JP2012204646A - Manufacturing method of substrate for thin film photoelectric conversion device and manufacturing method of thin film photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜光電変換装置用基板の製造方法および薄膜光電変換装置の製造方法に関するものであり、特に、透明導電膜の凹凸形状を有する薄膜光電変換装置用基板の製造方法および薄膜光電変換装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for a thin film photoelectric conversion device and a method for manufacturing a thin film photoelectric conversion device, and in particular, a method for manufacturing a substrate for a thin film photoelectric conversion device having a concavo-convex shape of a transparent conductive film and a thin film photoelectric conversion device. It relates to the manufacturing method.
従来の薄膜光電変換装置は、基板の他面側からの光入射により薄膜半導体層で光起電力を発生する薄膜太陽電池セルを備える。薄膜太陽電池セルは、例えば基板の一面側に、透明電極と、光電変換層としての薄膜半導体層と、裏面電極としての反射導電膜と、が順次形成される。そして、このような複数の薄膜太陽電池セルが隣り合うセル同士で所定の距離を隔てて配置され、電気的に直列に接続されて薄膜光電変換装置(薄膜太陽電池モジュール)を形成している。また、隣り合う薄膜太陽電池セル間の光電変換層は分離溝により電気的に分離されている。 A conventional thin film photoelectric conversion device includes a thin film solar cell that generates a photovoltaic force in a thin film semiconductor layer by light incidence from the other surface side of the substrate. In the thin film solar cell, for example, a transparent electrode, a thin film semiconductor layer as a photoelectric conversion layer, and a reflective conductive film as a back electrode are sequentially formed on one surface side of a substrate. A plurality of such thin film solar cells are arranged with a predetermined distance between adjacent cells, and are electrically connected in series to form a thin film photoelectric conversion device (thin film solar cell module). Moreover, the photoelectric converting layer between adjacent thin film photovoltaic cells is electrically separated by the separation groove.
このような薄膜光電変換装置では、基板および透明電極を透過した太陽光を光電変換層内で散乱させることにより、太陽光の利用効率を向上させる。そして、太陽光を散乱させるために、透明電極を構成している透明導電膜の表面にテクスチャと呼ばれる凹凸が形成されている。 In such a thin film photoelectric conversion device, sunlight utilization efficiency is improved by scattering sunlight transmitted through the substrate and the transparent electrode within the photoelectric conversion layer. And in order to scatter sunlight, the unevenness | corrugation called a texture is formed in the surface of the transparent conductive film which comprises the transparent electrode.
近年盛んに開発が進められている非晶質シリコン太陽電池セルと微結晶シリコン太陽電池セルとを積層して構成されるタンデム型太陽電池は、広い波長範囲の太陽光を吸収するため、透明導電膜の表面のテクスチャで短波長から長波長までの広範な光を散乱する必要がある。光はテクスチャの凹凸周期が波長と同等であるときに散乱する。したがって、テクスチャにおいては、短い凹凸周期の凹凸で短波長領域の光を、長い凹凸周期の凹凸で長波長領域の光を散乱させる。 Tandem solar cells, which are composed of a stack of amorphous silicon solar cells and microcrystalline silicon solar cells, which have been actively developed in recent years, absorb sunlight in a wide wavelength range, It is necessary to scatter a wide range of light from a short wavelength to a long wavelength by the texture of the film surface. Light is scattered when the texture irregularity period is equal to the wavelength. Therefore, in the texture, light in the short wavelength region is scattered by the unevenness of the short unevenness period, and light in the long wavelength region is scattered by the unevenness of the long unevenness cycle.
例えば特許文献1には、凹凸を形成するエッチング工程を二回施すことにより、凹凸周期が異なるダブルテクスチャ構造を有する透明導電膜を形成する方法が示されている。これにより凹凸周期が異なる凹凸で広い波長範囲の光を散乱させている。
For example,
また、特許文献2には、最初に長い凹凸周期の凹凸となる島化した小山部を常圧CVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成し、その後短い凹凸周期の凹凸を有する連続膜を同様な方法で形成することにより、ダブルテクスチャ構造を有する透明導電膜を形成する方法が示されている。これにより、従来の透明導電膜と同等な製造方法を有し、広範な波長範囲の光を散乱する透明導電膜を形成している。
Further,
しかしながら、上記の特許文献1のように二回のエッチング工程でダブルテクスチャを形成する方法では、凹凸周期の短い凹凸を形成するときにエッチング速度がばらつくため長い凹凸周期の凹凸が消失する、という問題があった。また、凹凸周期の短い凹凸が不規則な位置に発生するため、所望の凹凸周期を有する凹凸を形成することが困難であった。
However, in the method of forming a double texture in two etching steps as in the above-mentioned
一方、上記の特許文献2のようにCVD法による二回製膜で透明導電膜およびダブルテクスチャ構造を形成することで、凹凸周期の短い凹凸形状のばらつきを抑制することができる。しかしながら、小山部で構成される長い凹凸周期の凹凸の凸間が急峻な谷になるため、透明導電膜上に形成される光電変換層、特に結晶性が重要となる微結晶シリコン膜にはそこを基点とした欠陥が生じ、発電特性が低下する、という問題があった。また、製膜工程が複数になるため製造方法が複雑となる、という問題があった。
On the other hand, by forming the transparent conductive film and the double texture structure by two-time film formation by the CVD method as in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上層に形成される光電変換層の欠陥発生を抑制するとともに薄膜光電変換装置の光電変換効率を向上可能な薄膜光電変換装置用基板の製造方法および薄膜光電変換装置の製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and manufacture of a substrate for a thin film photoelectric conversion device capable of suppressing generation of defects in a photoelectric conversion layer formed in an upper layer and improving the photoelectric conversion efficiency of the thin film photoelectric conversion device. It is an object to obtain a method and a manufacturing method of a thin film photoelectric conversion device.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法は、基板上に電極膜を形成する第1工程と、前記電極膜の表面に第1の凹凸を形成する第2工程と、前記第1の凹凸の表面にエネルギービームを照射することにより前記第1の凹凸の斜面に前記第1の凹凸よりも凹凸周期が短い第2の凹凸を形成する第3工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a manufacturing method of a substrate for a thin film photoelectric conversion device according to the present invention includes a first step of forming an electrode film on the substrate, and a first step on the surface of the electrode film. A second step of forming the unevenness and forming a second unevenness having a shorter unevenness period than the first unevenness on the slope of the first unevenness by irradiating the surface of the first unevenness with an energy beam And a third step.
