JP2012129569A - Multi-junction thin film solar cell and method of manufacturing the same - Google Patents

Multi-junction thin film solar cell and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an amorphous-crystalline junction thin film solar cell in which defect density is reduced in the crystalline semiconductor layer, and sufficient light confinement effect can be attained by a texture structure of protrusions and recesses.SOLUTION: In the thin film solar cell, the surface supporting a photoelectric conversion element structure forms a texture structure where the average value of the ratio R/L of the size R and the interval L of protrusions and recesses is in the range of 0.1-1.5. In the photoelectric conversion element structure formed on the surface, a p-type semiconductor layer 13 and an intrinsic semiconductor layer 14 in contact with the surface are crystalline layers mainly composed of columnarly grown crystal grains having a height of 100 nm or higher.

Description

本発明は高い光電変換効率を有する薄膜太陽電池に関する。   The present invention relates to a thin film solar cell having high photoelectric conversion efficiency.

将来の需給が懸念され、かつ地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素排出の問題がある石油等の化石燃料の代替エネルギー源として太陽電池が注目されている。   Solar cells are attracting attention as an alternative energy source for fossil fuels such as oil, where there is concern about future supply and demand, and there is a problem of carbon dioxide emissions that cause global warming.

この太陽電池は光エネルギーを電力に変換する光電変換層にpn接合を用いており、このpn接合を構成する半導体として一般的にはシリコンが最もよく用いられている。光電変換効率の点からは単結晶シリコンを用いることが好ましいが原料供給や大面積化、低コスト化の問題が有る。   This solar cell uses a pn junction for a photoelectric conversion layer that converts light energy into electric power, and silicon is most commonly used as a semiconductor constituting the pn junction. From the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, it is preferable to use single crystal silicon, but there are problems of raw material supply, large area, and low cost.

一方、大面積化および低コスト化を実現するのに有利な材料としてアモルファスシリコンを光電変換層とした薄膜太陽電池も実用化されているが、その光電変換効率は単結晶シリコン太陽電池と比較して劣る。さらにアモルファスシリコンには光を照射するにつれて膜中の欠陥密度が増加するStaebler−Wronski効果と呼ばれる現象が生じるため、アモルファスシリコン太陽電池には光電変換効率の経時劣化という問題が避けられない。   On the other hand, thin-film solar cells using amorphous silicon as a photoelectric conversion layer as an advantageous material for realizing large area and low cost have been put into practical use, but the photoelectric conversion efficiency is lower than that of single crystal silicon solar cells. Inferior. Furthermore, since amorphous silicon has a phenomenon called the Staebler-Wronski effect in which the density of defects in the film increases as it is irradiated with light, the amorphous silicon solar cell inevitably suffers from the problem of deterioration in photoelectric conversion efficiency over time.

そこで近年、単結晶シリコン太陽電池レベルの高くて安定な光電変換効率と、アモルファスシリコン太陽電池レベルの大面積化、低コスト化を兼ね備えた太陽電池を実現するために、結晶質シリコンの光電変換層への使用が検討されている。特にアモルファスシリコンの場合と同様の化学的気相成長法(以下、CVD法とする)による薄膜形成技術を用いて、結晶質シリコン薄膜を形成した薄膜太陽電池が注目されている。   Therefore, in recent years, in order to realize a solar cell that has both high and stable photoelectric conversion efficiency at the single crystal silicon solar cell level, large area and low cost at the amorphous silicon solar cell level, a crystalline silicon photoelectric conversion layer Use in is being considered. In particular, a thin film solar cell in which a crystalline silicon thin film is formed by using a thin film formation technique by chemical vapor deposition (hereinafter referred to as a CVD method) similar to the case of amorphous silicon has attracted attention.

特開平1−289173号公報は、アモルファスシリコンを活性層とした光電変換素子と、アモルファスシリコンと比較してエネルギーギャップの小さな多結晶シリコンを活性層とした光電変換素子とを積層した多接合型薄膜太陽電池を開示する。そのような太陽電池は、アモルファスシリコンを活性層とした光電変換素子側から太陽光を入射する構成を取ることにより、太陽光エネルギーの利用を単接合型のものより効率的に行うことができるという利点がある。さらに、複数の光電変換素子を直列に接続するので高い電圧を得られることや、活性層としてのアモルファスシリコン層を薄くできるので光電変換効率の経時劣化を抑制できる、アモルファスシリコン層と多結晶シリコン層を同一の装置で製造できるといった利点もあり、高効率化と低コスト化を両立する手段として盛んに研究開発が行われている。   JP-A-1-289173 discloses a multi-junction thin film in which a photoelectric conversion element using amorphous silicon as an active layer and a photoelectric conversion element using polycrystalline silicon having an energy gap smaller than that of amorphous silicon as an active layer are stacked. A solar cell is disclosed. Such a solar cell can use solar energy more efficiently than a single-junction type by adopting a configuration in which sunlight is incident from the photoelectric conversion element side using amorphous silicon as an active layer. There are advantages. Furthermore, an amorphous silicon layer and a polycrystalline silicon layer that can obtain a high voltage because a plurality of photoelectric conversion elements are connected in series, and that the amorphous silicon layer as an active layer can be thinned, so that deterioration of photoelectric conversion efficiency over time can be suppressed. As a means to achieve both high efficiency and low cost, research and development has been actively conducted.

ところが、精力的な研究開発が行われているにも関わらず、現在までのところ上記の多接合型薄膜太陽電池の光電変換効率は、期待されている値に遠く及ばない。その大きな要因として、結晶質シリコン活性層中の欠陥密度が高いことが挙げられる。欠陥密度を低減させるには、結晶粒径を増大させることが有効である。また膜厚方向にキャリアが流れる構造となる太陽電池においては、多結晶粒の存在形態としては膜厚方向を横切るような粒界が存在しない構造、すなわち膜厚方向に対し結晶粒が柱状に成長した構造が望ましく、膜厚方向に対し結晶方位が揃っている場合にそのような構造が得られやすい。   However, despite vigorous research and development, the photoelectric conversion efficiency of the above-mentioned multi-junction thin-film solar cell is far from the expected value so far. A major factor is that the defect density in the crystalline silicon active layer is high. In order to reduce the defect density, it is effective to increase the crystal grain size. In solar cells that have a structure in which carriers flow in the film thickness direction, the existence of polycrystalline grains is a structure that does not have grain boundaries that cross the film thickness direction, that is, crystal grains grow in a columnar shape in the film thickness direction. Such a structure is desirable, and such a structure is easily obtained when the crystal orientation is aligned with respect to the film thickness direction.

結晶粒径の大きな多結晶シリコン薄膜を得る試みは様々な手法で行われている。例えば、基板上にCVD法等により形成した非晶質シリコン薄膜にレーザー光を照射して溶融させた後、凝固により多結晶シリコン薄膜を得る、いわゆるレーザーアニール法が知られている。また非晶質シリコン膜の一部分にリンあるいはボロン等をドーピングすることにより、選択的に固相成長による結晶化を開始させる、いわゆるパーシャルドーピング法が知られている。ところが、上述のような方法には高い装置コストが必要であったり、数十時間もの熱処理時間を要する等、実用に供する上で困難な問題が存在する。   Various attempts have been made to obtain a polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size. For example, a so-called laser annealing method is known in which an amorphous silicon thin film formed on a substrate by a CVD method or the like is irradiated with a laser beam and melted, and then a polycrystalline silicon thin film is obtained by solidification. There is also known a so-called partial doping method in which crystallization by solid phase growth is selectively started by doping a part of an amorphous silicon film with phosphorus, boron, or the like. However, the above-described method has problems that are difficult to put into practical use, such as high equipment cost and heat treatment time of several tens of hours.

一方、膜厚方向に対し結晶方位が揃っている結晶シリコン薄膜を得る試みも様々な手法で行われている。例えば、特開平7−240531号公報には、半導体薄膜の堆積中あるいは堆積後に不活性ガスビームを複数の方向から照射することを特徴とする太陽電池および多層薄膜の製造方法が示されている。該方法によると、チャネリングビームとなる不活性ガスビームの照射方向に結晶シリコンの最稠密方向である<111>方向が揃ったシリコン薄膜が得られるとしている。また特開平11−278988号公報には、シリコン膜堆積中に基板に垂直な方向からSiH3ビームを照射し、基板に平行な方向からHビームを照射することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法が示されている。該方法によると、分子量が大きいので非チャネリングビームとなるSiH3ビームの照射方向である基板表面に垂直な方向に結晶シリコンの最稠密方向である<111>方向が揃い、分子量が小さいのでチャネリングビームとなるHビームの照射方向に結晶シリコンの<110>方向が揃うことにより、単結晶のシリコン薄膜が得られるとしている。 On the other hand, various attempts have been made to obtain a crystalline silicon thin film in which the crystal orientation is aligned with respect to the film thickness direction. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240531 discloses a method for manufacturing a solar cell and a multilayer thin film, in which an inert gas beam is irradiated from a plurality of directions during or after the semiconductor thin film is deposited. According to this method, a silicon thin film is obtained in which the <111> direction, which is the densest direction of crystalline silicon, is aligned with the irradiation direction of an inert gas beam serving as a channeling beam. Japanese Patent Laid-Open No. 11-278988 discloses a single crystal thin film manufacturing method in which a SiH 3 beam is irradiated from a direction perpendicular to a substrate and a H beam is irradiated from a direction parallel to the substrate during silicon film deposition. The method is shown. According to this method, since the molecular weight is large, the <111> direction, which is the densest direction of crystalline silicon, is aligned in the direction perpendicular to the substrate surface, which is the irradiation direction of the SiH 3 beam, which is a non-channeling beam, and the molecular weight is small. It is said that a single crystal silicon thin film can be obtained by aligning the <110> direction of crystalline silicon with the H beam irradiation direction.

多接合型薄膜太陽電池が注目されているのは、先述した通り、高効率化や経時劣化の抑制が期待されることに加えて、アモルファスシリコン層および結晶質シリコン層をCVD法により連続して形成できるからである。ところが、H.Yamamoto et al,PVSEC−11,Sapporo,Japan,1999において、ガラス上に酸化錫を積層した表面凹凸によるテクスチャー構造を有する基板上にプラズマCVD法により微結晶シリコンを形成した場合、図2に示すように、個々の凹凸表面に垂直な方向にシリコンの結晶粒が優先的に成長し、異なる凹凸表面から成長した互いに結晶方位の異なる結晶粒同士がぶつかることで多量の欠陥が発生することが報告された。非晶質半導体層ではなく結晶質半導体層であることに起因するこのような欠陥は、キャリアの再結合中心となり、光電変換効率を著しく劣化させるので、極力排除されなければならない。H.Yamamotoらは、表面凹凸を有する酸化錫の上にさらに酸化亜鉛を厚く積層することで凹凸大きさを小さくした場合、酸化錫の場合と同様に酸化亜鉛の表面に垂直な方向にシリコン結晶粒が成長し、異なる凹凸表面から成長した結晶粒同士はぶつかるがそれらの方位差が小さいため、発生する欠陥が少なくなることも同時に報告した。しかるに、結晶質半導体層中の欠陥を低減するためには基板の表面凹凸をできるだけ小さくすればよいのは明らかである。   As mentioned above, multi-junction thin-film solar cells are attracting attention in addition to the expectation of higher efficiency and suppression of deterioration over time. In addition, amorphous silicon layers and crystalline silicon layers are continuously formed by CVD. This is because it can be formed. However, H.C. In Yamamoto et al, PVSEC-11, Sapporo, Japan, 1999, when microcrystalline silicon is formed by plasma CVD on a substrate having a textured structure with surface irregularities in which tin oxide is laminated on glass, as shown in FIG. In addition, it has been reported that silicon grains grow preferentially in the direction perpendicular to the individual uneven surfaces, and a large number of defects occur due to collision of crystal grains with different crystal orientations grown from different uneven surfaces. It was. Such a defect due to the crystalline semiconductor layer rather than the amorphous semiconductor layer becomes a carrier recombination center and significantly deteriorates the photoelectric conversion efficiency, and thus must be eliminated as much as possible. H. Yamamoto et al. Show that when the size of the unevenness is reduced by further laminating zinc oxide on the tin oxide having surface unevenness, the silicon crystal grains are perpendicular to the surface of the zinc oxide as in the case of tin oxide. It was also reported at the same time that crystal grains grown from different uneven surfaces collide with each other but their orientation difference is small, resulting in fewer defects. However, it is clear that the surface irregularities of the substrate should be as small as possible in order to reduce defects in the crystalline semiconductor layer.

しかしながら、特許第1681183号公報に示されている通り、表面凹凸を有する透明導電膜には、光の乱反射を生じさせ、シリコン膜中における光路長を大きくするので、光吸収により発生する電流値を増大させる、いわゆる光閉込効果という重要な機能がある。さらに光閉込効果は光電変換効率の向上により光電変換層を薄くできるので、製膜工程を短時間化できるという利点も産み出す。このことは光吸収特性の違いからアモルファスシリコン層の数倍もの光電変換層厚さを要求される結晶質シリコン層を有する多接合型薄膜太陽電池において、スループットの大幅な向上をもたらすことになる。したがって、表面凹凸をなくす、あるいは小さくすることは回避すべきである。   However, as shown in Japanese Patent No. 1681183, the transparent conductive film having surface irregularities causes irregular reflection of light and increases the optical path length in the silicon film, so that the current value generated by light absorption is reduced. There is an important function of increasing the so-called light confinement effect. Furthermore, since the light confinement effect can make the photoelectric conversion layer thinner by improving the photoelectric conversion efficiency, an advantage that the film forming process can be shortened is also produced. This results in a significant improvement in throughput in a multi-junction thin film solar cell having a crystalline silicon layer that requires a photoelectric conversion layer thickness several times that of an amorphous silicon layer due to the difference in light absorption characteristics. Therefore, it should be avoided to eliminate or reduce the surface roughness.

しかし現在のところ、結晶質シリコン薄膜中の欠陥密度低減と凹凸表面による光閉込効果とは両立させることが非常に困難であり、この問題は解決されていない。例えば、先述した特開平7−240531号公報または特開平11−278988号公報に示されている結晶シリコン薄膜の製造方法を用いることで膜中欠陥密度の小さいシリコン薄膜が作製できるが、シリコン薄膜を形成する基板が実質上平坦であり、光閉込効果を発現することができないので高効率化には限界があることが明らかである。   However, at present, it is very difficult to achieve both the defect density reduction in the crystalline silicon thin film and the light confinement effect due to the uneven surface, and this problem has not been solved. For example, a silicon thin film having a low defect density in the film can be produced by using the method for producing a crystalline silicon thin film described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240531 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-278888 described above. Since the substrate to be formed is substantially flat and cannot exhibit the light confinement effect, it is clear that there is a limit to the increase in efficiency.

また、特開平10−150209号公報には、基板の法線方向と柱状結晶粒の長手方向あるいは凹凸表面の法線方向との関係がある範囲内に規定されていることを特徴とする光電変換素子が開示されているが、基板の法線方向と柱状結晶粒の長手方向が小さくない傾きを持つ限りは前述した欠陥の発生は不可避である。さらに、特開平10−117006号公報、特開平10−294481号公報、特開平11−214728号公報、特開平11−266027号公報、特開2000−58892号公報には、表面を凹凸化した裏面電極上に多結晶シリコン層から成る光電変換層を有する下部光電変換素子を形成しており、該多結晶シリコン層が基板表面に平行な(110)の優先結晶配向面を有する薄膜太陽電池が示されているが、凹凸形状を有する裏面電極表面近傍での多結晶シリコン層形成にあたっては、前述した多結晶シリコンの成長挙動について全く考慮されていないため、欠陥の発生が避けられないのは明らかである。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-150209 discloses a photoelectric conversion characterized in that it has a relationship between the normal direction of the substrate and the longitudinal direction of the columnar crystal grains or the normal direction of the uneven surface. Although an element is disclosed, the above-described defect is inevitable as long as the normal direction of the substrate and the longitudinal direction of the columnar crystal grains have an inclination that is not small. Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-117006, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-294481, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-214728, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-266027, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-58892 have a back surface with an uneven surface. A thin film solar cell in which a lower photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer made of a polycrystalline silicon layer is formed on an electrode, and the polycrystalline silicon layer has a (110) preferential crystal orientation plane parallel to the substrate surface is shown. However, in forming the polycrystalline silicon layer near the surface of the back electrode having a concavo-convex shape, the above-described growth behavior of the polycrystalline silicon is not considered at all, so it is clear that the occurrence of defects is inevitable. is there.

本発明の目的は、十分な光閉込効果を有しつつ、欠陥密度の増大が抑制された結晶質半導体層を有する、高効率な多接合型薄膜太陽電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a highly efficient multi-junction thin film solar cell having a crystalline semiconductor layer in which an increase in defect density is suppressed while having a sufficient light confinement effect.

本発明により多接合型薄膜太陽電池が提供され、該太陽電池は、基板と、基板上に積層された複数の光電変換素子構造とを備え、そこにおいて、複数の光電変換素子構造の夫々には、第1導電型半導体層、真性半導体層および第2導電型半導体層が順に積層されおり、積層された複数の光電変換素子構造のうち、基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有しており、さらに、N番目の光電変換素子構造上に形成されるN+1番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層ならびに真性半導体層は、N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている結晶質半導体層である。   According to the present invention, a multi-junction thin film solar cell is provided, and the solar cell includes a substrate and a plurality of photoelectric conversion element structures stacked on the substrate, wherein each of the plurality of photoelectric conversion element structures is provided. , The first conductive semiconductor layer, the intrinsic semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer are sequentially stacked. Among the stacked photoelectric conversion element structures, N (N is one or more arbitrary numbers) counted from the substrate side The surface of the second conductive semiconductor layer side of the (integer) th photoelectric conversion element structure has a texture structure with irregularities such that the ratio R / L of the irregularity size R to the irregularity interval L is in the range of 0.1 to 1.5. Furthermore, the first conductive semiconductor layer and the intrinsic semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure formed on the Nth photoelectric conversion element structure are the second of the Nth photoelectric conversion element structure. Perpendicular to the surface of the conductive semiconductor layer A crystalline semiconductor layer which is composed mainly by the crystal grains have grown in a columnar countercurrent.

本発明によりもう一つの形態の多接合型薄膜太陽電池が提供され、該太陽電池は、基板と、基板上に積層された複数の光電変換素子構造とを備え、そこにおいて、複数の光電変換素子構造の夫々には、第1導電型半導体層、真性半導体層および第2導電型半導体層が順に積層されており、積層された複数の光電変換素子構造のうち、基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造とN+1番目の光電変換素子構造との間には、中間層が設けられており、N+1番目の光電変換素子構造を支持する中間層の表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有しており、かつN+1番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層および真性半導体層は、中間層の表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている結晶質半導体層である。   Another aspect of the present invention provides a multi-junction thin film solar cell, which includes a substrate and a plurality of photoelectric conversion element structures stacked on the substrate, wherein the plurality of photoelectric conversion elements are provided. In each of the structures, a first conductivity type semiconductor layer, an intrinsic semiconductor layer, and a second conductivity type semiconductor layer are sequentially stacked. Among the plurality of stacked photoelectric conversion element structures, N (N Is an arbitrary integer greater than or equal to 1) An intermediate layer is provided between the Nth photoelectric conversion element structure and the (N + 1) th photoelectric conversion element structure, and the surface of the intermediate layer that supports the (N + 1) th photoelectric conversion element structure Has a texture structure with unevenness such that the ratio R / L of the unevenness size R to the unevenness interval L is in the range of 0.1 to 1.5, and the first of the N + 1th photoelectric conversion element structure. Conductive semiconductor layer and intrinsic semiconductor Is a crystalline semiconductor layer which is composed mainly by the crystal grains have grown in a columnar direction perpendicular to the surface of the intermediate layer.

本発明において、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層は1nm以上200nm未満の厚みを有することが好ましい。また、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層側表面から高さ200nmまでの部分において、N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒は、当該部分における結晶粒全体の少なくとも50%以上を占め、かつN番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に垂直な方向に100nm以上の長さを有することが、好ましい。   In the present invention, the first conductive crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure preferably has a thickness of 1 nm or more and less than 200 nm. In addition, in the portion from the surface of the N + 1th photoelectric conversion element structure on the first conductive type semiconductor layer side to the height of 200 nm, it is perpendicular to the surface of the second conductive type semiconductor layer side of the Nth photoelectric conversion element structure or the surface of the intermediate layer. The crystal grains growing in a columnar shape in any direction occupy at least 50% or more of the entire crystal grains in the portion, and are on the surface of the second conductive semiconductor layer side or the surface of the intermediate layer of the Nth photoelectric conversion element structure. It is preferable to have a length of 100 nm or more in the vertical direction.

本発明において、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層は1nm以上50nm以下の厚みを有することが、好ましい。   In the present invention, the first conductive crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure preferably has a thickness of 1 nm to 50 nm.

