコン層の微結晶粒上にアモルファスシリコン層が堆積し、その凹凸によりこれらの層の界面積を向上させることができる。よって、光電変換効率を向上させた光電変換装置を製造することができる。 The manufacturing method of the photoelectric conversion device according to the present invention includes a first step of forming a first conductivity type microcrystalline silicon layer and a second step of forming an amorphous silicon layer on the microcrystalline silicon layer by using a deposition method. And having. According to this method, the amorphous silicon layer is deposited on the microcrystalline grains of the microcrystalline silicon layer, and the interfacial area of these layers can be improved by the unevenness. Therefore, a photoelectric conversion device with improved photoelectric conversion efficiency can be manufactured.
例えば、前記第2工程は、アモルファスシリコンをスパッタリング法により堆積する工程、又は、シリコン膜をCVD法で堆積した後、アモルファス化する工程を有する。このように、堆積方法として、スパッタリング法やCVD法を用いることができる。 For example, the second step includes a step of depositing amorphous silicon by a sputtering method or a step of amorphizing after depositing a silicon film by a CVD method. As described above, a sputtering method or a CVD method can be used as the deposition method.
本発明に係る光電変換装置の製造方法は、第1導電型の微結晶シリコン層を形成する第1工程と、前記微結晶シリコン層上に液体シリコン材料を塗布する第2工程と、前記液体シリコン材料をアモルファス化する第3工程と、を有する。かかる方法によれば、微結晶粒と微結晶粒との間に液体シリコン材料が侵入しアモルファス化する。よって、微結晶粒とアモルファスシリコン層とが接触することとなり、界面積を向上させることができる。よって、光電変換効率を向上させた光電変換装置を製造することができる。 The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention includes a first step of forming a first conductivity type microcrystalline silicon layer, a second step of applying a liquid silicon material on the microcrystalline silicon layer, and the liquid silicon. A third step of making the material amorphous. According to this method, the liquid silicon material penetrates between the microcrystalline grains and becomes amorphous. Therefore, the microcrystalline grains and the amorphous silicon layer come into contact with each other, and the interface area can be improved. Therefore, a photoelectric conversion device with improved photoelectric conversion efficiency can be manufactured.
例えば、前記第2および第3工程により、前記微結晶シリコン層中の微結晶粒間および前記微結晶シリコン層上にアモルファスシリコン層が形成される。このように、微結晶粒と微結晶粒との間に液体シリコン材料が侵入しアモルファス化するため、前記微結晶シリコン層中の微結晶粒間にアモルファスシリコン層を形成し、また、微結晶シリコン層上にアモルファスシリコン層を残存させることができる。 For example, an amorphous silicon layer is formed between the microcrystalline grains in the microcrystalline silicon layer and on the microcrystalline silicon layer by the second and third steps. Thus, since the liquid silicon material penetrates between the microcrystalline grains and becomes amorphous, an amorphous silicon layer is formed between the microcrystalline grains in the microcrystalline silicon layer. An amorphous silicon layer can remain on the layer.
例えば、前記アモルファスシリコン層上に第2導電型のアモルファスシリコン層を形成する工程と、前記第2導電型のアモルファスシリコン層上に電極を形成する工程と、を有する。このように、第2導電型のアモルファスシリコン層と電極を形成してもよい。 For example, the method includes a step of forming a second conductivity type amorphous silicon layer on the amorphous silicon layer and a step of forming an electrode on the second conductivity type amorphous silicon layer. In this manner, the second conductivity type amorphous silicon layer and the electrode may be formed.
本発明に係る電子機器の製造方法は、上記太陽電池の製造方法を有する。かかる方法によれば、特性の良好な電子機器を製造することができる。また、かかる電子機器の生産性を向上させることができる。 The manufacturing method of the electronic device which concerns on this invention has the manufacturing method of the said solar cell. According to such a method, an electronic device having good characteristics can be manufactured. In addition, the productivity of such electronic devices can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の機能を有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。
<太陽電池の構造>
図1〜図4は、本実施の形態の太陽電池(光電変換装置)の製造方法を示す工程断面図である。図4(B)の最終工程断面図に示すように、本実施の形態の太陽電池(多孔質HIT型シリコン薄膜太陽電池)は、基板11と、下部電極13、第1導電型の微結晶シリコン膜(層)15、真性(intrinsic)のアモルファスシリコン膜(層)17、第2導電型のシリコン膜19および上部電極21を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same or related code | symbol is attached | subjected to what has the same function, and the repeated description is abbreviate | omitted.