本発明によれば、上層に形成される光電変換層の欠陥発生を抑制するとともに薄膜光電変換装置の光電変換効率を向上可能な薄膜光電変換装置用基板が得られる、という効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that a substrate for a thin film photoelectric conversion device capable of suppressing generation of defects in the photoelectric conversion layer formed in the upper layer and improving the photoelectric conversion efficiency of the thin film photoelectric conversion device is obtained.
以下に、本発明にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法および薄膜光電変換装置の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, embodiment of the manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses concerning this invention and the manufacturing method of a thin film photoelectric conversion apparatus is described in detail based on drawing. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably. In the drawings shown below, the scale of each member may be different from the actual scale for easy understanding. The same applies between the drawings.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法により製造される薄膜光電変換装置用基板1の概略構成を模式的に示す断面図である。この薄膜光電変換装置用基板1は、透光性絶縁基板2と透明電極膜3とを備える基板である。透明電極膜3は、その表面に、凹凸周期が長い第1の凹凸4と凹凸周期が短い第2の凹凸5を有している。例えば第1の凹凸4の凹凸周期を第1周期、第2の凹凸5の凹凸周期を第2周期とすると、第1周期は第2周期よりも長くなる。すなわち、透明電極膜3は、その表面に凹凸周期が異なるダブルテクスチャ構造を有する。このようなダブルテクスチャ構造を有する透明電極膜3は、凹凸周期の長い第1の凹凸4により長波長領域の光を散乱させ、凹凸周期の短い第2の凹凸5により短波長領域の光を散乱させることが可能である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a thin film photoelectric
透明電極膜3の表面に形成された第1の凹凸4は、凹凸周期が1μm〜2μm程度の凹凸を主として構成されている。第1の凹凸4の傾斜面に形成された第2の凹凸5は、凹凸周期が100nm〜200nm程度の凹凸を主として構成されている。
The
この薄膜光電変換装置用基板1では、第2の凹凸5は第1の凹凸4の膜表面にパルスレーザ光照射を用いて形成されている。エネルギービームである一定の波長を有するパルスレーザ光をビーム照射領域の一部を重畳させながら膜表面にスキャン照射すると、膜の最表面が溶融・再凝固して凹凸周期が一定の凹凸が形成される。この現象で形成される周期的凹凸構造を、Laser-Induced Periodic Surface Structure(LIPSS)と呼ぶ。LIPSSの発生メカニズムは完全には解明されていないが、一般にその凹凸周期はレーザ光の波長と照射面に対する角度等とに依存するとされる。その凹凸周期は、下記の数式(1)および数式(2)で表される。数式(1)は、レーザ照射の重畳回数が少ない(〜10回)場合に対応する。数式(2)は、レーザ照射の重畳回数が多い(〜100回)場合に対応する。
In the thin film photoelectric
上記の数式(1)および数式(2)において、Lは凹凸周期を、λはレーザ光波長を、n0,λは波長λでの膜の屈折率を、θは膜面の法線方向に対するレーザ光の入射角度を示す。例えば、膜面に対して垂直にレーザ光を照射する場合は、θ=0°となる。ここで、波長532nmのパルスレーザ光を屈折率2の膜へ膜面に対して垂直に照射した場合は、LIPSSの凹凸周期は〜260nmとなる。また、照射角度のみを45°に変えて、重畳数を10回程度とした場合は、LIPSSの凹凸周期は〜150nmとなる。 In the above formulas (1) and (2), L is the concave-convex period, λ is the laser beam wavelength, n 0, λ is the refractive index of the film at the wavelength λ, and θ is relative to the normal direction of the film surface. The incident angle of laser light is shown. For example, when laser light is irradiated perpendicularly to the film surface, θ = 0 °. Here, when a pulse laser beam having a wavelength of 532 nm is irradiated onto a film having a refractive index of 2 perpendicular to the film surface, the concavo-convex period of LIPSS is ˜260 nm. Moreover, when only the irradiation angle is changed to 45 ° and the number of superpositions is about 10 times, the concavo-convex period of LIPSS is ˜150 nm.
