JP2011181669A - Method of manufacturing solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a solar cell.
薄膜太陽電池では、太陽光スペクトルを幅広く有効利用すべく、バンドギャップの異なる材料からなる複数の光電変換素子(サブセル)を絶縁透光性の基板上に積層したタンデム構造がとられている。 A thin film solar cell has a tandem structure in which a plurality of photoelectric conversion elements (subcells) made of materials having different band gaps are stacked on an insulating translucent substrate in order to effectively use the sunlight spectrum widely.
特許文献1には、絶縁基板上に下部電極及び下部光電変換セルを順に形成したあと、下部光電変換セルの上にRFスパッタリング法で透明中間層(AlドープZnO膜又はGaドープZnO膜)を形成し、透明中間層の上に上部光電変換セルを形成することにより、集積型タンデム太陽電池を製造することが記載されている。この透明中間層は、単膜比抵抗が1Ω・cm以上100Ω・cm以下のものが用いられる。これにより、特許文献1によれば、上部光電変換セルから下部光電変換セルに流れるべき電流の一部が透明中間層を通って漏れてしまう問題(サイドリーク)の影響を小さくできるとされている。
In
特許文献1には、下部光電変換セルがアモルファスシリコンで形成され、透明中間層が金属酸化物で形成されることが記載されている。透明中間層は、上記の酸化亜鉛(ZnO)に代えて酸化アルミニウム(Al2O3)で形成してもよいことが記載されている。
アモルファスシリコンの下部光電変換セルの上にRFスパッタリング法で酸化アルミニウムの透明中間層を成膜する際、原料やターゲットには必ず酸素原子が含まれている。このため、透明中間層を下部光電変換セルの上に直接成膜した場合、これら酸素原子がシリコン表面を酸化させて、下部光電変換セルと透明中間層との界面に比誘電率が極端に低い酸化シリコン層(比誘電率≒3.8)が形成される可能性が高い。この場合、下部光電変換セル(シリコン膜)と上部光電変換セル(シリコン膜)との界面における分極が十分に起こらず(エネルギーバンドの湾曲が十分に起こらず)、下部光電変換セルと上部光電変換セルとの界面における接合抵抗を下げることが困難になる。 When a transparent intermediate layer of aluminum oxide is formed on an amorphous silicon lower photoelectric conversion cell by RF sputtering, oxygen atoms are always included in the raw material and target. For this reason, when the transparent intermediate layer is formed directly on the lower photoelectric conversion cell, these oxygen atoms oxidize the silicon surface, and the relative dielectric constant is extremely low at the interface between the lower photoelectric conversion cell and the transparent intermediate layer. There is a high possibility that a silicon oxide layer (relative permittivity≈3.8) is formed. In this case, the polarization at the interface between the lower photoelectric conversion cell (silicon film) and the upper photoelectric conversion cell (silicon film) does not occur sufficiently (the energy band does not sufficiently curve), and the lower photoelectric conversion cell and the upper photoelectric conversion It becomes difficult to lower the junction resistance at the interface with the cell.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、2つのシリコン膜の界面に酸化シリコン膜を生成することなく酸化アルミニウム膜を配することができる太陽電池の製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a method for manufacturing a solar cell capable of arranging an aluminum oxide film without generating a silicon oxide film at the interface between two silicon films. To do.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の1つの側面にかかる太陽電池の製造方法は、基板の上に、第1の光電変換素子における上部となるべき第1のシリコン膜を形成する第1の工程と、前記第1のシリコン膜の上にアルミニウム膜を形成する第2の工程と、前記アルミニウム膜にベーマイト処理を施して水酸化酸化アルミニウム膜へ変える第3の工程と、前記水酸化酸化アルミニウム膜を熱処理して酸化アルミニウム膜へ変える第4の工程と、前記酸化アルミニウム膜の上に、前記第1の光電変換素子とバンドギャップの異なる第2の光電変換素子における下部となるべき第2のシリコン膜を形成する第5の工程とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a method for manufacturing a solar cell according to one aspect of the present invention includes a first silicon film to be an upper part of a first photoelectric conversion element on a substrate. A second step of forming an aluminum film on the first silicon film, and a third step of performing a boehmite treatment on the aluminum film to change it to an aluminum hydroxide oxide film, A fourth step of heat-treating the aluminum hydroxide oxide film into an aluminum oxide film; and a lower portion of the second photoelectric conversion element having a band gap different from that of the first photoelectric conversion element on the aluminum oxide film. And a fifth step of forming a second silicon film to be formed.
