JP2012124395A - Method and apparatus of manufacturing thin film solar cell, and thin film solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜太陽電池の製造方法、製造装置および薄膜太陽電池に関する。さらに詳細には、本発明は、プラズマCVD法を用いる積層構造の半導体層を備える薄膜太陽電池の製造方法、製造装置および薄膜太陽電池に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a thin film solar cell, a manufacturing apparatus, and a thin film solar cell. More specifically, the present invention relates to a manufacturing method, a manufacturing apparatus, and a thin film solar cell for a thin film solar cell including a semiconductor layer having a laminated structure using a plasma CVD method.
従来、日光を利用して発電を行なう太陽電池として、薄膜太陽電池が用いられている。薄膜太陽電池用の光電変換層の材料として特に注目されているものに、微結晶シリコン(Si)を挙げることができる。支持基板の一方の面に微結晶Si層を形成する場合、支持基板上に配置されている電極層を構成する金属元素が微結晶Siの半導体層に拡散によって侵入し、光電変換層の光電変換効率を低下させる。この原因となる金属元素は、典型的には金属からなる電極層の金属元素である。それ以外にも、例えば電極層に透明電極層が採用されていれば、透明電極層の金属酸化物が微結晶Siの成膜時の水素プラズマにより還元されて生成された金属元素も同様の悪影響を及ぼす。そこで金属元素が微結晶Si層に及ぼす影響を軽減するため、基板上の電極層に接する位置にアモルファスSi層を配置し、さらにその上に微結晶Si層を積層する構造のサブストレート型の太陽電池の構造が提案されている(特許文献1:特開平11−274540号公報)。 Conventionally, a thin film solar cell is used as a solar cell that generates power using sunlight. Microcrystalline silicon (Si) can be given as a material that has attracted particular attention as a material for a photoelectric conversion layer for a thin film solar cell. When a microcrystalline Si layer is formed on one surface of a support substrate, the metal element constituting the electrode layer disposed on the support substrate penetrates into the microcrystalline Si semiconductor layer by diffusion, and the photoelectric conversion of the photoelectric conversion layer Reduce efficiency. The causative metal element is a metal element of an electrode layer typically made of metal. In addition, for example, if a transparent electrode layer is used for the electrode layer, the metal element produced by reducing the metal oxide of the transparent electrode layer by hydrogen plasma during the formation of microcrystalline Si has the same adverse effect. Effect. Therefore, in order to reduce the influence of metal elements on the microcrystalline Si layer, an amorphous Si layer is arranged at a position in contact with the electrode layer on the substrate, and a microcrystalline Si layer is further laminated on the substrate type solar. A battery structure has been proposed (Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 11-274540).
特許文献1に開示される上記積層構造を形成するためには、アモルファスSi層の形成後に微結晶Si層を形成するため、成膜装置の真空チェンバーの内部において基板の雰囲気となるガスを変更する作業を伴う。この変更の作業の手順は以下の通りに行われる。まず、それまで励起されていたプラズマを停止する。次いでその時点での雰囲気のガスを排気する。さらに、新たな成膜用のガスを同一の真空チェンバーの内部に導入し圧力を調整(調圧)する。最後にプラズマを再び励起する(例えば、特許文献1、段落[0085]〜[0086])。このような、プラズマの停止を伴うプラズマCVD法による半導体層の成膜手法は、特許文献2(特開2008−181960号公報)にも開示されている。 In order to form the laminated structure disclosed in Patent Document 1, in order to form the microcrystalline Si layer after the formation of the amorphous Si layer, the gas serving as the atmosphere of the substrate is changed inside the vacuum chamber of the film forming apparatus. With work. The procedure for this change is as follows. First, the plasma that has been excited is stopped. Next, the gas in the atmosphere at that time is exhausted. Further, a new film forming gas is introduced into the same vacuum chamber to adjust (regulate) the pressure. Finally, the plasma is excited again (for example, Patent Document 1, paragraphs [0085] to [0086]). Such a method for forming a semiconductor layer by plasma CVD with plasma stoppage is also disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-181960).
ところが、特許文献1に開示されている同一の成膜室を用いてプラズマの停止を伴う処理を実際に行うと、成膜条件をあるものから別のものに切り替えるために時間を要し、ひいては太陽電池の製造効率を低下させる。すなわち、特許文献1に開示されているように、アモルファスSi層の成膜を完了した後に、雰囲気のガスを変更するためにプラズマを止めてガスを排気し、新たにガスを導入して調圧し、プラズマを励起してから微結晶Si層の成膜を開始する、という一連の作業は、製造効率の低下が問題となる程度に時間を要する処理となる。 However, when processing with plasma stoppage is actually performed using the same film forming chamber disclosed in Patent Document 1, it takes time to switch the film forming condition from one to another, and consequently Reduce the manufacturing efficiency of solar cells. That is, as disclosed in Patent Document 1, after the film formation of the amorphous Si layer is completed, in order to change the atmosphere gas, the plasma is stopped and the gas is exhausted, and the pressure is adjusted by newly introducing the gas. The series of operations of starting the film formation of the microcrystalline Si layer after exciting the plasma is a process that takes time to such an extent that a decrease in manufacturing efficiency becomes a problem.
また、特許文献2は、透光性基板を通じて光を受光するスーパーストレート型の太陽電池に関連してプラズマの停止を伴うプラズマCVD成膜法を開示している。この開示においても、同一の成膜室を用いて複数の半導体膜を積層する処理が行われる(例えば、特許文献2、段落[0041]、[0043]〜[0041]等)。特許文献2の開示によれば、導電型の異なる層が積層される二つの工程の間においては、水素ガスが置換ガスとして導入され、その後に、新たな原料ガスが導入され、圧力の安定を待ってプラズマを再度励起する処理が行われる(段落[0043]〜[0051])。さらに特許文献2の開示によれば、導電型が同一である層が積層される二つの工程の間においても、置換ガスの導入と、その後の圧力の安定を待ってプラズマを励起する処理が行われる(段落[0043]および[0058])。つまり、特許文献2に開示される手法においても、置換ガスの導入・排気・プラズマの再励起という手順が行われ、特許文献1に開示される成膜方法と同様に、成膜条件の切り替えのために製造効率を低下させる程度の時間が必要となる。 Further, Patent Document 2 discloses a plasma CVD film forming method with plasma stop in connection with a super straight type solar cell that receives light through a light-transmitting substrate. Also in this disclosure, a process of stacking a plurality of semiconductor films using the same film formation chamber is performed (for example, Patent Document 2, paragraphs [0041], [0043] to [0041], etc.). According to the disclosure of Patent Document 2, between two steps in which layers having different conductivity types are stacked, hydrogen gas is introduced as a replacement gas, and then a new source gas is introduced to stabilize the pressure. A process of exciting the plasma again after waiting is performed (paragraphs [0043] to [0051]). Further, according to the disclosure of Patent Document 2, the process of exciting the plasma after the introduction of the replacement gas and the subsequent stabilization of the pressure is performed between the two processes in which the layers having the same conductivity type are stacked. (Paragraphs [0043] and [0058]). That is, in the method disclosed in Patent Document 2, the procedure of introducing replacement gas, exhausting, and re-excitation of plasma is performed, and the film forming method is switched as in the film forming method disclosed in Patent Document 1. Therefore, it takes time to reduce the production efficiency.
ここで、成膜条件を従来の手法によって切り替える際に時間を増加させる大きな要因の一つは、プラズマの停止および再励起の作業に時間を要することである。従来、成膜条件を切り替える際には、特許文献1および2に開示されるように、プラズマが停止され、成膜処理が一旦中断される。これは、プラズマを停止させない場合、異常な膜が形成される可能性があるためである。また、プラズマを停止させずに成膜条件を切り替えようとしても、切り替えの作業中、または、成膜装置における切り替え処理の途中に、意図せずにプラズマが停止してしまい、再励起の作業が必要となる場合もある。 Here, one of the major factors that increase the time when the film forming conditions are switched by the conventional method is that time is required for the operation of stopping and re-exciting the plasma. Conventionally, when switching film forming conditions, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, the plasma is stopped and the film forming process is temporarily interrupted. This is because an abnormal film may be formed when the plasma is not stopped. Even if the film formation conditions are switched without stopping the plasma, the plasma is stopped unintentionally during the switching operation or during the switching process in the film forming apparatus, and the re-excitation operation is performed. It may be necessary.
本発明は、成膜条件の異なる膜が積層されている半導体層を備える太陽電池において、プラズマCVD法の成膜条件の切り替え時間を短縮することにより、高性能な薄膜太陽電池の量産性の向上に寄与するものである。 The present invention improves the mass productivity of a high-performance thin-film solar cell by shortening the switching time of the film-forming condition of the plasma CVD method in a solar cell including a semiconductor layer in which films having different film-forming conditions are stacked. It contributes to.
本願の発明者は、プラズマを意図的には中断させずにプラズマCVD法の成膜条件を切り替える場合において、上述したような異常な膜が形成されたり、また、意図せずプラズマが停止したりする原因を調査した。そしてその直接的な原因が、真空チェンバーの内部の圧力変動によることを見出した。 The inventors of the present application, when switching the film formation conditions of the plasma CVD method without intentionally interrupting the plasma, may form an abnormal film as described above, or may stop the plasma unintentionally. Investigate the cause. And it was found that the direct cause was the pressure fluctuation inside the vacuum chamber.
この知見に従えば、真空チェンバーの内部の圧力変動を抑止することによって異常な膜の形成やプラズマの不意の停止を抑止することが可能なはずである。ところが、成膜条件の切り替えを行う際には、真空チェンバーの圧力の変動を抑止しようとしても実際には多くの場合に変動が避けられない。そこでさらにその圧力変動の原因を調査したところ、真空チェンバーに供給されるガスの流量の変化がその圧力変動に関係していることを見出した。 According to this knowledge, it should be possible to suppress abnormal film formation and sudden stop of plasma by suppressing pressure fluctuations inside the vacuum chamber. However, when switching the film forming conditions, even if it is attempted to suppress the fluctuation of the pressure in the vacuum chamber, the fluctuation is actually unavoidable in many cases. Then, when the cause of the pressure fluctuation was further investigated, it was found that the change in the flow rate of the gas supplied to the vacuum chamber was related to the pressure fluctuation.
すなわち、真空チェンバーに供給されるガスの流量は、通常、単位時間当たりに供給されるガスの体積(例えば標準状態のガス体積)として規定される。このガスの流量を急激に変化させると、たとえ圧力変動を抑止するように何らかの手段によって制御を行っていても、真空チェンバーの内部の圧力は大きく変動してしまう。その圧力変動が、上述したように異常な膜の形成や意図しないプラズマの停止を引き起こしていたのである。 That is, the flow rate of the gas supplied to the vacuum chamber is normally defined as the volume of gas supplied per unit time (for example, the gas volume in the standard state). If the gas flow rate is changed abruptly, the pressure inside the vacuum chamber will fluctuate greatly even if it is controlled by some means so as to suppress the pressure fluctuation. The pressure fluctuation caused the abnormal film formation and the unintended plasma stop as described above.