<Structure of solar cell>
1-4 is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the solar cell (photoelectric conversion apparatus) of this Embodiment. As shown in the final process cross-sectional view of FIG. 4B, the solar cell (porous HIT type silicon thin film solar cell) of the present embodiment includes a substrate 11, a lower electrode 13, a first conductivity type microcrystalline silicon. A film (layer) 15, an intrinsic amorphous silicon film (layer) 17, a second conductivity type silicon film 19, and an upper electrode 21 are included.
第1、第2導電型は、n型又はp型であり、n型の場合は、リンなどのn型不純物を、p型の場合は、ホウ素などのp型不純物を有する。真性(i型)とは、不純物が注入されておらず、n型またはp型半導体膜(層)と比較し、不純物濃度が低い半導体膜である。微結晶の結晶粒径(直径)は、0.01μm以上10μm以下、より好ましくは0.01μm以上1μm以下である。また、アモルファスシリコンを400〜600℃(例えば、500℃程度)の低温にて加熱処理した際、微細な結晶層が生じる。これを微結晶シリコンとも言える。 The first and second conductivity types are n-type or p-type. In the case of n-type, n-type impurities such as phosphorus are included, and in the case of p-type, p-type impurities such as boron are included. Intrinsic (i-type) is a semiconductor film that is not doped with impurities and has a lower impurity concentration than an n-type or p-type semiconductor film (layer). The crystal grain size (diameter) of the microcrystal is 0.01 μm or more and 10 μm or less, more preferably 0.01 μm or more and 1 μm or less. Further, when amorphous silicon is heat-treated at a low temperature of 400 to 600 ° C. (for example, about 500 ° C.), a fine crystal layer is generated. This can also be said to be microcrystalline silicon.
例えば、図5に示すように、下部電極13と上部電極21とを外部回路(配線など)8により接続すると、外部回路8に電流(光励起電流)が流れる。 For example, as shown in FIG. 5, when the lower electrode 13 and the upper electrode 21 are connected by an external circuit (wiring or the like) 8, a current (photoexcitation current) flows through the external circuit 8.
ここで、本実施の形態の特徴的構成は、微結晶シリコン膜15を構成する微結晶粒15g間および微結晶シリコン膜15上にアモルファスシリコン膜17が形成されていることである(図3参照)。この図3は、微結晶シリコン膜15とアモルファスシリコン膜17との界面の部分拡大図を示す。
<太陽電池の製造工程>
次いで、図1〜図5を参照しながら、本実施の形態の太陽電池(光電変換装置)の製造方法について説明するとともに、その構成をより明確にする。
Here, the characteristic configuration of the present embodiment is that an amorphous silicon film 17 is formed between and on the microcrystalline grains 15g constituting the microcrystalline silicon film 15 (see FIG. 3). ). FIG. 3 shows a partially enlarged view of the interface between the microcrystalline silicon film 15 and the amorphous silicon film 17.
<Solar cell manufacturing process>
Next, a method for manufacturing the solar cell (photoelectric conversion device) of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図1(A)に示すように、基板11として例えば、石英ガラス基板を準備する。基板1としては、ソーダガラス基板などの他のガラス基板の他、ポリカーボネート(Polycarbonate)、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylene terephthalate)などの樹脂を用いた樹脂基板やセラミックス基板などを用いてもよい。基板11を光透過性とすれば、基板11の裏面側(図中下側)から集光できる。但し、基板11の上方からの光のみを利用することも可能であるため、基板11や後述の下部電極13の材料として光透過性の低いものを用いてもよい。また、基板11の下層に必要に応じて下地膜を形成してもよいし、又、基板11自体を複数層の材料で構成してもよい。 As shown in FIG. 1A, for example, a quartz glass substrate is prepared as the substrate 11. As the substrate 1, other glass substrates such as soda glass substrates, resin substrates using ceramics such as polycarbonate and polyethylene terephthalate, ceramic substrates, and the like may be used. If the substrate 11 is light transmissive, light can be collected from the back side (lower side in the figure) of the substrate 11. However, since it is possible to use only light from above the substrate 11, a material having low light transmittance may be used as the material of the substrate 11 or the lower electrode 13 described later. Further, a base film may be formed in the lower layer of the substrate 11 as necessary, or the substrate 11 itself may be composed of a plurality of layers of materials.