本発明において、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層は主としてシリコンから成ることが好ましい。また、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層において、N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に平行に配向する結晶面は、主として(110)であることが好ましい。   In the present invention, the first conductive crystalline semiconductor layer and the intrinsic crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure are preferably mainly made of silicon. Further, in the first conductive crystalline semiconductor layer and the intrinsic crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure, parallel to the surface of the Nth photoelectric conversion element structure on the second conductive type semiconductor layer side or the surface of the intermediate layer. It is preferable that the crystal plane to be oriented is mainly (110).

本発明において、N+1番目の光電変換素子構造の真性結晶質半導体層について得られる、(220)面のX線回折ピークの積分強度I220と(111)面のX線回折ピークの積分強度I111との比I220/I111が3以上であることが、好ましい。 In the present invention, the integrated intensity I 220 of the ( 220 ) plane X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) plane X-ray diffraction peak obtained for the intrinsic crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure are obtained. The ratio I 220 / I 111 is preferably 3 or more.

本発明において、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層はホウ素を不純物として含有することが、特に好ましい。   In the present invention, it is particularly preferable that the first conductive crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure contains boron as an impurity.

本発明において、中間層は、主として酸化亜鉛からなる透明導電体であることが、好ましい。   In the present invention, the intermediate layer is preferably a transparent conductor mainly made of zinc oxide.

なお、本明細書において、特に言及しない限り、「結晶質半導体層」という用語は、方位の異なる複数の結晶粒を構成要素として含むあらゆる形態の半導体層を包含する。したがって、「結晶質半導体層」という用語は、たとえば、複数の結晶子の集合体である半導体層のみならず、微結晶あるいはマイクロクリスタルと呼ばれる結晶成分と非晶質成分が混在した状態の半導体層も含む。   In this specification, unless otherwise specified, the term “crystalline semiconductor layer” includes all forms of semiconductor layers including a plurality of crystal grains having different orientations as constituent elements. Therefore, the term “crystalline semiconductor layer” means, for example, not only a semiconductor layer that is an assembly of a plurality of crystallites, but also a semiconductor layer in which a crystal component called a microcrystal or a microcrystal and an amorphous component are mixed. Including.

本発明による多接合型薄膜太陽電池の基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面、あるいはN+1番目の光電変換素子構造を支持する中間層の表面には、凹凸によるテクスチャー構造が設けられている。この凹凸の大きさは代表的には0.01〜10μm、好ましくは0.05〜2μmの範囲であり、目視ではその凹凸形状を判別できない。すなわち、目視ではそれらの表面は平滑な面として認識される。そこで、本明細書において「N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に垂直」あるいは「N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に平行」というとき、特に断りのない限り、「垂直」および「平行」の基準は、この目視により平滑であるとみなされる表面(巨視的表面)である。   Second conductive semiconductor layer side surface of Nth (N is an arbitrary integer of 1 or more) photoelectric conversion element structure or N + 1th photoelectric conversion element structure counting from the substrate side of the multi-junction thin film solar cell according to the present invention. On the surface of the intermediate layer that supports the surface, an uneven texture structure is provided. The size of the unevenness is typically in the range of 0.01 to 10 μm, preferably 0.05 to 2 μm, and the uneven shape cannot be determined visually. That is, these surfaces are recognized as smooth surfaces by visual inspection. Therefore, in this specification, “perpendicular to the surface of the Nth photoelectric conversion element structure on the second conductive semiconductor layer side or the surface of the intermediate layer” or “the surface of the Nth photoelectric conversion element structure on the second conductive type semiconductor layer side or When referred to as “parallel to the surface of the intermediate layer”, unless otherwise specified, the criteria of “perpendicular” and “parallel” are surfaces (macroscopic surfaces) that are regarded as smooth by this visual observation.

一方、微視的にみれば、光電変換素子構造を支持する表面は凹凸によるテクスチャー構造を形成している。この凹凸形状は、原子間力顕微鏡により測定することができ、凹凸大きさRおよび凹凸間隔Lは次のように定義される。すなわち、表面の任意の領域において、原子間力顕微鏡により長さ5μmにわたって表面凹凸形状の線測定を行い、測定により得られた表面形状波形について、日本工業規格JISB0602−1994で規定された表面凹凸の算術平均値Raを凹凸大きさRとし、日本工業規格JISB0602−1994で規定された表面凹凸の平均間隔Smを凹凸間隔Lとする。   On the other hand, when viewed microscopically, the surface supporting the photoelectric conversion element structure forms a textured structure with irregularities. This uneven shape can be measured by an atomic force microscope, and the unevenness size R and the unevenness interval L are defined as follows. That is, in an arbitrary region of the surface, line measurement of the surface irregularity shape is performed with an atomic force microscope over a length of 5 μm, and the surface roughness waveform obtained by the measurement is the surface irregularity defined in Japanese Industrial Standard JIS B0602-1994. The arithmetic average value Ra is defined as the unevenness size R, and the average interval Sm of the surface unevenness defined by the Japanese Industrial Standard JIS B0602-1994 is defined as the unevenness interval L.

本発明により、凹凸を有する表面においても巨視的表面に垂直な方向に柱状に成長した第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層を有する多接合型薄膜太陽電池が提供される。該構造により、光閉込効果による光吸収量の増大と、結晶質半導体層中の欠陥が低減されることによる膜厚方向に対する良好なキャリア輸送特性との両立が可能となる。したがって、本発明による多接合型薄膜太陽電池は、高い光電変換効率を有することができる。   The present invention provides a multi-junction thin film solar cell having a first conductive crystalline semiconductor layer and an intrinsic crystalline semiconductor layer that are grown in a columnar shape in a direction perpendicular to the macroscopic surface even on an uneven surface. With this structure, it is possible to achieve both an increase in the amount of light absorption due to the light confinement effect and good carrier transport characteristics in the film thickness direction due to a reduction in defects in the crystalline semiconductor layer. Therefore, the multi-junction thin film solar cell according to the present invention can have high photoelectric conversion efficiency.

巨視的表面に垂直な方向に柱状に成長したシリコン結晶質半導体層を示す模式図。The schematic diagram which shows the silicon crystalline semiconductor layer grown in the column shape in the direction perpendicular | vertical to a macroscopic surface. 個々の凹凸表面に垂直な方向に柱状に成長したシリコン結晶質半導体層を示す模式図。The schematic diagram which shows the silicon crystalline semiconductor layer grown in the column shape in the direction perpendicular | vertical to each uneven | corrugated surface. 本発明による薄膜太陽電池構造の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the thin film solar cell structure by this invention. 実施例1におけるサンプル断面の透過型電子顕微鏡観察像を示す模式図。4 is a schematic diagram showing a transmission electron microscope observation image of a sample cross section in Example 1. FIG. 比較例1におけるサンプル断面の透過型電子顕微鏡観察像を示す模式図。The schematic diagram which shows the transmission electron microscope observation image of the sample cross section in the comparative example 1. FIG. 比I220/I111とR/Lとの関係を示す図。The figure which shows the relationship between ratio I220 / I111 and R / L.

本発明者は、平滑な表面を有するガラス板に被覆された酸化亜鉛をエッチングすることで凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lを適宜変化させた基板上に、プラズマCVD法によりシリコン結晶質半導体層を形成する検討を行った。その結果、チャネリング粒子が少ない条件においては、図6の曲線61に示すように、R/Lの平均値が小さい、言い換えれば表面凹凸が小さい場合のみシリコン結晶質半導体層の配向性を強めることができるのに対して、チャネリング粒子が多い条件においては、図6の曲線62に示すように、R/Lの平均値が小さい場合、すなわち表面凹凸が小さい場合だけでなく、R/Lが0.1〜1.5の範囲にある場合に、(220)面のX線回折ピークの積分強度I220と(111)面のX線回折ピークの積分強度I111との比I220/I111を3以上とすることが可能となることを発見した。 The present inventor performed plasma CVD on a substrate in which the ratio R / L of the unevenness size R and the unevenness interval L was appropriately changed by etching zinc oxide coated on a glass plate having a smooth surface. A study was made to form a silicon crystalline semiconductor layer. As a result, under the condition that the number of channeling particles is small, the orientation of the silicon crystalline semiconductor layer can be strengthened only when the average value of R / L is small, in other words, when the surface unevenness is small, as shown by the curve 61 in FIG. On the other hand, under the condition where there are many channeling particles, as shown by the curve 62 in FIG. 6, not only when the average value of R / L is small, that is, when the surface unevenness is small, R / L is 0.00. In the range of 1 to 1.5, the ratio I 220 / I 111 of the integrated intensity I 220 of the ( 220 ) plane X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) plane X-ray diffraction peak is It was discovered that it was possible to make it 3 or more.

この発見により初めて、光閉込効果による光吸収量の増大と、結晶質半導体層中の欠陥が増大しないことによる膜厚方向に対する良好なキャリア輸送特性との両立が可能となり、高い光電変換効率を有する多接合型薄膜太陽電池が実現できた。   For the first time, this discovery makes it possible to achieve both high light absorption due to the light confinement effect and good carrier transport properties in the film thickness direction due to the absence of defects in the crystalline semiconductor layer, resulting in high photoelectric conversion efficiency. A multi-junction thin-film solar cell having the above structure was realized.

本発明の多接合型薄膜太陽電池に用いる基板材料としては、ガラス、金属、あるいはポリイミドやポリビニルといった200℃程度の耐熱性を有する樹脂、さらにはそれらが積層されたもの等、種々のものが使用できる。また、それらの表面に金属膜、透明導電膜、あるいは絶縁膜等を被覆したものも含まれる。また、基板厚さは特に限定されるものではないが、構造を支持し得るよう適当な強度や重量を有するように、例えば0.1〜30mm程度である。   As a substrate material used for the multi-junction thin film solar cell of the present invention, various materials such as glass, metal, resin having heat resistance of about 200 ° C. such as polyimide and polyvinyl, and those laminated thereon are used. it can. Moreover, the thing which coat | covered the metal film, the transparent conductive film, or the insulating film etc. on those surfaces is also contained. The thickness of the substrate is not particularly limited, but is, for example, about 0.1 to 30 mm so as to have an appropriate strength and weight so that the structure can be supported.

基板の表面には凹凸があってもよい。凹凸を設ける手段としては、例えば、平滑な表面を有する基板上に、堆積すると同時に表面に凹凸が形成されるような膜を形成してもよい。該表面に凹凸が形成される膜は基板と同じ材料であっても、または異なる材料であっても構わない。また、基板表面に対してサンドブラストのような機械加工、あるいはエッチングといった化学的加工処理を行って凹凸を形成することもできる。   The surface of the substrate may be uneven. As a means for providing unevenness, for example, a film that forms unevenness on the surface at the same time as deposition may be formed on a substrate having a smooth surface. The film on which the unevenness is formed on the surface may be the same material as the substrate or a different material. Further, the unevenness can be formed by performing mechanical processing such as sandblasting or chemical processing such as etching on the substrate surface.

本発明の多接合型薄膜太陽電池において、基板に積層された複数の光電変換素子構造のうち、基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有している。さらに、N+1番目の光電変換素子構造は、図1に示すようなテクスチャーを有する表面上においても、巨視的表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層を有する。これらの特徴により、光閉込効果を奏しかつ光電変換素子構造中の欠陥増大が抑制された、高い光電変換効率をもたらす多接合型薄膜太陽電池を得ることができる。   In the multi-junction thin film solar cell of the present invention, among the plurality of photoelectric conversion element structures stacked on the substrate, the second (N is an arbitrary integer greater than or equal to 1) photoelectric conversion element structure counted from the substrate side. The surface of the conductive semiconductor layer side has a textured structure with unevenness such that the ratio R / L of the unevenness size R to the unevenness interval L is in the range of 0.1 to 1.5. Further, the (N + 1) th photoelectric conversion element structure has a first conductive structure mainly composed of crystal grains growing in a columnar shape in a direction perpendicular to the macroscopic surface even on the surface having a texture as shown in FIG. A type crystalline semiconductor layer and an intrinsic crystalline semiconductor layer. With these characteristics, it is possible to obtain a multi-junction thin-film solar cell that exhibits high photoelectric conversion efficiency that exhibits a light confinement effect and suppresses an increase in defects in the photoelectric conversion element structure.

本発明によるもう一つの形態の多接合型薄膜太陽電池において、基板に積層された複数の光電変換素子構造のうち、基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造とN+1番目の光電変換素子構造との間に設けられた中間層の表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有する。さらに、N+1番目の光電変換素子構造は、図1に示すようなテクスチャーを有する表面上においても、巨視的表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層を有する。これらの特徴は、十分な光閉込効果を生じさせるとともに、光電変換素子構造中の欠陥増大を抑制する。したがって、本発明による多接合型薄膜太陽電池は、高い光電変換効率をもたらすことができる。   In another embodiment of the multi-junction thin film solar cell according to the present invention, among a plurality of photoelectric conversion element structures stacked on a substrate, Nth (N is an arbitrary integer greater than or equal to 1) photoelectric conversion counted from the substrate side The surface of the intermediate layer provided between the element structure and the (N + 1) th photoelectric conversion element structure has a ratio R / L of the unevenness size R to the unevenness interval L in the range of 0.1 to 1.5. It has a textured structure with irregularities. Further, the (N + 1) th photoelectric conversion element structure has a first conductive structure mainly composed of crystal grains growing in a columnar shape in a direction perpendicular to the macroscopic surface even on the surface having a texture as shown in FIG. A type crystalline semiconductor layer and an intrinsic crystalline semiconductor layer. These characteristics cause a sufficient light confinement effect and suppress an increase in defects in the photoelectric conversion element structure. Therefore, the multi-junction thin film solar cell according to the present invention can provide high photoelectric conversion efficiency.

本発明において、中間層は、隣り合う光電変換素子構造の互いに異なる導電型を有する層の間に設けられる層である。中間層は、互いに異なる導電型層が直接接合する場合に生じる逆方向の接合形成、あるいは不純物の混合による接合不良等を防止するために設けられる。   In the present invention, the intermediate layer is a layer provided between layers having different conductivity types in adjacent photoelectric conversion element structures. The intermediate layer is provided in order to prevent junction formation in the reverse direction that occurs when different conductive type layers are directly bonded, or bonding failure due to mixing of impurities.

中間層として、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛等からなる透明導電膜が好適である。また、中間層は、これらのうちの単一の材料から成るものであってもよいし、あるいはこれらの材料を含む層を複数積層したものであっても構わないが、中間層の両表面、特に基板に対向しない側の表面は透明導電膜から成ることが、より好ましい。特に、主として酸化亜鉛からなる透明導電膜には、安価である、耐プラズマ性が高く変質しにくいという利点があるので、より好ましい。   As the intermediate layer, a transparent conductive film made of tin oxide, indium oxide, zinc oxide or the like is suitable. Further, the intermediate layer may be composed of a single material of these, or may be a laminate of a plurality of layers containing these materials. In particular, the surface on the side not facing the substrate is more preferably made of a transparent conductive film. In particular, a transparent conductive film mainly composed of zinc oxide is more preferable because it has an advantage that it is inexpensive and has high plasma resistance and is hardly deteriorated.

これらの透明導電膜は、例えばスパッタリング法、常圧CVD法、減圧CVD法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法、電析法等の公知の方法により作製できる。その中でも特に、スパッタリング法は、透明導電膜の透過率や抵抗率を薄膜太陽電池に適したものに制御することが容易であるので望ましい。   These transparent conductive films can be produced by known methods such as sputtering, atmospheric pressure CVD, reduced pressure CVD, electron beam evaporation, sol-gel, and electrodeposition. Among them, the sputtering method is particularly preferable because it is easy to control the transmittance and resistivity of the transparent conductive film to those suitable for the thin film solar cell.

これらの透明導電膜中に微量の不純物が添加されていてもよい。例えば、酸化亜鉛の場合、5×1020〜5×1021cm-3程度のガリウムやアルミニウムといった第3B族元素あるいは銅のような第1B族元素が含有されることにより抵抗率が低減するので、中間層として使用するのに好ましい。また、これらの透明導電膜(中間層)の厚さは薄すぎると特性の均一性に問題が生じ、厚すぎると透過率の減少および直列抵抗の増加による光電変換効率の低下やコストの増大を引き起こすため、好ましくは1〜50nm程度である。 A small amount of impurities may be added to these transparent conductive films. For example, in the case of zinc oxide, the resistivity is reduced by containing a Group 3B element such as gallium or aluminum of about 5 × 10 20 to 5 × 10 21 cm −3 or a Group 1B element such as copper. , Preferred for use as an intermediate layer. In addition, if the thickness of these transparent conductive films (intermediate layers) is too thin, there will be a problem in the uniformity of characteristics, and if it is too thick, the decrease in transmittance and the increase in series resistance will cause a decrease in photoelectric conversion efficiency and an increase in cost. Since it causes, Preferably it is about 1-50 nm.

中間層の表面に凹凸を設ける手段として、例えば、堆積すると同時に表面に凹凸が形成されるような条件により中間層を形成してもよい。この際、中間層表面の凹凸形状が下地となる光電変換素子の凹凸形状の影響を受けることを考慮して、中間層の形成条件を決定すればよい。また、中間層表面に対してサンドブラストのような機械加工、あるいはエッチングといった化学的加工処理を行うことで凹凸を形成することも可能である。   As a means for providing unevenness on the surface of the intermediate layer, for example, the intermediate layer may be formed under conditions such that unevenness is formed on the surface simultaneously with the deposition. At this time, the formation condition of the intermediate layer may be determined considering that the uneven shape of the surface of the intermediate layer is affected by the uneven shape of the photoelectric conversion element as a base. It is also possible to form irregularities by performing mechanical processing such as sandblasting or chemical processing such as etching on the surface of the intermediate layer.

中間層表面が透明導電膜から成る場合、エッチャントの種類、濃度あるいはエッチング時間等を適宜変更することにより、透明導電膜の表面形状を容易に制御できるので、凹凸を作製する手段としてエッチングを行うことが、特に好ましい。エッチャントとして酸またはアルカリ溶液を用いることは、より安価に製造できるので、さらに好ましい。この場合、酸溶液には、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、酢酸、蟻酸、過塩素酸等の1種または2種以上の混合物を用いることができる。中でも、塩酸、酢酸が好ましい。これらの酸溶液は、例えば0.05〜5重量%程度の濃度で使用できる。特に酢酸のような比較的弱い酸の場合には、0.1〜5重量%程度の濃度で使用することが好ましい。また、アルカリ溶液には、水酸化ナトリウム、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の1種または2種以上の混合物を用いることができる。なかでも水酸化ナトリウムが好ましい。これらのアルカリ溶液は1〜10重量%程度の濃度で使用することが好ましい。   When the surface of the intermediate layer is made of a transparent conductive film, the surface shape of the transparent conductive film can be easily controlled by appropriately changing the type, concentration, etching time, etc. of the etchant. Is particularly preferred. It is more preferable to use an acid or alkali solution as an etchant because it can be produced at a lower cost. In this case, the acid solution may be one or a mixture of two or more of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, acetic acid, formic acid, perchloric acid and the like. Of these, hydrochloric acid and acetic acid are preferable. These acid solutions can be used at a concentration of, for example, about 0.05 to 5% by weight. In particular, in the case of a relatively weak acid such as acetic acid, it is preferably used at a concentration of about 0.1 to 5% by weight. Moreover, 1 type, or 2 or more types of mixtures, such as sodium hydroxide, ammonia, potassium hydroxide, calcium hydroxide, aluminum hydroxide, can be used for an alkaline solution. Of these, sodium hydroxide is preferable. These alkaline solutions are preferably used at a concentration of about 1 to 10% by weight.

エッチングにより中間層の少なくとも基板に対向しない側の表面に設けられる凹凸の少なくとも一部は、略球面状あるいは略円錐状の穴とすることができる。該穴の直径が200〜2000nmの範囲にある場合、高さの二乗平均値RMSおよび傾斜角をθとしたときのtanθについて上述した好適な範囲の凹凸が再現性よく得られるので、好ましい。さらに、該穴の直径は、400〜1200nmの範囲にあることが、より好ましい。   At least a part of the unevenness provided on the surface of the intermediate layer that does not face the substrate by etching can be a substantially spherical or substantially conical hole. When the diameter of the hole is in the range of 200 to 2000 nm, the unevenness in the preferred range described above for tan θ when the height mean square value RMS and the inclination angle are θ is obtained with good reproducibility, which is preferable. Furthermore, the diameter of the hole is more preferably in the range of 400 to 1200 nm.

光閉込効果を向上させるためにはR/Lの値が大きい方が望ましく、光電変換素子中の欠陥増大を抑制するためにはR/Lの値が小さい方が望ましい。したがって、この両者を満足させることのできる凹凸テクスチャー構造は、R/Lの値が0.2〜1.2の範囲にあるものが好ましく、0.25〜0.8の範囲にあるものがより好ましい。   In order to improve the light confinement effect, a larger R / L value is desirable, and in order to suppress an increase in defects in the photoelectric conversion element, a smaller R / L value is desirable. Therefore, the uneven texture structure capable of satisfying both of these is preferably an R / L value in the range of 0.2 to 1.2, more preferably in the range of 0.25 to 0.8. preferable.