そこで、成膜条件を切り替える際に、圧力変動が生じない条件によってガスの流量を変化させることを試行したところ、異常な膜の形成が抑止され、また、意図しないプラズマ放電の停止も生じないことが明らかとなった。 Therefore, when switching the film formation conditions, an attempt was made to change the gas flow rate under conditions that do not cause pressure fluctuations. As a result, abnormal film formation was suppressed and unintended plasma discharge did not stop. Became clear.
すなわち、本発明のある態様においては、nip接合構造またはpin接合構造のいずれかを含む半導体層を備える薄膜太陽電池の製造方法であって、電極が形成されている基板の該電極の面の上にn型またはp型のアモルファスSi層を第1条件のプラズマCVD法によって真空チェンバーの内部にて形成する第1成膜ステップと、前記アモルファスSi層の面に接して、該アモルファスSi層と同じ導電型の微結晶Si層を第2条件のプラズマCVD法によって前記真空チェンバーの内部にて形成する第2成膜ステップと、前記第1成膜ステップから前記第2成膜ステップに遷移するための遷移ステップであって、前記真空チェンバーの内部の圧力をプラズマの励起を継続させるように保ちながら、前記真空チェンバーに供給されるガスの総流量が、前記第1条件に含まれるガスの総流量から前記第2条件に含まれるガスの総流量へ変更される遷移ステップとを含む薄膜太陽電池の製造方法が提供される。 That is, in one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a thin-film solar cell including a semiconductor layer including either a nip junction structure or a pin junction structure, wherein the surface of the electrode on the substrate on which the electrode is formed is provided. A first film forming step of forming an n-type or p-type amorphous Si layer in the vacuum chamber by a plasma CVD method under a first condition, and the same as the amorphous Si layer in contact with the surface of the amorphous Si layer A second film forming step of forming a conductive type microcrystalline Si layer inside the vacuum chamber by a plasma CVD method under a second condition, and a transition from the first film forming step to the second film forming step. A gas supplied to the vacuum chamber in a transition step while maintaining the pressure inside the vacuum chamber so as to continue the excitation of the plasma Total flow, the method of manufacturing the thin film solar cell comprising a transition step to be changed from the total flow rate of the gas contained in the first condition to the total flow rate of the gas contained in the second condition is provided.
また、本発明のある態様においては、nip接合構造またはpin接合構造のいずれかを含む半導体層を備える薄膜太陽電池を製造するための製造装置であって、少なくとも一方の面に電極が形成されている基板を格納するようになっており、前記半導体層をなす少なくともいずれかの層を前記基板の前記電極の面の上にプラズマCVD法によって形成するための真空チェンバーと、該真空チェンバーに接続され、該真空チェンバーの内部へガスを供給するガス供給系と、該真空チェンバーに備えられ、該真空チェンバーの内部の圧力を検知する圧力センサーと、該真空チェンバーに接続され、該真空チェンバーの内部のガスを排気する排気系と、該真空チェンバーの内部の成膜用電極に対してプラズマを励起する電力を供給する電力供給系と、前記ガス供給系に接続され、該ガス供給系から前記真空チェンバーの内部へ供給されるガスの流量を制御するガス流量制御部と、前記圧力センサーと前記排気系とに接続され、該圧力センサーからの信号に基づいて該排気系の排気量を変更して前記真空チェンバーの内部の圧力を制御する圧力制御部と、前記ガス流量制御部および前記圧力制御部に対して指令値または制御信号を出力して処理動作を制御するシーケンス制御部とを備え、前記シーケンス制御部は、前記電極の面の上にn型またはp型のアモルファスSi層を第1条件のプラズマCVD法によって形成する第1成膜処理から、前記アモルファスSi層の面に接して、該アモルファスSi層と同じ導電型の微結晶Si層を第2条件のプラズマCVD法によって形成する第2成膜処理へと遷移する際に、前記圧力制御部に、プラズマの励起を継続させるように前記真空チェンバーの内部の圧力を制御させながら、前記ガス流量制御部に、前記真空チェンバーに供給されるガスの総流量を、前記第1条件に含まれるガスの総流量から前記第2条件に含まれるガスの総流量へ変更させる処理動作を実行するものである薄膜太陽電池の製造装置が提供される。 In one embodiment of the present invention, a manufacturing apparatus for manufacturing a thin film solar cell including a semiconductor layer including either a nip junction structure or a pin junction structure, wherein an electrode is formed on at least one surface. A vacuum chamber for forming at least one of the semiconductor layers on the surface of the electrode of the substrate by a plasma CVD method, and connected to the vacuum chamber. A gas supply system for supplying gas to the inside of the vacuum chamber; a pressure sensor provided in the vacuum chamber for detecting the pressure inside the vacuum chamber; and connected to the vacuum chamber; An exhaust system for exhausting gas, and a power supply system for supplying power for exciting plasma to the film-forming electrode inside the vacuum chamber Connected to the gas supply system, connected to the gas flow control unit for controlling the flow rate of the gas supplied from the gas supply system to the inside of the vacuum chamber, the pressure sensor, and the exhaust system, the pressure sensor A pressure control unit for controlling the pressure inside the vacuum chamber by changing the exhaust amount of the exhaust system based on a signal from the control unit, and a command value or a control signal for the gas flow rate control unit and the pressure control unit. A sequence control unit that outputs and controls a processing operation, and the sequence control unit forms an n-type or p-type amorphous Si layer on the surface of the electrode by a plasma CVD method under a first condition. From the film forming process, a second crystalline silicon layer having the same conductivity type as the amorphous Si layer is formed by a plasma CVD method under a second condition in contact with the surface of the amorphous Si layer. When making a transition to processing, the gas flow rate control unit controls the pressure inside the vacuum chamber so that the excitation of the plasma is continued by the pressure control unit. There is provided a thin-film solar cell manufacturing apparatus for performing a processing operation for changing the total flow rate from the total gas flow rate included in the first condition to the total gas flow rate included in the second condition.
そして、本発明のある態様においては、nip接合構造またはpin接合構造のいずれかを含む半導体層が、電極が形成された基板の該電極の面の上に形成されている薄膜太陽電池であって、前記nip接合構造または前記pin接合構造をなすn型またはp型の半導体層は、真空チェンバーにて、第1条件のプラズマCVD法により形成されたn型またはp型のアモルファスSi層と、第2条件のプラズマCVD法により形成された、該アモルファスSi層と同じ導電型の微結晶Si層とが、前記電極の前記面の側からこの順に形成された積層体であり、前記微結晶Si層は、前記真空チェンバーの内部の圧力をプラズマの励起を継続させるように保ちながら、前記真空チェンバーに供給されるガスの総流量を、前記第1条件に含まれるガスの総流量から、前記第2条件に含まれるガスの総流量へと変更することによりプラズマCVD法の処理条件を前記第1条件から前記第2条件へと遷移させて形成された層である薄膜太陽電池が提供される。 In one embodiment of the present invention, the semiconductor layer including either the nip junction structure or the pin junction structure is a thin film solar cell formed on a surface of the electrode on which the electrode is formed. The n-type or p-type semiconductor layer forming the nip junction structure or the pin junction structure includes an n-type or p-type amorphous Si layer formed by a plasma CVD method under a first condition in a vacuum chamber, A microcrystalline Si layer having the same conductivity type as that of the amorphous Si layer, formed by plasma CVD under two conditions, is a laminate formed in this order from the surface side of the electrode, and the microcrystalline Si layer While the pressure inside the vacuum chamber is maintained so that plasma excitation is continued, the total flow rate of the gas supplied to the vacuum chamber is included in the gas included in the first condition. The thin film is a layer formed by changing the processing condition of the plasma CVD method from the first condition to the second condition by changing from the total flow rate of the gas to the total gas flow rate included in the second condition. A solar cell is provided.
上述した本発明の各態様において、nip接合構造(n-i-p junction)とは、基板側からn型の伝導型の任意の半導体層、i型の伝導型の任意の半導体層(真性半導体層)、および、p型の伝導型の任意の半導体層がこの順に積層されている構造をさす。pin接合構造はその逆に基板側から各層が積層されている構造である。ここでの半導体層それぞれは、単一の膜または層であっても、また積層体であっても構わない。nip接合構造またはpin接合構造のいずれかの構造は、例えば、単独で太陽電池の光電変換層を構成し、また、複数積層されて太陽電池の光電変換層を構成する。 In each aspect of the present invention described above, the nip junction structure is an n-type conduction type arbitrary semiconductor layer from the substrate side, an i-type conduction type arbitrary semiconductor layer (intrinsic semiconductor layer), and , P-type conduction type arbitrary semiconductor layers are stacked in this order. On the contrary, the pin junction structure is a structure in which each layer is laminated from the substrate side. Each of the semiconductor layers herein may be a single film or layer, or may be a stacked body. Any one of the nip junction structure and the pin junction structure constitutes, for example, a photoelectric conversion layer of a solar cell alone, or a plurality of stacked layers constitute a photoelectric conversion layer of a solar cell.
また、材質が明示された以外の半導体層においてはその材質は任意である。この半導体層の材質の典型例としては、シリコン(Si)、シリコン・ゲルマニウム(SiGe)を挙げることができる。さらに、半導体層を形成するために用いられる原料ガスや希釈ガス、導電型を決定するためにドーピングされる元素の種類およびドーピングガス等についても、任意のガスを採用することができる。 In addition, the material of the semiconductor layer other than that in which the material is specified is arbitrary. Typical examples of the material of the semiconductor layer include silicon (Si) and silicon-germanium (SiGe). Furthermore, any gas can be employed for the source gas and dilution gas used for forming the semiconductor layer, the kind of the element doped for determining the conductivity type, the doping gas, and the like.
プラズマCVD法は、減圧された真空槽または真空チェンバーの内部に原料ガスを導入し、高周波またはDCの電力によって励起されたプラズマを用いて、原料ガスの分解生成物を堆積させる成膜手法である。 The plasma CVD method is a film forming technique in which a raw material gas is introduced into a vacuum chamber or a vacuum chamber whose pressure is reduced, and a decomposition product of the raw material gas is deposited using plasma excited by high frequency or DC power. .
アモルファスSi層は、例えばダングリングボンドが水素原子によって終端された水素化薄膜Siの非晶質層である。アモルファスSiの導電型をn型とするためには、シリコン以外に、例えばP(リン)が導入される。したがって、アモルファスSi膜を形成するためには、例えば、シリコンのための原料ガスとして、モノシラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)などのシランガスが用いられる。また、アモルファスSi膜を形成するシランガスに添加して導入されるドーピング用の原料ガス(ドーピングガス)としては、導電型をn型およびp型とするためにホスフィン(PH3)およびジボラン(B2H6)などのガスが用いられる。 The amorphous Si layer is, for example, an amorphous layer of hydrogenated thin film Si in which dangling bonds are terminated by hydrogen atoms. In order to change the conductivity type of amorphous Si to n-type, for example, P (phosphorus) is introduced in addition to silicon. Therefore, in order to form an amorphous Si film, for example, a silane gas such as monosilane (SiH 4 ) or disilane (Si 2 H 6 ) is used as a source gas for silicon. In addition, as a doping source gas (doping gas) introduced in addition to the silane gas for forming the amorphous Si film, phosphine (PH 3 ) and diborane (B 2 ) are used to make the conductivity type n-type and p-type. A gas such as H 6 ) is used.