つぎに、上述したようなパルスレーザ照射による凹凸の形成方法を第1の凹凸4の膜表面に適用した場合について説明する。パルスレーザ光の波長は、200nm〜1000nmの範囲であることが好ましい。パルスレーザ光6の波長を制御することにより、第2の凹凸5の凹凸周期を制御可能である。パルスレーザ光6を第1の凹凸4の表面にスキャン照射すると、第1の凹凸4の斜面にパルスレーザ光6のレーザ波長と同等またはそれ以下の凹凸周期を持つ第2の凹凸5が形成される。したがって、パルスレーザ光の波長を200nm〜1000nmの範囲とすることで、凹凸周期を制御して〜1000nmの凹凸周期を持つ第2の凹凸5を形成できる。また、パルスレーザ光の波長が200nmより小である場合は、形成される凹凸周期が100nm以下になってしまい、太陽光に含まれる光が殆ど散乱されなくなり望ましくない。パルスレーザ光の波長が1000nmより大である場合は、形成される凹凸周期が1000nm以上となり、波長1000nm以下の光が殆ど散乱されなくなり望ましくない。
Next, a description will be given of a case where the unevenness forming method by pulse laser irradiation as described above is applied to the film surface of the
パルスレーザ光の光源としては、例えばNd:YAGレーザの基本波、Nd:YAGレーザの2次高調波、Nd:YAGレーザの3次高調波、エキシマレーザ、紫外線レーザなどを用いることができる。これらの光源を用いることにより、数十nm〜数百nmの凹凸周期の第2の凹凸5を形成できる。
As the light source of the pulse laser beam, for example, a fundamental wave of an Nd: YAG laser, a second harmonic of an Nd: YAG laser, a third harmonic of an Nd: YAG laser, an excimer laser, an ultraviolet laser, or the like can be used. By using these light sources, the
図2は、パルスレーザ光照射を用いて凹凸を形成する方法を説明する図であり、第1の凹凸4が形成された透明電極膜3の表面に対するパルスレーザ光6の照射の開始状態を模式的に示す断面図である。図2に示す第1の凹凸4において、突起(凸部)頭頂部の角度は〜45°である。パルスレーザ光6は、図2に示すように第1の凹凸4の表面に、透光性絶縁基板2の基板面に対して垂直に照射される。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of forming irregularities using pulsed laser beam irradiation, and schematically shows a start state of irradiation with pulsed laser light 6 on the surface of the
図3は、パルスレーザ光照射を用いて凹凸を形成する方法を説明する図であり、第1の凹凸4が形成された透明電極膜3の表面に対してパルスレーザ光6をスキャン照射する状態を模式的に示す断面図である。パルスレーザ光6は、図3に示すように第1の凹凸4の表面に、透光性絶縁基板2の基板面に対して垂直にスキャン照射される。
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of forming irregularities using pulsed laser beam irradiation, in which the surface of the
図中の曲線群は、パルスレーザ光6のビーム強度分布を表すビーム強度分布曲線を、矢印Aはパルスレーザ光6のビームのスキャン方向を示している。矢印Aの方向は、透明電極膜3の面方向である。また、図中のビーム強度分布曲線上にパルスレーザ光6の照射回数を表した。パルスレーザ光6のビーム照射領域の重畳数は5回とした。N回目のパルスレーザ光6のビーム照射に続く(N+1)回目のパルスレーザ光6のビーム照射では、ビーム幅の20%照射領域をずらすので、照射領域の80%が重畳されている。同様の割合で照射位置をずらしながらパルスレーザ光6を透明電極膜3の表面に照射し続けると、(N+5)回目の照射ではN回目の照射との照射領域の重畳が無くなる。
The curve group in the figure indicates a beam intensity distribution curve representing the beam intensity distribution of the pulsed laser light 6, and the arrow A indicates the scanning direction of the beam of the pulsed laser light 6. The direction of arrow A is the surface direction of the
このようにしてパルスレーザ光6を透明電極膜3の表面にスキャン照射すると、図1に示したように第1の凹凸4の斜面に、パルスレーザ光6のレーザ波長と同等またはそれ以下の凹凸周期を持つ第2の凹凸5が形成される。例えばパルスレーザ光6の光源に波長300nm程度の紫外線レーザを用いた場合は、以下で述べるが透明電極膜3の屈折率は〜2であるので第2の凹凸5の凹凸周期は〜150nm程度となり、第1の凹凸4の凹凸周期に比べて短くなる。したがって、第1の凹凸4を1μm〜2μm程度の長い凹凸周期で形成することにより、凹凸周期の長い第1の凹凸4と凹凸周期の短い第2の凹凸5とにより構成されたダブルテクスチャ構造を透明電極膜3の表面に形成できる。
When the surface of the
また、パルスレーザ光6の光源に波長300nm程度のエキシマレーザを用いた場合は、透明電極膜3の屈折率は〜2であるので第2の凹凸5の凹凸周期は数十nm程度となり、第1の凹凸4の凹凸周期に比べて短くなる。したがって、第1の凹凸4を1μm〜2μm程度の長い凹凸周期で形成することにより、凹凸周期の長い第1の凹凸4と凹凸周期の短い第2の凹凸5とにより構成されたダブルテクスチャ構造を透明電極膜3の表面に形成できる。
When an excimer laser having a wavelength of about 300 nm is used as the light source of the pulse laser beam 6, the refractive index of the
次に、上記において説明したパルスレーザ照射による凹凸の形成方法を用いた薄膜光電変換装置用基板1の製造方法について説明する。図4は、本発明の実施の形態1にかかる薄膜光電変換装置用基板1の製造方法の手順を説明する断面図である。まず、図4(a)に示すように透光性絶縁基板2の上に透明電極膜3を形成する。スーパーストレート型の薄膜光電変換装置に用いる薄膜光電変換装置用基板では、基板として透光性絶縁基板が使用され、第1電極として透明電極膜が使用される。