本発明によれば、第2の工程において、アルミニウム膜を形成するので、その原料やターゲットに酸素原子が含まれていない。このため、アルミニウム膜を第1のシリコン膜の上に成膜した際に、第1のシリコン膜とアルミニウム膜との界面に酸化シリコン層が形成されにくい。そして、第3の工程においてアルミニウム膜を水酸化酸化アルミニウム膜に変え、第4の工程において水酸化酸化アルミニウム膜を酸化アルミニウム膜に変えるので、第3の工程及び第4の工程においても、第1のシリコン膜と水酸化酸化アルミニウム膜(又は酸化アルミニウム膜)との界面に酸化シリコン層が形成されにくい。これにより、2つのシリコン膜(第1のシリコン膜及び第2のシリコン膜)の界面に酸化シリコン膜を生成することなく酸化アルミニウム膜を配することができる。言い換えると、第1の光電変換素子と第2の光電変換素子との界面に低誘電率の酸化シリコン膜を発生させることなく、酸化アルミニウム膜を第1の光電変換素子の上に直接形成することができる。すなわち、2つのシリコン膜の界面に酸化シリコン膜を生成することなく酸化アルミニウム膜を配することができる。 According to the present invention, since the aluminum film is formed in the second step, oxygen atoms are not contained in the raw material or the target. For this reason, when an aluminum film is formed on the first silicon film, a silicon oxide layer is hardly formed at the interface between the first silicon film and the aluminum film. Since the aluminum film is changed to an aluminum hydroxide oxide film in the third step and the aluminum hydroxide oxide film is changed to an aluminum oxide film in the fourth step, the first step is also used in the third step and the fourth step. It is difficult to form a silicon oxide layer at the interface between the silicon film and the aluminum hydroxide oxide film (or aluminum oxide film). As a result, the aluminum oxide film can be disposed at the interface between the two silicon films (the first silicon film and the second silicon film) without generating a silicon oxide film. In other words, an aluminum oxide film is formed directly on the first photoelectric conversion element without generating a low dielectric constant silicon oxide film at the interface between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element. Can do. That is, an aluminum oxide film can be disposed without generating a silicon oxide film at the interface between two silicon films.
以下に、本発明にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a method for manufacturing a thin-film silicon solar cell according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments.
実施の形態1.
実施の形態1における薄膜シリコン太陽電池100の断面構成を、図1を用いて説明する。図1は、実施の形態1にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法で製造すべき薄膜シリコン太陽電池100の断面構成を、1つのセルについて示す図である。
A cross-sectional configuration of thin-film silicon
図1には、薄膜シリコン太陽電池100の構成の一例として光電変換素子(サブセル)を3つ重ねたタンデム型の薄膜シリコン太陽電池について示している。3つの光電変換素子は、少なくとも互いに隣接する光電変換素子の間で互いにバンドギャップが異なる。すなわち、図1に示す薄膜シリコン太陽電池100では、基板1の上に、表面透明電極層2、第1の光電変換素子3、第1の酸化アルミニウム膜4、第2の光電変換素子5、第2の酸化アルミニウム膜6、第3の光電変換素子7、裏面透明電極層8、裏面電極層9が順に積層されている。第1の光電変換素子3と第2の光電変換素子5とは、バンドギャップが異なる。第2の光電変換素子5と第3の光電変換素子7とは、バンドギャップが異なる。
FIG. 1 shows a tandem thin film silicon solar cell in which three photoelectric conversion elements (subcells) are stacked as an example of the configuration of the thin film silicon
基板1は、絶縁性を有しかつ透光性を有する物質(例えば、ガラス)で形成されている。表面透明電極層2は、導電性を有しかつ透光性を有する物質で形成されている。
The
第1の光電変換素子3は、例えばp−i−n型のフォトダイオードであり、p型シリコン膜3a、i型シリコン膜3b、n型シリコン膜(第1のシリコン膜)3cが順に積層されている。p型シリコン膜3aは、例えば、ボロンなどのp型不純物を含むアモルファスシリコン又は微結晶シリコン等で形成されている。i型シリコン膜3bは、例えば、不純物を含まないアモルファスシリコン又は微結晶シリコン等で形成されている。n型シリコン膜3cは、例えば、リンや砒素などのn型不純物を含むアモルファスシリコン又は微結晶シリコン等で形成されている。
The first photoelectric conversion element 3 is, for example, a pin type photodiode, and a p-
なお、第1の光電変換素子3は、p−n型のフォトダイオードであってもよい。この場合、第1の光電変換素子3は、i型シリコン膜3bが省略された構成になる。 The first photoelectric conversion element 3 may be a pn type photodiode. In this case, the first photoelectric conversion element 3 has a configuration in which the i-type silicon film 3b is omitted.