本発明のいずれかの態様においては、成膜条件の異なる半導体膜が積層されている積層構造の半導体層をプラズマCVD法によって形成する際に、プラズマの励起を継続したまま成膜条件を切り替えることが可能になり、プラズマCVD法における条件の切り替え時間を短縮することが可能となる。 In any aspect of the present invention, when a semiconductor layer having a stacked structure in which semiconductor films having different film formation conditions are stacked is formed by plasma CVD, the film formation conditions are switched while plasma excitation is continued. This makes it possible to shorten the time for switching conditions in the plasma CVD method.
以下、本発明の実施形態について説明する。以下の説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. In the following description, unless otherwise specified, common parts or elements are denoted by common reference numerals throughout the drawings. In the drawings, each element of each embodiment is not necessarily shown in a scale ratio.
<第1実施形態>
[構造]
図1は、本発明のある実施形態における太陽電池素子100の構造を示す概略断面図である。本実施形態の太陽電池素子100は、基板10の一方の面の上に裏面電極層12と、半導体層14と、透明電極層16とを備えているサブストレート型の太陽電池素子である。
<First Embodiment>
[Construction]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a
基板10は、例えばガラス基板や可撓性を示す樹脂基板から構成されており、成膜処理の熱に耐える耐熱性を有する基板である。その一方の面すなわち図1において紙面上の上方に位置する面には、裏面電極層12が形成されている。この裏面電極層12は、例えば銀合金などの金属層により形成されている。その裏面電極層12の面の上には、プラズマCVD法により形成された水素化薄膜Si層が半導体層14として形成されている。この半導体層14は、基板10の側からn型半導体層142、i型半導体層144、およびp型半導体層146というnip接合構造の積層構造をなすように形成されている。n型半導体層142は、n型アモルファスSi層142Aおよびn型微結晶Si層142Bを積層した積層体である。半導体層14の上の面には透明電極層16が形成されている。太陽電池素子100においては、この透明電極層16を通じて、太陽電池のエネルギー源となる光(hν)が図1の上方から半導体層14に入射する。透明電極層16のさらに上方の面には透明電極層16の実質的な電気抵抗を低下させるための集電極層16Aが、例えば金属膜などによって櫛歯状に形成されている。図1は、その櫛状の歯に相当する部分を切断する方向の概略断面図として描かれている。
The
したがって、太陽電池素子100はnip接合構造を単数のみ有する半導体層14を備える薄膜太陽電池である。半導体層14は、裏面電極層12である電極が形成された基板10の、その裏面電極層12の面の上に形成されている。また、nip接合構造をなすn型半導体層142は、n型アモルファスSi層142Aとn型微結晶Si層142Bとを裏面電極層12の面の上にこの順に積層された積層体である。n型半導体層142の形成のためには、真空チェンバーの内部のプラズマによって成膜を行うプラズマCVD法が採用される。また、n型微結晶Si層142Bは、プラズマCVD法による成膜条件を、n型アモルファスSi層142Aを形成するための第1条件から、n型微結晶Si層142Bを形成するための第2条件へとプラズマの励起を継続しながら遷移させて形成された層である。その遷移の詳細を製造工程の説明により以下に説明する。
Therefore, the
図2〜5に基づいて太陽電池素子100の製造工程を説明する。図2はn型半導体層14を形成する成膜装置200の概略構成を示す構成図である。図3は本実施形態の太陽電池素子100の製造工程全般を示すフローチャートである。図4は製造工程全般のうち、特にn型半導体層14を形成する処理S14を詳細に示すフローチャートである。そして、図5は図4において行われる処理を説明するためのタイミングチャートである。
The manufacturing process of the
[成膜装置の構成]
まず、図2を参照して成膜装置200の構成について説明する。成膜装置200は、平行平板型の放電構造を備える成膜装置である。つまり、成膜装置200の真空チェンバー22の内部には接地電極24とシャワーヘッド電極26とが格納されている。接地電極24およびシャワーヘッド電極26は、互いに対向してある距離を置いて配置されており、成膜処理の際には、成膜処理の対象となる基板、すなわち裏面電極層12が形成された基板10がそれらの間隙に配置される。この際、基板10の裏面電極層12が形成された面が、シャワーヘッド電極26に向かう向きに配置され、基板10全体が接地電極24にほぼ接する位置に配置される。接地電極24は、基板10の成膜時の温度を制御するためのヒーター24Hを内蔵しており、電気的にはアースに接続されている。なお、図2においては、図面の上下方向に延びる向きに接地電極24およびシャワーヘッド電極26ならびに基板10が図示されている。本実施形態として採用することができる成膜装置の構成としては、接地電極24およびシャワーヘッド電極26ならびに基板10の向きは任意であり、水平、垂直など特段限定されない。
[Configuration of deposition system]
First, the configuration of the
真空チェンバー22には、原料ガス、希釈ガスおよびドーピングガスなどのガスをその内部へ供給するガス供給系220が備えられており、シャワーヘッド電極26のうち接地電極に向かう面に設けられた微細かつ多数の孔からこれらのガスが混合して供給される。図2においては、ガス供給系220には、2系統のガス供給系であるガス供給系220Aおよび220Bが示されている。ただし、本実施形態の成膜装置200のガス供給系の数が特に2系統のみに限定されるものではない。このガス供給系220の一部として、ガスボンベ222および流量を調節するためのコントロールバルブ224が含まれている。これらの要素は、ガス供給系220Aとガス供給系220Bのそれぞれに含まれており、必要に応じて同様のアルファベットを付した符号によって区別する。コントロールバルブ224Aおよび224Bは、それぞれに接続されているガス流量制御部226から別々の動作を行なうように制御されている。ガス流量制御部226は、例えばコントロールバルブ224Aおよび224Bのそれぞれの開度を調整して、ガス供給系220Aおよび220Bからシャワーヘッド電極26を通じて真空チェンバー22の内部へ供給される各ガスの流量を各々の目的の値(設定値または指令値)になるように制御している。
The
真空チェンバー22には、その内部の圧力を検知する圧力センサー244が備えられている。また、真空チェンバー22には、その内部のガスを排気する排気系240が接続されている。排気系240には、真空チェンバー22から排気のために用いられる真空ポンプ242までの間に圧力コントロールバルブ246が挿入されている。この圧力コントロールバルブ246には圧力制御部248が接続されており、その圧力制御部248には圧力センサー244からの圧力測定信号が入力されている。圧力制御部248は、圧力センサー244からの信号に基づいて排気系240の排気速度すなわち排気量を変更し、真空チェンバー22の内部の圧力が圧力指令値に適合するようにクローズドループのフィードバック制御を実行している。この制御は、例えば真空ポンプ242が一定の速度で継続的に動作しているときに、圧力コントロールバルブ246の開度を調整して行われる。つまり、圧力センサー244からの信号が示す圧力値が圧力指令値よりも高い場合には、圧力コントロールバルブ246をそれまでより大きく開くことによって、真空チェンバー22から真空ポンプ242に至る経路のコンダクタンスを増大させて排気速度が高められる。圧力センサー244からの信号が示す圧力値が圧力指令値よりも低い場合には、その逆の動作が行われる。こうして圧力制御部248は、例えばPD制御(比例微分制御)またはPID制御(比例積分微分制御)などの制御により真空チェンバー22内の圧力の自動制御を行っている。
The
成膜装置200には、プラズマを励起するための電力供給系260が備わっている。この電力供給系260は、真空チェンバー22の内部において、基板10の裏面電極層12の面に向かう空間にプラズマを励起するための電力を供給する。具体的には、電力供給系260は、シャワーヘッド電極26と、接地電極24またはアースのいずれかとに接続されており、電源262とマッチング回路264とを含んでいる。電力供給系260には電力制御部266が接続されている。電力制御部266は、電力供給系260に含まれている電源262またはマッチング回路264に接続されている。この構成により、電力制御部266は、電源262またはマッチング回路264の動作条件を変更することが可能となり、電力供給系260からの出力電力すなわちプラズマ電力を制御することができる。
The
成膜装置200には、上述したもの以外にも、成膜の処理動作を適切に実行するための任意の要素が備わっている。例えば、ヒーター24Hによって基板10を適切な温度に制御するための加熱電力供給系、基板10の搬送を適切に行うための基板駆動系などが成膜装置200に備えられている。そして、シャワーヘッド電極26からのガスは、接地電極24およびシャワーヘッド電極26の間に投入された電力の放電によってプラズマ化され、分解生成物となって基板10の裏面電極層12上に堆積してゆく。図2には、その様子がプラズマPによって模式的に描かれている。このプラズマPによって目的の膜が形成される範囲が成膜装置200における成膜処理領域となる。
In addition to the above-described elements, the
成膜装置200にはシーケンス制御部28も接続されている。シーケンス制御部28は、上述したガス流量制御部226、圧力制御部248、および電力制御部266に接続されて、各制御部に対して成膜装置200の全体の処理動作を制御するための制御を行っている。この制御動作を制御するために、シーケンス制御部28からは各制御部に対して制御信号や指令値が送信される。シーケンス制御部28は、どのようなタイミングでどのような制御信号や指令値をどの制御部に送信するかを定めるシーケンスプログラムを内蔵しているか、または、外部からの作業者による操作入力を受け付ける。
A
[製造工程]
次に、上述した成膜装置200を用いて図1に示した太陽電池素子100を製造する工程について、主に図3および図4を参照して説明する。
[Manufacturing process]
Next, the process of manufacturing the
基板10にはまず裏面電極層12が形成される(図3、S12)。この裏面電極層12のために採用される材質は、銀(Ag)合金、アルミニウム(Al)等の単層の金属層、または、金属層の上方に金属酸化物などからなる透明電極層を配置した金属層/透明電極層の積層体などである。この裏面電極層12を形成する処理は、裏面電極層12を所望の性質になるように形成することができる任意の処理によって行われる。このために例えば、スパッタリング法、真空蒸着法やスプレー成膜法、印刷法、塗布法、めっき法などの形成手法が適宜用いられる。
First, the
次に、nip接合構造の半導体層14を形成するための最初の処理として、n型半導体層142が形成される(S14)。n型半導体層142の形成処理S14は、図4に示すように、n型アモルファスSi層142Aを形成する処理(S142)と、n型微結晶Si層142Bを形成する処理(S146)とをさらに含んでいる。n型半導体層142の形成の処理S14は、その全体が真空チェンバー22(図2)を用いるプラズマCVD法によって実行される。つまり、処理S142およびS146は、それらの間に実行される処理とともに、プラズマCVD装置である成膜装置200によって、基板10を静止させたまま実行される。留意すべき点としては、図4に示すように処理S142と処理S146にかけて、継続してプラズマが励起された状態が維持されていることである。
Next, as an initial process for forming the
より詳細に説明すると、n型アモルファスSi層形成処理(第1成膜ステップ、第1成膜処理)S142と、n型微結晶Si層形成処理(第2成膜ステップ、第2成膜処理)S146とでは、成膜条件つまりプラズマCVD法における各種の設定条件や動作条件が異なっている。本実施形態において、n型アモルファスSi層形成処理S142におけるプラズマCVD法の成膜条件を第1条件といい、n型微結晶Si層形成処理S146におけるプラズマCVD法の成膜条件を第2条件という。成膜条件である第1条件および第2条件はいくつかの設定条件または動作条件などの集合である。第1条件および第2条件が含んでいる値は、例えば、真空チェンバー22の内部への各種のガスの流量の値、真空チェンバー22の内部の圧力の値、および、プラズマを励起するために用いられる電源262(図2)からの出力電力の値である。これらの値は、それぞれ、ガス流量制御部226、圧力制御部248、および電力制御部266によって制御される。これらの制御部226、248および266に対してシーケンス制御部28が制御信号または指令値を伝達することにより、本実施形態における成膜装置200を用いる処理手順が制御されている。したがって、典型的には、第1条件および第2条件に含まれている数値は制御のために伝達される各指令値と対応している。
More specifically, the n-type amorphous Si layer formation process (first film formation step, first film formation process) S142 and the n-type microcrystalline Si layer formation process (second film formation step, second film formation process). In S146, film forming conditions, that is, various setting conditions and operating conditions in the plasma CVD method are different. In the present embodiment, the film formation condition of the plasma CVD method in the n-type amorphous Si layer formation process S142 is referred to as a first condition, and the film formation condition of the plasma CVD method in the n-type microcrystalline Si layer formation process S146 is referred to as a second condition. . The first condition and the second condition, which are film forming conditions, are a set of several setting conditions or operating conditions. The values included in the first condition and the second condition are, for example, values for the flow rates of various gases into the
さらに図5を参照してこの処理をより具体的に説明する。本実施形態のn型半導体層形成処理S14においては、n型アモルファスSi層形成処理S142を完了した後、n型微結晶Si層形成処理S146を開始するまでの間にいくつかの処理を実行する。この間の一連の処理を総称して遷移処理S144という。遷移処理S144は概して、n型アモルファスSi層形成処理S142のためのプラズマCVD法の成膜条件(第1条件)から、n型微結晶Si層形成処理S146のためのプラズマCVD法の成膜条件(第2条件)に成膜条件を変更する処理である。図5において、軸に示すローマ数字の「I」および「II」は、それぞれ、第1条件および第2条件に含まれる各設定条件の値を示している。 Further, this process will be described more specifically with reference to FIG. In the n-type semiconductor layer forming process S14 of the present embodiment, several processes are executed after the n-type amorphous Si layer forming process S142 is completed and before the n-type microcrystalline Si layer forming process S146 is started. . A series of processes during this period are collectively referred to as a transition process S144. In general, the transition process S144 is performed from a plasma CVD film forming condition (first condition) for the n-type amorphous Si layer forming process S142 to a plasma CVD film forming condition for the n-type microcrystalline Si layer forming process S146. This is a process of changing the film formation condition to (second condition). In FIG. 5, the Roman numerals “I” and “II” shown on the axes indicate the values of the setting conditions included in the first condition and the second condition, respectively.