本発明の特に好ましい態様において、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層は1nm以上200nm未満の厚みを有し、基板の表面から高さ200nmまでの部分において、基板に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒は、当該部分における結晶粒全体の少なくとも50%以上を占め、かつN番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面(巨視的表面)または中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に100nm以上の長さを有する。この場合、同一の結晶粒内に第1導電型結晶質半導体層と真性結晶質半導体層との接合界面が形成されている傾向が強く、特に好ましい。   In a particularly preferred embodiment of the present invention, the first conductive crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure has a thickness of 1 nm or more and less than 200 nm, and is perpendicular to the substrate in a portion from the surface of the substrate to a height of 200 nm. The crystal grains growing in a columnar shape in any direction occupy at least 50% or more of the entire crystal grains in the portion, and the second conductive type semiconductor layer side surface (macroscopic surface) of the Nth photoelectric conversion element structure or It has a length of 100 nm or more in a direction perpendicular to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer. In this case, there is a strong tendency that a junction interface between the first conductivity type crystalline semiconductor layer and the intrinsic crystalline semiconductor layer is formed in the same crystal grain, which is particularly preferable.

さらに、第1導電型結晶質半導体層の膜厚を1nm以上50nm以下とすることにより、直列抵抗の低減、または導電型層における光吸収量の低減といった効果が得られるので光電変換効率の向上に効果的である。   Furthermore, by setting the film thickness of the first conductive type crystalline semiconductor layer to 1 nm or more and 50 nm or less, the effect of reducing the series resistance or the amount of light absorption in the conductive type layer can be obtained, so that the photoelectric conversion efficiency is improved. It is effective.

N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層を主としてシリコンから成るものとすることにより、アモルファスシリコンでは光電変換に利用できない波長700nm以上の長波長光も光電変換に利用できる。これにより、高い光電変換効率が得られるとともに、光劣化が抑制された安定な太陽電池を得ることができる。なお主としてシリコンから成る半導体層には、実質的にシリコンのみからなるものの他、シリコンと他の元素との組み合わせからなるもの、例えばシリコンに錫が添加されたSixSn1-xおよびゲルマニウムが添加されたSixGe1-x等も含まれる。 By making the first conductive crystalline semiconductor layer and the intrinsic crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure mainly composed of silicon, long wavelength light having a wavelength of 700 nm or more which cannot be used for photoelectric conversion with amorphous silicon is also photoelectrically generated. Can be used for conversion. Thereby, while being able to obtain high photoelectric conversion efficiency, it is possible to obtain a stable solar cell in which light degradation is suppressed. It should be noted that the semiconductor layer mainly composed of silicon is substantially composed only of silicon, or composed of a combination of silicon and other elements, for example, Si x Sn 1-x in which tin is added to silicon and germanium are added. Also included are Si x Ge 1-x and the like.

また、N+1番目の光電変換素子構造における第1導電型シリコン結晶質半導体層および真性シリコン結晶質半導体層において、N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に平行に配向する結晶面を(110)とすることで、配向面が(111)や(100)である場合のように、シリコン層形成の際にシリコン層がエッチングされる傾向が強く、膜損傷の恐れがある条件を用いることなく、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型シリコン結晶質半導体層を形成できる。これにより、第1導電型シリコン結晶質半導体層の下に位置するN番目の光電変換素子構造の第2導電型層あるいは中間層との界面を良好に形成することができる。   Further, in the first conductive silicon crystalline semiconductor layer and the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer in the (N + 1) th photoelectric conversion element structure, on the surface of the Nth photoelectric conversion element structure on the second conductive semiconductor layer side or on the surface of the intermediate layer. By setting the crystal plane oriented in parallel to (110), the silicon layer tends to be etched during the formation of the silicon layer, as in the case where the orientation plane is (111) or (100), and film damage The first conductivity type silicon crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure can be formed without using conditions that may cause Thereby, the interface with the 2nd conductivity type layer or intermediate | middle layer of the Nth photoelectric conversion element structure located under a 1st conductivity type silicon crystalline semiconductor layer can be formed favorably.

さらに、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型シリコン結晶質半導体層上に形成される真性シリコン結晶質半導体層において、N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に平行に配向する結晶面を(110)とすることができる。これにより、N+1番目の光電変換素子構造における第1導電型シリコン結晶質半導体層と真性シリコン結晶質半導体層との界面を良好に形成することができる。   Further, in the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer formed on the first conductive silicon crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure, the surface of the second conductive semiconductor layer side or the middle of the Nth photoelectric conversion element structure The crystal plane oriented parallel to the surface of the layer can be (110). Thereby, the interface between the first conductive silicon crystalline semiconductor layer and the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer in the (N + 1) th photoelectric conversion element structure can be satisfactorily formed.

また、上述した(110)配向により、形成速度が遅くなる条件を用いることなく真性シリコン結晶質半導体層を形成できるので、高効率な薄膜太陽電池を短時間で安定に製造することが可能となる。特に、N+1番目の光電変換素子構造における第1導電型シリコン結晶質半導体層上に形成された真性シリコン結晶質半導体層の(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111が3以上、好ましくは5以上である場合、良好な光電変換特性が得られる。 In addition, since the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer can be formed without using the condition that the formation speed is slowed by the (110) orientation described above, a highly efficient thin film solar cell can be stably manufactured in a short time. . In particular, the integrated intensity I 220 and (111) X-ray diffraction of the (220) X-ray diffraction peak of the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer formed on the first conductive silicon crystalline semiconductor layer in the (N + 1) th photoelectric conversion element structure. When the ratio I 220 / I 111 of the peak integrated intensity I 111 is 3 or more, preferably 5 or more, good photoelectric conversion characteristics can be obtained.

N+1番目の光電変換素子構造における第1導電型シリコン結晶質半導体層にホウ素が不純物として含有されている場合、特に(110)配向の傾向が強くなるので望ましい。その理由は明らかではないが、参考文献(1)〜(4)には、面方位が(100)あるいは(111)である単結晶シリコンの表面にボロンが存在するとシリコンの反応性が低下するという報告がある。したがって、同様の現象により(100)あるいは(111)の配向が抑制されることが原因として考えられる。ホウ素の含有量として0.01〜10原子%の範囲であれば、(110)配向が強められる効果が得られる。ホウ素含有量の好ましい範囲は0.05〜9原子%であり、より好ましい範囲は0.2〜8原子%である。   When boron is contained as an impurity in the first conductive silicon crystalline semiconductor layer in the (N + 1) th photoelectric conversion element structure, the tendency of (110) orientation is particularly strong, which is desirable. The reason for this is not clear, but in References (1) to (4), the reactivity of silicon decreases when boron is present on the surface of single crystal silicon whose plane orientation is (100) or (111). There is a report. Therefore, it is considered that the orientation of (100) or (111) is suppressed by the same phenomenon. When the boron content is in the range of 0.01 to 10 atomic%, the effect of enhancing the (110) orientation is obtained. A preferable range of the boron content is 0.05 to 9 atomic%, and a more preferable range is 0.2 to 8 atomic%.

以下、実施例により本発明をさらに説明する。   Hereinafter, the present invention will be further described by examples.

(実施例1)
図3に作製した薄膜太陽電池の構造を示す。平滑な表面を有するガラス板31a上にテクスチャー構造を有する酸化錫31bを形成した上に、通常の電子ビーム蒸着法により厚さ50nmの酸化亜鉛層31cを形成したものを基板31として用いた。原子間力顕微鏡により測定した基板表面の凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lの平均値は0.8であった。
Example 1
FIG. 3 shows the structure of the thin film solar cell produced. A substrate 31 in which a tin oxide 31b having a textured structure was formed on a glass plate 31a having a smooth surface and a zinc oxide layer 31c having a thickness of 50 nm was formed by an ordinary electron beam evaporation method was used. The average value of the ratio R / L of the irregularity size R and the irregularity interval L on the substrate surface measured by an atomic force microscope was 0.8.

続いて、基板31の上にp型アモルファスシリコン層32a、i型アモルファスシリコン層32b、n型アモルファスシリコン層32cをプラズマCVD装置により順に積層することで第1の光電変換素子構造32を形成した。プラズマCVD装置には上記各層ごとの形成室が設けられており、各形成室およびロードロック室間は真空を破ることなく基板を搬送できるようになっている。各形成室内部には平行平板型の電極が設けられている。電極は、カソード電極とそれに対向するアノード電極からなる。カソード電極にプラズマ励起用高周波電力が導入される。各形成室において、基板は、温度制御機能を有するアノード電極側に、テクスチャー構造を有する表面側がカソード電極に対向するように設置される。   Subsequently, a first photoelectric conversion element structure 32 was formed by sequentially stacking a p-type amorphous silicon layer 32a, an i-type amorphous silicon layer 32b, and an n-type amorphous silicon layer 32c on the substrate 31 using a plasma CVD apparatus. The plasma CVD apparatus is provided with a forming chamber for each layer, and the substrate can be transferred between each forming chamber and the load lock chamber without breaking the vacuum. A parallel plate type electrode is provided in each forming chamber. The electrode includes a cathode electrode and an anode electrode facing the cathode electrode. High frequency power for plasma excitation is introduced into the cathode electrode. In each forming chamber, the substrate is placed on the anode electrode side having a temperature control function and the surface side having a texture structure is opposed to the cathode electrode.

13.56MHzの高周波電力を投入して、基板31上にp型アモルファスシリコン層32a、i型アモルファスシリコン層32b、n型アモルファスシリコン層32cを順に積層し、アモルファスシリコン光電変換層32を形成した。p型アモルファスシリコン層32aは、SiH4ガス12SCCM、H2ガス30SCCM、H2ガスにより5000ppmに調整されたB26ガス1SCCM、製膜室圧力20Pa、放電電力25W、基板温度180℃の条件で製膜し、15nmの厚さとした。i型アモルファスシリコン層32bは、SiH4ガス30SCCM、H2ガス70SCCM、製膜室圧力30Pa、放電電力30W、基板温度180℃の条件で製膜し、350nmの厚さとした。n型アモルファスシリコン層32cは、SiH4ガス10SCCM、H2ガスにより1000ppmに調整されたPH3ガス100SCCM、製膜室圧力27Pa、放電電力30W、基板温度180℃の条件で製膜し、30nmの厚さとした。 A high frequency power of 13.56 MHz was input, and a p-type amorphous silicon layer 32a, an i-type amorphous silicon layer 32b, and an n-type amorphous silicon layer 32c were sequentially stacked on the substrate 31 to form an amorphous silicon photoelectric conversion layer 32. The p-type amorphous silicon layer 32a is composed of SiH 4 gas 12 SCCM, H 2 gas 30 SCCM, B 2 H 6 gas 1 SCCM adjusted to 5000 ppm with H 2 gas, film forming chamber pressure 20 Pa, discharge power 25 W, and substrate temperature 180 ° C. To a thickness of 15 nm. The i-type amorphous silicon layer 32b was formed under the conditions of SiH 4 gas 30 SCCM, H 2 gas 70 SCCM, film forming chamber pressure 30 Pa, discharge power 30 W, substrate temperature 180 ° C., and had a thickness of 350 nm. The n-type amorphous silicon layer 32c is formed under the conditions of SiH 4 gas 10 SCCM, PH 3 gas 100 SCCM adjusted to 1000 ppm with H 2 gas, film forming chamber pressure 27 Pa, discharge power 30 W, substrate temperature 180 ° C. Thickness.

第1の光電変換素子32を形成した後、中間層33として、Gaがドープされた酸化亜鉛からなる膜を通常のスパッタリング法により50nmの厚みで形成した。このとき、原子間力顕微鏡により測定した中間層33表面の凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lの平均値は0.6であった。   After forming the first photoelectric conversion element 32, a film made of zinc oxide doped with Ga was formed as an intermediate layer 33 with a thickness of 50 nm by a normal sputtering method. At this time, the average value of the ratio R / L of the irregularity size R and the irregularity interval L on the surface of the intermediate layer 33 measured by an atomic force microscope was 0.6.

中間層33を形成した後、第1の光電変換素子32を形成するのに使用したプラズマCVD装置を用いて、p型シリコン結晶質半導体層34a、i型シリコン結晶質半導体層34b、n型シリコン半導体層34cの順に積層することで、第2の光電変換素子34を形成した。p型シリコン結晶質半導体層34aはSiH4、H2およびB26の混合ガスを用い、ガス混合比はp型シリコン結晶質半導体層中のボロン濃度が0.5原子%となるように調整した。投入する高周波の周波数は40.68MHz、形成室圧力は25Pa、基板温度は150℃とした。また、膜厚は20nmとした。 After forming the intermediate layer 33, the p-type silicon crystalline semiconductor layer 34a, the i-type silicon crystalline semiconductor layer 34b, the n-type silicon are used by using the plasma CVD apparatus used to form the first photoelectric conversion element 32. The second photoelectric conversion element 34 was formed by stacking the semiconductor layers 34c in this order. The p-type silicon crystalline semiconductor layer 34a uses a mixed gas of SiH 4 , H 2 and B 2 H 6 , and the gas mixture ratio is such that the boron concentration in the p-type silicon crystalline semiconductor layer is 0.5 atomic%. It was adjusted. The frequency of the high frequency input was 40.68 MHz, the forming chamber pressure was 25 Pa, and the substrate temperature was 150 ° C. The film thickness was 20 nm.

i型シリコン結晶質半導体層34bはSiH4およびH2の混合ガスを用い、ガス混合比はi型シリコン層が十分に結晶化されるように調整した。投入する高周波の周波数は40.68MHz、形成室圧力は40Pa、基板温度は150℃とした。また、膜厚は2μmとした。この条件を用いてi型シリコン結晶質半導体層を平坦なガラス基板上に製膜した場合、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111は、図6に示すように10.0であり、このi型シリコン結晶質半導体層33自体が平坦な表面の法線方向に強い(220)配向を示すものであった。 The i-type silicon crystalline semiconductor layer 34b uses a mixed gas of SiH 4 and H 2 , and the gas mixing ratio is adjusted so that the i-type silicon layer is sufficiently crystallized. The frequency of the high frequency input was 40.68 MHz, the forming chamber pressure was 40 Pa, and the substrate temperature was 150 ° C. The film thickness was 2 μm. When an i-type silicon crystalline semiconductor layer is formed on a flat glass substrate using this condition, the integrated intensity I 220 of the ( 220 ) X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak are The ratio I 220 / I 111 is 10.0 as shown in FIG. 6, and the i-type silicon crystalline semiconductor layer 33 itself exhibits a strong (220) orientation in the normal direction of the flat surface. .

n型シリコン結晶質半導体層34cはSiH4、H2およびPH3の混合ガスを用い、ガス混合比はn型シリコン半導体層中のリン濃度が0.5原子%となるように調整した。投入する高周波の周波数は40.68MHz、形成室圧力は25Pa、基板温度は150℃とした。また、膜厚は20nmとした。 The n-type silicon crystalline semiconductor layer 34c uses a mixed gas of SiH 4 , H 2 and PH 3 , and the gas mixture ratio is adjusted so that the phosphorus concentration in the n-type silicon semiconductor layer is 0.5 atomic%. The frequency of the high frequency input was 40.68 MHz, the forming chamber pressure was 25 Pa, and the substrate temperature was 150 ° C. The film thickness was 20 nm.

その後、プラズマCVD装置から基板を取り出し、通常の電子ビーム蒸着法により酸化亜鉛を蒸着して裏面反射層35を形成した。そしてレーザースクライブ法により1cm角の大きさに分離した。その後、通常の電子ビーム蒸着法により銀からなる裏面電極36を形成して、基板31側から光を入射するスーパーストレート構造の多接合型薄膜太陽電池を得た。   Thereafter, the substrate was taken out from the plasma CVD apparatus, and zinc oxide was vapor-deposited by a normal electron beam vapor deposition method to form the back reflection layer 35. And it isolate | separated into the magnitude | size of 1 cm square by the laser scribing method. Thereafter, a back electrode 36 made of silver was formed by a normal electron beam evaporation method, and a super-straight structure multi-junction thin film solar cell in which light was incident from the substrate 31 side was obtained.

図4にこの多接合型薄膜太陽電池の中間層付近の断面を透過型電子顕微鏡により観察した像を模式的に示す。中間層41の凹凸表面上に形成された第2の光電変換素子のp型シリコン結晶質半導体層42は複数の結晶粒から成り、そのうち約50%の結晶粒は個々の凹凸表面にほぼ垂直な方向に成長しているのに対して、残りの約50%の結晶粒は中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長していた。そして、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長している結晶粒のほとんどは、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に100nm以上の長さを有する柱状結晶粒であり、膜厚が増えるにつれて中間層の表面(巨視的表面)に平行な方向の粒径が増大しながら、当該部分においてその割合を増していた。   FIG. 4 schematically shows an image obtained by observing a cross section in the vicinity of the intermediate layer of the multi-junction thin film solar cell with a transmission electron microscope. The p-type silicon crystalline semiconductor layer 42 of the second photoelectric conversion element formed on the uneven surface of the intermediate layer 41 is composed of a plurality of crystal grains, of which about 50% of the crystal grains are substantially perpendicular to the individual uneven surface. The remaining approximately 50% of the grains grew in a direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). And most of the crystal grains growing in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) are columnar crystal grains having a length of 100 nm or more in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). As the film thickness increased, the proportion in the portion increased while the particle size in the direction parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) increased.

さらに、ほぼi型層全体に相当する領域の結晶方位に関する情報を得るため、直径0.8μmの制限視野しぼりを入れて制限視野電子線回折を行った。得られた回折像から、このi型シリコン結晶質半導体層43は中間層の表面(巨視的表面)に平行に(110)面が配向していることが分かった。すなわち中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長しているp型シリコン結晶質半導体層42の結晶粒において、中間層の表面(巨視的表面)に平行に(110)面が配向しており、その上に形成されたi型シリコン結晶質半導体層43は下地となるp型シリコン結晶質半導体層42の結晶方位を引き継ぐ形で成長していることが分かった。   Furthermore, in order to obtain information on the crystal orientation in a region substantially corresponding to the entire i-type layer, limited-field electron diffraction was performed with a limited-field aperture of 0.8 μm in diameter. From the obtained diffraction image, it was found that the i-type silicon crystalline semiconductor layer 43 had the (110) plane oriented parallel to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer. That is, in the crystal grains of the p-type silicon crystalline semiconductor layer 42 growing in a direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface), the (110) plane is oriented parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). It has been found that the i-type silicon crystalline semiconductor layer 43 formed thereon has grown in such a manner that it inherits the crystal orientation of the p-type silicon crystalline semiconductor layer 42 serving as a base.

また、i型シリコン結晶質半導体層の(110)配向性の度合いを定量的に調べるために、この多接合型薄膜太陽電池と同じプロセスで第2の光電変換素子のi型シリコン結晶質半導体層まで形成したものについてX線回折を行ったところ、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111が7.0であり、平坦なガラス基板上に製膜した場合に近い値であった。 Further, in order to quantitatively examine the degree of (110) orientation of the i-type silicon crystalline semiconductor layer, the i-type silicon crystalline semiconductor layer of the second photoelectric conversion element is processed in the same process as this multi-junction thin film solar cell. When the X-ray diffraction was performed on the product formed up to the above, the ratio I 220 / I 111 of the integrated intensity I 220 of the ( 220 ) X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak was 7.0. Yes, the value was close to that when the film was formed on a flat glass substrate.

この薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性の測定を行ったところ、セル面積1cm2において開放電圧1.205V、短絡電流12.8mA/cm2、形状因子0.695、光電変換効率10.72%という値が得られた。 Current at AM1.5 (100mW / cm 2) under the irradiation condition of the thin film solar cell - was measured for the voltage characteristic, the open-circuit voltage 1.205V in the cell area of 1 cm 2, a short-circuit current 12.8 mA / cm 2, shape Values of a factor of 0.695 and a photoelectric conversion efficiency of 10.72% were obtained.

なお、本実施例においては、第1の光電変換素子のp、i、n全ての層をアモルファスシリコンにより形成しているが、i層については第2の光電変換素子のi層となる結晶シリコンよりエネルギーギャップが大きい材料であればよく、例えばa−SiC:H等を用いてもよい。導電型層についてもp、nともにアモルファスシリコン層である必要はなく、いずれもシリコン結晶質半導体層等で形成しても構わない。また本実施例では中間層を設けているが、基板面に垂直な方向に柱状に成長した第2の光電変換素子の第1導電型シリコン結晶質半導体層を形成する点においては必ずしも必要ではない。   In this embodiment, all layers p, i, and n of the first photoelectric conversion element are formed of amorphous silicon. However, for the i layer, crystalline silicon that becomes the i layer of the second photoelectric conversion element. Any material having a larger energy gap may be used. For example, a-SiC: H may be used. The p-type and n-type layers need not be amorphous silicon layers, and both may be formed of a silicon crystalline semiconductor layer or the like. Moreover, although an intermediate layer is provided in this embodiment, it is not necessarily required in that the first conductive silicon crystalline semiconductor layer of the second photoelectric conversion element grown in a columnar shape in a direction perpendicular to the substrate surface is formed. .

