JP2012256776A - Manufacturing method of thin-film photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜光電変換装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a thin film photoelectric conversion device.
薄膜光電変換装置である薄膜シリコン太陽電池は、バルク型光電変換装置である結晶シリコン太陽電池と比較して、材料であるシリコンの使用量が少なく、低コストでの生産が可能である観点から、研究、開発が活発に行われている。薄膜シリコン太陽電池の製造方法としては、プラズマCVD法により薄膜光電変換セルを形成する方法が用いられ、非晶質シリコン膜または微結晶シリコン膜を光電変換層に用いる形態が一般的に検討されている。 From the viewpoint that the thin film silicon solar cell that is a thin film photoelectric conversion device is less used than the crystalline silicon solar cell that is a bulk photoelectric conversion device, and can be produced at low cost. Research and development are active. As a method of manufacturing a thin film silicon solar cell, a method of forming a thin film photoelectric conversion cell by a plasma CVD method is used, and a form in which an amorphous silicon film or a microcrystalline silicon film is used for a photoelectric conversion layer is generally studied. Yes.
薄膜シリコン太陽電池セル中において、発電に寄与する薄膜光電変換ユニットは、p型半導体層とi型半導体層(光電変換層)とn型半導体層とが積層されて構成されている。また、薄膜光電変換ユニットで発生した電力を取り出すために、p型半導体層およびn型半導体層はそれぞれ電極に接続され、これらを含めて光電変換セルとされる。 In a thin-film silicon solar battery cell, a thin-film photoelectric conversion unit that contributes to power generation is configured by stacking a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer), and an n-type semiconductor layer. Moreover, in order to take out the electric power which generate | occur | produced in the thin film photoelectric conversion unit, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are each connected to an electrode, and are used as a photoelectric conversion cell including these.
発電を行うためには太陽光がi型半導体層(光電変換層)へ到達する必要があることから、電極のうち少なくとも一方は透明(太陽光の吸収が少ない)ことが必要である(透明電極層)。他方の電極については、入射した太陽光のうちi型半導体層(光電変換層)で吸収しきれなかった透過光分を再度i型半導体層(光電変換層)へ戻すという観点から、反射特性の高い電極(反射電極層)が用いられる。 Since sunlight needs to reach the i-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer) in order to generate power, at least one of the electrodes needs to be transparent (light absorption of sunlight) (transparent electrode) layer). With respect to the other electrode, from the viewpoint of returning to the i-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer) the transmitted light that has not been absorbed by the i-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer) of the incident sunlight, A high electrode (reflection electrode layer) is used.
このような薄膜シリコン太陽電池セルでは、光電変換効率を向上させるために、タンデム型構造が活用される。タンデム型構造は、透明電極層と反射電極層との間に形成される薄膜光電変換ユニットとして、薄膜半導体層の吸収波長域の異なる複数の薄膜光電変換ユニットが積層された構造であり、入射光をより有効に利用可能な構造である。 In such a thin film silicon solar battery cell, a tandem structure is utilized in order to improve the photoelectric conversion efficiency. The tandem structure is a structure in which a plurality of thin film photoelectric conversion units having different absorption wavelength ranges of a thin film semiconductor layer are stacked as a thin film photoelectric conversion unit formed between a transparent electrode layer and a reflective electrode layer. It is a structure that can be used more effectively.
タンデム型構造の例として、光入射側の薄膜光電変換層としてより広いバンドギャップを有するアモルファス(非晶質)シリコン層を使用し、反射側の薄膜光電変換層には狭いバンドギャップを有する微結晶シリコン層を用いる構造などが考えられている。微結晶シリコンの成膜においては、例えば特許文献1に示されるようにラマン散乱スペクトルにおける480cm−1の非晶質シリコンピークと520cm−1の結晶シリコンピークとの比が結晶化率と定義され、この結晶化率の最適化により特性も影響を受ける。また、この結晶化率については、成膜時に用いるシラン(SiH4)ガスの流量を増加させること、またはRFパワーを低下させることにより結晶化率を低くすることができるように、成膜プロセスによって結晶化率を0.5程度から10程度まで変化させることが可能である。 As an example of a tandem structure, an amorphous silicon layer having a wider band gap is used as the thin film photoelectric conversion layer on the light incident side, and a microcrystal having a narrow band gap is used on the thin film photoelectric conversion layer on the reflection side. A structure using a silicon layer is considered. In the film formation of the microcrystalline silicon, for example, the ratio between the crystalline silicon peak of amorphous silicon peak and 520 cm -1 in the 480 cm -1 in the Raman scattering spectrum, as shown in Patent Document 1 is defined as the crystallization rate, The characteristics are also affected by the optimization of the crystallization rate. The crystallization rate depends on the film formation process so that the crystallization rate can be lowered by increasing the flow rate of the silane (SiH 4 ) gas used at the time of film formation or by reducing the RF power. It is possible to change the crystallization rate from about 0.5 to about 10.
以下、薄膜シリコン太陽電池セルの一般的な作製方法について説明する。例えばガラスのような透光性絶縁基板上に高光反射性の反射電極層を形成する。また、高光反射金属基板を基板に用いる場合は、高光反射金属基板上に透明導電層をスパッタリング法などで形成する。 Hereinafter, a general manufacturing method of the thin-film silicon solar battery will be described. For example, a reflective electrode layer having high light reflectivity is formed on a light-transmitting insulating substrate such as glass. When a high light reflective metal substrate is used as the substrate, a transparent conductive layer is formed on the high light reflective metal substrate by a sputtering method or the like.