次いで、基板11上に下部電極(第1電極)13としてAl(アルミニウム)膜を形成する。例えば、基板11上に、Alをスパッタリング法により堆積し、必要に応じてパターニングすることにより下部電極13を形成する。例えば、Al膜上に、フォトレジスト膜を形成し、露光・現像(フォトリソグラフィ)することにより略矩形状(図5参照)のフォトレジスト膜を形成する。次いで、フォトレジスト膜をマスクに、Al膜をエッチングする。次いで、残存するフォトレジスト膜を除去する。このフォトレジスト膜の形成から除去までの一連の工程をパターニングという。 Next, an Al (aluminum) film is formed on the substrate 11 as the lower electrode (first electrode) 13. For example, the lower electrode 13 is formed by depositing Al on the substrate 11 by sputtering and patterning as necessary. For example, a photoresist film is formed on the Al film, and is exposed and developed (photolithography) to form a substantially rectangular (see FIG. 5) photoresist film. Next, the Al film is etched using the photoresist film as a mask. Next, the remaining photoresist film is removed. A series of steps from formation to removal of the photoresist film is called patterning.
下部電極13の材料としては、Alの他、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、白金(Pt)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)などの金属材料を用いてもよい。また、これらの合金を用いてもよい。また、インジウムティンオキサイド(ITO:Indium Tin Oxide)、フッ素ドープした酸化錫(FTO)、酸化インジウム(IO)、酸化錫(SnO2)のような導電性の金属酸化物を用いてもよい。これらは、透明導電性酸化物であり、これらの使用により、基板11の裏面側(図中下側)からの光の透過性を向上させることができる。また、カーボン、カーボンナノチューブ、フラーレンのような導電性炭素材料等を用いても良い。また、上記各種材料を2種以上組み合わせて用いてもよい。これらの材料膜は、スパッタリング法、スプレー法、インクジェット法等によって形成することができる。 As a material of the lower electrode 13, in addition to Al, nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), molybdenum (Mo), titanium (Ti) ), Metal materials such as tantalum (Ta) may be used. Moreover, you may use these alloys. Alternatively, a conductive metal oxide such as indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), indium oxide (IO), or tin oxide (SnO 2 ) may be used. These are transparent conductive oxides, and their use can improve the light transmission from the back side (the lower side in the figure) of the substrate 11. Further, a conductive carbon material such as carbon, carbon nanotube, or fullerene may be used. Moreover, you may use in combination of 2 or more types of said various materials. These material films can be formed by a sputtering method, a spray method, an ink jet method, or the like.
次いで、図1(B)に示すように、下部電極13上を含む基板11上に、第1導電型半導体膜として、p型不純物をドープした微結晶シリコン膜15を形成する。この微結晶シリコン膜15は、例えば、p型不純物(例えば、ホウ素など)を高濃度にドープしたシリコン(Si)ターゲットを用い、RF(Radio Frequency)マグネトロンスパッタにより形成する。処理条件は、例えば、堆積膜の酸化を防止するため、7N(99.99999%以上)の純水素をチャンバ(処理室)内に流入させ、チャンバ内の圧力0.3〜1.0Torr(1Torr=1.33322×102Pa)、RFパワー100W〜450W、基板温度60〜100℃で、堆積速度3〜25nm/minで成膜する。微結晶シリコン膜15の膜厚は、例えば数μmから数百μmであり、5μm以上であることが好ましい。 Next, as shown in FIG. 1B, a microcrystalline silicon film 15 doped with a p-type impurity is formed as a first conductive semiconductor film on the substrate 11 including the lower electrode 13. The microcrystalline silicon film 15 is formed by RF (Radio Frequency) magnetron sputtering using, for example, a silicon (Si) target doped with a p-type impurity (for example, boron) at a high concentration. For example, in order to prevent oxidation of the deposited film, 7N (99.99999% or more) pure hydrogen is allowed to flow into the chamber (processing chamber), and the pressure in the chamber is 0.3 to 1.0 Torr (1 Torr = 1). 33322 × 10 2 Pa), an RF power of 100 W to 450 W, a substrate temperature of 60 to 100 ° C., and a deposition rate of 3 to 25 nm / min. The film thickness of the microcrystalline silicon film 15 is, for example, several μm to several hundred μm, and preferably 5 μm or more.