第1の酸化アルミニウム膜4は、酸化アルミニウムで形成されている。酸化アルミニウムは比誘電率が比較的高い材料である(比誘電率≒10〜100)。第1の酸化アルミニウム膜4は、第1の光電変換素子3におけるn型シリコン膜(第1のシリコン膜)3cと第2の光電変換素子5における後述のp型シリコン膜(第2のシリコン膜)5aとの界面における分極を誘起してその界面におけるエネルギーバンドをより大きく湾曲させてトンネル伝導を促進することにより、その界面における接合抵抗を低減する中間層として機能する。また、第1の酸化アルミニウム膜4は、後述のようにベーマイト処理を用いて形成された膜である。第1の酸化アルミニウム膜4を形成するための製造方法については、後述する。
The first
第2の光電変換素子5は、第1の光電変換素子3と同様に、例えばp−i−n型のフォトダイオードであり、p型シリコン膜(第2のシリコン膜)5a、i型シリコン膜5b、n型シリコン膜(第1のシリコン膜)5cが順に積層されている。第2の酸化アルミニウム膜6は、第1の酸化アルミニウム膜4と同様に、ベーマイト処理を用いて形成された膜である。第3の光電変換素子7は、第1の光電変換素子3と同様に、例えばp−i−n型のフォトダイオードであり、p型シリコン膜(第2のシリコン膜)7a、i型シリコン膜7b、n型シリコン膜7cが順に積層されている。
Similar to the first photoelectric conversion element 3, the second photoelectric conversion element 5 is, for example, a pin type photodiode, and includes a p-type silicon film (second silicon film) 5a, an i-type silicon film. 5b and an n-type silicon film (first silicon film) 5c are sequentially stacked. Similar to the first
裏面透明電極層8は、導電性を有しかつ透光性を有する物質で形成されている。裏面電極層9は、導電性を有する物質で形成されている。
The back surface
ここで、仮に、n型シリコン膜3cと第1の酸化アルミニウム膜4との界面に比誘電率が極端に低い酸化シリコン膜(比誘電率≒3.8)が形成されている場合を考える。この場合、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における分極が十分に誘起されず(エネルギーバンドの湾曲が十分に起こらず)、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における接合抵抗を(目標とする値まで)下げることが困難になる。
Here, suppose a case where a silicon oxide film (relative permittivity≈3.8) having an extremely low relative dielectric constant is formed at the interface between the n-
それに対して、実施の形態1では、図1に示すように、n型シリコン膜3cと第1の酸化アルミニウム膜4との界面に酸化シリコン膜が形成されることなしに、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面に第1の酸化アルミニウム膜4が配されている。これにより、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における分極を効率的に誘起することができるので、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における接合抵抗を(目標とする値まで)容易に下げることができる。なお、この点は、第2の酸化アルミニウム膜6についても同様である。
On the other hand, in the first embodiment, as shown in FIG. 1, the n-
次に、実施の形態1にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法を、図2〜図5を用いて説明する。図2〜図5は、実施の形態1にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法における第1の酸化アルミニウム膜4を形成するための工程を中心に示している。
Next, the manufacturing method of the thin film silicon solar
図2に示す工程では、まず、基板1の上に、表面透明電極層2を形成する。そして(第1の工程)、表面透明電極層2の上に、p型シリコン膜3a、i型シリコン膜3b、n型シリコン膜(第1のシリコン膜)3cを順に積層する。n型シリコン膜3cは、第1の光電変換素子3における上部となるべき膜である。これにより、第1の光電変換素子3が形成される。
In the process shown in FIG. 2, first, the surface
次に(第2の工程)、n型シリコン膜3cの上に、非酸化雰囲気中でのスパッタリング法もしくは真空蒸着法により、アルミニウム膜10を形成する。アルミニウム膜10は、例えば、膜厚2−5nm程度でn型シリコン膜3cの表面に成膜する。
Next (second step), an
図3に示す工程(第3の工程)では、アルミニウム膜10にベーマイト処理を施して水酸化酸化アルミニウム膜14へ変える。具体的には、図3(a)に示すように、メータ角のガラス基板が収まる大きさの水槽11に、80℃以上に加熱された純水13を満たす。そして、表面にアルミニウム膜10が形成されたサンプル12を浸して煮沸する。すなわち、80℃以上に加熱した純水13中にアルミニウム膜10を浸して煮沸する。これにより、図3(b)に示すように、アルミニウム膜10は水酸化酸化アルミニウム膜14に変質する(煮沸によるベーマイト処理)。
In the step shown in FIG. 3 (third step), the
なお、第1の光電変換素子3の表面(すなわち、n型シリコン膜3cの表面)はアルミニウム膜10に覆われているため、水中酸化により自然酸化シリコン膜が発生することはない。
Since the surface of the first photoelectric conversion element 3 (that is, the surface of the n-
図4に示す工程(第4の工程)では、水酸化酸化アルミニウム膜14を熱処理して酸化アルミニウム膜4へ変える。具体的には、図4(a)に示すように、高温純水中で煮沸したサンプル12を非酸化雰囲気中にて200℃で加熱する。これにより、水酸化酸化アルミニウム膜14を酸化アルミニウム膜4に変化させる(水酸化酸化アルミニウムは200℃以上の加熱により分解して酸化アルミニウムに変化する)。
In the step shown in FIG. 4 (fourth step), the aluminum
なお、薄膜シリコン太陽電池における光電変換素子(アモルファスシリコン又は微結晶シリコン等)は通常、200℃程度の基板温度下で成膜されることが多く、ここでの加熱処理が光電変換素子に与える影響(ダメージ)はほとんど無いと考えられる。 Note that a photoelectric conversion element (amorphous silicon, microcrystalline silicon, or the like) in a thin film silicon solar cell is usually formed at a substrate temperature of about 200 ° C., and the influence of the heat treatment on the photoelectric conversion element There is almost no (damage).
