JP2012038916A - アモルファスカーボン膜及び太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥密度を低減させることが可能なアモルファスカーボン膜及びこれを用いた太陽電池を提供する。
【解決手段】Ｓｉ含有量が１ａｔ％以下である、アモルファスカーボン膜とし、該アモルファスカーボン膜を用いた太陽電池とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、アモルファスカーボン膜及びこれを用いた太陽電池に関し、特に、欠陥密度を低減させたアモルファスカーボン薄膜及びこれを用いた太陽電池に関する。

太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有している。そのため、様々な種類の太陽電池に関する研究が、盛んに進められている。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっている。

アモルファスカーボン薄膜（以下において、「アモルファスカーボン膜」ということがある。）は、バンドギャップを広範囲に変化させることが可能であることから、新規太陽電池材料として注目されている。しかし、現状のアモルファスカーボン薄膜は、アモルファスシリコン等の従来太陽電池材料に比べ、未結合手（欠陥）の密度が高い。欠陥が高密度に存在すると、太陽光の照射により生成された電荷が消失しやすくなるため、太陽電池材料として利用するには、欠陥密度を低減する必要がある。

このようなアモルファスカーボン薄膜に関する技術として、例えば特許文献１には、アモルファスカーボン膜を成長させるための原料ガスにマイクロ波を照射して該原料ガスのプラズマを生成し、基材上にアモルファスカーボン膜を形成する工程を含み、マイクロ波の出力強度を周期的に変化させつつマイクロ波を原料ガスに照射することを特徴とする、アモルファスカーボン膜の製造方法が開示されている。

特開２００８−２９１３２７号公報

特許文献１に開示されている技術によれば、所望のバンドギャップを有するアモルファスカーボン膜を製造することが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術を用いて製造したアモルファスカーボン膜は、欠陥密度が高くなる場合があり、太陽電池材料としての利用を促進するためには、さらなる技術改良が求められていた。

そこで本発明は、欠陥密度を低減させることが可能なアモルファスカーボン膜及びこれを用いた太陽電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、Ｓｉ含有量が１ａｔ％以下であることを特徴とする、アモルファスカーボン膜である。

上記本発明の第１の態様において、Ｓｉ含有量は、０ａｔ％よりも多く、且つ、０．５１ａｔ％以下であることが好ましい。

上記本発明の第１の態様において、Ｓｉ含有量は、０．３ａｔ％以上０．５１ａｔ％以下であることがより好ましい。

本発明の第２の態様は、上記本発明の第１の態様にかかるアモルファスカーボン膜を用いた太陽電池である。

本発明のアモルファスカーボン膜には、１ａｔ％以下のＳｉが含有されている。アモルファスカーボン膜に微量のＳｉを含有させることにより、アモルファスカーボン膜の機能を有したまま、欠陥密度を大幅に低減させることが可能になる。したがって、本発明によれば、欠陥密度を低減させることが可能な、アモルファスカーボン膜を提供することができる。

本発明において、Ｓｉ含有量を、０ａｔ％よりも多く、且つ、０．５１ａｔ％以下とすることにより、欠陥密度の低減効果を高めることが可能になる。

本発明において、Ｓｉ含有量を０．３ａｔ％以上０．５１％以下とすることにより、欠陥密度の低減効果を一層高めることが可能になる。

本発明の太陽電池には、本発明のアモルファスカーボン膜が用いられている。本発明の、欠陥密度を低減させたアモルファスカーボン膜を用いることにより、太陽電池の変換効率を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、変換効率を向上させることが可能な、太陽電池を提供することができる。

アモルファスカーボン膜１０の構造を説明する概念図である。 アモルファスカーボン膜９０の構造を説明する概念図である。 アモルファスカーボン膜中のＳｉ含有量と欠陥密度との関係を示す図である。 アモルファスカーボン膜中のＳｉ含有量と欠陥密度との関係を示す図である。 表面波プラズマＣＶＤ装置を示す図である。

カーボン系材料には、様々な形態が存在し、構造によって物性が大きく変化するという特徴がある。例えば、結晶性物質としてはバンドギャップが５．５ｅＶのダイヤモンド（絶縁体）やバンドギャップが０ｅＶのグラファイト（導電体）等が存在する。このような物性は、カーボン系材料を構成する炭素の結合形態（ｓｐ２結合、ｓｐ３結合）や水素の混合割合によって決定される。