Next, the manufacturing method of the board |
透光性絶縁基板2には、透光性および絶縁性を有する基板として、例えば透明なガラスや樹脂、またこれらの材料の上に不純物の阻止層として、スパッタリング法などで酸化珪素などのアンダーコート層を設けたものが使用できる。
The light-transmitting
透明電極膜3には、透光性を有する導電膜として、高い光透過率を有する酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム錫(ITO:Indium Tin Oxide)、酸化スズ(SnO2)などの透明導電膜や、これらにアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ホウ素(B)、イットリウム(Y)、シリコン(Si)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)からなる群より選択した少なくとも1種類以上の元素を添加した透明導電膜を使用することができる。透明電極膜3の製膜には、例えばスパッタリング法や熱CVD法を用いることができる。透明電極膜3の膜厚は、導電性を維持するため、0.5μm〜1μm程度が好ましい。
For the
次いで、図4(b)に示すように透明電極膜3の表面に、凹凸周期の長い第1の凹凸4を形成する。透明電極膜3がZnOやITOなど、スパッタリング法で形成された膜である場合は、その表面は平坦になる。そして、透明電極膜3の形成後、希塩酸などの酸性溶液で透明電極膜3の表面を化学エッチングすることにより、透明電極膜3の表面に第1の凹凸4を形成する。希塩酸の濃度は、0.1%またはそれ以下が好ましい。このとき、ZnO、ITOなどの透明電極膜3の形成条件、希塩酸によるエッチング条件を適切に選ぶことにより、第1の凹凸4の主な領域の凹凸周期を数μmにすることができる。
Next, as shown in FIG. 4B,
また、透明電極膜3がSnO2など、熱CVD法で形成された膜である場合は、その表面には形成時に凹凸が発生する。このため、透明電極膜3がZnOやITOからなる場合のような、膜形成後の希塩酸などによる表面の化学エッチングは不要である。
In addition, when the
第1の凹凸4を形成した後、図4(c)に示すように第1の凹凸4の斜面上に、パルスレーザ光6を矢印Bの方向にスキャン照射する。矢印Bの方向は、透明電極膜3の面方向である。たとえば、第1の凹凸4が形成された透明電極膜3の表面に、波長532nmのNd:YAGレーザの2次高調波を光源としたパルスレーザ光6を上述のように透光性絶縁基板2の基板面に対して垂直にスキャン照射する。パルスレーザ光6の照射の重畳回数は生産性の低下を抑えるため、10回程度が好ましい。
After forming the
上述のように第1の凹凸4の斜面上にパルスレーザ光6をスキャン照射すると、図4(d)に示すように第1の凹凸4の斜面に、凹凸周期の短い第2の凹凸5が形成される。また、透明電極膜3に用いるZnO、ITO、SnO2の屈折率は約2であり、第1の凹凸4の突起(凸部)部頭頂角は30°程度であることから、パルスレーザ光6の照射によって形成される第2の凹凸5の凹凸周期は数式(1)から約160nm(≒532nm/3.4)となり、第1の凹凸4の凹凸周期(〜1μm)に比べて小さい値となる。したがって、凹凸周期の長い第1の凹凸4と凹凸周期の短い第2の凹凸5とにより構成されたダブルテクスチャ構造が実現される。
When the pulse laser beam 6 is scanned and irradiated on the slope of the
このようにして形成されたダブルテクスチャ構造を有する透明電極膜3は、凹凸周期の長い第1の凹凸4により長波長領域の光を散乱させ、凹凸周期の短い第2の凹凸5により短波長領域の光を散乱させることが可能となる。
The
上述した実施の形態1にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法においては、凹凸周期の長い第1の凹凸4の表面にパルスレーザ光6をスキャン照射することにより第1の凹凸4の斜面上に凹凸周期の短い第2の凹凸5が選択的に形成される。そして、第2の凹凸5は主に第1の凹凸4の斜面上に形成されるため、第2の凹凸5の形成時に凹凸周期の長い第1の凹凸4が消失することが無く、また、所望の凹凸周期で第2の凹凸5を形成することができる。これにより、光散乱特性の良好なダブルテクスチャ構造を透明電極膜3の表面に確実に形成することができる。
In the manufacturing method of the substrate for a thin film photoelectric conversion device according to the first embodiment described above, the surface of the
また、実施の形態1にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法においては、第1の凹凸4を化学エッチング法で形成するため、第1の凹凸4の凹部の傾斜が緩やかになり、第1の凹凸4の表面における急峻な谷の発生が抑制される。このため、本実施の形態の製造方法で作製した薄膜光電変換装置用基板1上に微結晶シリコン膜などの光電変換層を形成して光電変換装置を構成した場合、第1の凹凸4の谷上に欠陥が発生せず、発電効率の高い光電変換装置が得られる。
Moreover, in the manufacturing method of the substrate for a thin film photoelectric conversion device according to the first embodiment, since the
また、実施の形態1にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法においては、透明電極膜3の形成時における製膜工程が1回であるため、製造方法が簡便である。
Moreover, in the manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion
したがって、実施の形態1にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法によれば、上層に形成される光電変換層の欠陥発生を抑制するとともに薄膜光電変換装置の光電変換効率を向上可能な薄膜光電変換装置用基板が得られる、という効果を奏する。 Therefore, according to the manufacturing method of the substrate for a thin film photoelectric conversion device according to the first embodiment, the thin film photoelectric conversion device capable of suppressing the generation of defects in the photoelectric conversion layer formed in the upper layer and improving the photoelectric conversion efficiency of the thin film photoelectric conversion device. There exists an effect that the board | substrate for converters is obtained.