次に(第5の工程)、酸化アルミニウム膜4の上に、p型シリコン膜(第2のシリコン膜)5a、i型シリコン膜5b、n型シリコン膜(第1のシリコン膜)5cを順に積層する。p型シリコン膜5aは、第2の光電変換素子5における下部となるべき膜である。これにより、第2の光電変換素子5が形成される。
Next (fifth step), a p-type silicon film (second silicon film) 5a, an i-type silicon film 5b, and an n-type silicon film (first silicon film) 5c are sequentially formed on the
その後、上記と同様にして、酸化アルミニウム膜6、第3の光電変換素子7、裏面透明電極層8、裏面電極層9を順に積層する。第3の光電変換素子7では、p型シリコン膜(第2のシリコン膜)7a、i型シリコン膜7b、n型シリコン膜7cが順に積層されている。
Thereafter, in the same manner as described above, the
ここで、仮に、第1の光電変換素子におけるn型シリコン膜の上に、スパッタリング法もしくは真空蒸着法により、酸化アルミニウム膜を直接形成する場合について考える(以下、この場合を比較例と呼ぶことにする)。この比較例では、原料やターゲットには必ず酸素原子が含まれていることになる。このため、酸化アルミニウム膜をn型シリコン膜の上に直接成膜した場合、これら酸素原子がn型シリコン膜3cの表面を酸化させて、n型シリコン膜3cと酸化アルミニウム膜との界面に比誘電率が極端に低い酸化シリコン層(比誘電率≒3.8)が形成される可能性が高い。この場合、第1の光電変換素子におけるn型シリコン膜と第2の光電変換素子におけるp型シリコン膜との界面における分極が十分に起こらず(エネルギーバンドの湾曲が十分に起こらず)、第1の光電変換素子と第2の光電変換素子との界面における接合抵抗を下げることが困難になる。
Here, suppose that an aluminum oxide film is directly formed on the n-type silicon film in the first photoelectric conversion element by a sputtering method or a vacuum evaporation method (hereinafter, this case is referred to as a comparative example). To do). In this comparative example, the raw material and target always contain oxygen atoms. For this reason, when the aluminum oxide film is formed directly on the n-type silicon film, these oxygen atoms oxidize the surface of the n-
それに対して、実施の形態1にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法によれば、第2の工程において、アルミニウム膜10を形成する(図2参照)ので、原料やターゲットに酸素原子が含まれていない。このため、アルミニウム膜10をn型シリコン膜3cの上に成膜した際に、n型シリコン膜3cとアルミニウム膜10との界面に酸化シリコン層が形成されにくい。そして、第3の工程においてアルミニウム膜10を水酸化酸化アルミニウム膜14に変質させ、第4の工程において水酸化酸化アルミニウム膜14を酸化アルミニウム膜4に変えるので、第3の工程及び第4の工程においても、n型シリコン膜3cと水酸化酸化アルミニウム膜14(又は酸化アルミニウム膜4)との界面に酸化シリコン層が形成されにくい。これにより、2つのシリコン膜(n型シリコン膜3c、p型シリコン膜5a)の界面に酸化シリコン膜を生成することなく酸化アルミニウム膜4を配することができる。言い換えると、上下の光電変換素子の界面に低誘電率の酸化シリコン膜を発生させることなく、酸化アルミニウム膜を光電変換素子の上に直接形成することができる。
On the other hand, according to the method for manufacturing the thin-film silicon solar cell according to the first embodiment, since the
したがって、第1の光電変換素子3におけるn型シリコン膜3cと第2の光電変換素子5におけるp型シリコン膜5aとの界面における分極を効率的に誘起する(エネルギーバンドをより大きく湾曲させてトンネル伝導を促進する)ことができるので、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における接合抵抗を(目標とする値まで)容易に下げることができる。
Therefore, the polarization at the interface between the n-
また、第2の工程において、非酸化雰囲気中でアルミニウム膜10を形成するので、この観点からも、n型シリコン膜3cとアルミニウム膜10との界面に酸化シリコン層が形成されにくい。第4の工程において、非酸化雰囲気中で水酸化酸化アルミニウム膜14を熱処理するので、この観点からも、n型シリコン膜3cとアルミニウム膜10との界面に酸化シリコン層が形成されにくい。
In addition, since the
さらに、第3の工程において、80℃以上に加熱した純水13中にアルミニウム膜10を浸すことにより、アルミニウム膜10を水酸化酸化アルミニウム膜14に変質させる。これにより、光電変換素子(n型シリコン膜3c)に与えるダメージを低減しながら、アルミニウム膜10を水酸化酸化アルミニウム膜14に変質させることができる。
Furthermore, in the third step, the
次に、このような方法で作製した酸化アルミニウム膜の比誘電率を、図5に示すMIS(Metal−Insulator−Semiconductor)構造のサンプルを用いて評価した。図5は、実施の形態1にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法で作製した酸化アルミニウム膜の電圧−容量特性を評価するためのサンプルの構造を示す図である。 Next, the relative dielectric constant of the aluminum oxide film manufactured by such a method was evaluated using a sample having a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing a sample structure for evaluating voltage-capacitance characteristics of an aluminum oxide film produced by the method for producing a thin-film silicon solar cell according to the first embodiment.