本発明者らは、これまでに、カーボン系材料（アモルファスカーボン薄膜）の新しい作製手法である表面波プラズマＣＶＤ法の開発を進めてきている。しかしながら、表面波プラズマＣＶＤ法によって水素含有量を制御したアモルファスカーボン膜を製造することは困難であり、水素含有量を制御することによってアモルファスカーボン膜の欠陥密度を低減することは困難であった。

アモルファスカーボン膜は、主として、ｓｐ２結合をしている炭素（以下において、「ｓｐ２炭素」という。）、ｓｐ３結合をしている炭素（以下において、「ｓｐ３炭素」という。）、及び、水素によって構成され、ｓｐ２炭素はｓｐ２炭素同士で凝集し、クラスター（以下において、「ｓｐ２クラスター」という。）としてアモルファスカーボン膜中に存在している。図１及び図２に、アモルファスカーボン膜の構造の概念を示す。ｓｐ２炭素、ｓｐ３炭素、及び水素によって構成されるアモルファス相とｓｐ２クラスターとでは、構造が異なるため、その界面で原子の配列が途切れる。それゆえ、図２に示すように、従来のアモルファスカーボン膜９０には大きなｓｐ２クラスター９１、９１、９１が存在し、このｓｐ２クラスター９１、９１、９１とアモルファス相９２との界面に、多数の未結合手（欠陥）が集中していると考えられる。

したがって、アモルファスカーボン膜の欠陥密度を低減するためには、多くの欠陥が集中している界面（ｓｐ２クラスターとアモルファス相との界面）を低減すれば良く、そのためには、ｓｐ２クラスターの大きさを小さくすることが有効である。ｓｐ２クラスターを小さくするためには、ｓｐ３結合のみを形成する原子（例えば、Ｓｉ）を添加すれば良い。しかしながら、Ｓｉはアモルファスカーボン膜にとっては不純物であるため、Ｓｉ添加によりｓｐ２クラスター１、１、１とアモルファス相２との界面を低減した図１の示す形態のアモルファスカーボン膜１０を製造しても、添加量を過度に多くすると欠陥量が増大すると考えられる。そこで、本発明者らは、後述する表面波プラズマＣＶＤ装置１００を用いてＳｉ含有量を変化させたアモルファスカーボン膜（Ｓｉ含有量：０ａｔ％、０．３ａｔ％、０．５１ａｔ％、２．７ａｔ％、及び、３．６ａｔ％）を製造し、アモルファスカーボン膜中のＳｉ含有量と欠陥密度との関係を調査した。

アモルファスカーボン膜中のＳｉ含有量と欠陥密度との関係を図３及び図４に示す。図３及び図４の縦軸は欠陥密度［ｃｍ^−３］であり、横軸はＳｉ含有量［ａｔ％］である。図３の点線で囲まれた領域を拡大して示す図が図４である。図３及び図４に示すように、アモルファスカーボン膜にＳｉを含有させた場合、Ｓｉ含有量がゼロの状態からＳｉ含有量を増大させていくと、最初は次第に欠陥密度が低減していくが、その後、欠陥密度は増大に転じた。より具体的には図４に示すように、アモルファスカーボン膜の欠陥密度は、Ｓｉ含有量が０．３ａｔ％と０．５１ａｔ％との間で最小となり、Ｓｉ含有量が０．３ａｔ％の時、及び、Ｓｉ含有量が０．５１ａｔ％の時の欠陥密度は、何れも、Ｓｉを含有させなかった場合の欠陥密度の１／１０以下であった。また、Ｓｉ含有量が１ａｔ％になると、欠陥密度は、Ｓｉ含有量が０ａｔ％の時と同程度になった。

以上より、本発明者らは、１ａｔ％以下のＳｉをアモルファスカーボン膜に含有させることにより、アモルファスカーボン膜の欠陥密度を低減することが可能になることを知見した。より具体的に、本発明者らは、０．５１ａｔ％以下のＳｉをアモルファスカーボン膜に添加させることにより、Ｓｉを意図的に添加しなかった場合（Ｓｉ含有量が０ａｔ％の場合）と比較して、アモルファスカーボン膜の欠陥密度を低減できることを知見した。そして、本発明者らは、アモルファスカーボン膜の欠陥密度の低減効果は、Ｓｉ含有量が０．３ａｔ％以上０．５１ａｔ％以下の場合に特に顕著であることを知見した。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、Ｓｉの微量添加によって欠陥密度を低減させることが可能なアモルファスカーボン膜を提供することを、主な要旨とする。