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法により製造される薄膜光電変換装置用基板101の概略構成を模式的に示す断面図である。この薄膜光電変換装置用基板101は、透光性絶縁基板102と透明電極膜103とを備える基板である。透明電極膜103は、その表面に、凹凸周期が長い第1の凹凸104と凹凸周期が短い第2の凹凸105を有している。例えば第1の凹凸104の凹凸周期を第1周期、第2の凹凸105の凹凸周期を第2周期とすると、第1周期は第2周期よりも長くなる。すなわち、透明電極膜103は、その表面に凹凸周期が異なるダブルテクスチャ構造を有する。このようなダブルテクスチャ構造を有する透明電極膜103は、凹凸周期の長い第1の凹凸104により長波長領域の光を散乱させ、凹凸周期の短い第2の凹凸105により短波長領域の光を散乱させることが可能である。
FIG. 5: is sectional drawing which shows typically schematic structure of the board |
透明電極膜103の表面に形成された第1の凹凸104は、凹凸周期が1μm〜2μm程度の凹凸を主として構成されている。第1の凹凸104の傾斜面に形成された第2の凹凸105は、凹凸周期が100nm〜200nm程度の凹凸を主として構成されている。
The
この薄膜光電変換装置用基板101では、第2の凹凸105は第1の凹凸104の膜表面にイオンビーム照射を用いて形成されている。エネルギービームであるイオンビームを膜表面にスキャン照射すると、膜の最表面のスパッタリングと表面拡散の競合過程が発生して凹凸周期が一定の凹凸が形成される。この現象をRipple Pattern Formationと呼ぶ。Ripple Pattern Formationの発生メカニズムは完全には解明されていないが、一般に同現象で形成される凹凸周期は数百nm程度である。凹凸周期は、イオンビームのエネルギー、フラックス(単位面積・単位時間あたりに入るイオンの量)、照射角度に依存する。イオンビームのエネルギーとフラックスは高いほど、照射角度は膜面に対して小さいほど、凹凸周期の短い凹凸が形成される。また、イオンビームを膜面に対して垂直に照射した場合は、凹凸は殆ど形成されない。
In the thin film photoelectric
つぎに、上述したようなイオンビーム照射による凹凸の形成方法を第1の凹凸104の膜表面に適用した場合について説明する。イオンビームは、例えばイオンにアルゴン(Ar)イオンを用いたアルゴンイオンビーム、イオンにヘリウム(He)を用いたヘリウムイオンビーム、イオンに窒素分子(N2)を用いた窒素分子イオンビームなどの希ガスイオンビームを用いることができる。希ガスイオンビームを用いることにより、イオンビームの形成が容易となり、また透明電極膜103への不純物の混入を抑制できる。イオンビームの照射には、汎用のイオン注入装置などを用いる。
Next, a description will be given of a case where the unevenness forming method by ion beam irradiation as described above is applied to the film surface of the
図6は、イオンビーム照射を用いて凹凸を形成する方法を説明する図であり、第1の凹凸104が形成された透明電極膜103の表面に対してイオンビーム106をスキャン照射する状態を模式的に示す断面図である。図6に示す第1の凹凸104において、突起(凸部)頭頂部の角度は〜45°である。実施の形態1におけるパルスレーザ光6のスキャン照射と同様な方法で、イオンビーム106を第1の凹凸104の表面に透光性絶縁基板102の基板面に対して垂直にスキャン照射すると上述の照射角度が45°となる。
FIG. 6 is a diagram for explaining a method of forming irregularities using ion beam irradiation, and schematically illustrates a state in which the surface of the
このようにしてイオンビーム106を透明電極膜103の表面にスキャン照射すると、図5に示したように第1の凹凸104の斜面に、数百nm程度の凹凸周期を持つ第2の凹凸105が形成される。また、第1の凹凸104の頭頂部と谷部とではイオンビーム106は膜面に対して垂直に照射されることになり、第2の凹凸105は殆ど形成されない。したがって、第1の凹凸104を1μm〜2μm程度の長い凹凸周期で形成することにより、凹凸周期の長い第1の凹凸104と凹凸周期の短い第2の凹凸105とにより構成されたダブルテクスチャ構造を透明電極膜103の表面に形成できる。
When the
次に、上記において説明したイオンビーム照射による凹凸の形成方法を用いた薄膜光電変換装置用基板101の製造方法について説明する。図7は、本発明の実施の形態2にかかる薄膜光電変換装置用基板101の製造方法の手順を説明する断面図である。まず、図7(a)に示すように透光性絶縁基板102の上に透明電極膜103を形成する。スーパーストレート型の薄膜光電変換装置に用いる薄膜光電変換装置用基板では、基板として透光性絶縁基板が使用され、第1電極として透明電極膜が使用される。
Next, a method for manufacturing the
透光性絶縁基板102には、透光性および絶縁性を有する基板として、例えば透明なガラスや樹脂、またこれらの材料の上に不純物の阻止層として、スパッタリング法などで酸化珪素などのアンダーコート層を設けたものが使用できる。
The light-transmitting
透明電極膜103には、透光性を有する導電膜として、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム錫(ITO:Indium Tin Oxide)、酸化スズ(SnO2)などの透明導電膜や、これらにアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ホウ素(B)、イットリウム(Y)、シリコン(Si)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)からなる群より選択した少なくとも1種類以上の元素を添加した透明導電膜を使用することができる。透明電極膜103の製膜には、例えばスパッタリング法や熱CVD法を用いることができる。透明電極膜103の膜厚は、導電性を維持するため、0.5μm〜1μm程度が好ましい。
The