ここでは、上記のn型シリコン膜3cに対応する膜としてn型シリコン膜16を準備し、n型シリコン膜16上に実施の形態1の製造方法と同様の方法で酸化アルミニウム膜15を形成した後、真空蒸着法でアルミニウム電極17を形成した。すなわち、n型シリコン膜16、酸化アルミニウム膜15、及びアルミニウム電極17が順に積層された構造体を実施の形態1のサンプルとした。
Here, an n-
また、n型シリコン膜16上に上記の比較例と同様の方法(スパッタリング法によりn型シリコン膜の上に直接酸化アルミニウム膜を形成する方法)で酸化アルミニウム膜15’を形成した後、真空蒸着法でアルミニウム電極17’を形成した。すなわち、n型シリコン膜16、酸化アルミニウム膜15’、及びアルミニウム電極17’が順に積層された構造体を比較例のサンプルとした。
Further, after forming an
更に、図6に示す電気回路を構成し、アルミニウム電極17に可変電圧を印加しながら容量値を測定した(C−V特性)。図6は、実施の形態1にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法で作製した酸化アルミニウム膜の電圧−容量特性を評価するための電気回路を示す図である。一般にMISキャパシタのC−V特性を評価した場合、絶縁膜中に存在する電荷等に起因してエネルギーバンドが曲がり、C−V曲線は理想的な曲線から電圧軸に沿ってVfb(フラットバンド電圧)分だけシフトすることが知られている。ここで観察されるVfbは挿入した絶縁膜の比誘電率が高いほど大きくなるので、C−V特性に現れるVfbから比誘電率の評価が可能である。 Furthermore, the electric circuit shown in FIG. 6 was constructed, and the capacitance value was measured while applying a variable voltage to the aluminum electrode 17 (CV characteristics). FIG. 6 is a diagram showing an electric circuit for evaluating the voltage-capacitance characteristics of the aluminum oxide film produced by the method for producing a thin-film silicon solar cell according to the first embodiment. In general, when the CV characteristics of the MIS capacitor are evaluated, the energy band is bent due to the electric charge or the like existing in the insulating film, and the CV curve is Vfb (flat band voltage) along the voltage axis from the ideal curve. ) Is known to shift by minutes. Since Vfb observed here increases as the relative dielectric constant of the inserted insulating film increases, the relative dielectric constant can be evaluated from Vfb appearing in the CV characteristics.
実施の形態1のサンプル及び比較例のサンプルのそれぞれに対して、C−V特性を評価した結果を図7に示す。すなわち、図7には、実施の形態1のサンプルにおける酸化アルミニウム膜15のC−V特性19と、比較例のサンプルにおける酸化アルミニウム膜15’のC−V特性18と、理想的な酸化アルミニウム膜のC−V特性20とが示されている。
FIG. 7 shows the results of evaluating the CV characteristics for each of the sample of
図7において、C−V特性18(比較例)とC−V特性19(実施の形態1)とを比較した場合、フラットバンド電圧の値はC−V特性19(実施の形態1)の方がより高くなっている(Vfb2>Vfb1)。このことは、実施の形態1の製造方法で酸化アルミニウム膜を形成したMISキャパシタ(実施の形態1のサンプル)の方が、絶縁膜(酸化アルミニウム膜)における比誘電率がより高くなっていることを示している。すなわち、実施の形態1の製造方法によれば、n型シリコン膜3cの表面での酸化シリコンの発生が抑制され、酸化アルミニウムの保有する高い比誘電率が、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における分極を誘起することに効率的に寄与できていることが分かる。
In FIG. 7, when the CV characteristic 18 (comparative example) and the CV characteristic 19 (Embodiment 1) are compared, the value of the flat band voltage is that of the CV characteristic 19 (Embodiment 1). Is higher (Vfb2> Vfb1). This is because the dielectric constant of the insulating film (aluminum oxide film) is higher in the MIS capacitor (sample in the first embodiment) in which the aluminum oxide film is formed by the manufacturing method of the first embodiment. Is shown. That is, according to the manufacturing method of the first embodiment, the generation of silicon oxide on the surface of the n-
次に、実施の形態1にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法で作製した酸化アルミニウム膜を上下の光電変換素子の界面に挿入した場合における接合抵抗について評価した。図8は、実施の形態1にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法で作製した酸化アルミニウム膜の電圧−電流特性を評価するためのサンプルの構造を示す図である。 Next, the junction resistance when the aluminum oxide film produced by the method for manufacturing a thin-film silicon solar cell according to the first embodiment was inserted into the interface between the upper and lower photoelectric conversion elements was evaluated. FIG. 8 is a diagram showing a sample structure for evaluating voltage-current characteristics of an aluminum oxide film produced by the method for producing a thin-film silicon solar cell according to the first embodiment.