(比較例1)
凹凸形状の効果を検証するために、平滑な表面を有するガラス板上にテクスチャー構造を有する酸化錫を形成した後、液温25℃の0.5%塩酸水溶液に30秒間浸してエッチングを行うことで表面凹凸を尖鋭化し、その上に通常の電子ビーム蒸着法により厚さ50nmの酸化亜鉛層を形成したものを基板として用いた。原子間力顕微鏡により測定した、この基板表面の凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lは1.65であった。この基板作製工程以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池を作製した。
(Comparative Example 1)
In order to verify the effect of the irregular shape, after forming tin oxide having a texture structure on a glass plate having a smooth surface, etching is performed by immersing in a 0.5% hydrochloric acid aqueous solution at a liquid temperature of 25 ° C. for 30 seconds. Then, the surface irregularities were sharpened and a zinc oxide layer having a thickness of 50 nm formed thereon by a normal electron beam evaporation method was used as a substrate. The ratio R / L between the unevenness size R and the unevenness interval L on the surface of the substrate, measured with an atomic force microscope, was 1.65. A thin-film solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except for this substrate production process.

図5にこの薄膜太陽電池の断面を透過型電子顕微鏡により観察した像を模式的に示す。ただし図4と同様に、n型シリコン半導体層、裏面反射層、裏面電極は省略している。凹凸表面上には複数の結晶粒が生成しており、そのほとんどが、個々の凹凸表面に垂直な方向に成長している。これら凹凸表面に垂直な方向に成長している結晶粒は、やがて隣接する凹凸表面から成長してきた結晶粒と衝突した後、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向へと成長方向を徐々に変化させていた。しかし、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に顕著に成長している結晶粒は確認されなかった。   FIG. 5 schematically shows an image obtained by observing a cross section of the thin film solar cell with a transmission electron microscope. However, as in FIG. 4, the n-type silicon semiconductor layer, the back reflecting layer, and the back electrode are omitted. A plurality of crystal grains are formed on the uneven surface, and most of them grow in a direction perpendicular to the individual uneven surface. The crystal grains growing in the direction perpendicular to the uneven surface eventually collide with the crystal grains grown from the adjacent uneven surface, and then change the growth direction in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). It was gradually changing. However, no crystal grains remarkably growing in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) were confirmed.

さらに、i型層全体に相当する領域の結晶方位に関する情報を得るため、直径0.8μmの制限視野しぼりを入れて制限視野電子線回折を行った。得られた回折像から、このi型シリコン結晶質半導体層は中間層の表面(巨視的表面)に平行な配向面を明確には有していないことが分かった。このように、凹凸形状が適切でない場合、p型シリコン結晶質半導体層の結晶粒が中間層の表面(巨視的表面)に平行な配向面を有しておらず、そのため、その上に形成されたi型シリコン結晶質半導体層も中間層の表面(巨視的表面)に平行な配向面を有することなく成長を開始している。   Furthermore, in order to obtain information on the crystal orientation in the region corresponding to the entire i-type layer, limited-field electron diffraction was performed with a limited-field aperture of 0.8 μm in diameter. From the obtained diffraction image, it was found that this i-type silicon crystalline semiconductor layer did not clearly have an orientation plane parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). Thus, when the uneven shape is not appropriate, the crystal grains of the p-type silicon crystalline semiconductor layer do not have an orientation plane parallel to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer, and thus are formed on the surface. The i-type silicon crystalline semiconductor layer has also started to grow without having an orientation plane parallel to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer.

また、i型シリコン結晶質半導体層の(110)配向性の度合いを定量的に調べるため、この薄膜太陽電池と同じプロセスでi型層まで形成したものについてX線回折を行ったところ、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111が2.0であり、実施例1の場合と比較して著しく配向性が劣っていた。 Further, in order to quantitatively examine the degree of (110) orientation of the i-type silicon crystalline semiconductor layer, X-ray diffraction was performed on an element formed up to the i-type layer by the same process as this thin film solar cell. ) The ratio I 220 / I 111 of the integrated intensity I 220 of the X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak is 2.0, and the orientation is remarkably higher than in the case of Example 1. It was inferior.

この薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性の測定を行ったところ、セル面積1cm2において開放電圧1.080V、短絡電流10.6mA/cm2、形状因子0.670、光電変換効率7.67%という値が得られた。実施例1の結果と比較して、開放電圧、短絡電流、形状因子の全てにおいて特性の低下が生じていた。さらに、実施例1および比較例1の素子について分光感度測定を行った結果から、比較例1の素子は特に長波長側での感度が劣ることが判明した。これは、光入射側から離れて位置する光電変換素子構造に問題があることを意味しており、透過型電子顕微鏡観察結果により矛盾なく説明できる。 Current at AM1.5 (100mW / cm 2) under the irradiation condition of the thin film solar cell - was measured for the voltage characteristic, the open-circuit voltage 1.080V in the cell area of 1 cm 2, a short-circuit current 10.6mA / cm 2, shape Values of a factor of 0.670 and a photoelectric conversion efficiency of 7.67% were obtained. Compared with the results of Example 1, the characteristics were deteriorated in all of the open circuit voltage, the short circuit current, and the form factor. Further, from the results of spectral sensitivity measurement for the elements of Example 1 and Comparative Example 1, it was found that the element of Comparative Example 1 was inferior in sensitivity especially on the long wavelength side. This means that there is a problem in the structure of the photoelectric conversion element located away from the light incident side, and can be explained without contradiction by the observation result of the transmission electron microscope.

(比較例2)
凹凸形状の効果を検証するために、ガラス板上の酸化亜鉛層31cを厚さ500nmとなるように形成したこと以外は、実施例1と同様に多接合型薄膜太陽電池を作製した。実施例1と比較して酸化亜鉛層31cを厚く積層することにより表面の凹凸形状はより緩やかなものとなった。中間層33表面の微視的な凹凸構造について原子間力顕微鏡により測定を行った結果、凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lの平均値は0.05であった。
(Comparative Example 2)
In order to verify the effect of the uneven shape, a multi-junction thin film solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the zinc oxide layer 31c on the glass plate was formed to have a thickness of 500 nm. Compared with Example 1, the unevenness | corrugation shape of the surface became gentler by laminating | stacking the zinc oxide layer 31c thickly. As a result of measuring the microscopic uneven structure on the surface of the intermediate layer 33 with an atomic force microscope, the average value of the ratio R / L of the unevenness size R and the unevenness interval L was 0.05.

i型シリコン結晶質半導体層の(110)配向性の度合いを定量的に調べるために、この薄膜太陽電池と同じプロセスでi型層まで形成したものについてX線回折を行ったところ、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111が8.5であり、平坦なガラス基板上に製膜した場合と同等の値であった。 In order to quantitatively examine the degree of (110) orientation of the i-type silicon crystalline semiconductor layer, X-ray diffraction was performed on an i-type layer formed by the same process as this thin film solar cell. The ratio I 220 / I 111 of the integrated intensity I 220 of the X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak is 8.5, which is the same value as when a film is formed on a flat glass substrate. Met.

この薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性の測定を行ったところ、セル面積1cm2において開放電圧1.208V、短絡電流10.6mA/cm2、形状因子0.690、光電変換効率8.84%という値が得られた。実施例1の結果と比較して、開放電圧、形状因子の値はほぼ同じであるのに対し、光閉込効果が小さいので短絡電流が低下していた。 Current at AM1.5 (100mW / cm 2) under the irradiation condition of the thin film solar cell - was measured for the voltage characteristic, the open-circuit voltage 1.208V in the cell area of 1 cm 2, a short-circuit current 10.6mA / cm 2, shape Values of a factor of 0.690 and a photoelectric conversion efficiency of 8.84% were obtained. Compared with the results of Example 1, the open circuit voltage and the shape factor values were almost the same, but the short circuit current was reduced because the light confinement effect was small.

(実施例2)
チャネリング粒子の効果を検証するため、凹凸表面を有する中間層33上に第2の光電変換素子34のp型シリコン結晶質半導体層32を形成する際、原料ガスとしてSiH4、H2およびB26の混合物にArガスを添加したものを使用した。それ以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池を作製した。このときのSiH4、H2およびB26の混合比は実施例1と同じであり、Arの添加量は全混合ガスの5%となるように調整した。
(Example 2)
In order to verify the effect of channeling particles, when the p-type silicon crystalline semiconductor layer 32 of the second photoelectric conversion element 34 is formed on the intermediate layer 33 having an uneven surface, SiH 4 , H 2 and B 2 are used as source gases. A mixture of H 6 with Ar gas added was used. Other than that produced the thin film solar cell similarly to Example 1. FIG. At this time, the mixing ratio of SiH 4 , H 2 and B 2 H 6 was the same as in Example 1, and the amount of Ar added was adjusted to be 5% of the total mixed gas.

得られた薄膜太陽電池の断面を透過型電子顕微鏡により観察すると、実施例1の場合と同様に、凹凸表面上には複数の結晶粒が生成していたが、実施例1の場合よりも結晶粒密度が低減されており、なおかつ約80%の結晶粒は中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長していた。そして、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長している結晶粒のほとんどは、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に100nm以上の長さを有する柱状結晶粒であり、膜厚が増えるにつれて中間層の表面(巨視的表面)に平行な方向の粒径が増大しながら、当該部分においてその割合を増すという傾向は同様であった。   When the cross section of the obtained thin film solar cell was observed with a transmission electron microscope, a plurality of crystal grains were formed on the concavo-convex surface as in the case of Example 1. The grain density was reduced, and about 80% of the crystal grains grew in a direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). And most of the crystal grains growing in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) are columnar crystal grains having a length of 100 nm or more in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). As the film thickness increases, the particle size in the direction parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) increases, and the tendency to increase the proportion in the portion is the same.

さらに、ほぼi型層全体に相当する領域の結晶方位に関する情報を得るため、直径0.8μmの制限視野しぼりを入れて制限視野電子線回折を行った。得られた回折像から、このi型シリコン結晶質半導体層は中間層の表面(巨視的表面)に平行に(110)面が配向していることが分かった。すなわち中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長しているp型層の結晶粒は、中間層の表面(巨視的表面)に平行に(110)配向しており、その上に形成されたi型シリコン結晶質半導体層は下地となるp型層の結晶方位を引き継ぐ形で成長していることが分かった。   Furthermore, in order to obtain information on the crystal orientation in a region substantially corresponding to the entire i-type layer, limited-field electron diffraction was performed with a limited-field aperture of 0.8 μm in diameter. From the obtained diffraction image, it was found that the (110) plane of this i-type silicon crystalline semiconductor layer was oriented parallel to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer. That is, the crystal grains of the p-type layer growing in a direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) are (110) oriented parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface), and It was found that the formed i-type silicon crystalline semiconductor layer grew in a form that inherited the crystal orientation of the p-type layer serving as the base.

また、i型シリコン結晶質半導体層の(110)配向性の度合いを定量的に調べるために、この薄膜太陽電池と同じプロセスでi型層まで形成したものについてX線回折を行ったところ、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111は8であった。 In addition, in order to quantitatively examine the degree of (110) orientation of the i-type silicon crystalline semiconductor layer, X-ray diffraction was performed on an i-type layer formed by the same process as this thin film solar cell. 220) The ratio I 220 / I 111 between the integrated intensity I 220 of the X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak was 8.

Ar添加により中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に<110>配向している結晶粒が優先的に成長する理由は未だ明らかではないが、シースポテンシャルにより巨視的表面にほぼ垂直な方向に加速されたプラズマ中のAr+が、シリコンのチャネリング方向である<110>への成長を促進する効果、および、巨視的表面にほぼ垂直な方向に<110>が向いていない結晶粒をスパッタする効果によるものと考えられる。 The reason why <110> oriented crystal grains preferentially grow in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) by Ar addition is not yet clear, but is almost perpendicular to the macroscopic surface due to the sheath potential. Ar + in the plasma accelerated in the direction promotes growth to <110>, which is the channeling direction of silicon, and crystal grains in which <110> is not oriented in a direction substantially perpendicular to the macroscopic surface This is thought to be due to the effect of sputtering.

なお、本実施例では添加する希ガスとしてArを用いたが、HeあるいはNeなどであってもよい。   In this embodiment, Ar is used as a rare gas to be added, but He or Ne may be used.

この薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性の測定を行ったところ、セル面積1cm2において開放電圧1.242V、短絡電流13.1mA/cm2、形状因子0.714、光電変換効率11.62%という値が得られた。実施例1の素子と比較して、さらに開放電圧、形状因子の向上が成された。これはp型層とi型層との界面近傍の構造がさらに適切なものとなったためであり、透過型電子顕微鏡観察結果により矛盾なく説明できる。 Current at AM1.5 (100mW / cm 2) under the irradiation condition of the thin film solar cell - was measured for the voltage characteristic, the open-circuit voltage 1.242V in the cell area of 1 cm 2, a short-circuit current 13.1mA / cm 2, shape Values of a factor of 0.714 and a photoelectric conversion efficiency of 11.62% were obtained. Compared with the device of Example 1, the open circuit voltage and the shape factor were further improved. This is because the structure in the vicinity of the interface between the p-type layer and the i-type layer has become more appropriate, and can be explained without contradiction from the observation result of the transmission electron microscope.

以上の実施例では、平滑な表面を有するガラス板上にテクスチャー構造を有する酸化錫膜を形成し,さらにその上に酸化亜鉛膜を形成した基板を用いるスーパーストレート型の多接合型薄膜太陽電池を説明した。しかし、上述した実施例以外に、本発明による実施の形態が多く存在することは、当業者に明らかである。例えば、多接合型薄膜太陽電池の構造は、ガラス基板や金属製基板上に光電変換層として形成したシリコン結晶質半導体層側より光を入射するサブストレート型であってもよい。   In the above embodiment, a super-straight type multi-junction thin film solar cell using a substrate in which a tin oxide film having a texture structure is formed on a glass plate having a smooth surface and a zinc oxide film is further formed thereon is provided. explained. However, it will be apparent to those skilled in the art that there are many embodiments according to the present invention other than the above-described embodiments. For example, the structure of the multi-junction thin film solar cell may be a substrate type in which light is incident from the side of a silicon crystalline semiconductor layer formed as a photoelectric conversion layer on a glass substrate or a metal substrate.

11…凹凸表面
12…目視による仮想的な表面(巨視的表面)
13…N+1番目の光電変換素子の第1導電型シリコン結晶質半導体層
14…N+1番目の光電変換素子の真性シリコン結晶質半導体層
15、24…凹凸大きさR
16、25…凹凸間隔L
31…基板
21、31a…ガラス板
22、31b…酸化錫層
31c…酸化亜鉛層
32…第1の光電変換素子
32a…p型アモルファスシリコン層
32b…i型アモルファスシリコン層
32c…N型アモルファスシリコン層
33、41、51…中間層
34…第2の光電変換素子
34a、42、52…p型シリコン結晶質半導体層
34b、43、53…i型シリコン結晶質半導体層
34c…N型シリコン半導体層
35…裏面反射層
36…裏面電極
61…チャネリング粒子が少ない条件における、基板凹凸形状の指標R/Lに対するI220/I111曲線
62…チャネリング粒子が多い条件における、基板凹凸形状の指標R/Lに対するI220/I111曲線
11 ... Uneven surface 12 ... Virtual surface (macroscopic surface) by visual observation
13... The first conductive silicon crystalline semiconductor layer 14 of the (N + 1) th photoelectric conversion element 14... The intrinsic silicon crystalline semiconductor layers 15 and 24 of the (N + 1) th photoelectric conversion element.
16, 25 ... Unevenness interval L
31 ... substrate 21, 31a ... glass plate 22, 31b ... tin oxide layer 31c ... zinc oxide layer 32 ... first photoelectric conversion element 32a ... p-type amorphous silicon layer 32b ... i-type amorphous silicon layer 32c ... N-type amorphous silicon layer 33, 41, 51 ... intermediate layer 34 ... second photoelectric conversion elements 34a, 42, 52 ... p-type silicon crystalline semiconductor layer 34b, 43, 53 ... i-type silicon crystalline semiconductor layer 34c ... N-type silicon semiconductor layer 35 ... Back surface reflection layer 36... Back electrode 61... I 220 / I 111 curve 62 with respect to substrate unevenness index R / L under conditions with few channeling particles. I 220 / I 111 curve

本発明は高い光電変換効率を有する薄膜太陽電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a thin film solar cell having high photoelectric conversion efficiency and a method for producing the same .

将来の需給が懸念され、かつ地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素排出の問題がある石油等の化石燃料の代替エネルギー源として太陽電池が注目されている。   Solar cells are attracting attention as an alternative energy source for fossil fuels such as oil, where there is concern about future supply and demand, and there is a problem of carbon dioxide emissions that cause global warming.

この太陽電池は光エネルギーを電力に変換する光電変換層にpn接合を用いており、このpn接合を構成する半導体として一般的にはシリコンが最もよく用いられている。光電変換効率の点からは単結晶シリコンを用いることが好ましいが原料供給や大面積化、低コスト化の問題が有る。   This solar cell uses a pn junction for a photoelectric conversion layer that converts light energy into electric power, and silicon is most commonly used as a semiconductor constituting the pn junction. From the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, it is preferable to use single crystal silicon, but there are problems of raw material supply, large area, and low cost.

一方、大面積化および低コスト化を実現するのに有利な材料としてアモルファスシリコンを光電変換層とした薄膜太陽電池も実用化されているが、その光電変換効率は単結晶シリコン太陽電池と比較して劣る。さらにアモルファスシリコンには光を照射するにつれて膜中の欠陥密度が増加するStaebler−Wronski効果と呼ばれる現象が生じるため、アモルファスシリコン太陽電池には光電変換効率の経時劣化という問題が避けられない。   On the other hand, thin-film solar cells using amorphous silicon as a photoelectric conversion layer as an advantageous material for realizing large area and low cost have been put into practical use, but the photoelectric conversion efficiency is lower than that of single crystal silicon solar cells. Inferior. Furthermore, since amorphous silicon has a phenomenon called the Staebler-Wronski effect in which the density of defects in the film increases as it is irradiated with light, the amorphous silicon solar cell inevitably suffers from the problem of deterioration in photoelectric conversion efficiency over time.

そこで近年、単結晶シリコン太陽電池レベルの高くて安定な光電変換効率と、アモルファスシリコン太陽電池レベルの大面積化、低コスト化を兼ね備えた太陽電池を実現するために、結晶質シリコンの光電変換層への使用が検討されている。特にアモルファスシリコンの場合と同様の化学的気相成長法(以下、CVD法とする)による薄膜形成技術を用いて、結晶質シリコン薄膜を形成した薄膜太陽電池が注目されている。   Therefore, in recent years, in order to realize a solar cell that has both high and stable photoelectric conversion efficiency at the single crystal silicon solar cell level, large area and low cost at the amorphous silicon solar cell level, a crystalline silicon photoelectric conversion layer Use in is being considered. In particular, a thin film solar cell in which a crystalline silicon thin film is formed by using a thin film formation technique by chemical vapor deposition (hereinafter referred to as a CVD method) similar to the case of amorphous silicon has attracted attention.

特開平1−289173号公報は、アモルファスシリコンを活性層とした光電変換素子と、アモルファスシリコンと比較してエネルギーギャップの小さな多結晶シリコンを活性層とした光電変換素子とを積層した多接合型薄膜太陽電池を開示する。そのような太陽電池は、アモルファスシリコンを活性層とした光電変換素子側から太陽光を入射する構成を取ることにより、太陽光エネルギーの利用を単接合型のものより効率的に行うことができるという利点がある。さらに、複数の光電変換素子を直列に接続するので高い電圧を得られることや、活性層としてのアモルファスシリコン層を薄くできるので光電変換効率の経時劣化を抑制できる、アモルファスシリコン層と多結晶シリコン層を同一の装置で製造できるといった利点もあり、高効率化と低コスト化を両立する手段として盛んに研究開発が行われている。   JP-A-1-289173 discloses a multi-junction thin film in which a photoelectric conversion element using amorphous silicon as an active layer and a photoelectric conversion element using polycrystalline silicon having an energy gap smaller than that of amorphous silicon as an active layer are stacked. A solar cell is disclosed. Such a solar cell can use solar energy more efficiently than a single-junction type by adopting a configuration in which sunlight is incident from the photoelectric conversion element side using amorphous silicon as an active layer. There are advantages. Furthermore, an amorphous silicon layer and a polycrystalline silicon layer that can obtain a high voltage because a plurality of photoelectric conversion elements are connected in series, and that the amorphous silicon layer as an active layer can be thinned, so that deterioration of photoelectric conversion efficiency over time can be suppressed. As a means to achieve both high efficiency and low cost, research and development has been actively conducted.

ところが、精力的な研究開発が行われているにも関わらず、現在までのところ上記の多接合型薄膜太陽電池の光電変換効率は、期待されている値に遠く及ばない。その大きな要因として、結晶質シリコン活性層中の欠陥密度が高いことが挙げられる。欠陥密度を低減させるには、結晶粒径を増大させることが有効である。また膜厚方向にキャリアが流れる構造となる太陽電池においては、多結晶粒の存在形態としては膜厚方向を横切るような粒界が存在しない構造、すなわち膜厚方向に対し結晶粒が柱状に成長した構造が望ましく、膜厚方向に対し結晶方位が揃っている場合にそのような構造が得られやすい。   However, despite vigorous research and development, the photoelectric conversion efficiency of the above-mentioned multi-junction thin-film solar cell is far from the expected value so far. A major factor is that the defect density in the crystalline silicon active layer is high. In order to reduce the defect density, it is effective to increase the crystal grain size. In solar cells that have a structure in which carriers flow in the film thickness direction, the existence of polycrystalline grains is a structure that does not have grain boundaries that cross the film thickness direction, that is, crystal grains grow in a columnar shape in the film thickness direction. Such a structure is desirable, and such a structure is easily obtained when the crystal orientation is aligned with respect to the film thickness direction.