本発明のアモルファスカーボン膜は、１ａｔ％以下のＳｉを含有している。上述のように、微量のＳｉを含有させることによって、ｓｐ２クラスターの大きさを小さくしてｓｐ２クラスターとアモルファス相との界面を低減することが可能になり、その結果、欠陥密度を低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、欠陥密度を低減させたアモルファスカーボン膜を提供することができる。

本発明において、アモルファスカーボン膜中のＳｉ含有量は、０ａｔ％よりも多く、且つ、０．５１ａｔ％以下とすることが好ましく、０．３ａｔ％以上０．５１ａｔ％以下とすることがより好ましい。かかる量のＳｉを添加することにより、欠陥密度の低減効果をより顕著にすることが可能になる。

次に、本発明のアモルファスカーボン膜の製造方法について説明する。図５は、本発明のアモルファスカーボン膜を製造する際に用いられる表面波プラズマＣＶＤ装置１００である。なお、本発明のアモルファスカーボン膜の製造時に使用可能な装置は、図５に示す表面波プラズマＣＶＤ装置１００に限定されるものではなく、Ｓｉ添加量を制御しながらアモルファスカーボン膜を製造可能な装置であれば、他の装置も適宜用いることができる。

図５に示す表面波プラズマＣＶＤ装置１００（以下において、「装置１００」という。）は、チャンバ１０１と、原料ガス源１０２と、導波管１０４と、マイクロ波発生部１０５とを備えている。

チャンバ１０１は、原料ガスＧのプラズマＰが生成される領域を提供する気密容器である。チャンバ１０１は、配管を介して原料ガス源１０２と接続されている。原料ガス源１０２は、チャンバ１０１に原料ガスＧを供給する。一方、チャンバ１０１の排出口１０９には排気ポンプによって構成される排気手段１０３が設けられている。装置１００では、アモルファスカーボン膜を成長させる前に、排気手段１０３を用いて真空引きが行われ、チャンバ１０１内が減圧される。また、チャンバ１０１内には、アモルファスカーボン膜の形成対象である基板Ｂを支持するための基板ステージ１０８が設けられている。基板ステージ１０８には、基板Ｂの温度を制御する温度制御機構１１１が設けられており、基板ステージ１０８の高さは、高さ制御機構１１２によって制御される。

マイクロ波発生部１０５は、チャンバ１０１に導入された原料ガスＧをプラズマ状態にするためのマイクロ波Ｗを、導波管１０４を介してチャンバ１０１へ向けて出力する。マイクロ波発生部１０５から出力されたマイクロ波Ｗは、原料ガスＧへと照射される。マイクロ波発生部１０５は、例えば出力６００〜１４００［Ｗ］、周波数数百Ｈｚ〜数ＧＨｚ、所定のデューティー比（時間Ｔ１に亘る所定の強度のマイクロ波照射と、時間Ｔ２に亘るマイクロ波非照射とを繰り返して、マイクロ波を断続的に照射する場合、デューティー比ｄはｄ＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）で表される。）のマイクロ波Ｗをマグネトロン等により発生する。

導波管１０４は、マイクロ波発生部１０５から出力されたマイクロ波Ｗを導波しつつ、チャンバ１０１の内部へと提供する。導波管１０４は、チャンバ１０１上に石英窓１０６を介して設けられている。チャンバ１０１と対向する導波管１０４の面には、スロットアンテナ１０７が設けられており、マイクロ波Ｗは、このスロットアンテナ１０７を介してチャンバ１０１内部の原料ガスＧへと照射される。導波管１０４上には、導波管１０４を冷却するための冷却ファン１１０、１１０、１１０が設けられている。