ここでは、真空蒸着法でアルミニウム電極21を形成した後、アルミニウム電極21の上に、実施の形態1の製造方法と同様の方法で、n型シリコン膜16、酸化アルミニウム膜15、p型シリコン膜22を順に形成した。その後、真空蒸着法でアルミニウム電極23を形成した。すなわち、アルミニウム電極21、n型シリコン膜16、酸化アルミニウム膜15、p型シリコン膜22、及びアルミニウム電極23が順に積層された構造体を実施の形態1のサンプルとした。
Here, after forming the
また、真空蒸着法でアルミニウム電極21を形成し、n型シリコン膜16を形成した後、n型シリコン膜16の上に、上記の比較例と同様の方法で酸化アルミニウム膜15’を形成した。その後、p型シリコン膜22’を形成し、p型シリコン膜22’の上に真空蒸着法でアルミニウム電極23’を形成した。すなわち、アルミニウム電極21、n型シリコン膜16、酸化アルミニウム膜15’、p型シリコン膜22’、及びアルミニウム電極23’が順に積層された構造体を比較例のサンプルとした。
Further, after forming the
更に、図9に示す電気回路を構成し、構造体の下部であるアルミニウム電極21を接地し、構造体の上部であるアルミニウム電極23(23’)に可変電圧を印加して、回路を流れる電流を測定した(電圧−電流特性)。図9は、実施の形態1にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法により作製した酸化アルミニウム膜の電圧−電流特性を評価するための電気回路を示す図である。
Furthermore, the electric circuit shown in FIG. 9 is configured, the
実施の形態1のサンプル及び比較例のサンプルのそれぞれに対して、電圧−電流特性を評価した結果を図10に示す。すなわち、図10には、実施の形態1のサンプルにおける酸化アルミニウム膜15の電圧−電流特性24と、比較例のサンプルにおける酸化アルミニウム膜15’の電圧−電流特性25とが示されている。
FIG. 10 shows the results of evaluating the voltage-current characteristics for each of the sample of
図10において、電圧−電流特性25(比較例)と電圧−電流特性24(実施の形態1)とを比較した場合、所定の電圧(図中のA)を印加した際に流れる電流値は、実施の形態1のサンプルの方が比較例のサンプルより約1桁高くなっているのが分かる。すなわち、実施の形態1の製造方法によれば、酸化アルミニウムの保有する高い比誘電率が、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における分極を誘起することに効率的に寄与できていることにより、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における接合抵抗を(目標とする値まで)容易に下げることができることが確認された。
In FIG. 10, when the voltage-current characteristic 25 (comparative example) and the voltage-current characteristic 24 (Embodiment 1) are compared, the current value that flows when a predetermined voltage (A in the figure) is applied is It can be seen that the sample of
以上のように、実施の形態1の製造方法で酸化アルミニウム膜を形成したタンデム型薄膜シリコン太陽電池では、上下の光電変換素子(サブセル)間の界面抵抗を比較例の製造方法で酸化アルミニウム膜を形成した場合に比べて低い値まで(例えば、約1桁)下げることが可能となる。その結果、太陽電池素子全体での発電効率を大幅に向上させることができる。
As described above, in the tandem-type thin film silicon solar cell in which the aluminum oxide film is formed by the manufacturing method of
実施の形態2.
次に、実施の形態2にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法を、図11を用いて説明する。以下では、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。図11は、実施の形態2にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法における第1の酸化アルミニウム膜を形成するための工程を示している。
Next, the manufacturing method of the thin film silicon solar
実施の形態2にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法は、図11に示すように、アルミニウム膜10を水酸化酸化アルミニウム膜214に変質させる工程における具体的な処理が実施の形態1と異なる。すなわち、図11(a)に示すように、表面にアルミニウム膜10が形成されたサンプル212に高温高圧の水蒸気26を噴射し、水酸化酸化アルミニウム膜を形成する。
As shown in FIG. 11, the manufacturing method of the thin-film silicon solar cell according to the second embodiment is different from the first embodiment in the specific process in the step of transforming the
ここでは、図11(b)に示すように、複数個の穴が設けられた噴射管27から高温高圧の水蒸気26を噴射しながら、噴射方向に対して水平にサンプル212を移動させてサンプル212の表面(すなわち、アルミニウム膜10の)全体に水蒸気を噴射する。あるいは、サンプル212を固定し、高温高圧の水蒸気26を噴射しながら噴射管27を移動させてもよい。これにより、サンプル212の全面(すなわち、アルミニウム膜10の全体)に高温高圧の水蒸気26を均一に噴射するので、サンプル212の全面に渡って水酸化酸化アルミニウム膜214を均一に形成することができる(噴射によるベーマイト処理)。
Here, as shown in FIG. 11B, the
なお、サンプル212の全面に渡って水酸化酸化アルミニウム膜214を形成した後に、図11で示した高温高圧の水蒸気26を噴射する設備全体を200℃に加熱することも可能である。この場合、水酸化酸化アルミニウム膜を酸化アルミニウム膜に変質させるための加熱設備を別途に設ける必要がなくなり、生産設備にかかるコストを下げることができる。また、製造工程も短縮されるため生産コストも下げることができる。
Note that after the aluminum
次に、このような方法で作製した酸化アルミニウム膜の比誘電率を、図5と同様のMIS構造のサンプルを用いて評価した。 Next, the relative dielectric constant of the aluminum oxide film produced by such a method was evaluated using a sample having a MIS structure similar to that shown in FIG.