本発明者らの検討によれば、堆積速度25nm/minで、8時間成膜し、膜厚約12μmの微結晶シリコン膜15を得た。この場合、膜中の微結晶の結晶粒径(平均)は、約20nmであった。なお、図1(B)は、説明を分かり易くするため、微結晶シリコン膜15中の微結晶粒15gを模式的に示した図であり、その個数や積層状態は現実の堆積膜と異なる。なお、微結晶シリコン膜15の成膜方法としては、上記スパッタリング法の他、CVD(化学気相成長、Chemical Vapor Deposition)法や溶液プロセスなどを用いてもよい。また、アモルファスシリコン膜を堆積し、熱処理などにより微結晶化してもよい。 According to the study by the present inventors, a microcrystalline silicon film 15 having a thickness of about 12 μm was obtained by forming a film at a deposition rate of 25 nm / min for 8 hours. In this case, the crystal grain size (average) of the microcrystals in the film was about 20 nm. Note that FIG. 1B is a diagram schematically showing microcrystalline grains 15g in the microcrystalline silicon film 15 for easy understanding, and the number and the stacked state thereof are different from those of an actual deposited film. Note that as a method for forming the microcrystalline silicon film 15, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a solution process, or the like may be used in addition to the above sputtering method. Alternatively, an amorphous silicon film may be deposited and microcrystallized by heat treatment or the like.
次いで、図2(A)に示すように、微結晶シリコン膜15上に、液体シリコン材料17aを塗布する。液体シリコン材料としては、例えば、ポリシラン(高分子水素化シラン、SinH2n+2(n>2))を有機溶媒に分散させた液体を用いることができる。この液体シリコン材料17を、微結晶シリコン膜15上にスピンコート法で塗布する。次いで、液体シリコン材料17に250℃〜350℃、10分〜1時間程度の熱処理を施し、アモルファス化(固化、焼成)する。これにより、アモルファスシリコン膜(光電変換層)17が形成される(図2(B))。 Next, as shown in FIG. 2A, a liquid silicon material 17 a is applied over the microcrystalline silicon film 15. As the liquid silicon material, for example, a liquid in which polysilane (polymer hydrogenated silane, Si n H 2n + 2 (n> 2)) is dispersed in an organic solvent can be used. This liquid silicon material 17 is applied onto the microcrystalline silicon film 15 by spin coating. Next, the liquid silicon material 17 is subjected to heat treatment at 250 ° C. to 350 ° C. for about 10 minutes to 1 hour to be amorphous (solidified and fired). Thereby, an amorphous silicon film (photoelectric conversion layer) 17 is formed (FIG. 2B).
ここで、液体シリコン材料17aは、微結晶粒15g間にも浸透し、アモルファス化するため、微結晶粒15g間および微結晶シリコン膜15上にアモルファスシリコン膜17が形成される(図3参照)。なお、図3は、前述した通り、例えば、図2(B)に示す図3は、微結晶シリコン膜15とアモルファスシリコン膜17との界面の部分拡大図である。微結晶シリコン膜15上のアモルファスシリコン膜17の膜厚は、5〜50nm程度が好ましい。 Here, since the liquid silicon material 17a penetrates between the microcrystalline grains 15g and becomes amorphous, an amorphous silicon film 17 is formed between the microcrystalline grains 15g and on the microcrystalline silicon film 15 (see FIG. 3). . 3 is a partial enlarged view of the interface between the microcrystalline silicon film 15 and the amorphous silicon film 17, for example, as shown in FIG. The thickness of the amorphous silicon film 17 on the microcrystalline silicon film 15 is preferably about 5 to 50 nm.
また、液体シリコン材料17aとしては、上記の他、有機シリコン化合物などを用いてもよい。また、液体シリコン材料17aは、スピンコート法の他、インクジェット法を用いて塗布してもよい。この場合、所望の領域にのみ液体シリコン材料17aを塗布(吐出)することが可能となる。 Further, as the liquid silicon material 17a, an organic silicon compound may be used in addition to the above. Further, the liquid silicon material 17a may be applied using an inkjet method in addition to the spin coating method. In this case, the liquid silicon material 17a can be applied (discharged) only to a desired region.