図4および図5に示すように、遷移処理S144においては、まず真空チェンバー22内に供給されるガスの総流量を変更する処理(S1442)を実行し、次いで、真空チェンバー22内の圧力を変更し(S1444)、さらに、プラズマ励起用電力を変更する処理を実行する(S1446)。ガスの総流量を変更する処理S1442においては、最初に増量されるガスの流量を増加する処理(S1442A)が行われ、次に、減少されるガスの流量を減少する処理(S1442B)が行われる。その理由は、ガス流量が少ないと圧力変動が生じやすくプラズマが不安定となりかねないためである。こうして、ガスの総流量を変更する処理S1442を通じて、第1条件または第2条件のうちの少ない流量の値よりガス流量を多く保って遷移処理S144が実行される。
As shown in FIGS. 4 and 5, in the transition process S144, first, a process (S1442) of changing the total flow rate of the gas supplied into the
遷移処理S144を順に説明すると、まずガスの総流量を変更する処理S1442の前半の段階として、増量されるガスの流量を増加する処理(S1442A)が行われる。増量されるガスとは、原料ガス・希釈ガス・ドーピングガスなどの任意のガスにおいて、第1条件と第2条件との流量のみに着目し、第1条件からみて第2条件において流量が多くされる任意のガスである。例えば、後述する希釈ガスである水素ガス(H2)は第1条件から第2条件に遷移する際に流量が増加される(例えば表1参照)。図5には、図4の各処理において変更される設定条件の指令値と実際の数値の変動の様子を模式的に示している。特に曲線42Aは、処理S1442Aにおいて流量が調整(増加)されるガス種の流量の変化の様子を各工程にわたって模式的に示している。ガスの流量は、指令値と実際の数値に特段違いがないため、曲線42Aはその両者を表している。
The transition process S144 will be described in order. First, as the first half of the process S1442 in which the total gas flow rate is changed, a process (S1442A) for increasing the flow rate of the increased gas is performed. The gas to be increased is an arbitrary gas such as a source gas, a dilution gas, and a doping gas, focusing only on the flow rates of the first condition and the second condition, and the flow rate is increased in the second condition in view of the first condition. Any gas. For example, the flow rate of hydrogen gas (H 2 ), which is a diluent gas described later, is increased when transitioning from the first condition to the second condition (see, for example, Table 1). FIG. 5 schematically shows how the setting value command value changed in each process of FIG. 4 and the actual numerical value change. In particular, the
次に、ガスの総流量を変更する処理S1442の後半の段階として、減量されるガスの流量が減少される処理(S1442B)が行われる。減量されるガスとは、第1条件からみて第2条件において流量が少なくされる任意のガスである。例えば、後述する原料ガスであるモノシランガス(SiH4)は第1条件から第2条件に遷移する際に流量が減らされる。その様子は、図5の曲線42Bに模式的に示されている。曲線42Bも指令値と実際の数値の両者を表している。
Next, as the second half of the process S1442 for changing the total gas flow rate, a process for reducing the flow rate of the gas to be reduced (S1442B) is performed. The gas to be reduced is an arbitrary gas whose flow rate is reduced under the second condition in view of the first condition. For example, the flow rate of monosilane gas (SiH 4 ), which is a raw material gas to be described later, is reduced when transitioning from the first condition to the second condition. This is schematically illustrated by a
これらの処理S1442AおよびS1442Bを合わせたガスの流量の総和(総流量)の変化が曲線42によって図5に示されている。なお、図5においてはガス流量を増加する処理S1442Aが完了するのを待って、ガス流を減少させる処理S1442Bが開始されるように示している。しかし、この記載は、単に説明を容易にするためのものである。本実施形態のガスの総流量を変更する処理S1442に含まれるガス流量を増加する処理S1442Aと、ガス流量を減少させる処理S1442Bとは、このように順次に処理されるものには限定されない。例えば、ガスの総流量を変更する処理S1442は、典型的には、ガスの総流量(曲線42)が第1条件の値を下回ることがないような範囲で変更が可能である。一例を挙げれば、処理S1442Aを開始した直後に、処理S1442Bを開始しても、ガスの流量増加よりもガスの流量減少が緩やかに変化するように保てば、ガスの総流量を第1条件の総流量を下回ることがないようにして第2条件の総流量まで変化させる処理を行うことも可能である。また、図5の曲線42にも示しているように、ガスの総流量を変更する処理S1442において、途中のガスの総流量が最終的な第2条件のものを上回る期間や、第2条件の総流量に向かって減少する期間があっても特段構わない。
A change in the total gas flow rate (total flow rate) of these processes S1442A and S1442B is shown in FIG. In FIG. 5, the process S1442B for decreasing the gas flow is started after the process S1442A for increasing the gas flow rate is completed. However, this description is merely for ease of explanation. The process S1442A for increasing the gas flow rate included in the process S1442 for changing the total gas flow rate of the present embodiment and the process S1442B for decreasing the gas flow rate are not limited to those sequentially processed in this way. For example, the process S1442 for changing the total gas flow rate can typically be changed within a range in which the total gas flow rate (curve 42) does not fall below the value of the first condition. For example, even if the process S1442B is started immediately after the process S1442A is started, if the gas flow rate decrease is changed more gently than the gas flow rate increase, the total gas flow rate is set to the first condition. It is also possible to perform a process of changing the flow rate to the total flow rate of the second condition so as not to fall below the total flow rate. Further, as shown in the
ここで、図2に明示したように、真空チェンバー22の内部の圧力は、圧力センサー244によって検知されており、圧力制御部248を通じて圧力コントロールバルブ246の開度を調整してフィードバック制御されている。このため、圧力制御部248は、各時点で圧力指令値に適合するように真空チェンバー22の内部の圧力を自動制御しており、特にガスの総流量を変更する処理S1442の期間を通じてみてもこの自動制御は継続して行われている。このため、ガスの総流量を変更する処理S1442においては、その圧力指令値から所定の変動幅の範囲になるように圧力が保たれながらガス流量が変化してゆく。図5には、曲線44として圧力の変動の様子を示している。ここで、曲線44Cは、圧力指令値を示しており、所定の変動幅Δは、圧力に許容される上限および加減までの曲線44Cからの幅として明示している。なお、この圧力制御部248による制御において圧力の変動幅をどの程度の範囲に抑制するのが望ましいか、あるいは、実際にどの程度の変動幅に抑える必要があるかは、主として、成膜に用いられるプラズマの安定性に基づいて決定される。一般に、プラズマの安定性が低下すると、異常な膜が形成されてしまったり、放電が停止したりしてしまう。これらのために、太陽電池素子に不良を生じさせかねず、また、プラズマの再励起のための作業が必要となって、成膜処理の停止や時間の増大をもたらしかねない。このため、プラズマの安定性が確保できる圧力範囲を予め計測しておいて、その圧力範囲に含まれるように、上記圧力指令値と上記変動幅を設定すると好ましい。また、実際に良好に圧力が制御されるかどうかは各種の条件に依存する。その条件には、真空チェンバー22の内容積、圧力コントロールバルブ246を含む排気経路のコンダクタンスや真空ポンプ242による排気能力、ガスの総流量等が含まれている。
Here, as clearly shown in FIG. 2, the pressure inside the
なお、本実施形態におけるガスの総流量を変更する処理S1442におけるガス総流量の変化の態様は、別の表現によって規定することも可能である。つまり、ガス総流量の変化における変化速度は、圧力制御部248によって制御されている真空チェンバー22内の圧力が、圧力指令値から所定の変動幅を超えて変化しないように決定されている、ともいえる。実際、処理S1442AまたはS1442Bにおけるガスの流量の変化速度を大きくして流量の変化を過度に急峻にすると、圧力制御部248が真空チェンバー22の内部の圧力を圧力指令値に適合させようとしている自動制御動作では追随しきれず、圧力が所定の変動幅Δから逸脱する。このような急峻な変化速度のガス流量の変化は、本実施形態におけるガスの総流量を変更する処理S1442におけるガス総流量の変化の態様としては不適切となる。このため、圧力制御部248により制御されている圧力が圧力指令値からの変動幅の範囲にあるようにガスの総流量の変化速度を決定することが、本実施形態のガスの総流量を変更する処理S1442ともいえる。なお、図5において圧力指令値からの圧力の変動幅Δが上限側および下限側に等しい大きさのものを選択しているものの、上限側と下限側を不均等に選ぶことも本実施形態に含まれる。これにより、圧力をより精密に制御することが可能となる。
In addition, the aspect of the change of the gas total flow rate in the process S1442 for changing the total gas flow rate in the present embodiment can be defined by another expression. That is, the rate of change in the change in the total gas flow rate is determined so that the pressure in the