ここでは、n型シリコン膜の上に実施の形態2の製造方法と同様の方法で酸化アルミニウム膜を形成した。例えば、n型シリコン膜の上にアルミニウム膜を形成し、そのアルミニウム膜の上から140℃、0.5MPaの高温高圧の水蒸気を噴射してアルミニウム膜を水酸化酸化アルミニウム膜に変え、その後、200℃の加熱処理を施して水酸化酸化アルミニウム膜を酸化アルミニウム膜に変えた。さらに、酸化アルミニウム膜の上に、真空蒸着法でアルミニウム電極を形成した。すなわち、n型シリコン膜、酸化アルミニウム膜、及びアルミニウム電極が順に積層された構造体を実施の形態2のサンプルとした。 Here, an aluminum oxide film was formed on the n-type silicon film by the same method as the manufacturing method of the second embodiment. For example, an aluminum film is formed on an n-type silicon film, and high-temperature and high-pressure steam at 140 ° C. and 0.5 MPa is sprayed from the aluminum film to change the aluminum film into an aluminum hydroxide oxide film. The aluminum hydroxide oxide film was changed to an aluminum oxide film by performing a heat treatment at ° C. Further, an aluminum electrode was formed on the aluminum oxide film by vacuum deposition. That is, a structure in which an n-type silicon film, an aluminum oxide film, and an aluminum electrode are sequentially stacked was used as the sample of the second embodiment.
実施の形態2のサンプルに対してC−V特性を評価した結果を、実施の形態1のサンプル及び比較例のサンプルのそれぞれに対してC−V特性を評価した結果とともに、図12に示す。すなわち、図12には、実施の形態2のサンプルにおける酸化アルミニウム膜のC−V特性29が、実施の形態1のサンプルにおける酸化アルミニウム膜15のC−V特性19と、比較例のサンプルにおける酸化アルミニウム膜15’のC−V特性18とともに示されている。
FIG. 12 shows the results of evaluating the CV characteristics of the sample of the second embodiment, together with the results of evaluating the CV characteristics of the sample of the first embodiment and the sample of the comparative example. That is, FIG. 12 shows the CV characteristic 29 of the aluminum oxide film in the sample of the second embodiment, the CV characteristic 19 of the
図12において、C−V特性18(比較例)とC−V特性29(実施の形態2)とを比較した場合、フラットバンド電圧の値はC−V特性29(実施の形態2)の方がより高くなっている(Vfb3>Vfb1)。このことは、実施の形態2の製造方法で酸化アルミニウム膜を形成したMISキャパシタ(実施の形態2のサンプル)の方が、絶縁膜(酸化アルミニウム膜)における比誘電率がより高くなっていることを示している。すなわち、実施の形態2の製造方法によれば、n型シリコン膜3cの表面での酸化シリコンの発生が抑制され、酸化アルミニウムの保有する高い比誘電率が、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における分極を誘起することに効率的に寄与できていることが分かる。
In FIG. 12, when the CV characteristic 18 (comparative example) is compared with the CV characteristic 29 (second embodiment), the value of the flat band voltage is that of the CV characteristic 29 (second embodiment). Is higher (Vfb3> Vfb1). This is because the dielectric constant of the insulating film (aluminum oxide film) is higher in the MIS capacitor (sample in the second embodiment) in which the aluminum oxide film is formed by the manufacturing method of the second embodiment. Is shown. That is, according to the manufacturing method of the second embodiment, the generation of silicon oxide on the surface of the n-
なお、C−V特性29(実施の形態2)をC−V特性19(実施の形態1)と比較すると、ほぼ同じ大きさのフラットバンド電圧(Vfb3≒Vfb2)が得られているのが分かる。 When the CV characteristic 29 (Embodiment 2) is compared with the CV characteristic 19 (Embodiment 1), it can be seen that a flat band voltage (Vfb3≈Vfb2) having almost the same magnitude is obtained. .
次に、実施の形態2にかかる薄膜シリコン太陽電池の製造方法で作製した酸化アルミニウム膜を上下の光電変換素子の界面に挿入した場合における接合抵抗について評価した。 Next, the junction resistance when the aluminum oxide film produced by the method for manufacturing a thin-film silicon solar cell according to the second embodiment was inserted into the interface between the upper and lower photoelectric conversion elements was evaluated.
ここでは、真空蒸着法でアルミニウム電極を形成した後、アルミニウム電極の上に、実施の形態2の製造方法と同様の方法で、n型シリコン膜、酸化アルミニウム膜、p型シリコン膜を順に形成した。その後、真空蒸着法でアルミニウム電極を形成した。すなわち、アルミニウム電極、n型シリコン膜、酸化アルミニウム膜、p型シリコン膜、及びアルミニウム電極が順に積層された構造体を実施の形態2のサンプルとした。 Here, after forming an aluminum electrode by a vacuum deposition method, an n-type silicon film, an aluminum oxide film, and a p-type silicon film were sequentially formed on the aluminum electrode by the same method as the manufacturing method of the second embodiment. . Thereafter, an aluminum electrode was formed by vacuum deposition. That is, a structure in which an aluminum electrode, an n-type silicon film, an aluminum oxide film, a p-type silicon film, and an aluminum electrode are sequentially stacked is used as the sample of the second embodiment.