次いで、図4(A)に示すように、アモルファスシリコン膜17上に、第2導電型半導体膜として、n型不純物をドープしたシリコン膜19を形成する。このシリコン膜19は、例えば、上記液体シリコン材料に例えば黄燐(P4)等のリン化合物を加えた不純物添加液体シリコン材料を用いて形成する。不純物添加液体シリコン材料を、アモルファスシリコン膜17上にスピンコート法で塗布する。次いで、不純物添加液体シリコン材料に熱処理を施し固化(焼成)する。熱処理条件は、例えば250℃〜350℃、10分〜1時間程度であり、アモルファス化する。 Next, as shown in FIG. 4A, a silicon film 19 doped with n-type impurities is formed on the amorphous silicon film 17 as a second conductivity type semiconductor film. The silicon film 19 is formed using, for example, an impurity-added liquid silicon material obtained by adding a phosphorus compound such as yellow phosphorus (P 4 ) to the liquid silicon material. An impurity-added liquid silicon material is applied onto the amorphous silicon film 17 by a spin coating method. Next, the impurity-added liquid silicon material is heat-treated and solidified (fired). The heat treatment conditions are, for example, about 250 ° C. to 350 ° C. and about 10 minutes to 1 hour, and the film is made amorphous.
次いで、図4(B)に示すように、シリコン膜19上に、上部電極(第2電極)21としてITO膜を形成する。例えば、シリコン膜19上に、ITO膜をスパッタリング法により堆積し、必要に応じてパターニングすることにより上部電極21を形成する。この際、下層のシリコン膜19、アモルファスシリコン膜17および微結晶シリコン膜15を同時にパターニングしてもよい。さらに、この際、下部電極13より小さい形状にパターニングすることにより、下部電極13が露出し、外部回路(配線など)8とのコンタクトが可能となる(図5参照)。 Next, as shown in FIG. 4B, an ITO film is formed on the silicon film 19 as the upper electrode (second electrode) 21. For example, an ITO film is deposited on the silicon film 19 by a sputtering method, and the upper electrode 21 is formed by patterning as necessary. At this time, the underlying silicon film 19, amorphous silicon film 17, and microcrystalline silicon film 15 may be patterned simultaneously. Further, at this time, by patterning into a shape smaller than the lower electrode 13, the lower electrode 13 is exposed and contact with the external circuit (wiring, etc.) 8 becomes possible (see FIG. 5).
なお、本実施の形態においては、上部電極21や下部電極13等を略矩形状にパターニングしたが、これらの形状に限定されず、他の形状としてもよい。 In the present embodiment, the upper electrode 21, the lower electrode 13, and the like are patterned in a substantially rectangular shape. However, the present invention is not limited to these shapes, and may have other shapes.
次いで、図示しない層間絶縁層や、下部電極13又は上部電極21と接続される配線などを適宜形成し、外部回路(8)と本実施の形態の太陽電池とを接続する。 Next, an interlayer insulating layer (not shown), wiring connected to the lower electrode 13 or the upper electrode 21 and the like are appropriately formed, and the external circuit (8) and the solar cell of the present embodiment are connected.
図5は、本実施の形態の太陽電池の構成を示す斜視図である。図5に示すように、例えば、太陽光等の光を入射させて、光エネルギを電気エネルギに変換する。 FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the solar cell of the present embodiment. As shown in FIG. 5, for example, light such as sunlight is incident to convert light energy into electrical energy.
特に、HIT型太陽電池によれば、第1、第2導電型のシリコン膜(15、19)の間に真性のアモルファスシリコン膜を形成することで、これらの界面特性が向上し、発電ロスを減少させることができる。 In particular, according to the HIT type solar cell, by forming an intrinsic amorphous silicon film between the first and second conductivity type silicon films (15, 19), these interface characteristics are improved, and power generation loss is reduced. Can be reduced.
さらに、本実施の形態によれば、第1導電型のシリコン膜を微結晶シリコン膜15とし、真性のアモルファスシリコン膜17として液体シリコン材料を用い、微結晶粒15g間にもアモルファスシリコン膜17を形成したので、アモルファスシリコン膜17と微結晶粒(微結晶シリコン膜)との界面積(界面の面積、接触面積、境界面積)が増加し、発電効率(光電変換効率)を向上させることができる。 Furthermore, according to the present embodiment, the first conductive type silicon film is the microcrystalline silicon film 15, the liquid silicon material is used as the intrinsic amorphous silicon film 17, and the amorphous silicon film 17 is also formed between the microcrystalline grains 15g. Since it is formed, the interface area (interface area, contact area, boundary area) between the amorphous silicon film 17 and the microcrystalline grains (microcrystalline silicon film) increases, and the power generation efficiency (photoelectric conversion efficiency) can be improved. .