このような動作を成膜装置200によって実行する場合には、各制御部の動作は次のようなものとなる。シーケンス制御部28は、圧力制御部248とガス流量制御部226とに制御信号や指令値を送信して処理動作全体を制御している。その圧力制御部248は、遷移処理S144の際に、プラズマの励起を継続させることができるような圧力に真空チェンバー22の内部の圧力を制御する。これに対しガス流量制御部226は、真空チェンバー22に供給されるガスの総流量を、第1条件に含まれるガスの総流量から第2条件に含まれるガスの総流量へ変更するように制御する。この制御動作は互いに関連しており、ガス流量制御部226がガスの総流量を変更する間に、圧力制御部248は真空チェンバーの内部の圧力をある圧力指令値に適合させるように自動制御している。この関連している動作をガス流量制御部226の動作としてみると、ガス流量制御部226は、圧力制御部248により継続して制御されている真空チェンバー22内の圧力を圧力指令値から所定の変動幅Δの範囲を逸脱させることのない変化速度でガス流量を変化させてゆく、という動作を実行する。このような処理動作を実行するために、シーケンス制御部28が圧力制御部248とガス流量制御部226とに制御信号や必要な指令値を送信する。
When such an operation is executed by the
ガスの総流量を変更する処理S1442を終えると、真空チェンバー22の内部の圧力の変更処理が行われる(S1444、図4)。ここで、ガスの総流量を変更する処理S1442によってガスの総流量が第2条件のものに設定されている状態では、真空チェンバー22の内部の圧力の変更処理S1444を安定して、つまり、形成される膜に異常を生じさせず、また、プラズマの停止のおそれもなく、行うことができる。図5の曲線44として、その際の圧力の変更の様子も示している。なお、真空チェンバー22の内部の圧力を変更する処理S1444は、図5の圧力指令値の変化の曲線44Cでは、一定の傾斜で値が増加するように示している。圧力を変更するための圧力指令値の変化として採用される他の態様には、ステップ的に変化させたり、折れ線状に変化させる態様を含んでいる。
When the process S1442 for changing the total gas flow rate is completed, the process for changing the pressure inside the
真空チェンバー22の内部の圧力の変更処理S1444を終えると、プラズマ電力が第2条件のものに変更される(S1446)。このプラズマ電力の変更処理S1446は、例えば成膜用電極である接地電極24とシャワーヘッド電極26に対して電力を供給する電源262の出力を変更したり、マッチング回路264の回路定数を変更したりすることにより行われる。図5には、プラズマ電力の変更処理S1446において増加しているプラズマ電力の様子が曲線46によって示されている。プラズマの電力は指令値と実際の数値に特段違いがないため、曲線46はその両者を表している。
When the pressure changing process S1444 inside the
以上のようにして遷移処理S144が完了すると、引き続きn型微結晶Si層形成処理S146が行われる。図3に示したように、i型微結晶Si層が形成され(S16)、次に、p型微結晶Si層が形成される(S18)。半導体層14(図1)が完成すると、透明電極層16が形成され(S20)、集電極層16Aが形成される(S22)。なお集電極層16Aは、銀(Ag)・アルミニウム(Al)・ニッケル(Ni)などの金属、あるいはそれらのいずれかの金属からなる合金を用いてもよい。また、集電極層16Aは多層膜とすることも、また単層膜とすることもできる。集電極層16Aは、スパッタリング法や真空蒸着法、スプレー成膜法、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法などを用いて成膜しても良い。本実施形態においては、集電極層16Aとしてマスクを用いて電子ビーム蒸着法によりTi/Ag集電極層を成膜する。
When the transition process S144 is completed as described above, the n-type microcrystalline Si layer formation process S146 is subsequently performed. As shown in FIG. 3, an i-type microcrystalline Si layer is formed (S16), and then a p-type microcrystalline Si layer is formed (S18). When the semiconductor layer 14 (FIG. 1) is completed, the
その後、必要に応じて基板の切断・実装処理S24を行って太陽電池素子100が作製される。なお、切断・実装処理S24は、例えばレーザースクライブによるパターニング処理や、耐候性を高めるための封止処理等、公知の実装処理を含んでいる。
Then, the board | substrate cutting | disconnection / mounting process S24 is performed as needed, and the
[実施例(第1実施形態)]
次に、本実施形態に従って作製した図1の太陽電池素子100と同様の構造をもつ太陽電池素子の実施例1サンプルについて、その作製工程の細部と当該サンプルの性能について説明する。比較のための比較例1サンプルおよび比較例2サンプルの作製の細部と性能についても説明する。説明のため各図面への参照符号を適宜明示する。
[Example (first embodiment)]
Next, the details of the manufacturing process and the performance of the sample will be described for the sample of Example 1 of the solar cell element having the same structure as the
[実施例1サンプル]
実施例1サンプルの作製は図3〜5に関連して説明した工程にしたがって行った。基板10の一方の面の上に裏面電極層12を成膜した(S12)。裏面電極層12として、基板10の一方の面の上に銀合金を約300nm厚になるように形成し、その裏面電極層12の面の上に、酸化亜鉛(ZnO)による透明電極層12を約100nm厚になるように形成した。これらの層は、ともにスパッタリング法によって形成した。
[Example 1 sample]
Example 1 Samples were prepared according to the steps described in relation to FIGS. A
次に、プラズマCVD法により半導体層14として水素化薄膜Si層を成膜した(S14〜S18)。この際、プラズマCVD法をおこなう成膜装置としては、接地電極24とシャワーヘッド電極26とによる平行平板型の放電構造を備える成膜装置200(図2)を用いた。半導体層14を形成するために、まず成膜装置200にてn型半導体層142の形成処理S14(図3)を行った。この処理の詳細は、図4に示した処理によって行った。n型半導体層142の形成処理S14において、n型アモルファスSi層142Aの形成処理S142とn型微結晶Si層142Bの形成処理S146との間には遷移処理S144を実施した。n型半導体層142の形成処理S14の間はプラズマの励起を継続していた。表1に、n型アモルファスSi層の形成処理S142とn型微結晶Si層の形成処理S146とに採用した成膜条件の各設定条件をそれぞれ第1条件および第2条件として明示している。
Next, a hydrogenated thin film Si layer was formed as the
表1に示した以外の設定条件は、プラズマの放電の周波数は13.56MHzとし、基板10の設定温度は180℃に設定した。n型アモルファスSi層の形成処理S142において形成されたn型アモルファスSi層142Aの膜厚は、約10nmであった。
The setting conditions other than those shown in Table 1 were such that the frequency of plasma discharge was 13.56 MHz, and the set temperature of the
遷移処理S144においては、まずガスの総流量を変更する処理S1442を行った。その具体的処理は、まず増量されるガスの流量を増加する処理S1442Aを行い、次に、減少されるガスの流量を減少させる処理S1442Bを行った。表1に示した通り、希釈ガスであるH2は、第1条件からみて第2条件において流量が多くなっていたため、処理S1442Aにて流量が増加された。これに対し、原料ガスであるSiH4およびドーピングガスH2希釈PH3ガス(濃度1000ppm)は、第1条件からみて第2条件において流量が減らされていたため、処理S1442Bにて流量が減少された。ガスの総流量をみると、第1条件では72sccmであったのに対し、第2条件では460sccmであった。このため、第1条件からみて第2条件においてガスの総流量は多くなっていた。ガスの総流量を変更する処理S1442は、処理S1442AおよびS1442Bがいずれも3秒間で処理されるように設定されていた。本実施例では図5に示したように処理S1442Aと処理S1442Bとは順次処理により実施した。なお、この、ガスの総流量を変更する処理S1442を通じて、真空チェンバー22の内部の圧力は、第1条件の設定圧力(圧力指令値)である0.6Torr(89.3Pa)に適合するように圧力制御部248によって自動制御されており、圧力の変動幅(図5のΔ)を、0.1Torr(13.3Pa)と設定した。圧力センサー244からの信号は別途モニターされていたものの、ガスの総流量を変更する処理S1442を通じて、圧力指令値からの変動幅Δを超える圧力変動は特には観察されなかった。
In the transition process S144, first, a process S1442 for changing the total gas flow rate was performed. Specifically, the process S1442A for increasing the flow rate of the increased gas was first performed, and then the process S1442B for decreasing the flow rate of the decreased gas was performed. As shown in Table 1, the flow rate of the diluent gas H 2 was increased in the process S1442A because the flow rate increased in the second condition as viewed from the first condition. On the other hand, since the flow rates of the source gas SiH 4 and the doping gas H 2 diluted PH 3 gas (concentration 1000 ppm) were reduced in the second condition as seen from the first condition, the flow rates were reduced in the process S1442B. . The total gas flow rate was 72 sccm under the first condition, whereas it was 460 sccm under the second condition. For this reason, when viewed from the first condition, the total gas flow rate is increased under the second condition. The process S1442 for changing the total gas flow rate is set so that the processes S1442A and S1442B are both processed in 3 seconds. In this embodiment, as shown in FIG. 5, the processing S1442A and the processing S1442B are performed by sequential processing. Through this process S1442 for changing the total gas flow rate, the internal pressure of the
ガスの総流量を変更する処理S1442を終えると、真空チェンバー22の内部の圧力の変更処理S1444が行われ、第2条件の設定圧力(圧力指令値)である0.9Torr(120.0Pa)に適合するように真空チェンバー22の内部の圧力が制御された。この処理も3秒間で完了された。この真空チェンバー22の内部の圧力の変更処理S1444は安定して実行された。
When the process S1442 for changing the total gas flow rate is completed, the process of changing the pressure in the
圧力の変更処理S1444を終えた後、プラズマ電力の変更処理S1446を行った。この処理に要した時間は、約1秒であった。 After finishing the pressure changing process S1444, the plasma power changing process S1446 was performed. The time required for this treatment was about 1 second.