結晶粒径の大きな多結晶シリコン薄膜を得る試みは様々な手法で行われている。例えば、基板上にCVD法等により形成した非晶質シリコン薄膜にレーザー光を照射して溶融させた後、凝固により多結晶シリコン薄膜を得る、いわゆるレーザーアニール法が知られている。また非晶質シリコン膜の一部分にリンあるいはボロン等をドーピングすることにより、選択的に固相成長による結晶化を開始させる、いわゆるパーシャルドーピング法が知られている。ところが、上述のような方法には高い装置コストが必要であったり、数十時間もの熱処理時間を要する等、実用に供する上で困難な問題が存在する。   Various attempts have been made to obtain a polycrystalline silicon thin film having a large crystal grain size. For example, a so-called laser annealing method is known in which an amorphous silicon thin film formed on a substrate by a CVD method or the like is irradiated with a laser beam and melted, and then a polycrystalline silicon thin film is obtained by solidification. There is also known a so-called partial doping method in which crystallization by solid phase growth is selectively started by doping a part of an amorphous silicon film with phosphorus, boron, or the like. However, the above-described method has problems that are difficult to put into practical use, such as high equipment cost and heat treatment time of several tens of hours.

一方、膜厚方向に対し結晶方位が揃っている結晶シリコン薄膜を得る試みも様々な手法で行われている。例えば、特開平7−240531号公報には、半導体薄膜の堆積中あるいは堆積後に不活性ガスビームを複数の方向から照射することを特徴とする太陽電池および多層薄膜の製造方法が示されている。該方法によると、チャネリングビームとなる不活性ガスビームの照射方向に結晶シリコンの最稠密方向である<111>方向が揃ったシリコン薄膜が得られるとしている。また特開平11−278988号公報には、シリコン膜堆積中に基板に垂直な方向からSiH3ビームを照射し、基板に平行な方向からHビームを照射することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法が示されている。該方法によると、分子量が大きいので非チャネリングビームとなるSiH3ビームの照射方向である基板表面に垂直な方向に結晶シリコンの最稠密方向である<111>方向が揃い、分子量が小さいのでチャネリングビームとなるHビームの照射方向に結晶シリコンの<110>方向が揃うことにより、単結晶のシリコン薄膜が得られるとしている。 On the other hand, various attempts have been made to obtain a crystalline silicon thin film in which the crystal orientation is aligned with respect to the film thickness direction. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240531 discloses a method for manufacturing a solar cell and a multilayer thin film, in which an inert gas beam is irradiated from a plurality of directions during or after the semiconductor thin film is deposited. According to this method, a silicon thin film is obtained in which the <111> direction, which is the densest direction of crystalline silicon, is aligned with the irradiation direction of an inert gas beam serving as a channeling beam. Japanese Patent Laid-Open No. 11-278988 discloses a single crystal thin film manufacturing method in which a SiH 3 beam is irradiated from a direction perpendicular to a substrate and a H beam is irradiated from a direction parallel to the substrate during silicon film deposition. The method is shown. According to this method, since the molecular weight is large, the <111> direction, which is the densest direction of crystalline silicon, is aligned in the direction perpendicular to the substrate surface, which is the irradiation direction of the SiH 3 beam, which is a non-channeling beam, and the molecular weight is small. It is said that a single crystal silicon thin film can be obtained by aligning the <110> direction of crystalline silicon with the H beam irradiation direction.

多接合型薄膜太陽電池が注目されているのは、先述した通り、高効率化や経時劣化の抑制が期待されることに加えて、アモルファスシリコン層および結晶質シリコン層をCVD法により連続して形成できるからである。ところが、H.Yamamoto et al,PVSEC−11,Sapporo,Japan,1999において、ガラス上に酸化錫を積層した表面凹凸によるテクスチャー構造を有する基板上にプラズマCVD法により微結晶シリコンを形成した場合、図2に示すように、個々の凹凸表面に垂直な方向にシリコンの結晶粒が優先的に成長し、異なる凹凸表面から成長した互いに結晶方位の異なる結晶粒同士がぶつかることで多量の欠陥が発生することが報告された。非晶質半導体層ではなく結晶質半導体層であることに起因するこのような欠陥は、キャリアの再結合中心となり、光電変換効率を著しく劣化させるので、極力排除されなければならない。H.Yamamotoらは、表面凹凸を有する酸化錫の上にさらに酸化亜鉛を厚く積層することで凹凸大きさを小さくした場合、酸化錫の場合と同様に酸化亜鉛の表面に垂直な方向にシリコン結晶粒が成長し、異なる凹凸表面から成長した結晶粒同士はぶつかるがそれらの方位差が小さいため、発生する欠陥が少なくなることも同時に報告した。しかるに、結晶質半導体層中の欠陥を低減するためには基板の表面凹凸をできるだけ小さくすればよいのは明らかである。   As mentioned above, multi-junction thin-film solar cells are attracting attention in addition to the expectation of higher efficiency and suppression of deterioration over time. In addition, amorphous silicon layers and crystalline silicon layers are continuously formed by CVD. This is because it can be formed. However, H.C. In Yamamoto et al, PVSEC-11, Sapporo, Japan, 1999, when microcrystalline silicon is formed by plasma CVD on a substrate having a textured structure with surface irregularities in which tin oxide is laminated on glass, as shown in FIG. In addition, it has been reported that silicon grains grow preferentially in the direction perpendicular to the individual uneven surfaces, and a large number of defects occur due to collision of crystal grains with different crystal orientations grown from different uneven surfaces. It was. Such a defect due to the crystalline semiconductor layer rather than the amorphous semiconductor layer becomes a carrier recombination center and significantly deteriorates the photoelectric conversion efficiency, and thus must be eliminated as much as possible. H. Yamamoto et al. Show that when the size of the unevenness is reduced by further laminating zinc oxide on the tin oxide having surface unevenness, the silicon crystal grains are perpendicular to the surface of the zinc oxide as in the case of tin oxide. It was also reported at the same time that crystal grains grown from different uneven surfaces collide with each other but their orientation difference is small, resulting in fewer defects. However, it is clear that the surface irregularities of the substrate should be as small as possible in order to reduce defects in the crystalline semiconductor layer.

しかしながら、特許第1681183号公報に示されている通り、表面凹凸を有する透明導電膜には、光の乱反射を生じさせ、シリコン膜中における光路長を大きくするので、光吸収により発生する電流値を増大させる、いわゆる光閉込効果という重要な機能がある。さらに光閉込効果は光電変換効率の向上により光電変換層を薄くできるので、製膜工程を短時間化できるという利点も産み出す。このことは光吸収特性の違いからアモルファスシリコン層の数倍もの光電変換層厚さを要求される結晶質シリコン層を有する多接合型薄膜太陽電池において、スループットの大幅な向上をもたらすことになる。したがって、表面凹凸をなくす、あるいは小さくすることは回避すべきである。   However, as shown in Japanese Patent No. 1681183, the transparent conductive film having surface irregularities causes irregular reflection of light and increases the optical path length in the silicon film, so that the current value generated by light absorption is reduced. There is an important function of increasing the so-called light confinement effect. Furthermore, since the light confinement effect can make the photoelectric conversion layer thinner by improving the photoelectric conversion efficiency, an advantage that the film forming process can be shortened is also produced. This results in a significant improvement in throughput in a multi-junction thin film solar cell having a crystalline silicon layer that requires a photoelectric conversion layer thickness several times that of an amorphous silicon layer due to the difference in light absorption characteristics. Therefore, it should be avoided to eliminate or reduce the surface roughness.

しかし現在のところ、結晶質シリコン薄膜中の欠陥密度低減と凹凸表面による光閉込効果とは両立させることが非常に困難であり、この問題は解決されていない。例えば、先述した特開平7−240531号公報または特開平11−278988号公報に示されている結晶シリコン薄膜の製造方法を用いることで膜中欠陥密度の小さいシリコン薄膜が作製できるが、シリコン薄膜を形成する基板が実質上平坦であり、光閉込効果を発現することができないので高効率化には限界があることが明らかである。   However, at present, it is very difficult to achieve both the defect density reduction in the crystalline silicon thin film and the light confinement effect due to the uneven surface, and this problem has not been solved. For example, a silicon thin film having a low defect density in the film can be produced by using the method for producing a crystalline silicon thin film described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-240531 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-278888 described above. Since the substrate to be formed is substantially flat and cannot exhibit the light confinement effect, it is clear that there is a limit to the increase in efficiency.

また、特開平10−150209号公報には、基板の法線方向と柱状結晶粒の長手方向あるいは凹凸表面の法線方向との関係がある範囲内に規定されていることを特徴とする光電変換素子が開示されているが、基板の法線方向と柱状結晶粒の長手方向が小さくない傾きを持つ限りは前述した欠陥の発生は不可避である。さらに、特開平10−117006号公報、特開平10−294481号公報、特開平11−214728号公報、特開平11−266027号公報、特開2000−58892号公報には、表面を凹凸化した裏面電極上に多結晶シリコン層から成る光電変換層を有する下部光電変換素子を形成しており、該多結晶シリコン層が基板表面に平行な(110)の優先結晶配向面を有する薄膜太陽電池が示されているが、凹凸形状を有する裏面電極表面近傍での多結晶シリコン層形成にあたっては、前述した多結晶シリコンの成長挙動について全く考慮されていないため、欠陥の発生が避けられないのは明らかである。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-150209 discloses a photoelectric conversion characterized in that it has a relationship between the normal direction of the substrate and the longitudinal direction of the columnar crystal grains or the normal direction of the uneven surface. Although an element is disclosed, the above-described defect is inevitable as long as the normal direction of the substrate and the longitudinal direction of the columnar crystal grains have an inclination that is not small. Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-117006, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-294481, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-214728, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-266027, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-58892 have a back surface with an uneven surface. A thin film solar cell in which a lower photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer made of a polycrystalline silicon layer is formed on an electrode, and the polycrystalline silicon layer has a (110) preferential crystal orientation plane parallel to the substrate surface is shown. However, in forming the polycrystalline silicon layer near the surface of the back electrode having a concavo-convex shape, the above-described growth behavior of the polycrystalline silicon is not considered at all, so it is clear that the occurrence of defects is inevitable. is there.

本発明の目的は、十分な光閉込効果を有しつつ、欠陥密度の増大が抑制された結晶質半導体層を有する、高効率な多接合型薄膜太陽電池およびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a highly efficient multi-junction thin film solar cell having a crystalline semiconductor layer in which an increase in defect density is suppressed while having a sufficient light confinement effect, and a method for manufacturing the same. is there.

本発明により基板上に積層された複数の光電変換素子構造を備える多接合型薄膜太陽電池の製造方法が提供され、光電変換素子構造は、第1導電型半導体層、真性半導体層および第2導電型半導体層が順に積層されており、基板上に光電変換素子構造を2個積層する光電変換素子構造積層工程と、光電変換素子構造積層工程の後に中間層を形成する中間層形成工程と、中間層形成工程の後に結晶質の第1導電型半導体層、真性半導体層を形成する結晶質半導体層形成工程を有し、中間層の表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有し、結晶質半導体層形成工程は、中間層の表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている第1導電型半導体層および真性半導体層よりなる結晶質半導体層を形成する工程である多接合型薄膜太陽電池の製造方法である。  According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a multi-junction thin film solar cell including a plurality of photoelectric conversion element structures stacked on a substrate, wherein the photoelectric conversion element structure includes a first conductive type semiconductor layer, an intrinsic semiconductor layer, and a second conductive type. Type semiconductor layers are sequentially stacked, a photoelectric conversion element structure stacking step of stacking two photoelectric conversion element structures on a substrate, an intermediate layer forming step of forming an intermediate layer after the photoelectric conversion element structure stacking step, After the layer formation step, a crystalline semiconductor layer formation step of forming a crystalline first conductive semiconductor layer and an intrinsic semiconductor layer is provided, and the surface of the intermediate layer has a ratio R / L of the unevenness size R to the unevenness interval L Has a textured structure with irregularities in the range of 0.1 to 1.5, and the crystalline semiconductor layer forming step is mainly composed of crystal grains growing in a columnar shape in a direction perpendicular to the surface of the intermediate layer First conductivity Semiconductor layer and a method of manufacturing a multi-junction thin-film solar cell which is a step of forming a crystalline semiconductor layer made of intrinsic semiconductor layer.

本発明により多接合型薄膜太陽電池が提供され、該太陽電池は、基板と、基板上に積層された複数の光電変換素子構造とを備え、そこにおいて、複数の光電変換素子構造の夫々には、第1導電型半導体層、真性半導体層および第2導電型半導体層が順に積層されおり、積層された複数の光電変換素子構造のうち、基板側から数えて番目の光電変換素子構造と番目の光電変換素子構造との間にのみ、中間層が設けられており、番目の光電変換素子構造を支持する中間層の表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有しており、かつ番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層および真性半導体層は、3番目の光電変換素子構造を支持する中間層の表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている結晶質半導体層である。 Is provided by Ri multijunction thin film solar cell in the present invention, the solar cell comprises a substrate and a plurality of photoelectric conversion element structure that is laminated on a substrate, in which, of a plurality of photoelectric conversion element structure each the first conductive type semiconductor layer, intrinsic semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer are stacked in this order, among the plurality of stacked photoelectric conversion element structure, a second photoelectric conversion element as counted from the substrate side only between the structure and the third photoelectric conversion element structure, the intermediate layer is provided, the third surface of the intermediate layer supporting the photoelectric conversion element structure, the ratio of the unevenness magnitude R for uneven spacing L R / L has a texture structure due to irregularities such as in the range of 0.1 to 1.5, and the third of the first conductivity type semiconductor layer and intrinsic semiconductor layer of the photoelectric conversion element structure, the third Table of the intermediate layer supporting the photoelectric conversion element structure In a crystalline semiconductor layer which is composed mainly by the crystal grains have grown in a columnar direction perpendicular.

本発明において、番目の光電変換素子構造の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層は、1nm以上200nm未満の厚みを有することが好ましい。また、番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層側表面から高さ200nmまでの部分において、番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒は、当該部分における結晶粒全体の少なくとも50%以上を占め、かつ番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に垂直な方向に100nm以上の長さを有することが好ましい。 In the present invention, the first conductive type crystalline semiconductor layer of the photoelectric conversion element structure of the third photoelectric conversion element structure preferably has a 200nm thickness of less than or 1 nm. Further, the third in the portion of the first conductivity type semiconductor layer side surface of the photoelectric conversion element structure to a height 200 nm, perpendicular to the second surface of the second conductive type semiconductor layer side surface or the intermediate layer of the photoelectric conversion element structure crystal grains are grown into columnar in a direction occupies at least 50% or more crystal grains across the at that portion, and the second surface of the second conductive type semiconductor layer side surface or the intermediate layer of the photoelectric conversion element structure It is preferable to have a length of 100 nm or more in the vertical direction.

本発明において、番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層は1nm以上50nm以下の厚みを有することが、好ましい。 In the present invention, it is preferable first conductivity type semi-conductor layer of the third photoelectric conversion element structure having a thickness of not less 50nm least 1 nm.

本発明において、番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層および前記真性半導体層は、主としてシリコンから成ることが好ましい。また、番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層および真性半導体層において、番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に平行に配向する結晶面は、主として(110)であることが好ましい。 In the present invention, the first conductivity type semi-conductive layer and said true semi-conductor layer of the third photoelectric conversion element structure is preferably made of mainly silicon. Further, the third in the first conductivity type semi-conductor layer and a true semi-conductor layer of the photoelectric conversion element structure, oriented parallel to the second surface of the second conductive type semiconductor layer side surface or the intermediate layer of the photoelectric conversion element structure It is preferable that the crystal plane to be mainly (110).

本発明において、番目の光電変換素子構造の真性結晶質半導体層について得られる、(220)面のX線回折ピークの積分強度I220と(111)面のX線回折ピークの積分強度I111との比I220/I111が3以上であることが、好ましい。 In the present invention, the third obtained for an intrinsic crystalline semiconductor layer of the photoelectric conversion element structure, (220) integral of the X-ray diffraction peaks of the integrated intensity I 220 (111) plane of the X-ray diffraction peaks of surface intensity I 111 The ratio I 220 / I 111 is preferably 3 or more.

本発明において、番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層はホウ素を不純物として含有することが、特に好ましい。 In the present invention, the first conductive type crystalline semiconductor layer of the third photoelectric conversion element structure that contains boron as an impurity, particularly preferred.

本発明において、中間層は、主として酸化亜鉛からなる透明導電体であることが、好ましい。   In the present invention, the intermediate layer is preferably a transparent conductor mainly made of zinc oxide.

本発明により多接合型薄膜太陽電池の製造方法が提供され、該多接合型薄膜太陽電池は、基板と、基板上に積層された複数の光電変換素子構造とを備え、複数の光電変換素子構造の夫々において、第1導電型半導体層、真性半導体層および第2導電型半導体層が順に積層されており、基板型から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有し、N番目の光電変換素子構造上に形成されるN+1番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層を製膜する際に、SiHThe present invention provides a method for producing a multi-junction thin film solar cell, the multi-junction thin film solar cell comprising a substrate and a plurality of photoelectric conversion element structures stacked on the substrate, and a plurality of photoelectric conversion element structures. The first conductive semiconductor layer, the intrinsic semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer are sequentially stacked, and the Nth (N is an arbitrary integer greater than or equal to 1) photoelectric conversion element structure counted from the substrate type The surface of the second conductivity type semiconductor layer side has a texture structure with unevenness such that the ratio R / L of the unevenness size R to the unevenness interval L is in the range of 0.1 to 1.5, and the Nth photoelectric layer When forming the first conductive type semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure formed on the conversion element structure, SiH 4 、H, H 2 、B, B 2 H 6 及び希ガスを原料ガスとして用いる多接合型薄膜太陽電池の製造方法である。And a method of manufacturing a multi-junction thin film solar cell using a rare gas as a source gas.

本発明により多接合型薄膜太陽電池の製造方法が提供され、該多接合型薄膜太陽電池は、基板と、基板上に積層された複数の光電変換素子構造とを備え、複数の光電変換素子構造の夫々において、第1導電型半導体層、真性半導体層および第2導電型半導体層が順に積層されており、基板型から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造とN+1番目の光電変換素子構造との間には、中間層が設けられており、N+1番目の光電変換素子を支持する中間層の表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有し、中間層上に形成されるN+1番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層を製膜する際に、SiHThe present invention provides a method for producing a multi-junction thin film solar cell, the multi-junction thin film solar cell comprising a substrate and a plurality of photoelectric conversion element structures stacked on the substrate, and a plurality of photoelectric conversion element structures. The first conductive semiconductor layer, the intrinsic semiconductor layer, and the second conductive semiconductor layer are sequentially stacked, and the Nth (N is an arbitrary integer greater than or equal to 1) photoelectric conversion element structure counted from the substrate type And the (N + 1) th photoelectric conversion element structure is provided with an intermediate layer, and the surface of the intermediate layer supporting the (N + 1) th photoelectric conversion element has an unevenness size R with respect to the unevenness interval L. A first conductive type semiconductor layer having a texture structure with irregularities such that the ratio R / L is in the range of 0.1 to 1.5 and having an N + 1th photoelectric conversion element structure formed on the intermediate layer; When forming a film, SiH 4 、H, H 2 、B, B 2 H 6 及び希ガスを原料ガスとして用いる多接合型薄膜太陽電池の製造方法である。And a method of manufacturing a multi-junction thin film solar cell using a rare gas as a source gas.

なお、本明細書において、特に言及しない限り、「結晶質半導体層」という用語は、方位の異なる複数の結晶粒を構成要素として含むあらゆる形態の半導体層を包含する。したがって、「結晶質半導体層」という用語は、たとえば、複数の結晶子の集合体である半導体層のみならず、微結晶あるいはマイクロクリスタルと呼ばれる結晶成分と非晶質成分が混在した状態の半導体層も含む。   In this specification, unless otherwise specified, the term “crystalline semiconductor layer” includes all forms of semiconductor layers including a plurality of crystal grains having different orientations as constituent elements. Therefore, the term “crystalline semiconductor layer” means, for example, not only a semiconductor layer that is an assembly of a plurality of crystallites, but also a semiconductor layer in which a crystal component called a microcrystal or a microcrystal and an amorphous component are mixed. Including.