次いで、本発明者らによるシュミュレーション結果について説明する。上記製造工程により形成された膜厚12μmの微結晶シリコン膜を用いた太陽電池の取得特性(電圧−電流特性)をソーラシュミュレータを用いて測定した。図6に、取得特性を示す。縦軸は、光電流密度(Phot current density)[mA/cm2]、横軸は、出力電圧(Output Voltage)[V]である。擬似太陽光の照射条件であるAM1.5G、100mW/cm2にてシュミュレーションを行った。 Next, simulation results by the present inventors will be described. An acquisition characteristic (voltage-current characteristic) of a solar cell using a microcrystalline silicon film having a film thickness of 12 μm formed by the above manufacturing process was measured using a solar simulator. FIG. 6 shows the acquisition characteristics. The vertical axis represents photocurrent density (mA / cm 2 ), and the horizontal axis represents output voltage (V). Simulation was performed with AM1.5G and 100 mW / cm 2 , which are irradiation conditions of simulated sunlight.
グラフ(A)が、本実施の形態の上記太陽電池の特性であり、グラフ(B)は比較例である。比較例の太陽電池は、微結晶シリコン膜15の代わりに膜厚625μmの単結晶シリコン膜を用い、アモルファスシリコン層17をCVD法で形成したものである。 Graph (A) is the characteristic of the solar cell of the present embodiment, and graph (B) is a comparative example. In the solar cell of the comparative example, a single crystal silicon film having a film thickness of 625 μm is used instead of the microcrystalline silicon film 15, and an amorphous silicon layer 17 is formed by a CVD method.
微結晶シリコン膜15の膜厚が12μmと、625μmの50分の1以下であるにも関わらず、短絡電流(short-circuit current)値IscAがIscBの10%程度の低下に留まっている。 Even though the thickness of the microcrystalline silicon film 15 is 12 μm, which is 1/50 or less of 625 μm, the short-circuit current value IscA remains only about 10% lower than IscB.
このように、比較例と遜色のない特性が確認できた。また、微結晶シリコン膜15を薄膜化しても、高い光電変換効率が得られていることが分かった。 In this way, characteristics comparable to the comparative example were confirmed. It was also found that high photoelectric conversion efficiency was obtained even when the microcrystalline silicon film 15 was thinned.
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、第1導電型のシリコン膜を微結晶シリコン膜15とし、真性のアモルファスシリコン膜17として液体シリコン材料を用い、微結晶粒15g間にもアモルファスシリコンを形成したので、アモルファスシリコン膜と微結晶粒(微結晶シリコン膜)との界面積が増加し、発電効率を向上させることができる。 As described above in detail, according to the present embodiment, the first conductive type silicon film is the microcrystalline silicon film 15, and a liquid silicon material is used as the intrinsic amorphous silicon film 17. Since amorphous silicon is also formed, the interfacial area between the amorphous silicon film and the microcrystalline grains (microcrystalline silicon film) increases, and the power generation efficiency can be improved.
さらに、上記比較例においては、単結晶膜を用いているため、高コストであるが、本実施の形態の太陽電池においては、抵コストで高効率な装置を提供できる。 Furthermore, in the comparative example, since the single crystal film is used, the cost is high. However, the solar cell of the present embodiment can provide an inexpensive and highly efficient device.
また、上記製造工程によれば、低温プロセスが可能であり、基板1を樹脂基板などフレキシブルとすることも可能である。よって、低コスト化が可能な上、多様な電子機器に使用可能で、例えば、電子ペーパーなど、フレキシブル基板に形成された表示装置の駆動電池として用いることが可能である。 Moreover, according to the said manufacturing process, a low-temperature process is possible and it is also possible to make the board | substrate 1 flexible, such as a resin substrate. Therefore, the cost can be reduced and the electronic device can be used for various electronic devices. For example, it can be used as a driving battery for a display device formed on a flexible substrate such as electronic paper.
なお、上記実施の形態においては、微結晶シリコン膜15をp型とし、シリコン膜17をn型としたが、微結晶シリコン膜15をn型とし、シリコン膜17をp型としてもよい。この場合、n型不純物を高濃度にドープしたシリコンターゲットを用い、微結晶シリコン膜15を形成し、p型不純物を加えた不純物添加液体シリコン材料を用いシリコン膜17を形成する。 Although the microcrystalline silicon film 15 is p-type and the silicon film 17 is n-type in the above embodiment, the microcrystalline silicon film 15 may be n-type and the silicon film 17 may be p-type. In this case, a microcrystalline silicon film 15 is formed using a silicon target doped with an n-type impurity at a high concentration, and a silicon film 17 is formed using an impurity-added liquid silicon material added with a p-type impurity.