次に、表1に示した第2条件によって、成膜装置200にてn型微結晶Si層の形成処理S146を行った。表1に示した以外の設定条件は、プラズマの放電の周波数は13.56MHzとし、基板10の設定温度は180℃に設定していた。上述したn型アモルファスSi層形成処理S142においてもこれらと同一のプラズマの放電の周波数と基板の設定温度を用いたため、遷移処理S144を含めてこれらは変更しなかった。n型微結晶Si層の形成処理S146において形成されたn型微結晶Si層142Bの膜厚は、約10nmであった。
Next, an n-type microcrystalline Si layer forming process S146 was performed by the
次に、i型半導体層の形成処理S16(図3)として、i型半導体層(i型微結晶Si層)144をプラズマCVD法により形成した。この際の成膜条件は、放電周波数40.68MHz、放電パワー200W、成膜温度180℃、成膜圧力12torr(1600Pa)とし、SiH4ガス流量を25sccm、H2ガス流量を1750sccmとした。この処理における成膜時間は1700秒とした。形成されたi型半導体層(i型微結晶Si層)144の膜厚は2μmであった。なお、i型半導体層の形成処理S16は、成膜装置200を用いず、成膜装置200と同一の構造の他の成膜装置を用いて行った。
Next, as an i-type semiconductor layer formation process S16 (FIG. 3), an i-type semiconductor layer (i-type microcrystalline Si layer) 144 was formed by a plasma CVD method. The film formation conditions at this time were a discharge frequency of 40.68 MHz, a discharge power of 200 W, a film formation temperature of 180 ° C., a film formation pressure of 12 torr (1600 Pa), an SiH 4 gas flow rate of 25 sccm, and an H 2 gas flow rate of 1750 sccm. The film formation time in this process was 1700 seconds. The film thickness of the formed i-type semiconductor layer (i-type microcrystalline Si layer) 144 was 2 μm. Note that the i-type semiconductor layer forming process S <b> 16 was performed using another film forming apparatus having the same structure as the
さらに、p型半導体層の形成処理S18として、p型半導体層(p型微結晶Si層)146をプラズマCVD法により形成した。この際の成膜条件は、放電周波数13.56MHz、放電パワーを40W、成膜温度を140℃、成膜圧力を0.9torr(120.0Pa)、SiH4ガス流量を4sccm、H2ガス流量を500sccm、H2希釈のB2H6ガス(1000ppm)を流量40sccmとして成膜した。この処理における成膜時間は600秒とした。形成されたp型半導体層(p型微結晶Si層)146の膜厚は、30nmであった。p型半導体層の形成処理S18も、成膜装置200と類似の構造のさらに他の成膜装置を用いて行った。
Further, as a p-type semiconductor layer formation process S18, a p-type semiconductor layer (p-type microcrystalline Si layer) 146 was formed by a plasma CVD method. The film formation conditions at this time are: discharge frequency 13.56 MHz, discharge power 40 W, film formation temperature 140 ° C., film formation pressure 0.9 torr (120.0 Pa), SiH 4 gas flow rate 4 sccm, H 2 gas flow rate Was formed at a flow rate of 40 sccm using H 2 diluted B 2 H 6 gas (1000 ppm). The film formation time in this process was 600 seconds. The film thickness of the formed p-type semiconductor layer (p-type microcrystalline Si layer) 146 was 30 nm. The p-type semiconductor layer forming process S18 was also performed using another film forming apparatus having a structure similar to that of the
そして光電変換層である半導体層14(図1)の上には、透明電極層16を形成した。透明電極層16として、実施例1サンプルではスパッタリング法によりITO透明電極を成膜した。さらに、集電極層16Aとして、Ti/Ag集電極層を成膜した。この際、パターニングのためにマスクを用い、電子ビーム蒸着法により形成した。
And the
[比較例1サンプル]
次に、比較例1サンプルを作製した。比較例1サンプルは、n型半導体層142としてn型微結晶Si層142Bのみを形成し、n型アモルファスSi層142Aを形成せずに作製した(表1参照)。すなわち、n型アモルファスSi層142Aを形成しない点を除き、図1に示した構造とほぼ同じ構造の太陽電池素子を作製し、その工程も、図3に示された各工程とした。作製工程は、まず、基板10上にスパッタリング法により裏面電極層12を成膜した(S12)。次に、水素化薄膜SiをプラズマCVD法により成膜した。この処理は、図3においてn型半導体層の形成処理S14に相当する処理である。ただし、このn型半導体層形成処理に際して、表1に示した通り、実施例1サンプルに採用した第2条件とほぼ同様の成膜条件の処理のみによって、n型微結晶Si層すなわち、n型半導体層142を形成した。このn型半導体層の形成処理は、図4に即して説明すれば、処理S142〜処理S1446を行わず、処理S146のみを実施したことに相当する。なお、n型半導体層の形成処理の成膜条件は、実施例1サンプルの第2条件とは一部相異しており、処理時間が460秒と増加されていた。このn型半導体層の形成処理としては、図2の成膜装置200と同様の構造を有している成膜装置を用いて成膜を行った。それ以降の処理、すなわちi型半導体層形成処理、p型半導体層形成処理、透明電極層形成処理、集電極層形成処理は、実施例1サンプルにおけるS16〜S24の処理と同様の条件にて実施した。
[Comparative Example 1 Sample]
Next, a sample of Comparative Example 1 was produced. The sample of Comparative Example 1 was manufactured by forming only the n-type
[比較例2サンプル]
さらに、実施例1サンプルに一層近い工程を採用する比較例2サンプルを作製した。比較例2サンプルとしては、図1に示したものと同じ構造の太陽電池素子を作製し、その作製工程も図3に示された各工程が行われた。成膜のために採用する成膜装置の構造も成膜装置200の構造とは特段相違しない。ただし、成膜装置の制御部の動作は実施例1サンプルのための成膜装置200の動作とは異なっていた。比較例2サンプルにおけるn型アモルファスSi層形成処理S142およびn型微結晶Si層形成処理S146として採用されるプラズマCVD法の成膜条件すなわち第1条件および第2条件は表1の通りである。これらは、実施例1サンプルの第1条件および第2条件と同一のものとした。それ以降の処理、すなわちi型半導体層形成処理、p型半導体層形成処理、透明電極層形成処理、集電極層形成処理は、実施例1サンプルにおけるS16〜S24の処理と同様の条件にて同様に処理を実施した。
[Comparative Example 2 Sample]
Furthermore, a comparative example 2 sample employing a process closer to that of the example 1 sample was produced. As a sample of Comparative Example 2, a solar cell element having the same structure as that shown in FIG. 1 was produced, and the production process was performed by the steps shown in FIG. The structure of the film forming apparatus employed for film formation is not particularly different from the structure of the
比較例2サンプルを作製する際の実施例1サンプルの場合との相異点は、比較例2サンプルにおいては図4のガスの総流量を変更する処理122を行わず、真空チェンバー22(図2)の内部のガス雰囲気を変更するために置換処理を行ったことである。この置換処理では、プラズマを完全に停止させ、ガスを一旦排気し、第2条件のためにガスを導入して調圧し、プラズマを再度励起する作業または処理を行った。すなわち、まずプラズマを停止することによって、図2のn型アモルファスSi層形成処理S142に相当するn型アモルファスSi層の形成処理を完了させる。この時点では、第1条件のガス種や流量、圧力がそのままとなっている。そこで、これらのガスの供給を停止し、ガス雰囲気を切り替えるため排気速度を増加させて真空チェンバー内のガスを排気し、新たに第2条件のための希釈ガス(H2ガス)、原料ガス(SiH4ガス)およびドーピングガス(H2希釈のPH3ガス)を導入する。この際、流量をそれぞれの設定条件の値に設定し、圧力コントロールバルブ246を調整して真空チェンバーの内部を調圧する。これらの準備が整った後、プラズマを再び励起して目的の電力となるように電源およびマッチング回路の調整を行った。こうして、図2のS146と同様のn型微結晶Siの形成処理を開始した。この置換処理には、n型アモルファスSi層の形成処理の完了からn型微結晶Siの形成処理の開始まで、約420秒(約7分)を要した。
The difference between the sample of Comparative Example 2 and the sample of Example 1 is that the sample 122 of Comparative Example 2 is not subjected to the process 122 for changing the total gas flow rate shown in FIG. ) Was performed to change the gas atmosphere inside. In this replacement process, the plasma was completely stopped, the gas was once exhausted, the gas was introduced for the second condition, the pressure was adjusted, and the plasma was re-excited. That is, by first stopping the plasma, the n-type amorphous Si layer forming process corresponding to the n-type amorphous Si layer forming process S142 of FIG. 2 is completed. At this time, the gas type, flow rate, and pressure of the first condition remain unchanged. Therefore, the supply of these gases is stopped, the exhaust speed is increased in order to switch the gas atmosphere, the gas in the vacuum chamber is exhausted, and a dilution gas (H 2 gas) for the second condition, a source gas ( SiH 4 gas) and doping gas (H 3 diluted PH 3 gas) are introduced. At this time, the flow rate is set to the value of each setting condition, and the
[実施例1、比較例1および比較例2の各サンプルの性能]
実施例1、比較例1、比較例2の各サンプルの太陽電池素子の光電変換効率つまり太陽電池効率をそれぞれ5サンプルで測定し平均した。その結果を表2に示す。なお、表2においては、比較例1の変換効率の最大値を1とする相対値によって太陽電池効率を表わしている。
The photoelectric conversion efficiency of the solar cell element of each sample of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, that is, the solar cell efficiency, was measured and averaged by 5 samples. The results are shown in Table 2. In Table 2, the solar cell efficiency is represented by a relative value where the maximum value of the conversion efficiency of Comparative Example 1 is 1.
表2に示されるように、実施例1サンプルおよび比較例2サンプルの太陽電池効率は互いにほぼ同等であり、またこれらは、比較例1の太陽電池効率に比べて高い値を示した。これは、実施例1サンプルおよび比較例2サンプルがともにn型アモルファスSi層142Aおよびn型微結晶Si層142Bを積層したn型半導体層142を備えるのに対し、比較例1サンプルのn型半導体層14は、n型微結晶層142Bのみを備えるためであると本願の発明者は考えている。
As shown in Table 2, the solar cell efficiencies of the sample of Example 1 and the sample of Comparative Example 2 were almost equal to each other, and these values were higher than the solar cell efficiency of Comparative Example 1. This is because both the sample of Example 1 and the sample of Comparative Example 2 include an n-
[実施例1、比較例1および比較例2の各サンプルの所要時間]
実施例1サンプルと比較例2サンプルは同等の太陽電池効率を示したものの、作製工程の処理時間には大きな違いがあった。表3は、実施例1、比較例1および比較例2についての各工程の所要時間を記した表である。表3においては、比較例1および比較例2についても、n型アモルファスSi層形成処理S142およびn型微結晶Si層形成処理S146に対応する各工程を示すために、実施例1サンプルの場合と同様の符号(S142、S146)によって示している。処理S142およびS146の所要時間は、表1に記載したものと同様である。
Although the sample of Example 1 and the sample of Comparative Example 2 showed the same solar cell efficiency, there was a great difference in the processing time of the production process. Table 3 is a table showing the time required for each step for Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. In Table 3, also in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, in order to show each process corresponding to the n-type amorphous Si layer forming process S142 and the n-type microcrystalline Si layer forming process S146, Similar symbols (S142, S146) indicate. The time required for the processes S142 and S146 is the same as that described in Table 1.