本発明による多接合型薄膜太陽電池の基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面、あるいはN+1番目の光電変換素子構造を支持する中間層の表面には、凹凸によるテクスチャー構造が設けられている。この凹凸の大きさは代表的には0.01〜10μm、好ましくは0.05〜2μmの範囲であり、目視ではその凹凸形状を判別できない。すなわち、目視ではそれらの表面は平滑な面として認識される。そこで、本明細書において「N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に垂直」あるいは「N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に平行」というとき、特に断りのない限り、「垂直」および「平行」の基準は、この目視により平滑であるとみなされる表面(巨視的表面)である。   Second conductive semiconductor layer side surface of Nth (N is an arbitrary integer of 1 or more) photoelectric conversion element structure or N + 1th photoelectric conversion element structure counting from the substrate side of the multi-junction thin film solar cell according to the present invention. On the surface of the intermediate layer that supports the surface, an uneven texture structure is provided. The size of the unevenness is typically in the range of 0.01 to 10 μm, preferably 0.05 to 2 μm, and the uneven shape cannot be determined visually. That is, these surfaces are recognized as smooth surfaces by visual inspection. Therefore, in this specification, “perpendicular to the surface of the Nth photoelectric conversion element structure on the second conductive semiconductor layer side or the surface of the intermediate layer” or “the surface of the Nth photoelectric conversion element structure on the second conductive type semiconductor layer side or When referred to as “parallel to the surface of the intermediate layer”, unless otherwise specified, the criteria of “perpendicular” and “parallel” are surfaces (macroscopic surfaces) that are regarded as smooth by this visual observation.

一方、微視的にみれば、光電変換素子構造を支持する表面は凹凸によるテクスチャー構造を形成している。この凹凸形状は、原子間力顕微鏡により測定することができ、凹凸大きさRおよび凹凸間隔Lは次のように定義される。すなわち、表面の任意の領域において、原子間力顕微鏡により長さ5μmにわたって表面凹凸形状の線測定を行い、測定により得られた表面形状波形について、日本工業規格JISB0602−1994で規定された表面凹凸の算術平均値Raを凹凸大きさRとし、日本工業規格JISB0602−1994で規定された表面凹凸の平均間隔Smを凹凸間隔Lとする。   On the other hand, when viewed microscopically, the surface supporting the photoelectric conversion element structure forms a textured structure with irregularities. This uneven shape can be measured by an atomic force microscope, and the unevenness size R and the unevenness interval L are defined as follows. That is, in an arbitrary region of the surface, line measurement of the surface irregularity shape is performed with an atomic force microscope over a length of 5 μm, and the surface roughness waveform obtained by the measurement is the surface irregularity defined in Japanese Industrial Standard JIS B0602-1994. The arithmetic average value Ra is defined as the unevenness size R, and the average interval Sm of the surface unevenness defined by the Japanese Industrial Standard JIS B0602-1994 is defined as the unevenness interval L.

本発明により、凹凸を有する表面においても巨視的表面に垂直な方向に柱状に成長した第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層を有する多接合型薄膜太陽電池が提供される。該構造により、光閉込効果による光吸収量の増大と、結晶質半導体層中の欠陥が低減されることによる膜厚方向に対する良好なキャリア輸送特性との両立が可能となる。したがって、本発明による多接合型薄膜太陽電池は、高い光電変換効率を有することができる。   The present invention provides a multi-junction thin film solar cell having a first conductive crystalline semiconductor layer and an intrinsic crystalline semiconductor layer that are grown in a columnar shape in a direction perpendicular to the macroscopic surface even on an uneven surface. With this structure, it is possible to achieve both an increase in the amount of light absorption due to the light confinement effect and good carrier transport characteristics in the film thickness direction due to a reduction in defects in the crystalline semiconductor layer. Therefore, the multi-junction thin film solar cell according to the present invention can have high photoelectric conversion efficiency.

巨視的表面に垂直な方向に柱状に成長したシリコン結晶質半導体層を示す模式図。The schematic diagram which shows the silicon crystalline semiconductor layer grown in the column shape in the direction perpendicular | vertical to a macroscopic surface. 個々の凹凸表面に垂直な方向に柱状に成長したシリコン結晶質半導体層を示す模式図。The schematic diagram which shows the silicon crystalline semiconductor layer grown in the column shape in the direction perpendicular | vertical to each uneven | corrugated surface. 本発明による薄膜太陽電池構造の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the thin film solar cell structure by this invention. 実施例1におけるサンプル断面の透過型電子顕微鏡観察像を示す模式図。4 is a schematic diagram showing a transmission electron microscope observation image of a sample cross section in Example 1. FIG. 比較例1におけるサンプル断面の透過型電子顕微鏡観察像を示す模式図。The schematic diagram which shows the transmission electron microscope observation image of the sample cross section in the comparative example 1. FIG. 比I220/I111とR/Lとの関係を示す図。The figure which shows the relationship between ratio I220 / I111 and R / L.

本発明者は、平滑な表面を有するガラス板に被覆された酸化亜鉛をエッチングすることで凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lを適宜変化させた基板上に、プラズマCVD法によりシリコン結晶質半導体層を形成する検討を行った。その結果、チャネリング粒子が少ない条件においては、図6の曲線61に示すように、R/Lの平均値が小さい、言い換えれば表面凹凸が小さい場合のみシリコン結晶質半導体層の配向性を強めることができるのに対して、チャネリング粒子が多い条件においては、図6の曲線62に示すように、R/Lの平均値が小さい場合、すなわち表面凹凸が小さい場合だけでなく、R/Lが0.1〜1.5の範囲にある場合に、(220)面のX線回折ピークの積分強度I220と(111)面のX線回折ピークの積分強度I111との比I220/I111を3以上とすることが可能となることを発見した。 The present inventor performed plasma CVD on a substrate in which the ratio R / L of the unevenness size R and the unevenness interval L was appropriately changed by etching zinc oxide coated on a glass plate having a smooth surface. A study was made to form a silicon crystalline semiconductor layer. As a result, under the condition that the number of channeling particles is small, the orientation of the silicon crystalline semiconductor layer can be strengthened only when the average value of R / L is small, in other words, when the surface unevenness is small, as shown by the curve 61 in FIG. On the other hand, under the condition where there are many channeling particles, as shown by the curve 62 in FIG. 6, not only when the average value of R / L is small, that is, when the surface unevenness is small, R / L is 0.00. In the range of 1 to 1.5, the ratio I 220 / I 111 of the integrated intensity I 220 of the ( 220 ) plane X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) plane X-ray diffraction peak is It was discovered that it was possible to make it 3 or more.

この発見により初めて、光閉込効果による光吸収量の増大と、結晶質半導体層中の欠陥が増大しないことによる膜厚方向に対する良好なキャリア輸送特性との両立が可能となり、高い光電変換効率を有する多接合型薄膜太陽電池が実現できた。   For the first time, this discovery makes it possible to achieve both high light absorption due to the light confinement effect and good carrier transport properties in the film thickness direction due to the absence of defects in the crystalline semiconductor layer, resulting in high photoelectric conversion efficiency. A multi-junction thin-film solar cell having the above structure was realized.

本発明の多接合型薄膜太陽電池に用いる基板材料としては、ガラス、金属、あるいはポリイミドやポリビニルといった200℃程度の耐熱性を有する樹脂、さらにはそれらが積層されたもの等、種々のものが使用できる。また、それらの表面に金属膜、透明導電膜、あるいは絶縁膜等を被覆したものも含まれる。また、基板厚さは特に限定されるものではないが、構造を支持し得るよう適当な強度や重量を有するように、例えば0.1〜30mm程度である。   As a substrate material used for the multi-junction thin film solar cell of the present invention, various materials such as glass, metal, resin having heat resistance of about 200 ° C. such as polyimide and polyvinyl, and those laminated thereon are used. it can. In addition, those whose surfaces are coated with a metal film, a transparent conductive film, an insulating film, or the like are also included. The thickness of the substrate is not particularly limited, but is, for example, about 0.1 to 30 mm so as to have an appropriate strength and weight so that the structure can be supported.

基板の表面には凹凸があってもよい。凹凸を設ける手段としては、例えば、平滑な表面を有する基板上に、堆積すると同時に表面に凹凸が形成されるような膜を形成してもよい。該表面に凹凸が形成される膜は基板と同じ材料であっても、または異なる材料であっても構わない。また、基板表面に対してサンドブラストのような機械加工、あるいはエッチングといった化学的加工処理を行って凹凸を形成することもできる。   The surface of the substrate may be uneven. As a means for providing unevenness, for example, a film that forms unevenness on the surface at the same time as deposition may be formed on a substrate having a smooth surface. The film on which the unevenness is formed on the surface may be the same material as the substrate or a different material. Further, the unevenness can be formed by performing mechanical processing such as sandblasting or chemical processing such as etching on the substrate surface.

本発明の多接合型薄膜太陽電池において、基板に積層された複数の光電変換素子構造のうち、基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有している。さらに、N+1番目の光電変換素子構造は、図1に示すようなテクスチャーを有する表面上においても、巨視的表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層を有する。これらの特徴により、光閉込効果を奏しかつ光電変換素子構造中の欠陥増大が抑制された、高い光電変換効率をもたらす多接合型薄膜太陽電池を得ることができる。   In the multi-junction thin film solar cell of the present invention, among the plurality of photoelectric conversion element structures stacked on the substrate, the second (N is an arbitrary integer greater than or equal to 1) photoelectric conversion element structure counted from the substrate side. The surface of the conductive semiconductor layer side has a textured structure with unevenness such that the ratio R / L of the unevenness size R to the unevenness interval L is in the range of 0.1 to 1.5. Further, the (N + 1) th photoelectric conversion element structure has a first conductive structure mainly composed of crystal grains growing in a columnar shape in a direction perpendicular to the macroscopic surface even on the surface having a texture as shown in FIG. A type crystalline semiconductor layer and an intrinsic crystalline semiconductor layer. With these characteristics, it is possible to obtain a multi-junction thin-film solar cell that exhibits high photoelectric conversion efficiency that exhibits a light confinement effect and suppresses an increase in defects in the photoelectric conversion element structure.

本発明によるもう一つの形態の多接合型薄膜太陽電池において、基板に積層された複数の光電変換素子構造のうち、基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造とN+1番目の光電変換素子構造との間に設けられた中間層の表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有する。さらに、N+1番目の光電変換素子構造は、図1に示すようなテクスチャーを有する表面上においても、巨視的表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層を有する。これらの特徴は、十分な光閉込効果を生じさせるとともに、光電変換素子構造中の欠陥増大を抑制する。したがって、本発明による多接合型薄膜太陽電池は、高い光電変換効率をもたらすことができる。   In another embodiment of the multi-junction thin film solar cell according to the present invention, among a plurality of photoelectric conversion element structures stacked on a substrate, Nth (N is an arbitrary integer greater than or equal to 1) photoelectric conversion counted from the substrate side The surface of the intermediate layer provided between the element structure and the (N + 1) th photoelectric conversion element structure has a ratio R / L of the unevenness size R to the unevenness interval L in the range of 0.1 to 1.5. It has a textured structure with irregularities. Further, the (N + 1) th photoelectric conversion element structure has a first conductive structure mainly composed of crystal grains growing in a columnar shape in a direction perpendicular to the macroscopic surface even on the surface having a texture as shown in FIG. A type crystalline semiconductor layer and an intrinsic crystalline semiconductor layer. These characteristics cause a sufficient light confinement effect and suppress an increase in defects in the photoelectric conversion element structure. Therefore, the multi-junction thin film solar cell according to the present invention can provide high photoelectric conversion efficiency.

本発明において、中間層は、隣り合う光電変換素子構造の互いに異なる導電型を有する層の間に設けられる層である。中間層は、互いに異なる導電型層が直接接合する場合に生じる逆方向の接合形成、あるいは不純物の混合による接合不良等を防止するために設けられる。   In the present invention, the intermediate layer is a layer provided between layers having different conductivity types in adjacent photoelectric conversion element structures. The intermediate layer is provided in order to prevent junction formation in the reverse direction that occurs when different conductive type layers are directly bonded, or bonding failure due to mixing of impurities.

中間層として、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛等からなる透明導電膜が好適である。また、中間層は、これらのうちの単一の材料から成るものであってもよいし、あるいはこれらの材料を含む層を複数積層したものであっても構わないが、中間層の両表面、特に基板に対向しない側の表面は透明導電膜から成ることが、より好ましい。特に、主として酸化亜鉛からなる透明導電膜には、安価である、耐プラズマ性が高く変質しにくいという利点があるので、より好ましい。   As the intermediate layer, a transparent conductive film made of tin oxide, indium oxide, zinc oxide or the like is suitable. Further, the intermediate layer may be composed of a single material of these, or may be a laminate of a plurality of layers containing these materials. In particular, the surface on the side not facing the substrate is more preferably made of a transparent conductive film. In particular, a transparent conductive film mainly composed of zinc oxide is more preferable because it has an advantage that it is inexpensive and has high plasma resistance and is hardly deteriorated.

これらの透明導電膜は、例えばスパッタリング法、常圧CVD法、減圧CVD法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法、電析法等の公知の方法により作製できる。その中でも特に、スパッタリング法は、透明導電膜の透過率や抵抗率を薄膜太陽電池に適したものに制御することが容易であるので望ましい。   These transparent conductive films can be produced by known methods such as sputtering, atmospheric pressure CVD, reduced pressure CVD, electron beam evaporation, sol-gel, and electrodeposition. Among them, the sputtering method is particularly preferable because it is easy to control the transmittance and resistivity of the transparent conductive film to those suitable for the thin film solar cell.

これらの透明導電膜中に微量の不純物が添加されていてもよい。例えば、酸化亜鉛の場合、5×1020〜5×1021cm-3程度のガリウムやアルミニウムといった第3B族元素あるいは銅のような第1B族元素が含有されることにより抵抗率が低減するので、中間層として使用するのに好ましい。また、これらの透明導電膜(中間層)の厚さは薄すぎると特性の均一性に問題が生じ、厚すぎると透過率の減少および直列抵抗の増加による光電変換効率の低下やコストの増大を引き起こすため、好ましくは1〜50nm程度である。 A small amount of impurities may be added to these transparent conductive films. For example, in the case of zinc oxide, the resistivity is reduced by containing a Group 3B element such as gallium or aluminum of about 5 × 10 20 to 5 × 10 21 cm −3 or a Group 1B element such as copper. , Preferred for use as an intermediate layer. In addition, if the thickness of these transparent conductive films (intermediate layers) is too thin, there will be a problem in the uniformity of characteristics, and if it is too thick, the decrease in transmittance and the increase in series resistance will cause a decrease in photoelectric conversion efficiency and an increase in cost. Since it causes, Preferably it is about 1-50 nm.

中間層の表面に凹凸を設ける手段として、例えば、堆積すると同時に表面に凹凸が形成されるような条件により中間層を形成してもよい。この際、中間層表面の凹凸形状が下地となる光電変換素子の凹凸形状の影響を受けることを考慮して、中間層の形成条件を決定すればよい。また、中間層表面に対してサンドブラストのような機械加工、あるいはエッチングといった化学的加工処理を行うことで凹凸を形成することも可能である。   As a means for providing unevenness on the surface of the intermediate layer, for example, the intermediate layer may be formed under conditions such that unevenness is formed on the surface simultaneously with the deposition. At this time, the formation condition of the intermediate layer may be determined considering that the uneven shape of the surface of the intermediate layer is affected by the uneven shape of the photoelectric conversion element as a base. It is also possible to form irregularities by performing mechanical processing such as sandblasting or chemical processing such as etching on the surface of the intermediate layer.

中間層表面が透明導電膜から成る場合、エッチャントの種類、濃度あるいはエッチング時間等を適宜変更することにより、透明導電膜の表面形状を容易に制御できるので、凹凸を作製する手段としてエッチングを行うことが、特に好ましい。エッチャントとして酸またはアルカリ溶液を用いることは、より安価に製造できるので、さらに好ましい。この場合、酸溶液には、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、酢酸、蟻酸、過塩素酸等の1種または2種以上の混合物を用いることができる。中でも、塩酸、酢酸が好ましい。これらの酸溶液は、例えば0.05〜5重量%程度の濃度で使用できる。特に酢酸のような比較的弱い酸の場合には、0.1〜5重量%程度の濃度で使用することが好ましい。また、アルカリ溶液には、水酸化ナトリウム、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の1種または2種以上の混合物を用いることができる。なかでも水酸化ナトリウムが好ましい。これらのアルカリ溶液は1〜10重量%程度の濃度で使用することが好ましい。   When the surface of the intermediate layer is made of a transparent conductive film, the surface shape of the transparent conductive film can be easily controlled by appropriately changing the type, concentration, etching time, etc. of the etchant. Is particularly preferred. It is more preferable to use an acid or alkali solution as an etchant because it can be produced at a lower cost. In this case, the acid solution may be one or a mixture of two or more of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, acetic acid, formic acid, perchloric acid and the like. Of these, hydrochloric acid and acetic acid are preferable. These acid solutions can be used at a concentration of, for example, about 0.05 to 5% by weight. In particular, in the case of a relatively weak acid such as acetic acid, it is preferably used at a concentration of about 0.1 to 5% by weight. Moreover, 1 type, or 2 or more types of mixtures, such as sodium hydroxide, ammonia, potassium hydroxide, calcium hydroxide, aluminum hydroxide, can be used for an alkaline solution. Of these, sodium hydroxide is preferable. These alkaline solutions are preferably used at a concentration of about 1 to 10% by weight.

エッチングにより中間層の少なくとも基板に対向しない側の表面に設けられる凹凸の少なくとも一部は、略球面状あるいは略円錐状の穴とすることができる。該穴の直径が200〜2000nmの範囲にある場合、高さの二乗平均値RMSおよび傾斜角をθとしたときのtanθについて上述した好適な範囲の凹凸が再現性よく得られるので、好ましい。さらに、該穴の直径は、400〜1200nmの範囲にあることが、より好ましい。   At least a part of the unevenness provided on the surface of the intermediate layer that does not face the substrate by etching can be a substantially spherical or substantially conical hole. When the diameter of the hole is in the range of 200 to 2000 nm, the unevenness in the preferred range described above for tan θ when the height mean square value RMS and the inclination angle are θ is obtained with good reproducibility, which is preferable. Furthermore, the diameter of the hole is more preferably in the range of 400 to 1200 nm.

光閉込効果を向上させるためにはR/Lの値が大きい方が望ましく、光電変換素子中の欠陥増大を抑制するためにはR/Lの値が小さい方が望ましい。したがって、この両者を満足させることのできる凹凸テクスチャー構造は、R/Lの値が0.2〜1.2の範囲にあるものが好ましく、0.25〜0.8の範囲にあるものがより好ましい。   In order to improve the light confinement effect, a larger R / L value is desirable, and in order to suppress an increase in defects in the photoelectric conversion element, a smaller R / L value is desirable. Therefore, the uneven texture structure capable of satisfying both of these is preferably an R / L value in the range of 0.2 to 1.2, more preferably in the range of 0.25 to 0.8. preferable.

本発明の特に好ましい態様において、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層は1nm以上200nm未満の厚みを有し、基板の表面から高さ200nmまでの部分において、基板に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒は、当該部分における結晶粒全体の少なくとも50%以上を占め、かつN番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面(巨視的表面)または中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に100nm以上の長さを有する。この場合、同一の結晶粒内に第1導電型結晶質半導体層と真性結晶質半導体層との接合界面が形成されている傾向が強く、特に好ましい。   In a particularly preferred embodiment of the present invention, the first conductive crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure has a thickness of 1 nm or more and less than 200 nm, and is perpendicular to the substrate in a portion from the surface of the substrate to a height of 200 nm. The crystal grains growing in a columnar shape in any direction occupy at least 50% or more of the entire crystal grains in the portion, and the second conductive type semiconductor layer side surface (macroscopic surface) of the Nth photoelectric conversion element structure or It has a length of 100 nm or more in a direction perpendicular to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer. In this case, there is a strong tendency that a junction interface between the first conductivity type crystalline semiconductor layer and the intrinsic crystalline semiconductor layer is formed in the same crystal grain, which is particularly preferable.

さらに、第1導電型結晶質半導体層の膜厚を1nm以上50nm以下とすることにより、直列抵抗の低減、または導電型層における光吸収量の低減といった効果が得られるので光電変換効率の向上に効果的である。   Furthermore, by setting the film thickness of the first conductive type crystalline semiconductor layer to 1 nm or more and 50 nm or less, the effect of reducing the series resistance or the amount of light absorption in the conductive type layer can be obtained, so that the photoelectric conversion efficiency is improved. It is effective.

N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層および真性結晶質半導体層を主としてシリコンから成るものとすることにより、アモルファスシリコンでは光電変換に利用できない波長700nm以上の長波長光も光電変換に利用できる。これにより、高い光電変換効率が得られるとともに、光劣化が抑制された安定な太陽電池を得ることができる。なお主としてシリコンから成る半導体層には、実質的にシリコンのみからなるものの他、シリコンと他の元素との組み合わせからなるもの、例えばシリコンに錫が添加されたSixSn1-xおよびゲルマニウムが添加されたSixGe1-x等も含まれる。 By making the first conductive crystalline semiconductor layer and the intrinsic crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure mainly composed of silicon, long wavelength light having a wavelength of 700 nm or more which cannot be used for photoelectric conversion with amorphous silicon is also photoelectrically generated. Can be used for conversion. Thereby, while being able to obtain high photoelectric conversion efficiency, it is possible to obtain a stable solar cell in which light degradation is suppressed. It should be noted that the semiconductor layer mainly composed of silicon is substantially composed only of silicon, or composed of a combination of silicon and other elements, for example, Si x Sn 1-x in which tin is added to silicon and germanium are added. Also included are Si x Ge 1-x and the like.