実施の形態2のサンプルに対して電圧−電流特性を評価した結果を、実施の形態1のサンプル及び比較例のサンプルのそれぞれに対して電圧−電流特性を評価した結果とともに、図13に示す。すなわち、図13には、実施の形態2のサンプルにおける酸化アルミニウム膜の電圧−電流特性30が、実施の形態1のサンプルにおける酸化アルミニウム膜15の電圧−電流特性24と、比較例のサンプルにおける酸化アルミニウム膜15’の電圧−電流特性25とともに示されている。
FIG. 13 shows the results of evaluating the voltage-current characteristics for the sample of the second embodiment, together with the results of evaluating the voltage-current characteristics for each of the sample of the first embodiment and the sample of the comparative example. That is, FIG. 13 shows the voltage-
図13において、電圧−電流特性25(比較例)と電圧−電流特性30(実施の形態2)とを比較した場合、所定の電圧(図中のA)を印加した際に流れる電流値は、実施の形態2のサンプルの方が比較例のサンプルより約1桁高くなっているのが分かる。すなわち、実施の形態2の製造方法によれば、酸化アルミニウムの保有する高い比誘電率が、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における分極を誘起することに効率的に寄与できていることにより、n型シリコン膜3cとp型シリコン膜5aとの界面における接合抵抗を(目標とする値まで)容易に下げることができることが確認された。
In FIG. 13, when the voltage-current characteristic 25 (comparative example) and the voltage-current characteristic 30 (second embodiment) are compared, the value of the current that flows when a predetermined voltage (A in the figure) is applied is It can be seen that the sample of the second embodiment is about one digit higher than the sample of the comparative example. That is, according to the manufacturing method of the second embodiment, the high dielectric constant possessed by aluminum oxide can efficiently contribute to inducing polarization at the interface between the n-
なお、電圧−電流特性30(実施の形態2)を電圧−電流特性24(実施の形態1)と比較すると、ほぼ同じ挙動を示しているのが分かる。 When the voltage-current characteristic 30 (Embodiment 2) is compared with the voltage-current characteristic 24 (Embodiment 1), it can be seen that the behavior is almost the same.
以上のように、実施の形態2の製造方法で酸化アルミニウム膜を形成したタンデム型の薄膜シリコン太陽電池においても、上下の光電変換素子(サブセル)間の界面抵抗を比較例の製造方法で酸化アルミニウム膜を形成した場合に比べて低い値まで(例えば、約1桁)下げることが可能となる。 As described above, even in the tandem-type thin film silicon solar cell in which the aluminum oxide film is formed by the manufacturing method of the second embodiment, the interface resistance between the upper and lower photoelectric conversion elements (subcells) is reduced by the manufacturing method of the comparative example. It is possible to lower the value to a lower value (for example, about one digit) than when a film is formed.
以上のように、本発明にかかる太陽電池の製造方法は、タンデム型の薄膜シリコン太陽電池に有用である。 As described above, the method for manufacturing a solar cell according to the present invention is useful for a tandem-type thin film silicon solar cell.
1 基板
2 表面透明電極層
3 第1の光電変換素子
3c n型シリコン膜
4 第1の酸化アルミニウム膜
5 第2の光電変換素子
5a p型シリコン膜
5c n型シリコン膜
6 第2の酸化アルミニウム膜
7 第3の光電変換素子
7a p型シリコン膜
8 裏面透明電極層
9 裏面電極層
10 アルミニウム膜
11 水槽
12、212 サンプル
13 純水
14、214 水酸化酸化アルミニウム膜
15、15’ 酸化アルミニウム膜
16 n型シリコン膜
17、17’ アルミニウム電極
18 比較例のサンプルのC−V特性
19 実施の形態1のサンプルのC−V特性
20 理想的なC−V特性
21 アルミニウム電極
22 p型シリコン膜
23 アルミニウム電極
24 実施の形態1のサンプルの電圧−電流特性
25 比較例のサンプルの電圧−電流特性
26 水蒸気
27 噴射管
29 実施の形態2のサンプルのC−V特性
30 実施の形態2のサンプルの電圧−電流特性
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1のシリコン膜の上にアルミニウム膜を形成する第2の工程と、
前記アルミニウム膜にベーマイト処理を施して水酸化酸化アルミニウム膜へ変える第3の工程と、
前記水酸化酸化アルミニウム膜を熱処理して酸化アルミニウム膜へ変える第4の工程と、
前記酸化アルミニウム膜の上に、前記第1の光電変換素子とバンドギャップの異なる第2の光電変換素子における下部となるべき第2のシリコン膜を形成する第5の工程と、
を備えたことを特徴とする太陽電池の製造方法。 Forming a first silicon film to be an upper part of the first photoelectric conversion element on the substrate;
A second step of forming an aluminum film on the first silicon film;
A third step of subjecting the aluminum film to a boehmite treatment to change to an aluminum hydroxide oxide film;
A fourth step of heat-treating the aluminum hydroxide oxide film into an aluminum oxide film;
A fifth step of forming, on the aluminum oxide film, a second silicon film to be a lower portion of the second photoelectric conversion element having a band gap different from that of the first photoelectric conversion element;
A method for producing a solar cell, comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池の製造方法。 The method for manufacturing a solar cell according to claim 1, wherein in the second step, the aluminum film is formed in a non-oxidizing atmosphere.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の太陽電池の製造方法。 3. The method for manufacturing a solar cell according to claim 1, wherein in the third step, the aluminum film is immersed in pure water heated to 80 ° C. or higher.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の太陽電池の製造方法。 3. The method for manufacturing a solar cell according to claim 1, wherein in the third step, water vapor is sprayed onto the aluminum film.
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の太陽電池の製造方法。 5. The method of manufacturing a solar cell according to claim 1, wherein in the fourth step, the aluminum hydroxide oxide film is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere.
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