比較例2サンプルの置換処理には約420秒(約7分)を要した。これに対し、実施例1サンプルの遷移処理の所要時間は、S1442A(約3秒)、S1442B(約3秒)、圧力の変更処理S1444(約3秒)、およびプラズマ電力の変更処理S1446(約1秒)の合計約10秒であった。これらの所要時間の相違が反映されることにより、実施例1サンプルを作製する際のn型半導体層を形成する所要時間は、比較例2サンプルの場合と比較して約410秒(約6分50秒)短縮された。また、n型半導体層を形成するために必要な合計の所要時間を比較した場合、n型微結晶Si層のみを成膜した比較例1サンプルの所要時間(460秒)からみて、比較例2サンプルの場合の所要時間(約810秒)は、約350秒もの増加であったのに対し、実施例1サンプルの場合の所要時間(約400秒)は、約60秒の短縮となっていた。 The replacement process of the sample of Comparative Example 2 took about 420 seconds (about 7 minutes). In contrast, the time required for the transition process of the sample of Example 1 is S1442A (about 3 seconds), S1442B (about 3 seconds), pressure change processing S1444 (about 3 seconds), and plasma power change processing S1446 (about 1 second) was about 10 seconds in total. Reflecting these differences in the required time, the required time for forming the n-type semiconductor layer when producing the sample of Example 1 is about 410 seconds (about 6 minutes) compared to the case of the sample of Comparative Example 2. 50 seconds). Further, when the total time required for forming the n-type semiconductor layer is compared, in comparison with the time required for the sample of Comparative Example 1 (460 seconds) in which only the n-type microcrystalline Si layer is formed, Comparative Example 2 The time required for the sample (about 810 seconds) increased by about 350 seconds, whereas the time required for the sample of Example 1 (about 400 seconds) was reduced by about 60 seconds. .
したがって、例えば比較例1サンプルを製造するために構築された従来の製造ラインにおいて、太陽電池効率を向上させるために、n型アモルファスSi層142Aを形成しn型微結晶Si層142Bを形成するように太陽電池素子の構造を変更することを想定する。この目的で比較例2サンプルの製造工程を採用すると、製造ラインのタクトタイムが、n型半導体層を形成する工程のみで約350秒増加してしまう。これは、太陽電池素子の製造工程全体のスループットつまり単位時間当たりの生産量を低下させてしまう。これに対し、同じn型アモルファスSi層142Aを形成しn型微結晶Si層142Bを形成するとしても、例えば成膜装置200を採用して、または、遷移処理S144を含むようなn型半導体層の形成処理S14を採用することにより実施例1サンプルの製造工程を実施すると、製造ラインのタクトタイムにはむしろ約60秒の余裕が生じる。つまり、比較例1サンプルを製造するために構築された従来の製造ラインにおいてn型半導体層の形成処理S14を実施したり、また、必要であれば成膜装置200を採用したりすることにより、少なくとも、太陽電池素子の製造工程全体のスループットは低下しなくなる。もし、比較例2サンプルを製造する従来の製造ラインにおいて太陽電池素子の製造工程全体のスループットがn型半導体層14を製造する工程の所要時間によって決定されているなら、実施例1サンプルのための形成処理S14を実施したり、また、必要であれば成膜装置200を採用したりすることにより、太陽電池素子の製造工程全体のスループットを高めることも可能になる。
Therefore, for example, in the conventional production line constructed for producing the sample of Comparative Example 1, the n-type
<第1実施形態:変形例1>
上述した本実施形態においては、薄膜太陽電池のセル構造として、nip接合構造の単接合構造が採用された場合を説明した。しかし、本実施形態においては、他の構造の薄膜太陽電池を採用することもできる。例えば、本実施形態の遷移処理を実行することにより、半導体層として別の構造を採用した薄膜太陽電池を作製する工程においても、上述したものと同様の効果を発揮させることができる。
<First Embodiment: Modification 1>
In the above-described embodiment, the case where the single junction structure of the nip junction structure is employed as the cell structure of the thin-film solar battery has been described. However, in the present embodiment, a thin film solar cell having another structure can be adopted. For example, by executing the transition process of the present embodiment, the same effect as described above can be exhibited also in the process of manufacturing a thin film solar cell employing another structure as the semiconductor layer.
図6は、本実施形態を変形した変形例1の太陽電池素子300の構造を示す概略断面図である。既述の太陽電池素子100(図1)とは異なり、太陽電池素子300は、pin接合構造のスーパーストレート型の太陽電池素子であり、透光性の基板30上に透明電極層32、半導体層34および裏面電極層36をこの順に備えている。基板30は例えばガラスなどの透光性基板により構成されている。基板30の一方の面すなわち図6において上方に位置する面には透明電極層32が形成されている。その透明電極層32の面の上には、水素化薄膜Si層が半導体層34として形成されている。この半導体層34は、基板側からp型半導体層342、i型半導体層(i型微結晶Si層)344、およびn型半導体層(n型微結晶Si層)346のpin接合構造にプラズマCVD法により形成されている。このうち、p型半導体層342は、p型アモルファスSi層342Aおよびp型微結晶Si層342Bの積層体となっている。半導体層34の上の面には裏面電極層36が形成されている。太陽電池素子300は、透光性の基板30に透明電極層32が形成されているため、太陽電池のエネルギー源となる光(hν)が図6において下方から半導体層34に入射するスーパーストレート型の太陽電池である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a
太陽電池素子300は、pin接合構造を単数のみ有する半導体層34を備える薄膜太陽電池である。p型半導体層342は、p型アモルファスSi層342Aとp型微結晶Si層342Bとが裏面電極層32の面の上にこの順に積層された積層体である。p型半導体層342の形成において、例えば図2に示した成膜装置200と同様の真空チェンバー22におけるプラズマCVD法が採用される。このため、p型微結晶Si層342Bは、プラズマCVD法の成膜条件を、p型アモルファスSi層342Aを形成するための第1条件から、p型微結晶Si層342Bを形成するための第2条件へとプラズマの励起を継続しながら遷移させて形成された層である。このプラズマCVD法の成膜条件を第1条件から第2条件へ遷移させる遷移処理は、ガス流量と圧力に対するプラズマの性質を反映したものであるため、半導体層の導電型をn型からp型に変更しても同様に実行することが可能である。よって、太陽電池素子300の製造工程においても、上述した太陽電池素子100の製造工程に準じた態様にて遷移処理を実施することができる。
The
このように、本実施形態の遷移処理を採用することにより、pin接合構造を有する太陽電池素子300の製造工程においても、プラズマを停止させず、また、プラズマの不意の停止が生じかねない状態を回避して、成膜条件の変更を短時間で行うことが可能となる。
As described above, by adopting the transition process of the present embodiment, even in the manufacturing process of the
さらに、本実施形態の遷移処理は、これまで明示した以外の材料、例えばアモルファスSiGeなどを採用する場合にも適用することができ、その場合にもプラズマCVD法の成膜条件の切り替え処理を短時間で行うことが可能となる。また、本実施形態の遷移処理を実行することにより、複数のnip接合構造またはpin接合構造を積層して得られるタンデム構造やトリプル構造などの複接合構造の薄膜太陽電池を採用した場合であっても、プラズマCVD法の成膜処理条件の切り替え処理を短時間で行うことが可能となる。 Furthermore, the transition process of the present embodiment can also be applied to the case where a material other than those specified so far, such as amorphous SiGe, is employed, and in this case, the film forming condition switching process of the plasma CVD method is shortened. It can be done in time. In addition, when the transition process of this embodiment is executed, a thin film solar cell having a multi-junction structure such as a tandem structure or a triple structure obtained by stacking a plurality of nip junction structures or pin junction structures is employed. However, it is possible to perform the switching process of the film forming process conditions of the plasma CVD method in a short time.
<第1実施形態:変形例2>
加えて、上述した本実施形態において成膜装置200の動作に基づいて説明した処理動作のうちのいくつかの動作は、例えば作業者が成膜装置を操作することによって実行することも可能である。したがって、上述した本実施の形態を実施する態様は、薄膜太陽電池の製造方法として、経時的な処理手順の組み合わせとして実施することが可能である。この場合であっても、一部自動、一部手動といった組み合わせの処理として実施することもできる。例えば、圧力制御部248(図2)には、圧力センサー244と圧力コントロールバルブ246とを用いたフィードバック制御を継続して行わせておき、作業者が手動でガス流量を上述したいずれかの態様にしたがって変化させてガスの総流量を変更する処理を行うと、自動のフィードバック制御と手動のガス流量の制御を組み合わせて本実施形態の処理を行うことができる。
<First Embodiment: Modification 2>
In addition, some of the processing operations described based on the operation of the
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been specifically described above. The above-described embodiments and examples are described for explaining the invention, and the scope of the invention of the present application should be determined based on the description of the claims. Moreover, the modification which exists in the scope of the present invention including other combinations of each embodiment is also included in a claim.
本発明のいずれかの態様においては、成膜条件の異なる半導体膜が積層されている積層構造の半導体層をプラズマCVD成膜法によって形成する太陽電池を用いる太陽光発電設備の普及に貢献する。 In any aspect of the present invention, it contributes to the popularization of solar power generation equipment using a solar cell in which a semiconductor layer having a stacked structure in which semiconductor films having different film forming conditions are stacked is formed by a plasma CVD film forming method.
100 太陽電池素子
10、30 基板
12 裏面電極層
14、34 半導体層
142 n型半導体層
142A n型アモルファスSi層
142B n型微結晶Si層
144 i型半導体層(i型微結晶Si層)
146 p型半導体層(p型微結晶Si層)
16 透明電極層
16A 集電極層
200 成膜装置
22 真空チェンバー
24 接地電極
24H ヒーター
26 シャワーヘッド電極
28 シーケンス制御部
220、220A、220B ガス供給系
222、222A、222B ガスボンベ
224、224A、224B コントロールバルブ
226 ガス流量制御部
240 排気系
242 真空ポンプ
244 圧力センサー
246 圧力コントロールバルブ
248 圧力制御部
260 電力供給系
262 電源
264 マッチング回路
266 電力制御部
32 透明電極層
342 p型半導体層
342A p型アモルファスSi層
342B p型微結晶Si層
344 i型半導体層(i型微結晶Si層)
346 n型半導体層(n型微結晶Si層)
36 透明電極層
42 曲線(ガス総流量)
42A 曲線(増量されるガスの流量)
42B 曲線(減少されるガスの流量)
44 曲線(チェンバーの内部圧力)
44C 曲線(圧力指令値)
46 曲線(プラズマ電力)
100 Solar cell elements
10, 30
146 p-type semiconductor layer (p-type microcrystalline Si layer)
DESCRIPTION OF
346 n-type semiconductor layer (n-type microcrystalline Si layer)
36
42A curve (flow rate of gas to be increased)
42B curve (reduced gas flow)
44 Curve (Internal pressure of chamber)
44C curve (pressure command value)
46 Curve (Plasma power)
Claims (11)
電極が形成されている基板の該電極の面の上にn型またはp型のアモルファスSi層を第1条件のプラズマCVD法によって真空チェンバーの内部にて形成する第1成膜ステップと、
前記アモルファスSi層の面に接して、該アモルファスSi層と同じ導電型の微結晶Si層を第2条件のプラズマCVD法によって前記真空チェンバーの内部にて形成する第2成膜ステップと、
前記第1成膜ステップから前記第2成膜ステップに遷移するための遷移ステップであって、前記真空チェンバーの内部の圧力をプラズマの励起を継続させるように保ちながら、前記真空チェンバーに供給されるガスの総流量が、前記第1条件に含まれるガスの総流量から前記第2条件に含まれるガスの総流量へ変更される遷移ステップと
を含む
薄膜太陽電池の製造方法。 A method of manufacturing a thin-film solar cell including a semiconductor layer including either a nip junction structure or a pin junction structure,
A first film forming step of forming an n-type or p-type amorphous Si layer on the surface of the electrode on which the electrode is formed, in a vacuum chamber by a plasma CVD method under a first condition;
A second film forming step of forming a microcrystalline Si layer having the same conductivity type as the amorphous Si layer in contact with the surface of the amorphous Si layer inside the vacuum chamber by a plasma CVD method under a second condition;
It is a transition step for making a transition from the first film forming step to the second film forming step, and is supplied to the vacuum chamber while maintaining the pressure inside the vacuum chamber so as to continue the excitation of plasma. A transition step in which the total gas flow rate is changed from the total gas flow rate included in the first condition to the total gas flow rate included in the second condition.