また、N+1番目の光電変換素子構造における第1導電型シリコン結晶質半導体層および真性シリコン結晶質半導体層において、N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に平行に配向する結晶面を(110)とすることで、配向面が(111)や(100)である場合のように、シリコン層形成の際にシリコン層がエッチングされる傾向が強く、膜損傷の恐れがある条件を用いることなく、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型シリコン結晶質半導体層を形成できる。これにより、第1導電型シリコン結晶質半導体層の下に位置するN番目の光電変換素子構造の第2導電型層あるいは中間層との界面を良好に形成することができる。   Further, in the first conductive silicon crystalline semiconductor layer and the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer in the (N + 1) th photoelectric conversion element structure, on the surface of the Nth photoelectric conversion element structure on the second conductive semiconductor layer side or on the surface of the intermediate layer. By setting the crystal plane oriented in parallel to (110), the silicon layer tends to be etched during the formation of the silicon layer, as in the case where the orientation plane is (111) or (100), and film damage The first conductivity type silicon crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure can be formed without using conditions that may cause Thereby, the interface with the 2nd conductivity type layer or intermediate | middle layer of the Nth photoelectric conversion element structure located under a 1st conductivity type silicon crystalline semiconductor layer can be formed favorably.

さらに、N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型シリコン結晶質半導体層上に形成される真性シリコン結晶質半導体層において、N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または中間層の表面に平行に配向する結晶面を(110)とすることができる。これにより、N+1番目の光電変換素子構造における第1導電型シリコン結晶質半導体層と真性シリコン結晶質半導体層との界面を良好に形成することができる。   Further, in the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer formed on the first conductive silicon crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure, the surface of the second conductive semiconductor layer side or the middle of the Nth photoelectric conversion element structure The crystal plane oriented parallel to the surface of the layer can be (110). Thereby, the interface between the first conductive silicon crystalline semiconductor layer and the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer in the (N + 1) th photoelectric conversion element structure can be satisfactorily formed.

また、上述した(110)配向により、形成速度が遅くなる条件を用いることなく真性シリコン結晶質半導体層を形成できるので、高効率な薄膜太陽電池を短時間で安定に製造することが可能となる。特に、N+1番目の光電変換素子構造における第1導電型シリコン結晶質半導体層上に形成された真性シリコン結晶質半導体層の(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111が3以上、好ましくは5以上である場合、良好な光電変換特性が得られる。 In addition, since the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer can be formed without using the condition that the formation speed is slowed by the (110) orientation described above, a highly efficient thin film solar cell can be stably manufactured in a short time. . In particular, the integrated intensity I 220 and (111) X-ray diffraction of the (220) X-ray diffraction peak of the intrinsic silicon crystalline semiconductor layer formed on the first conductive silicon crystalline semiconductor layer in the (N + 1) th photoelectric conversion element structure. When the ratio I 220 / I 111 of the peak integrated intensity I 111 is 3 or more, preferably 5 or more, good photoelectric conversion characteristics can be obtained.

N+1番目の光電変換素子構造における第1導電型シリコン結晶質半導体層にホウ素が不純物として含有されている場合、特に(110)配向の傾向が強くなるので望ましい。その理由は明らかではないが、参考文献(1)〜(4)には、面方位が(100)あるいは(111)である単結晶シリコンの表面にボロンが存在するとシリコンの反応性が低下するという報告がある。したがって、同様の現象により(100)あるいは(111)の配向が抑制されることが原因として考えられる。ホウ素の含有量として0.01〜10原子%の範囲であれば、(110)配向が強められる効果が得られる。ホウ素含有量の好ましい範囲は0.05〜9原子%であり、より好ましい範囲は0.2〜8原子%である。   When boron is contained as an impurity in the first conductive silicon crystalline semiconductor layer in the (N + 1) th photoelectric conversion element structure, the tendency of (110) orientation is particularly strong, which is desirable. The reason for this is not clear, but in References (1) to (4), the reactivity of silicon decreases when boron is present on the surface of single crystal silicon whose plane orientation is (100) or (111). There is a report. Therefore, it is considered that the orientation of (100) or (111) is suppressed by the same phenomenon. When the boron content is in the range of 0.01 to 10 atomic%, the effect of enhancing the (110) orientation is obtained. A preferable range of the boron content is 0.05 to 9 atomic%, and a more preferable range is 0.2 to 8 atomic%.

以下、実施例により本発明をさらに説明する。   Hereinafter, the present invention will be further described by examples.

(実施例1)
図3に作製した薄膜太陽電池の構造を示す。平滑な表面を有するガラス板31a上にテクスチャー構造を有する酸化錫31bを形成した上に、通常の電子ビーム蒸着法により厚さ50nmの酸化亜鉛層31cを形成したものを基板31として用いた。原子間力顕微鏡により測定した基板表面の凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lの平均値は0.8であった。
Example 1
FIG. 3 shows the structure of the thin film solar cell produced. A substrate 31 in which a tin oxide 31b having a textured structure was formed on a glass plate 31a having a smooth surface and a zinc oxide layer 31c having a thickness of 50 nm was formed by an ordinary electron beam evaporation method was used. The average value of the ratio R / L of the irregularity size R and the irregularity interval L on the substrate surface measured by an atomic force microscope was 0.8.

続いて、基板31の上にp型アモルファスシリコン層32a、i型アモルファスシリコン層32b、n型アモルファスシリコン層32cをプラズマCVD装置により順に積層することで第1の光電変換素子構造32を形成した。プラズマCVD装置には上記各層ごとの形成室が設けられており、各形成室およびロードロック室間は真空を破ることなく基板を搬送できるようになっている。各形成室内部には平行平板型の電極が設けられている。電極は、カソード電極とそれに対向するアノード電極からなる。カソード電極にプラズマ励起用高周波電力が導入される。各形成室において、基板は、温度制御機能を有するアノード電極側に、テクスチャー構造を有する表面側がカソード電極に対向するように設置される。   Subsequently, a first photoelectric conversion element structure 32 was formed by sequentially stacking a p-type amorphous silicon layer 32a, an i-type amorphous silicon layer 32b, and an n-type amorphous silicon layer 32c on the substrate 31 using a plasma CVD apparatus. The plasma CVD apparatus is provided with a forming chamber for each layer, and the substrate can be transferred between each forming chamber and the load lock chamber without breaking the vacuum. A parallel plate type electrode is provided in each forming chamber. The electrode includes a cathode electrode and an anode electrode facing the cathode electrode. High frequency power for plasma excitation is introduced into the cathode electrode. In each forming chamber, the substrate is placed on the anode electrode side having a temperature control function and the surface side having a texture structure is opposed to the cathode electrode.

13.56MHzの高周波電力を投入して、基板31上にp型アモルファスシリコン層32a、i型アモルファスシリコン層32b、n型アモルファスシリコン層32cを順に積層し、アモルファスシリコン光電変換層32を形成した。p型アモルファスシリコン層32aは、SiH4ガス12SCCM、H2ガス30SCCM、H2ガスにより5000ppmに調整されたB26ガス1SCCM、製膜室圧力20Pa、放電電力25W、基板温度180℃の条件で製膜し、15nmの厚さとした。i型アモルファスシリコン層32bは、SiH4ガス30SCCM、H2ガス70SCCM、製膜室圧力30Pa、放電電力30W、基板温度180℃の条件で製膜し、350nmの厚さとした。n型アモルファスシリコン層32cは、SiH4ガス10SCCM、H2ガスにより1000ppmに調整されたPH3ガス100SCCM、製膜室圧力27Pa、放電電力30W、基板温度180℃の条件で製膜し、30nmの厚さとした。 A high frequency power of 13.56 MHz was input, and a p-type amorphous silicon layer 32a, an i-type amorphous silicon layer 32b, and an n-type amorphous silicon layer 32c were sequentially stacked on the substrate 31 to form an amorphous silicon photoelectric conversion layer 32. The p-type amorphous silicon layer 32a is composed of SiH 4 gas 12 SCCM, H 2 gas 30 SCCM, B 2 H 6 gas 1 SCCM adjusted to 5000 ppm with H 2 gas, film forming chamber pressure 20 Pa, discharge power 25 W, and substrate temperature 180 ° C. To a thickness of 15 nm. The i-type amorphous silicon layer 32b was formed under the conditions of SiH 4 gas 30 SCCM, H 2 gas 70 SCCM, film forming chamber pressure 30 Pa, discharge power 30 W, substrate temperature 180 ° C., and had a thickness of 350 nm. The n-type amorphous silicon layer 32c is formed under the conditions of SiH 4 gas 10 SCCM, PH 3 gas 100 SCCM adjusted to 1000 ppm with H 2 gas, film forming chamber pressure 27 Pa, discharge power 30 W, substrate temperature 180 ° C. Thickness.

第1の光電変換素子32を形成した後、中間層33として、Gaがドープされた酸化亜鉛からなる膜を通常のスパッタリング法により50nmの厚みで形成した。このとき、原子間力顕微鏡により測定した中間層33表面の凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lの平均値は0.6であった。   After forming the first photoelectric conversion element 32, a film made of zinc oxide doped with Ga was formed as an intermediate layer 33 with a thickness of 50 nm by a normal sputtering method. At this time, the average value of the ratio R / L of the irregularity size R and the irregularity interval L on the surface of the intermediate layer 33 measured by an atomic force microscope was 0.6.

中間層33を形成した後、第1の光電変換素子32を形成するのに使用したプラズマCVD装置を用いて、p型シリコン結晶質半導体層34a、i型シリコン結晶質半導体層34b、n型シリコン半導体層34cの順に積層することで、第2の光電変換素子34を形成した。p型シリコン結晶質半導体層34aはSiH4、H2およびB26の混合ガスを用い、ガス混合比はp型シリコン結晶質半導体層中のボロン濃度が0.5原子%となるように調整した。投入する高周波の周波数は40.68MHz、形成室圧力は25Pa、基板温度は150℃とした。また、膜厚は20nmとした。 After forming the intermediate layer 33, the p-type silicon crystalline semiconductor layer 34a, the i-type silicon crystalline semiconductor layer 34b, the n-type silicon are used by using the plasma CVD apparatus used to form the first photoelectric conversion element 32. The second photoelectric conversion element 34 was formed by stacking the semiconductor layers 34c in this order. The p-type silicon crystalline semiconductor layer 34a uses a mixed gas of SiH 4 , H 2 and B 2 H 6 , and the gas mixture ratio is such that the boron concentration in the p-type silicon crystalline semiconductor layer is 0.5 atomic%. It was adjusted. The frequency of the high frequency input was 40.68 MHz, the forming chamber pressure was 25 Pa, and the substrate temperature was 150 ° C. The film thickness was 20 nm.

i型シリコン結晶質半導体層34bはSiH4およびH2の混合ガスを用い、ガス混合比はi型シリコン層が十分に結晶化されるように調整した。投入する高周波の周波数は40.68MHz、形成室圧力は40Pa、基板温度は150℃とした。また、膜厚は2μmとした。この条件を用いてi型シリコン結晶質半導体層を平坦なガラス基板上に製膜した場合、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111は、図6に示すように10.0であり、このi型シリコン結晶質半導体層33自体が平坦な表面の法線方向に強い(220)配向を示すものであった。 The i-type silicon crystalline semiconductor layer 34b uses a mixed gas of SiH 4 and H 2 , and the gas mixing ratio is adjusted so that the i-type silicon layer is sufficiently crystallized. The frequency of the high frequency input was 40.68 MHz, the forming chamber pressure was 40 Pa, and the substrate temperature was 150 ° C. The film thickness was 2 μm. When an i-type silicon crystalline semiconductor layer is formed on a flat glass substrate using this condition, the integrated intensity I 220 of the ( 220 ) X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak are The ratio I 220 / I 111 is 10.0 as shown in FIG. 6, and the i-type silicon crystalline semiconductor layer 33 itself exhibits a strong (220) orientation in the normal direction of the flat surface. .

n型シリコン結晶質半導体層34cはSiH4、H2およびPH3の混合ガスを用い、ガス混合比はn型シリコン半導体層中のリン濃度が0.5原子%となるように調整した。投入する高周波の周波数は40.68MHz、形成室圧力は25Pa、基板温度は150℃とした。また、膜厚は20nmとした。 The n-type silicon crystalline semiconductor layer 34c uses a mixed gas of SiH 4 , H 2 and PH 3 , and the gas mixture ratio is adjusted so that the phosphorus concentration in the n-type silicon semiconductor layer is 0.5 atomic%. The frequency of the high frequency input was 40.68 MHz, the forming chamber pressure was 25 Pa, and the substrate temperature was 150 ° C. The film thickness was 20 nm.

その後、プラズマCVD装置から基板を取り出し、通常の電子ビーム蒸着法により酸化亜鉛を蒸着して裏面反射層35を形成した。そしてレーザースクライブ法により1cm角の大きさに分離した。その後、通常の電子ビーム蒸着法により銀からなる裏面電極36を形成して、基板31側から光を入射するスーパーストレート構造の多接合型薄膜太陽電池を得た。   Thereafter, the substrate was taken out from the plasma CVD apparatus, and zinc oxide was vapor-deposited by a normal electron beam vapor deposition method to form the back reflection layer 35. And it isolate | separated into the magnitude | size of 1 cm square by the laser scribing method. Thereafter, a back electrode 36 made of silver was formed by a normal electron beam evaporation method, and a super-straight structure multi-junction thin film solar cell in which light was incident from the substrate 31 side was obtained.

図4にこの多接合型薄膜太陽電池の中間層付近の断面を透過型電子顕微鏡により観察した像を模式的に示す。中間層41の凹凸表面上に形成された第2の光電変換素子のp型シリコン結晶質半導体層42は複数の結晶粒から成り、そのうち約50%の結晶粒は個々の凹凸表面にほぼ垂直な方向に成長しているのに対して、残りの約50%の結晶粒は中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長していた。そして、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長している結晶粒のほとんどは、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に100nm以上の長さを有する柱状結晶粒であり、膜厚が増えるにつれて中間層の表面(巨視的表面)に平行な方向の粒径が増大しながら、当該部分においてその割合を増していた。   FIG. 4 schematically shows an image obtained by observing a cross section in the vicinity of the intermediate layer of the multi-junction thin film solar cell with a transmission electron microscope. The p-type silicon crystalline semiconductor layer 42 of the second photoelectric conversion element formed on the uneven surface of the intermediate layer 41 is composed of a plurality of crystal grains, of which about 50% of the crystal grains are substantially perpendicular to the individual uneven surface. The remaining approximately 50% of the grains grew in a direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). And most of the crystal grains growing in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) are columnar crystal grains having a length of 100 nm or more in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). As the film thickness increased, the proportion in the portion increased while the particle size in the direction parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) increased.

さらに、ほぼi型層全体に相当する領域の結晶方位に関する情報を得るため、直径0.8μmの制限視野しぼりを入れて制限視野電子線回折を行った。得られた回折像から、このi型シリコン結晶質半導体層43は中間層の表面(巨視的表面)に平行に(110)面が配向していることが分かった。すなわち中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長しているp型シリコン結晶質半導体層42の結晶粒において、中間層の表面(巨視的表面)に平行に(110)面が配向しており、その上に形成されたi型シリコン結晶質半導体層43は下地となるp型シリコン結晶質半導体層42の結晶方位を引き継ぐ形で成長していることが分かった。   Furthermore, in order to obtain information on the crystal orientation in a region substantially corresponding to the entire i-type layer, limited-field electron diffraction was performed with a limited-field aperture of 0.8 μm in diameter. From the obtained diffraction image, it was found that the i-type silicon crystalline semiconductor layer 43 had the (110) plane oriented parallel to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer. That is, in the crystal grains of the p-type silicon crystalline semiconductor layer 42 growing in a direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface), the (110) plane is oriented parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). It has been found that the i-type silicon crystalline semiconductor layer 43 formed thereon has grown in such a manner that it inherits the crystal orientation of the p-type silicon crystalline semiconductor layer 42 serving as a base.

また、i型シリコン結晶質半導体層の(110)配向性の度合いを定量的に調べるために、この多接合型薄膜太陽電池と同じプロセスで第2の光電変換素子のi型シリコン結晶質半導体層まで形成したものについてX線回折を行ったところ、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111が7.0であり、平坦なガラス基板上に製膜した場合に近い値であった。 Further, in order to quantitatively examine the degree of (110) orientation of the i-type silicon crystalline semiconductor layer, the i-type silicon crystalline semiconductor layer of the second photoelectric conversion element is processed in the same process as this multi-junction thin film solar cell. When the X-ray diffraction was performed on the product formed up to the above, the ratio I 220 / I 111 of the integrated intensity I 220 of the ( 220 ) X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak was 7.0. Yes, the value was close to that when the film was formed on a flat glass substrate.

この薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性の測定を行ったところ、セル面積1cm2において開放電圧1.205V、短絡電流12.8mA/cm2、形状因子0.695、光電変換効率10.72%という値が得られた。 Current at AM1.5 (100mW / cm 2) under the irradiation condition of the thin film solar cell - was measured for the voltage characteristic, the open-circuit voltage 1.205V in the cell area of 1 cm 2, a short-circuit current 12.8 mA / cm 2, shape Values of a factor of 0.695 and a photoelectric conversion efficiency of 10.72% were obtained.

なお、本実施例においては、第1の光電変換素子のp、i、n全ての層をアモルファスシリコンにより形成しているが、i層については第2の光電変換素子のi層となる結晶シリコンよりエネルギーギャップが大きい材料であればよく、例えばa−SiC:H等を用いてもよい。導電型層についてもp、nともにアモルファスシリコン層である必要はなく、いずれもシリコン結晶質半導体層等で形成しても構わない。また本実施例では中間層を設けているが、基板面に垂直な方向に柱状に成長した第2の光電変換素子の第1導電型シリコン結晶質半導体層を形成する点においては必ずしも必要ではない。   In this embodiment, all layers p, i, and n of the first photoelectric conversion element are formed of amorphous silicon. However, for the i layer, crystalline silicon that becomes the i layer of the second photoelectric conversion element. Any material having a larger energy gap may be used. For example, a-SiC: H may be used. The p-type and n-type layers need not be amorphous silicon layers, and both may be formed of a silicon crystalline semiconductor layer or the like. Moreover, although an intermediate layer is provided in this embodiment, it is not necessarily required in that the first conductive silicon crystalline semiconductor layer of the second photoelectric conversion element grown in a columnar shape in a direction perpendicular to the substrate surface is formed. .

(比較例1)
凹凸形状の効果を検証するために、平滑な表面を有するガラス板上にテクスチャー構造を有する酸化錫を形成した後、液温25℃の0.5%塩酸水溶液に30秒間浸してエッチングを行うことで表面凹凸を尖鋭化し、その上に通常の電子ビーム蒸着法により厚さ50nmの酸化亜鉛層を形成したものを基板として用いた。原子間力顕微鏡により測定した、この基板表面の凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lは1.65であった。この基板作製工程以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池を作製した。
(Comparative Example 1)
In order to verify the effect of the irregular shape, after forming tin oxide having a texture structure on a glass plate having a smooth surface, etching is performed by immersing in a 0.5% hydrochloric acid aqueous solution at a liquid temperature of 25 ° C. for 30 seconds. Then, the surface irregularities were sharpened and a zinc oxide layer having a thickness of 50 nm formed thereon by a normal electron beam evaporation method was used as a substrate. The ratio R / L between the unevenness size R and the unevenness interval L on the surface of the substrate, measured with an atomic force microscope, was 1.65. A thin-film solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except for this substrate production process.

図5にこの薄膜太陽電池の断面を透過型電子顕微鏡により観察した像を模式的に示す。ただし図4と同様に、n型シリコン半導体層、裏面反射層、裏面電極は省略している。凹凸表面上には複数の結晶粒が生成しており、そのほとんどが、個々の凹凸表面に垂直な方向に成長している。これら凹凸表面に垂直な方向に成長している結晶粒は、やがて隣接する凹凸表面から成長してきた結晶粒と衝突した後、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向へと成長方向を徐々に変化させていた。しかし、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に顕著に成長している結晶粒は確認されなかった。   FIG. 5 schematically shows an image obtained by observing a cross section of the thin film solar cell with a transmission electron microscope. However, as in FIG. 4, the n-type silicon semiconductor layer, the back reflecting layer, and the back electrode are omitted. A plurality of crystal grains are formed on the uneven surface, and most of them grow in a direction perpendicular to the individual uneven surface. The crystal grains growing in the direction perpendicular to the uneven surface eventually collide with the crystal grains grown from the adjacent uneven surface, and then change the growth direction in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). It was gradually changing. However, no crystal grains remarkably growing in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) were confirmed.