次いで、図7(b)に示すように透明電極膜103の表面に、凹凸周期の長い第1の凹凸104を形成する。透明電極膜103がZnOやITOなど、スパッタリング法で形成された膜である場合は、その表面は平坦になる。そして、透明電極膜103の形成後、希塩酸などの酸性溶液で透明電極膜103の表面を化学エッチングすることにより、透明電極膜103の表面に第1の凹凸104を形成する。希塩酸の濃度は、0.1%またはそれ以下が好ましい。このとき、ZnO、ITOなどの透明電極膜103の形成条件、希塩酸によるエッチング条件を適切に選ぶことにより、第1の凹凸104の主な領域の凹凸周期を数μmにすることができる。
Next, as shown in FIG. 7B, a
また、透明電極膜103がSnO2など、熱CVD法で形成された膜である場合は、その表面には形成時に凹凸が発生する。このため、透明電極膜103がZnOやITOからなる場合のような、膜形成後の希塩酸などによる表面の化学エッチングは不要である。
In addition, when the
第1の凹凸104を形成した後、図7(c)に示すように第1の凹凸104の斜面上に、イオンビーム106を矢印Cの方向にスキャン照射する。矢印Cの方向は、透明電極膜103の面方向である。たとえば、第1の凹凸104が形成された透明電極膜103の表面に、加速電圧50keV以下のアルゴン(Ar)イオンビームを上述のように透光性絶縁基板102の基板面に対して垂直にスキャン照射する。イオンビーム106の照射の重畳回数は生産性の低下を抑えるため、10回程度が好ましい。
After the
上述のように第1の凹凸104の斜面上にイオンビーム106をスキャン照射すると、図7(d)に示すように第1の凹凸104の斜面に、凹凸周期の短い第2の凹凸105が形成される。イオンビーム106の照射によって形成される第2の凹凸105の凹凸周期は数百nmとなり、第1の凹凸104の凹凸周期(〜1μm)に比べて小さい値となる。したがって、凹凸周期の長い第1の凹凸104と凹凸周期の短い第2の凹凸105とにより構成されたダブルテクスチャ構造が実現される。
When the
このようにして形成されたダブルテクスチャ構造を有する透明電極膜103は、凹凸周期の長い第1の凹凸104により長波長領域の光を散乱させ、凹凸周期の短い第2の凹凸105により短波長領域の光を散乱させることが可能となる。
The
上述した実施の形態2にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法においては、凹凸周期の長い第1の凹凸104の表面にイオンビーム106を透光性絶縁基板102の基板面に対して垂直にスキャン照射することにより第1の凹凸104の斜面上に凹凸周期の短い第2の凹凸105が選択的に形成される。そして、第1の凹凸104の頭頂部と谷部とでは第2の凹凸105は殆ど形成されないため、第2の凹凸105の形成時に凹凸周期の長い第1の凹凸104が消失することが無く、また、所望の凹凸周期で第2の凹凸105を形成することができる。これにより、光散乱特性の良好なダブルテクスチャ構造を透明電極膜103の表面に確実に形成することができる。
In the method for manufacturing the substrate for a thin film photoelectric conversion device according to the second embodiment described above, the
また、実施の形態2にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法においては、第1の凹凸104を化学エッチング法で形成するため、第1の凹凸104の凹部の傾斜が緩やかになり、第1の凹凸104の表面における急峻な谷の発生が抑制される。このため、本実施の形態の製造方法で作製した薄膜光電変換装置用基板101上に微結晶シリコン膜などの光電変換層を形成して光電変換装置を構成した場合、第1の凹凸104の谷上に欠陥が発生せず、発電効率の高い光電変換装置が得られる。
Moreover, in the manufacturing method of the substrate for a thin film photoelectric conversion device according to the second embodiment, since the
また、実施の形態2にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法においては、透明電極膜3の形成時における製膜工程が1回であるため、製造方法が簡便である。
Moreover, in the manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion
したがって、実施の形態2にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法によれば、上層に形成される光電変換層の欠陥発生を抑制するとともに薄膜光電変換装置の光電変換効率を向上可能な薄膜光電変換装置用基板が得られる、という効果を奏する。 Therefore, according to the manufacturing method of the substrate for a thin film photoelectric conversion device according to the second embodiment, the thin film photoelectric conversion device capable of suppressing the generation of defects in the photoelectric conversion layer formed in the upper layer and improving the photoelectric conversion efficiency of the thin film photoelectric conversion device. There exists an effect that the board | substrate for converters is obtained.
実施の形態3.
図8は、実施の形態1にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法により製造された薄膜光電変換装置用基板1を用いて作製された光電変換装置201の概略構成を模式的に示す要部断面図である。この光電変換装置201は、透光性絶縁基板2と透明電極膜3とを備える薄膜光電変換装置用基板1上に、非晶質シリコン(Si)光電変換層14、中間層15、微結晶シリコン(Si)光電変換層16、裏面電極層17が順に積層された構成を有する。また、透光性絶縁基板2と透明電極膜3との間には、必要に応じて不純物の阻止層として酸化シリコンからなるアンダーコート層18を備えてもよい。
FIG. 8: is a principal part which shows typically schematic structure of the
非晶質シリコン(Si)光電変換層14は、透明電極膜3側からp型非晶質Si層141、i型非晶質Si層142、n型非晶質Si層143が積層され、p−i−n接合を有する。微結晶シリコン(Si)光電変換層16は、中間層15側からp型微結晶Si層161、i型微結晶Si層162、n型微結晶Si層163が積層され、p−i−n接合を有する。