前記真空チェンバーの内部へ供給される前記ガスの総流量を変更するガス総流量変更ステップと、
前記真空チェンバーの内部の圧力を前記第1条件の圧力から前記第2条件の圧力へと変更する圧力変更ステップと
をこの順に含むものである
請求項1に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 The transition step includes:
A gas total flow rate changing step for changing a total flow rate of the gas supplied to the inside of the vacuum chamber;
The method of manufacturing a thin-film solar cell according to claim 1, further comprising: a pressure changing step of changing the pressure inside the vacuum chamber from the pressure of the first condition to the pressure of the second condition in this order.
前記第1条件からみて前記第2条件において流量が多いガス種のガス流量を、前記第1条件のものから前記第2条件のものへ増加させ始めるステップと、
前記第1条件からみて前記第2条件において流量が少ないガス種のガス流量を、前記第1条件のものから前記第2条件のものに減少させ始めるステップと
をこの順に含むものである
請求項2に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 The gas total flow rate changing step includes:
Starting to increase the gas flow rate of the gas species having a high flow rate in the second condition as viewed from the first condition from that in the first condition to that in the second condition;
3. The step of starting to decrease the gas flow rate of the gas type having a small flow rate in the second condition in view of the first condition from that in the first condition to that in the second condition is included in this order. Manufacturing method of a thin film solar cell.
前記真空チェンバーの内部の成膜用電極へ供給するプラズマ励起用の電力を前記第1条件の電力から前記第2条件の電力へと変更するプラズマパワー変更ステップ
を前記圧力変更ステップより後にさらに含むものである
請求項2に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 The transition step includes:
A plasma power changing step of changing the power for plasma excitation supplied to the film-forming electrode inside the vacuum chamber from the power of the first condition to the power of the second condition is further included after the pressure changing step. The manufacturing method of the thin film solar cell of Claim 2.
前記ガス総流量変更ステップにおいて、該圧力指令値から所定の変動幅の範囲に前記圧力を保ちながら、前記ガスの総流量が変更されている
請求項2に記載の薄膜太陽電池の製造方法。 Through the gas total flow rate changing step, the pressure inside the vacuum chamber is controlled to match a pressure command value,
The method for manufacturing a thin-film solar cell according to claim 2, wherein in the gas total flow rate changing step, the total gas flow rate is changed while maintaining the pressure within a range of a predetermined fluctuation range from the pressure command value.
少なくとも一方の面に電極が形成されている基板を格納するようになっており、前記半導体層をなす少なくともいずれかの層を前記基板の前記電極の面の上にプラズマCVD法によって形成するための真空チェンバーと、
該真空チェンバーに接続され、該真空チェンバーの内部へガスを供給するガス供給系と、
該真空チェンバーに備えられ、該真空チェンバーの内部の圧力を検知する圧力センサーと、
該真空チェンバーに接続され、該真空チェンバーの内部のガスを排気する排気系と、
該真空チェンバーの内部の成膜用電極に対してプラズマを励起する電力を供給する電力供給系と、
前記ガス供給系に接続され、該ガス供給系から前記真空チェンバーの内部へ供給されるガスの流量を制御するガス流量制御部と、
前記圧力センサーと前記排気系とに接続され、該圧力センサーからの信号に基づいて該排気系の排気量を変更して前記真空チェンバーの内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記ガス流量制御部および前記圧力制御部に対して指令値または制御信号を出力して処理動作を制御するシーケンス制御部と
を備え、
前記シーケンス制御部は、前記電極の面の上にn型またはp型のアモルファスSi層を第1条件のプラズマCVD法によって形成する第1成膜処理から、前記アモルファスSi層の面に接して、該アモルファスSi層と同じ導電型の微結晶Si層を第2条件のプラズマCVD法によって形成する第2成膜処理へと遷移する際に、前記圧力制御部に、プラズマの励起を継続させるように前記真空チェンバーの内部の圧力を制御させながら、前記ガス流量制御部に、前記真空チェンバーに供給されるガスの総流量を、前記第1条件に含まれるガスの総流量から前記第2条件に含まれるガスの総流量へ変更させる処理動作を実行するものである
薄膜太陽電池の製造装置。 A manufacturing apparatus for manufacturing a thin film solar cell including a semiconductor layer including either a nip junction structure or a pin junction structure,
A substrate on which an electrode is formed on at least one surface is stored, and at least one layer forming the semiconductor layer is formed on the surface of the electrode on the substrate by a plasma CVD method. A vacuum chamber,
A gas supply system connected to the vacuum chamber and supplying gas to the inside of the vacuum chamber;
A pressure sensor provided in the vacuum chamber for detecting the pressure inside the vacuum chamber;
An exhaust system connected to the vacuum chamber and exhausting gas inside the vacuum chamber;
A power supply system for supplying power for exciting plasma to the film-forming electrode inside the vacuum chamber;
A gas flow rate control unit that is connected to the gas supply system and controls the flow rate of the gas supplied from the gas supply system to the inside of the vacuum chamber;
A pressure control unit connected to the pressure sensor and the exhaust system, and controlling a pressure inside the vacuum chamber by changing an exhaust amount of the exhaust system based on a signal from the pressure sensor;
A sequence control unit that controls the processing operation by outputting a command value or a control signal to the gas flow rate control unit and the pressure control unit, and
The sequence control unit is in contact with the surface of the amorphous Si layer from the first film forming process of forming an n-type or p-type amorphous Si layer on the surface of the electrode by a plasma CVD method under a first condition. When the process proceeds to the second film forming process in which a microcrystalline Si layer having the same conductivity type as the amorphous Si layer is formed by the plasma CVD method of the second condition, the pressure controller is made to continue plasma excitation. While controlling the pressure inside the vacuum chamber, the gas flow rate control unit includes the total flow rate of the gas supplied to the vacuum chamber from the total flow rate of the gas included in the first condition to the second condition. An apparatus for manufacturing a thin-film solar cell that executes a processing operation to change the total flow rate of the gas to be generated.
前記第1成膜処理から前記第2成膜処理に遷移する際に、
前記ガス流量制御部に、前記真空チェンバーへのガスの総流量を前記第1条件の総流量から前記第2条件の総流量へと変更させ、
前記圧力制御部に、前記真空チェンバーの内部の圧力を前記第1条件のものから前記第2条件のものへと変更させる
ように処理動作をこの順に制御するものである
請求項6に記載の製造装置。 The sequence controller is
When transitioning from the first film forming process to the second film forming process,
Causing the gas flow rate control unit to change the total flow rate of the gas to the vacuum chamber from the total flow rate of the first condition to the total flow rate of the second condition;
The manufacturing method according to claim 6, wherein the pressure control unit controls processing operations in this order so as to change the pressure inside the vacuum chamber from the first condition to the second condition. apparatus.
前記シーケンス制御部は、前記ガス流量制御部に、
前記第1条件からみて前記第2条件においてガス流量が多いガス種のガス流量を、前記第1条件のものから前記第2条件のものへの増加を開始させ、
前記第1条件からみて前記第2条件においてガス流量が少ないガス種のガス流量を、前記第1条件のものから前記第2条件のものへの減少を開始させる
ように処理動作をこの順に制御するものである
請求項6に記載の製造装置。 In the process of changing the total flow rate of the gas,
The sequence controller is connected to the gas flow rate controller.
Starting the increase in the gas flow rate of the gas type having a high gas flow rate in the second condition from the first condition to that in the second condition from the first condition,
The processing operation is controlled in this order so that the gas flow rate of the gas type having a small gas flow rate in the second condition in view of the first condition is started to decrease from that in the first condition to that in the second condition. The manufacturing apparatus according to claim 6.
をさらに備え、
前記シーケンス制御部は、該電力制御部に対して指令値または制御信号を出力して処理動作を制御するものであり、
前記シーケンス制御部は、前記圧力制御部が前記真空チェンバーの内部の圧力を変更した後に、前記電力制御部に、前記真空チェンバーの内部の成膜用電極に対して供給するプラズマ励起用電力を前記第1条件のものから前記第2条件のものへと変更させるように処理動作を制御するものである
請求項7に記載の製造装置。 A power control unit that is connected to the power supply system and controls output power from the power supply system;
The sequence control unit outputs a command value or a control signal to the power control unit to control a processing operation,
The sequence control unit, after the pressure control unit changes the pressure inside the vacuum chamber, supplies power for plasma excitation to the power control unit to the film-forming electrode inside the vacuum chamber. The manufacturing apparatus according to claim 7, wherein the processing operation is controlled so that the first condition is changed to the second condition.
請求項6に記載の薄膜太陽電池の製造装置。 While the gas flow control unit changes the total flow rate of the gas, the sequence control unit allows the pressure control unit to adjust the pressure inside the vacuum chamber to a certain pressure command value, while the gas flow control unit The process operation is controlled so as to change the gas flow rate while maintaining the pressure inside the vacuum chamber within a predetermined fluctuation range from the pressure command value. apparatus.
前記nip接合構造または前記pin接合構造をなすn型またはp型の半導体層は、真空チェンバーにて、第1条件のプラズマCVD法により形成されたn型またはp型のアモルファスSi層と、第2条件のプラズマCVD法により形成された、該アモルファスSi層と同じ導電型の微結晶Si層とが、前記電極の前記面の側からこの順に形成された積層体であり、
前記微結晶Si層は、前記真空チェンバーの内部の圧力をプラズマの励起を継続させるように保ちながら、前記真空チェンバーに供給されるガスの総流量を、前記第1条件に含まれるガスの総流量から、前記第2条件に含まれるガスの総流量へと変更することによりプラズマCVD法の処理条件を前記第1条件から前記第2条件へと遷移させて形成された層である
薄膜太陽電池。 A thin film solar cell in which a semiconductor layer including either a nip junction structure or a pin junction structure is formed on the surface of the electrode on which the electrode is formed,
The n-type or p-type semiconductor layer forming the nip junction structure or the pin junction structure includes an n-type or p-type amorphous Si layer formed by a plasma CVD method under a first condition in a vacuum chamber, and a second layer. A microcrystalline Si layer having the same conductivity type as that of the amorphous Si layer formed by a plasma CVD method under conditions is a laminate formed in this order from the surface side of the electrode,
While the microcrystalline Si layer maintains the internal pressure of the vacuum chamber so as to continue plasma excitation, the total flow rate of gas supplied to the vacuum chamber is set to the total flow rate of gas included in the first condition. The thin film solar cell is a layer formed by changing the processing conditions of the plasma CVD method from the first condition to the second condition by changing to the total gas flow rate included in the second condition.
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