原料ガス源１０２は、アモルファスカーボン膜を成長させるための原料ガスＧの供給源である。原料ガス源１０２は、炭素元素ガス源としてメタン（ＣＨ_４）源、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）源、及びアセチレン（Ｃ_３Ｈ_６）源から選択される少なくとも１つを含み、アモルファスカーボン膜に添加されるＳｉを供給するためのガス源として、例えばトリメチルシラン（（ＣＨ_３）_３ＳｉＨ）源を有している。さらに、原料ガス源１０２は、水素（Ｈ_２）源を有し、さらに、キャリアガスを供給するためのキャリアガス源としてアルゴン（Ａｒ）源等の不活性ガス源を有している。これらのガス源は、それぞれガス流量を調整する不図示のマスフローコントローラを介してチャンバ１０１に接続されており、各原料ガスはマスフローコントローラを経由した後に混合されて原料ガスＧとしてチャンバ１０１へと供給される。

このように構成される装置１００を用いてアモルファスカーボン膜を製造する際には、まず、チャンバ１０１の基板ステージ１０８に基板Ｂを設置し、次いで、チャンバ１０１内を減圧する。チャンバ１０１内を減圧したら、原料ガス源１０２からチャンバ１０１へ原料ガスＧを供給しつつ、マイクロ波発生部１０５からマイクロ波Ｗを出力し、このマイクロ波Ｗをチャンバ１０１内の原料ガスＧへ照射する。このとき、出力強度を周期的に変化させたマイクロ波Ｗを原料ガスＧに照射する。また、所定のバンドギャップを有するアモルファスカーボン膜を製造するために、所定のデューティー比で、マイクロ波パルスを断続的に原料ガスＧへと照射する。

チャンバ１０１の内部では、マイクロ波発生部１０５から導波管１０４を介して照射されたマイクロ波Ｗによって表面波プラズマＰが発生する。これにより、原料ガスＧの一部は炭素を含むラジカルに変化し、基板Ｂの表面へと移動し、堆積する。このように、装置１００を用いて、基板Ｂの表面にアモルファスカーボン膜を成長させることができる。

本発明のアモルファスカーボン膜を製造する際、炭素元素ガス源としてアセチレンを用いる場合には、その流量を例えば５０ｍｌ／ｍｉｎとすることができ、水素源の流量は例えば２０ｍｌ／ｍｉｎとすることができる。さらに、キャリアガス源としてアルゴン源を用いる場合には、その流量を例えば２００ｍｌ／ｍｉｎとすることができる。そして、Ｓｉ添加用ガス源としてトリメチルシラン源を用いる場合には、その流量を５〜５０ｍｌ／ｍｉｎの範囲で制御することにより、アモルファスカーボン膜中のＳｉ含有量を制御することができる。このほか、原料ガスＧが供給されている時のチャンバ１０１内の圧力は例えば５０Ｐａとすることができ、基板温度制御機構１１１によって制御される基板Ｂ（例えば、石英基板）の温度は２５℃〜４００℃とすることができる。また、マイクロ波Ｗの出力は１０００［Ｗ］、周波数は５００Ｈｚ、デューティー比ｄは０．３とすることができる。

以上、本発明のアモルファスカーボン膜について説明した。本発明のアモルファスカーボン膜は、欠陥密度を低減させることができるので、本発明のアモルファスカーボン膜を太陽電池に用いることにより、太陽電池の変換効率を向上させることが可能になる。

本発明のアモルファスカーボン膜は、例えば、太陽電池や光検出素子等に代表される光電変換素子に用いることができる。

Ｂ…基板
Ｇ…原料ガス
Ｐ…表面波プラズマ
Ｗ…マイクロ波
１…ｓｐ２クラスター
２…アモルファス相
１０…アモルファスカーボン膜
９０…アモルファスカーボン膜
９１…ｓｐ２クラスター
９２…アモルファス相
１００…表面波プラズマＣＶＤ装置
１０１…チャンバ
１０２…原料ガス源
１０３…排気手段
１０４…導波管
１０５…マイクロ波発生部
１０６…石英窓
１０７…スロットアンテナ
１０８…基板ステージ
１０９…排出口
１１０…冷却ファン
１１１…温度制御機構
１１２…高さ制御機構

Claims (4)

1. Ｓｉ含有量が１ａｔ％以下であることを特徴とする、アモルファスカーボン膜。
2. Ｓｉ含有量が、０ａｔ％よりも大きく、且つ、０．５１ａｔ％以下であることを特徴とする、請求項１に記載のアモルファスカーボン膜。
3. Ｓｉ含有量が、０．３ａｔ％以上０．５１ａｔ％以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のアモルファスカーボン膜。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアモルファスカーボン膜を用いた太陽電池。