図7は、本実施の形態の太陽電池(光電変換装置)の他の構成を示す断面図である。図4(B)においては、アモルファスシリコン膜17を液体シリコン材料を用いて形成したが、堆積法を用いてもよい。図7に示すように、スパッタリング法を用いてアモルファスシリコン膜17Aを形成してもよい。また、シリコン膜をCVD法で堆積した後、アモルファス化し、アモルファスシリコン膜17Aとしてもよい。この場合、微結晶粒間にシリコン膜は形成されないが、微結晶粒の凹凸により微結晶シリコン膜15とシリコン膜17Aとの界面積が増加する。例えば、上記比較例より界面積が大きくなり、変換効率の向上を図ることができる。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing another configuration of the solar cell (photoelectric conversion device) of the present embodiment. In FIG. 4B, the amorphous silicon film 17 is formed using a liquid silicon material, but a deposition method may be used. As shown in FIG. 7, the amorphous silicon film 17A may be formed by sputtering. Alternatively, the amorphous silicon film 17A may be formed by depositing a silicon film by a CVD method and then making it amorphous. In this case, no silicon film is formed between the microcrystalline grains, but the interfacial area between the microcrystalline silicon film 15 and the silicon film 17A increases due to the unevenness of the microcrystalline grains. For example, the interface area becomes larger than that of the comparative example, and the conversion efficiency can be improved.
<電子機器>
上記太陽電池(光電変換装置)は、各種電子機器に組み込むことができる。適用できる電子機器に制限はないがその一例について説明する。図8〜図11に、本実施の形態の太陽電池を用いた電子機器の一例を示す。
<Electronic equipment>
The solar cell (photoelectric conversion device) can be incorporated into various electronic devices. There is no limitation on applicable electronic devices, but an example thereof will be described. 8 to 11 illustrate examples of electronic devices using the solar cell of this embodiment.
図8は、本発明の太陽電池(光電変換装置)を適用した電卓を示す平面図、図9は、本発明の太陽電池(光電変換装置)を適用した携帯電話機(PHSも含む)を示す斜視図である。 FIG. 8 is a plan view showing a calculator to which the solar cell (photoelectric conversion device) of the present invention is applied, and FIG. 9 is a perspective view showing a mobile phone (including PHS) to which the solar cell (photoelectric conversion device) of the present invention is applied. FIG.
図8に示す電卓100は、本体部101と、本体部101の上面(前面)に設けられた表示部102、複数の操作ボタン103および光電変換素子設置部104とを備えている。 A calculator 100 illustrated in FIG. 8 includes a main body unit 101, a display unit 102 provided on the upper surface (front surface) of the main body unit 101, a plurality of operation buttons 103, and a photoelectric conversion element installation unit 104.
図8に示す構成では、光電変換素子設置部104には、光電変換素子1が5つ直列に接続されて配置されている。 In the configuration shown in FIG. 8, five photoelectric conversion elements 1 are arranged in series in the photoelectric conversion element installation unit 104.
図9に示す携帯電話機200は、本体部201と、本体部201の前面に設けられた表示部202、複数の操作ボタン203、受話口204、送話口205および光電変換素子設置部206とを備えている。 A cellular phone 200 illustrated in FIG. 9 includes a main body portion 201, a display portion 202 provided on the front surface of the main body portion 201, a plurality of operation buttons 203, an earpiece 204, a mouthpiece 205, and a photoelectric conversion element installation portion 206. I have.
図9に示す構成では、光電変換素子設置部206が、表示部202の周囲を囲むようにして設けられ、光電変換素子1が複数、直列に接続されて配置されている。 In the configuration illustrated in FIG. 9, the photoelectric conversion element installation unit 206 is provided so as to surround the display unit 202, and a plurality of photoelectric conversion elements 1 are arranged in series.
なお、本発明の電子機器としては、図8に示す電卓、図9に示す携帯電話機の他、例えば、光センサー、光スイッチ、電子手帳、電子辞書、腕時計、クロック等に適用することもできる。 In addition to the calculator shown in FIG. 8 and the mobile phone shown in FIG. 9, the electronic apparatus of the present invention can be applied to, for example, an optical sensor, an optical switch, an electronic notebook, an electronic dictionary, a wristwatch, a clock, and the like.