The amorphous silicon (Si)
なお、光電変換層として非晶質シリコン(Si)光電変換層14と微結晶シリコン(Si)光電変換層16とを積み重ねた構造としたが、いずれか1層のみでもよく、また、さらに別の層を積み重ねてもよい。また、光電変換層の材料としてSiのかわりにSiとゲルマニウム(Ge)、Siと炭素(C)などの混合材料などを用いてもよい。これらの光電変換層は、例えばシラン(SiH4)などの半導体原料ガスを用いたCVD法などで形成することができる。
Note that although the amorphous silicon (Si)
中間層15は、非晶質シリコン(Si)光電変換層14と微結晶シリコン(Si)光電変換層16との間に設けられ、部分酸化したSi(SiOx)や透明導電材料などを使用することができる。裏面電極層17は第2電極であり、透明導電材料や銀(Ag)などの金属材料を使用することができ、CVD法やスパッタリング法などで形成することができる。
The
以上のように構成された光電変換装置201の作製方法について説明する。まず、実施の形態1にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法により薄膜光電変換装置用基板1を作製する。なお、必要に応じて透光性絶縁基板2と透明電極膜3との間にアンダーコート層18を設けてもよい。
A method for manufacturing the
つぎに、透明電極膜3上に非晶質シリコン(Si)光電変換層14を公知の方法で形成する。例えば非晶質シリコン(Si)光電変換層14として、透明電極膜3側からp型非晶質Si層141、i型非晶質Si層142、n型非晶質Si層143をCVD法により順次形成する。
Next, an amorphous silicon (Si)
つぎに、非晶質シリコン(Si)光電変換層14上に中間層15を公知の方法で形成する。たとえば部分酸化したSi(SiOx)をCVD法により形成する。
Next, the
つぎに、中間層15上に微結晶シリコン(Si)光電変換層16を公知の方法で形成する。例えば微結晶シリコン(Si)光電変換層16として、中間層15側からp型微結晶Si層161、i型微結晶Si層162、n型微結晶Si層163をCVD法により順次形成する。
Next, a microcrystalline silicon (Si)
つぎに、微結晶シリコン(Si)光電変換層16上に裏面電極層17を公知の方法で形成する。たとえば裏面電極層17として、銀(Ag)膜をスパッタリング法で形成する。以上により、図8に示す実施の形態3にかかる光電変換装置201が製造される。
Next, the
上述した実施の形態3にかかる薄膜光電変換装置の製造方法においては、実施の形態1にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法により製造された薄膜光電変換装置用基板1を用いるため、より広範な波長範囲の光の利用効率が高まって、光電変換効率の優れた薄膜光電変換装置が得られる。
In the thin film photoelectric conversion device manufacturing method according to the third embodiment described above, the thin film photoelectric
また、本実施の形態の製造方法で作製した薄膜光電変換装置用基板1上に光電変換層16を形成して光電変換装置201を形成するため、透明電極膜3の表面に形成された凹凸周期が長い第1の凹凸4の谷上においても光電変換層16に欠陥が発生せず、光電変換効率の高い薄膜光電変換装置が得られる。
In addition, in order to form the
また、上記の実施の形態で説明した構成を有する薄膜光電変換装置セルを透光性絶縁基板2上に複数形成し、隣接する薄膜光電変換装置セル同士を電気的に接続することにより、光電変換効率に優れた薄膜光電変換モジュールが実現できる。この場合は、隣接する薄膜光電変換セルの一方の透明電極膜3と他方の裏面電極層17とを電気的に接続すればよい。
In addition, a plurality of thin film photoelectric conversion device cells having the configuration described in the above embodiment are formed on the light-transmitting
以上のように、本発明にかかる薄膜光電変換装置用基板の製造方法は、高性能の薄膜光電変換装置用基板の製造に有用である。 As described above, the method for manufacturing a substrate for a thin film photoelectric conversion device according to the present invention is useful for manufacturing a substrate for a high performance thin film photoelectric conversion device.
1 薄膜光電変換装置用基板
2 透光性絶縁基板
3 透明電極膜
4 第1の凹凸
5 第2の凹凸
6 パルスレーザ光
14 光電変換層
15 中間層
16 光電変換層
17 裏面電極層
18 アンダーコート層
101 薄膜光電変換装置用基板
102 透光性絶縁基板
103 透明電極膜
104 第1の凹凸
105 第2の凹凸
106 イオンビーム
141 p型非晶質Si層
142 i型非晶質Si層
143 n型非晶質Si層
161 p型微結晶Si層
162 i型微結晶Si層
163 n型微結晶Si層
201 光電変換装置
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記電極膜の表面に第1の凹凸を形成する第2工程と、
前記第1の凹凸の表面にエネルギービームを照射することにより前記第1の凹凸の斜面に前記第1の凹凸よりも凹凸周期が短い第2の凹凸を形成する第3工程と、
を含むことを特徴とする薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 A first step of forming an electrode film on the substrate;
A second step of forming first irregularities on the surface of the electrode film;
A third step of forming a second concavo-convex having a concavo-convex period shorter than the first concavo-convex on the slope of the first concavo-convex by irradiating the surface of the first concavo-convex with an energy beam;
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses characterized by including.
