JP2012038916A - アモルファスカーボン膜及び太陽電池 - Google Patents
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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
【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。
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。
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(CH4)源、エチレン(C2H4)源、及びアセチレン(C3H6)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((CH3)3SiH)源を有している。さらに、原料ガス源102は、水素(H2)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
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010177646A JP2012038916A (ja) | 2010-08-06 | 2010-08-06 | アモルファスカーボン膜及び太陽電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010177646A JP2012038916A (ja) | 2010-08-06 | 2010-08-06 | アモルファスカーボン膜及び太陽電池 |
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Family Applications (1)
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JP2010177646A Pending JP2012038916A (ja) | 2010-08-06 | 2010-08-06 | アモルファスカーボン膜及び太陽電池 |
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JP (1) | JP2012038916A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20220376247A1 (en) * | 2021-05-21 | 2022-11-24 | Zeta Energy Llc | Anode-Free Electrochemical Cell |
-
2010
- 2010-08-06 JP JP2010177646A patent/JP2012038916A/ja active Pending
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US20220376247A1 (en) * | 2021-05-21 | 2022-11-24 | Zeta Energy Llc | Anode-Free Electrochemical Cell |
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