さらに、i型層全体に相当する領域の結晶方位に関する情報を得るため、直径0.8μmの制限視野しぼりを入れて制限視野電子線回折を行った。得られた回折像から、このi型シリコン結晶質半導体層は中間層の表面(巨視的表面)に平行な配向面を明確には有していないことが分かった。このように、凹凸形状が適切でない場合、p型シリコン結晶質半導体層の結晶粒が中間層の表面(巨視的表面)に平行な配向面を有しておらず、そのため、その上に形成されたi型シリコン結晶質半導体層も中間層の表面(巨視的表面)に平行な配向面を有することなく成長を開始している。   Furthermore, in order to obtain information on the crystal orientation in the region corresponding to the entire i-type layer, limited-field electron diffraction was performed with a limited-field aperture of 0.8 μm in diameter. From the obtained diffraction image, it was found that this i-type silicon crystalline semiconductor layer did not clearly have an orientation plane parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). Thus, when the uneven shape is not appropriate, the crystal grains of the p-type silicon crystalline semiconductor layer do not have an orientation plane parallel to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer, and thus are formed on the surface. The i-type silicon crystalline semiconductor layer has also started to grow without having an orientation plane parallel to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer.

また、i型シリコン結晶質半導体層の(110)配向性の度合いを定量的に調べるため、この薄膜太陽電池と同じプロセスでi型層まで形成したものについてX線回折を行ったところ、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111が2.0であり、実施例1の場合と比較して著しく配向性が劣っていた。 Further, in order to quantitatively examine the degree of (110) orientation of the i-type silicon crystalline semiconductor layer, X-ray diffraction was performed on an element formed up to the i-type layer by the same process as this thin film solar cell. ) The ratio I 220 / I 111 of the integrated intensity I 220 of the X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak is 2.0, and the orientation is remarkably higher than in the case of Example 1. It was inferior.

この薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性の測定を行ったところ、セル面積1cm2において開放電圧1.080V、短絡電流10.6mA/cm2、形状因子0.670、光電変換効率7.67%という値が得られた。実施例1の結果と比較して、開放電圧、短絡電流、形状因子の全てにおいて特性の低下が生じていた。さらに、実施例1および比較例1の素子について分光感度測定を行った結果から、比較例1の素子は特に長波長側での感度が劣ることが判明した。これは、光入射側から離れて位置する光電変換素子構造に問題があることを意味しており、透過型電子顕微鏡観察結果により矛盾なく説明できる。 Current at AM1.5 (100mW / cm 2) under the irradiation condition of the thin film solar cell - was measured for the voltage characteristic, the open-circuit voltage 1.080V in the cell area of 1 cm 2, a short-circuit current 10.6mA / cm 2, shape Values of a factor of 0.670 and a photoelectric conversion efficiency of 7.67% were obtained. Compared with the results of Example 1, the characteristics were deteriorated in all of the open circuit voltage, the short circuit current, and the form factor. Further, from the results of spectral sensitivity measurement for the elements of Example 1 and Comparative Example 1, it was found that the element of Comparative Example 1 was inferior in sensitivity especially on the long wavelength side. This means that there is a problem in the structure of the photoelectric conversion element located away from the light incident side, and can be explained without contradiction by the observation result of the transmission electron microscope.

(比較例2)
凹凸形状の効果を検証するために、ガラス板上の酸化亜鉛層31cを厚さ500nmとなるように形成したこと以外は、実施例1と同様に多接合型薄膜太陽電池を作製した。実施例1と比較して酸化亜鉛層31cを厚く積層することにより表面の凹凸形状はより緩やかなものとなった。中間層33表面の微視的な凹凸構造について原子間力顕微鏡により測定を行った結果、凹凸大きさRと凹凸間隔Lとの比R/Lの平均値は0.05であった。
(Comparative Example 2)
In order to verify the effect of the uneven shape, a multi-junction thin film solar cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the zinc oxide layer 31c on the glass plate was formed to have a thickness of 500 nm. Compared with Example 1, the unevenness | corrugation shape of the surface became gentler by laminating | stacking the zinc oxide layer 31c thickly. As a result of measuring the microscopic uneven structure on the surface of the intermediate layer 33 with an atomic force microscope, the average value of the ratio R / L of the unevenness size R and the unevenness interval L was 0.05.

i型シリコン結晶質半導体層の(110)配向性の度合いを定量的に調べるために、この薄膜太陽電池と同じプロセスでi型層まで形成したものについてX線回折を行ったところ、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111が8.5であり、平坦なガラス基板上に製膜した場合と同等の値であった。 In order to quantitatively examine the degree of (110) orientation of the i-type silicon crystalline semiconductor layer, X-ray diffraction was performed on an i-type layer formed by the same process as this thin film solar cell. The ratio I 220 / I 111 of the integrated intensity I 220 of the X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak is 8.5, which is the same value as when a film is formed on a flat glass substrate. Met.

この薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性の測定を行ったところ、セル面積1cm2において開放電圧1.208V、短絡電流10.6mA/cm2、形状因子0.690、光電変換効率8.84%という値が得られた。実施例1の結果と比較して、開放電圧、形状因子の値はほぼ同じであるのに対し、光閉込効果が小さいので短絡電流が低下していた。 Current at AM1.5 (100mW / cm 2) under the irradiation condition of the thin film solar cell - was measured for the voltage characteristic, the open-circuit voltage 1.208V in the cell area of 1 cm 2, a short-circuit current 10.6mA / cm 2, shape Values of a factor of 0.690 and a photoelectric conversion efficiency of 8.84% were obtained. Compared with the results of Example 1, the open circuit voltage and the shape factor values were almost the same, but the short circuit current was reduced because the light confinement effect was small.

(実施例2)
チャネリング粒子の効果を検証するため、凹凸表面を有する中間層33上に第2の光電変換素子34のp型シリコン結晶質半導体層32を形成する際、原料ガスとしてSiH4、H2およびB26の混合物にArガスを添加したものを使用した。それ以外は、実施例1と同様に薄膜太陽電池を作製した。このときのSiH4、H2およびB26の混合比は実施例1と同じであり、Arの添加量は全混合ガスの5%となるように調整した。
(Example 2)
In order to verify the effect of channeling particles, when the p-type silicon crystalline semiconductor layer 32 of the second photoelectric conversion element 34 is formed on the intermediate layer 33 having an uneven surface, SiH 4 , H 2 and B 2 are used as source gases. A mixture of H 6 with Ar gas added was used. Other than that produced the thin film solar cell similarly to Example 1. FIG. At this time, the mixing ratio of SiH 4 , H 2 and B 2 H 6 was the same as in Example 1, and the amount of Ar added was adjusted to be 5% of the total mixed gas.

得られた薄膜太陽電池の断面を透過型電子顕微鏡により観察すると、実施例1の場合と同様に、凹凸表面上には複数の結晶粒が生成していたが、実施例1の場合よりも結晶粒密度が低減されており、なおかつ約80%の結晶粒は中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長していた。そして、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長している結晶粒のほとんどは、中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に100nm以上の長さを有する柱状結晶粒であり、膜厚が増えるにつれて中間層の表面(巨視的表面)に平行な方向の粒径が増大しながら、当該部分においてその割合を増すという傾向は同様であった。   When the cross section of the obtained thin film solar cell was observed with a transmission electron microscope, a plurality of crystal grains were formed on the concavo-convex surface as in the case of Example 1. The grain density was reduced, and about 80% of the crystal grains grew in a direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). And most of the crystal grains growing in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) are columnar crystal grains having a length of 100 nm or more in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface). As the film thickness increases, the particle size in the direction parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) increases, and the tendency to increase the proportion in the portion is the same.

さらに、ほぼi型層全体に相当する領域の結晶方位に関する情報を得るため、直径0.8μmの制限視野しぼりを入れて制限視野電子線回折を行った。得られた回折像から、このi型シリコン結晶質半導体層は中間層の表面(巨視的表面)に平行に(110)面が配向していることが分かった。すなわち中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に成長しているp型層の結晶粒は、中間層の表面(巨視的表面)に平行に(110)配向しており、その上に形成されたi型シリコン結晶質半導体層は下地となるp型層の結晶方位を引き継ぐ形で成長していることが分かった。   Furthermore, in order to obtain information on the crystal orientation in a region substantially corresponding to the entire i-type layer, limited-field electron diffraction was performed with a limited-field aperture of 0.8 μm in diameter. From the obtained diffraction image, it was found that the (110) plane of this i-type silicon crystalline semiconductor layer was oriented parallel to the surface (macroscopic surface) of the intermediate layer. That is, the crystal grains of the p-type layer growing in a direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) are (110) oriented parallel to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface), and It was found that the formed i-type silicon crystalline semiconductor layer grew in a form that inherited the crystal orientation of the p-type layer serving as the base.

また、i型シリコン結晶質半導体層の(110)配向性の度合いを定量的に調べるために、この薄膜太陽電池と同じプロセスでi型層まで形成したものについてX線回折を行ったところ、(220)X線回折ピークの積分強度I220と(111)X線回折ピークの積分強度I111の比I220/I111は8であった。 In addition, in order to quantitatively examine the degree of (110) orientation of the i-type silicon crystalline semiconductor layer, X-ray diffraction was performed on an i-type layer formed by the same process as this thin film solar cell. 220) The ratio I 220 / I 111 between the integrated intensity I 220 of the X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) X-ray diffraction peak was 8.

Ar添加により中間層の表面(巨視的表面)に垂直な方向に<110>配向している結晶粒が優先的に成長する理由は未だ明らかではないが、シースポテンシャルにより巨視的表面にほぼ垂直な方向に加速されたプラズマ中のAr+が、シリコンのチャネリング方向である<110>への成長を促進する効果、および、巨視的表面にほぼ垂直な方向に<110>が向いていない結晶粒をスパッタする効果によるものと考えられる。 The reason why <110> oriented crystal grains preferentially grow in the direction perpendicular to the surface of the intermediate layer (macroscopic surface) by Ar addition is not yet clear, but is almost perpendicular to the macroscopic surface due to the sheath potential. Ar + in the plasma accelerated in the direction promotes growth to <110>, which is the channeling direction of silicon, and crystal grains in which <110> is not oriented in a direction substantially perpendicular to the macroscopic surface This is thought to be due to the effect of sputtering.

なお、本実施例では添加する希ガスとしてArを用いたが、HeあるいはNeなどであってもよい。   In this embodiment, Ar is used as a rare gas to be added, but He or Ne may be used.

この薄膜太陽電池のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性の測定を行ったところ、セル面積1cm2において開放電圧1.242V、短絡電流13.1mA/cm2、形状因子0.714、光電変換効率11.62%という値が得られた。実施例1の素子と比較して、さらに開放電圧、形状因子の向上が成された。これはp型層とi型層との界面近傍の構造がさらに適切なものとなったためであり、透過型電子顕微鏡観察結果により矛盾なく説明できる。 Current at AM1.5 (100mW / cm 2) under the irradiation condition of the thin film solar cell - was measured for the voltage characteristic, the open-circuit voltage 1.242V in the cell area of 1 cm 2, a short-circuit current 13.1mA / cm 2, shape Values of a factor of 0.714 and a photoelectric conversion efficiency of 11.62% were obtained. Compared with the device of Example 1, the open circuit voltage and the shape factor were further improved. This is because the structure in the vicinity of the interface between the p-type layer and the i-type layer has become more appropriate, and can be explained without contradiction from the observation result of the transmission electron microscope.

以上の実施例では、平滑な表面を有するガラス板上にテクスチャー構造を有する酸化錫膜を形成し,さらにその上に酸化亜鉛膜を形成した基板を用いるスーパーストレート型の多接合型薄膜太陽電池を説明した。しかし、上述した実施例以外に、本発明による実施の形態が多く存在することは、当業者に明らかである。例えば、多接合型薄膜太陽電池の構造は、ガラス基板や金属製基板上に光電変換層として形成したシリコン結晶質半導体層側より光を入射するサブストレート型であってもよい。   In the above embodiment, a super-straight type multi-junction thin film solar cell using a substrate in which a tin oxide film having a texture structure is formed on a glass plate having a smooth surface and a zinc oxide film is further formed thereon is provided. explained. However, it will be apparent to those skilled in the art that there are many embodiments according to the present invention other than the above-described embodiments. For example, the structure of the multi-junction thin film solar cell may be a substrate type in which light is incident from the side of a silicon crystalline semiconductor layer formed as a photoelectric conversion layer on a glass substrate or a metal substrate.

11…凹凸表面
12…目視による仮想的な表面(巨視的表面)
13…N+1番目の光電変換素子の第1導電型シリコン結晶質半導体層
14…N+1番目の光電変換素子の真性シリコン結晶質半導体層
15、24…凹凸大きさR
16、25…凹凸間隔L
31…基板
21、31a…ガラス板
22、31b…酸化錫層
31c…酸化亜鉛層
32…第1の光電変換素子
32a…p型アモルファスシリコン層
32b…i型アモルファスシリコン層
32c…N型アモルファスシリコン層
33、41、51…中間層
34…第2の光電変換素子
34a、42、52…p型シリコン結晶質半導体層
34b、43、53…i型シリコン結晶質半導体層
34c…N型シリコン半導体層
35…裏面反射層
36…裏面電極
61…チャネリング粒子が少ない条件における、基板凹凸形状の指標R/Lに対するI220/I111曲線
62…チャネリング粒子が多い条件における、基板凹凸形状の指標R/Lに対するI220/I111曲線
11 ... Uneven surface 12 ... Virtual surface (macroscopic surface) by visual observation
13... The first conductive silicon crystalline semiconductor layer 14 of the (N + 1) th photoelectric conversion element 14... The intrinsic silicon crystalline semiconductor layers 15 and 24 of the (N + 1) th photoelectric conversion element.
16, 25 ... Unevenness interval L
31 ... substrate 21, 31a ... glass plate 22, 31b ... tin oxide layer 31c ... zinc oxide layer 32 ... first photoelectric conversion element 32a ... p-type amorphous silicon layer 32b ... i-type amorphous silicon layer 32c ... N-type amorphous silicon layer 33, 41, 51 ... intermediate layer 34 ... second photoelectric conversion elements 34a, 42, 52 ... p-type silicon crystalline semiconductor layer 34b, 43, 53 ... i-type silicon crystalline semiconductor layer 34c ... N-type silicon semiconductor layer 35 ... Back surface reflection layer 36... Back electrode 61... I 220 / I 111 curve 62 with respect to substrate unevenness index R / L under conditions with few channeling particles. I 220 / I 111 curve

Claims (8)

基板と、前記基板上に積層された複数の光電変換素子構造とを備え、
前記複数の光電変換素子構造の夫々において、第1導電型半導体層、真性半導体層および第2導電型半導体層が順に積層されており、
前記積層された複数の光電変換素子構造のうち、前記基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有しており、かつ
前記N番目の光電変換素子構造上に形成されるN+1番目の光電変換素子構造の前記第1導電型半導体層ならびに前記真性半導体層は、前記N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている結晶質半導体層である、多接合型薄膜太陽電池。
A substrate, and a plurality of photoelectric conversion element structures stacked on the substrate,
In each of the plurality of photoelectric conversion element structures, a first conductive type semiconductor layer, an intrinsic semiconductor layer, and a second conductive type semiconductor layer are sequentially stacked,
Among the plurality of stacked photoelectric conversion element structures, the surface of the second conductive type semiconductor layer side of the Nth (N is an arbitrary integer greater than or equal to 1) photoelectric conversion element structure counted from the substrate side is an unevenness interval L. Having a texture structure with irregularities such that the ratio R / L of the irregularity size R to the range is 0.1 to 1.5, and N + 1th formed on the Nth photoelectric conversion element structure The first conductive semiconductor layer and the intrinsic semiconductor layer of the photoelectric conversion element structure are crystal grains grown in a columnar shape in a direction perpendicular to the second conductive semiconductor layer side surface of the Nth photoelectric conversion element structure A multi-junction thin film solar cell, which is a crystalline semiconductor layer mainly composed of
基板と、前記基板上に積層された複数の光電変換素子構造とを備え、
前記複数の光電変換素子構造の夫々において、第1導電型半導体層、真性半導体層および第2導電型半導体層が順に積層されており、
前記積層された複数の光電変換素子構造のうち、前記基板側から数えてN(Nは1以上の任意の整数)番目の光電変換素子構造とN+1番目の光電変換素子構造との間には、中間層が設けられており、
前記N+1番目の光電変換素子構造を支持する前記中間層の表面は、凹凸間隔Lに対する凹凸大きさRの比R/Lが0.1〜1.5の範囲にあるような凹凸によるテクスチャー構造を有しており、かつ
前記N+1番目の光電変換素子構造の前記第1導電型半導体層および前記真性半導体層は、前記N+1番目の光電変換素子構造を支持する前記中間層の表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒により主として構成されている結晶質半導体層である、多接合型薄膜太陽電池。
A substrate, and a plurality of photoelectric conversion element structures stacked on the substrate,
In each of the plurality of photoelectric conversion element structures, a first conductive type semiconductor layer, an intrinsic semiconductor layer, and a second conductive type semiconductor layer are sequentially stacked,
Among the plurality of stacked photoelectric conversion element structures, between the Nth (N is an arbitrary integer of 1 or more) photoelectric conversion element structure and the N + 1th photoelectric conversion element structure counted from the substrate side, An intermediate layer is provided,
The surface of the intermediate layer that supports the (N + 1) th photoelectric conversion element structure has a textured structure with irregularities such that the ratio R / L of the irregularity size R to the irregularity interval L is in the range of 0.1 to 1.5. And the first conductive semiconductor layer and the intrinsic semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure are perpendicular to the surface of the intermediate layer supporting the (N + 1) th photoelectric conversion element structure. A multi-junction thin-film solar cell, which is a crystalline semiconductor layer mainly composed of crystal grains growing in a columnar shape.
前記N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層は1nm以上200nm未満の厚みを有し、
前記N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型半導体層側表面から高さ200nmまでの部分において、前記N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または前記中間層の表面に垂直な方向に柱状に成長している結晶粒が、当該部分における結晶粒全体の少なくとも50%以上を占め、かつ前記N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または前記中間層の表面に垂直な方向に100nm以上の長さを有する、請求項1または2に記載の多接合型薄膜太陽電池。
The first conductive crystalline semiconductor layer of the N + 1th photoelectric conversion element structure has a thickness of 1 nm or more and less than 200 nm,
In the portion from the surface of the first conductive semiconductor layer side of the N + 1th photoelectric conversion element structure to a height of 200 nm, the surface of the second conductive semiconductor layer side of the Nth photoelectric conversion element structure or the surface of the intermediate layer The crystal grains growing in a columnar shape in the vertical direction occupy at least 50% or more of the entire crystal grains in the portion, and the surface of the Nth photoelectric conversion element structure on the second conductive semiconductor layer side or the intermediate layer The multi-junction thin-film solar cell according to claim 1, wherein the multi-junction thin-film solar cell has a length of 100 nm or more in a direction perpendicular to the surface.
前記N+1番目の光電変換素子構造の第1導電型結晶質半導体層は1nm以上50nm以下の厚みを有する、請求項3に記載の多接合型薄膜太陽電池。   4. The multi-junction thin film solar cell according to claim 3, wherein the first conductive crystalline semiconductor layer of the N + 1th photoelectric conversion element structure has a thickness of 1 nm to 50 nm. 前記N+1番目の光電変換素子構造の前記第1導電型結晶質半導体層および前記真性結晶質半導体層は、主としてシリコンから成り、
前記N+1番目の光電変換素子構造の前記第1導電型結晶質半導体層および前記真性結晶質半導体層において、前記N番目の光電変換素子構造の第2導電型半導体層側表面または前記中間層の表に平行に配向する結晶面は主として(110)である、請求項1から4のいずれか1項に記載の薄膜太陽電池。
The first conductive crystalline semiconductor layer and the intrinsic crystalline semiconductor layer of the N + 1th photoelectric conversion element structure are mainly made of silicon,
In the first conductive crystalline semiconductor layer and the intrinsic crystalline semiconductor layer of the (N + 1) th photoelectric conversion element structure, the surface of the Nth photoelectric conversion element structure on the second conductive semiconductor layer side or the surface of the intermediate layer crystal plane oriented parallel to the plane is predominantly (110), thin-film solar cell according to any one of claims 1 to 4.
前記N+1番目の光電変換素子構造の前記真性結晶質半導体層について得られる、(220)面のX線回折ピークの積分強度I220と(111)面のX線回折ピークの積分強度I111との比I220/I111が3以上である、請求項5に記載の多接合型薄膜太陽電池。 The integrated intensity I 220 of the ( 220 ) plane X-ray diffraction peak and the integrated intensity I 111 of the (111) plane X-ray diffraction peak obtained for the intrinsic crystalline semiconductor layer of the N + 1th photoelectric conversion element structure The multi-junction thin film solar cell according to claim 5, wherein the ratio I 220 / I 111 is 3 or more. 前記N+1番目の光電変換素子構造の前記第1導電型結晶質半導体層はホウ素を不純物として含有する、請求項5または6に記載の多接合型薄膜太陽電池。   The multi-junction thin film solar cell according to claim 5 or 6, wherein the first conductive crystalline semiconductor layer of the N + 1th photoelectric conversion element structure contains boron as an impurity. 前記中間層は、主として酸化亜鉛からなる透明導電体である、請求項2から7のいずれか1項に記載の多接合型薄膜太陽電池。   The multi-junction thin film solar cell according to any one of claims 2 to 7, wherein the intermediate layer is a transparent conductor mainly made of zinc oxide.
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