を特徴とする請求項1に記載の薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 The energy beam is a pulsed laser beam;
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses of Claim 1 characterized by these.
を特徴とする請求項2に記載の薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 The wavelength of the pulse laser beam is in the range of 200 nm to 1000 nm;
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses of Claim 2 characterized by these.
を特徴とする請求項2に記載の薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 The light source of the pulse laser beam is at least one selected from a fundamental wave of an Nd: YAG laser, a harmonic wave of an Nd: YAG laser, an excimer laser, and an ultraviolet laser;
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses of Claim 2 characterized by these.
を特徴とする請求項4に記載の薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 The light source of the pulse laser beam is an excimer laser;
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses of Claim 4 characterized by these.
を特徴とする請求項1に記載の薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 The energy beam is an ion beam;
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses of Claim 1 characterized by these.
を特徴とする請求項6に記載の薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 The ion beam is a rare gas ion beam;
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses of Claim 6 characterized by these.
を特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 In the first step, a zinc oxide film or an indium tin oxide film is formed as the electrode film by a sputtering method,
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses as described in any one of Claims 1-7 characterized by these.
を特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 In the second step, the first irregularities are formed on the surface of the electrode film by chemical etching using an acidic solution.
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses as described in any one of Claims 1-8 characterized by these.
前記電極膜の形成時に前記第1の凹凸が形成されること、
を特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の薄膜光電変換装置用基板の製造方法。 In the first step, a tin oxide film is formed as the electrode film by a thermal CVD method,
The first unevenness is formed when the electrode film is formed;
The manufacturing method of the board | substrate for thin film photoelectric conversion apparatuses as described in any one of Claims 1-7 characterized by these.
前記第1電極上に光電変換を行う光電変換層を形成する光電変換層形成工程と、
前記光電変換層上に第2電極を形成する第2電極形成工程と、
を含むことを特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。 A first electrode forming step of forming a first electrode having translucency on a translucent insulating substrate by the method for manufacturing a substrate for a thin film photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 10,
A photoelectric conversion layer forming step of forming a photoelectric conversion layer for performing photoelectric conversion on the first electrode;
A second electrode forming step of forming a second electrode on the photoelectric conversion layer;
The manufacturing method of the thin film photoelectric conversion apparatus characterized by including.
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