図10は、電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。この腕時計1100は、表示部1101を備え、例えば、この表示部1101の外周に、本実施の形態の太陽電池を組み込むことができる。 FIG. 10 is a perspective view illustrating a wrist watch that is an example of an electronic apparatus. The wristwatch 1100 includes a display portion 1101. For example, the solar cell of this embodiment can be incorporated in the outer periphery of the display portion 1101.
図11は、電子機器の一例である電子ペーパーを示す斜視図である。この電子ペーパー1200は、フレキシブル基板で構成される本体部1201と、表示部1202と、を備えている。この表示部1201の外周に、本実施の形態の太陽電池を組み込むことができる。 FIG. 11 is a perspective view illustrating an electronic paper which is an example of the electronic apparatus. The electronic paper 1200 includes a main body portion 1201 formed of a flexible substrate and a display portion 1202. The solar cell of this embodiment can be incorporated in the outer periphery of the display portion 1201.
なお、上記実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。 It should be noted that the examples and application examples described through the above embodiment can be used in appropriate combination according to the application, or can be used with modifications or improvements, and the present invention is limited to the description of the above embodiment. Is not to be done.
8…外部回路、11…基板、13…下部電極、15…微結晶シリコン膜、15g…微結晶粒、17、17A…アモルファスシリコン膜、17a…液体シリコン材料、19…シリコン膜、21…上部電極、100…電卓、101…本体部、102…表示部、103…操作ボタン、104…光電変換素子設置部、200…携帯電話機、201…本体部、202…表示部、203…操作ボタン、204…受話口、205…送話口、206…光電変換素子設置部、1100…腕時計、1101…表示部、1200…電子ペーパー、1201…表示部、IscA、IscB…短絡電流値 DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 ... External circuit, 11 ... Substrate, 13 ... Lower electrode, 15 ... Microcrystalline silicon film, 15g ... Fine crystal grain, 17, 17A ... Amorphous silicon film, 17a ... Liquid silicon material, 19 ... Silicon film, 21 ... Upper electrode DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Calculator 101 ... Main-body part 102 ... Display part 103 ... Operation button 104 ... Photoelectric conversion element installation part 200 ... Cell-phone, 201 ... Main-body part 202 ... Display part 203 ... Operation button 204 ... Earpiece, 205 ... Mouthpiece, 206 ... Photoelectric conversion element installation part, 1100 ... Wristwatch, 1101 ... Display part, 1200 ... Electronic paper, 1201 ... Display part, IscA, IscB ... Short-circuit current value
Claims (12)
前記微結晶シリコン層上に形成されたアモルファスシリコン層と、
を有することを特徴とする光電変換装置。 A first conductivity type microcrystalline silicon layer;
An amorphous silicon layer formed on the microcrystalline silicon layer;
A photoelectric conversion device comprising:
前記微結晶シリコン層中の微結晶粒間および前記微結晶シリコン層上に形成されたアモルファスシリコン層と、
を有することを特徴とする光電変換装置。 A first conductivity type microcrystalline silicon layer;
An amorphous silicon layer formed between and on the microcrystalline silicon layer in the microcrystalline silicon layer;
A photoelectric conversion device comprising:
前記第2導電型のアモルファスシリコン層上に形成された電極と、
を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項記載の光電変換装置。 A second conductivity type amorphous silicon layer formed on the amorphous silicon layer;
An electrode formed on the second conductivity type amorphous silicon layer;
5. The photoelectric conversion device according to claim 1, comprising:
前記微結晶シリコン層上に堆積法を用いてアモルファスシリコン層を形成する第2工程と、
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。 A first step of forming a first conductivity type microcrystalline silicon layer;
A second step of forming an amorphous silicon layer on the microcrystalline silicon layer using a deposition method;
A process for producing a photoelectric conversion device, comprising:
前記微結晶シリコン層上に液体シリコン材料を塗布する第2工程と、
前記液体シリコン材料をアモルファス化する第3工程と、
を有することを特徴とする光電変換装置の製造方法。 A first step of forming a first conductivity type microcrystalline silicon layer;
A second step of applying a liquid silicon material on the microcrystalline silicon layer;
A third step of making the liquid silicon material amorphous;
A process for producing a photoelectric conversion device, comprising:
前記第2導電型のアモルファスシリコン層上に電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項7乃至10のいずれか一項記載の光電変換装置の製造方法。 Forming a second conductivity type amorphous silicon layer on the amorphous silicon layer;
Forming an electrode on the second conductivity type amorphous silicon layer;
The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to claim 7, comprising:
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