つぎに、反射電極層(透明導電層)上にプラズマCVD法などを用いて、n型半導体層、i型半導体層(光電変換層)、p型半導体層を順次積層して薄膜光電変換ユニットを形成する。また、タンデム型構造においては、微結晶シリコン層を用いた薄膜光電変換ユニットを形成した後に、非晶質シリコン層を用いた薄膜光電変換ユニットを積層形成する。その後、酸化亜鉛(ZnO)や酸化インジウムスズ(ITO)などの透明導電性酸化物を薄膜光電変換ユニット上に形成することで薄膜シリコン太陽電池セルが作製される。 Next, an n-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer), and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked on the reflective electrode layer (transparent conductive layer) using a plasma CVD method or the like to form a thin film photoelectric conversion unit. Form. In the tandem structure, after a thin film photoelectric conversion unit using a microcrystalline silicon layer is formed, a thin film photoelectric conversion unit using an amorphous silicon layer is stacked. Thereafter, a transparent conductive oxide such as zinc oxide (ZnO) or indium tin oxide (ITO) is formed on the thin film photoelectric conversion unit to produce a thin film silicon solar battery cell.
また、タンデム型の薄膜シリコン太陽電池においては、積層された薄膜光電変換ユニットの間に光透過性および光反射性の双方を有し、且つ導電性の中間反射層を介在させることがある。この中間反射層を設ける場合には、光入射側の光電変換ユニットを通過した光のうち光入射側の薄膜光電変換ユニット側に適した波長の光を中間反射層で反射させることができる。このため、光入射側の薄膜光電変換ユニットの光電変換層の実効的な膜厚を増大させることができる、という効果が得られる。 Moreover, in a tandem-type thin film silicon solar cell, it may have both light transmittance and light reflectivity between laminated thin film photoelectric conversion units, and a conductive intermediate reflection layer may be interposed. When this intermediate reflective layer is provided, light having a wavelength suitable for the light incident side thin film photoelectric conversion unit side out of the light that has passed through the light incident side photoelectric conversion unit can be reflected by the intermediate reflective layer. For this reason, the effect that the effective film thickness of the photoelectric converting layer of the thin film photoelectric conversion unit by the side of light incidence can be increased is acquired.
前述したように、光電変換層に用いられる膜の種類によって、吸収する光の波長が異なるとともに、その膜厚によって吸収される光量も変化する。光電変換層の膜厚が厚くなるにしたがって該光電変換層で吸収される光の量は増加することから、薄膜シリコン太陽電池の性能を上げるためには光電変換層の膜厚を厚くすることが好ましい。しかしながら、光電変換層の膜厚を厚くすることは、コストやスループットとともに光電変換層の膜質に影響する。このため、薄い膜厚の光電変換層で多くの光を吸収させる技術が必要となる。 As described above, the wavelength of light to be absorbed varies depending on the type of film used in the photoelectric conversion layer, and the amount of light absorbed varies depending on the film thickness. Since the amount of light absorbed by the photoelectric conversion layer increases as the film thickness of the photoelectric conversion layer increases, it is necessary to increase the film thickness of the photoelectric conversion layer in order to improve the performance of the thin film silicon solar cell. preferable. However, increasing the film thickness of the photoelectric conversion layer affects the film quality of the photoelectric conversion layer as well as cost and throughput. For this reason, a technique for absorbing a large amount of light with a thin photoelectric conversion layer is required.
このような技術として、テクスチャ構造が用いられている。テクスチャ構造は、膜の表面に凹凸が形成された構造のことであり、光の入射角度を変化させることにより、界面での反射を低減し、また入射した光の行路長を長くすることを目的としている。このため、テクスチャ構造における凹凸の高低差、平面方向のピッチにより、効率的に散乱される光の波長が異なる。全透過率に対する散乱透過率の比はヘイズ率と呼ばれ、光電変換層で多くの光を吸収させるためには、光電変換層において吸収する光の波長に対するヘイズ率が高いことが好ましい。 As such a technique, a texture structure is used. The texture structure is a structure in which irregularities are formed on the surface of the film. The purpose is to reduce reflection at the interface and lengthen the path length of incident light by changing the incident angle of light. It is said. For this reason, the wavelength of the light scattered efficiently changes with the height difference of the unevenness | corrugation in a texture structure, and the pitch of a plane direction. The ratio of the scattered transmittance to the total transmittance is called a haze ratio. In order to absorb a large amount of light in the photoelectric conversion layer, it is preferable that the haze ratio with respect to the wavelength of light absorbed in the photoelectric conversion layer is high.
テクスチャ構造の有する利点としては、前述の散乱光の増加とともに、反射率の低減が挙げられる。例えば非特許文献1には、透明導電膜からシリコン膜への入射時における光反射率を低減させるために適したテクスチャ構造に関する記述があり、波長700nm以下では、幅300nm、高さ200nm、波長700nm以上では、幅450nm、高さ300nm程度が反射率が少なくなる、との記述がある。大雑把には、透明導電膜のテクスチャ構造の凹凸は、目的とする波長の半分程度の幅(W)と、その2/3程度の高さ(H)を持つことが望ましいといえる。幅(W)に対する高さ(H)の比率は、W=1.5H程度が適当である。凹凸の高さ(H)が高い場合には透明導電膜の表面の急峻な形状によって光電変換層に欠陥が入り易くなり、凹凸の高さ(H)が低い場合には透明導電膜の表面は局所的には平坦形状に近似されることから反射・散乱特性としては適した結果を得ることができない。 Advantages of the texture structure include a reduction in reflectivity as the scattered light increases. For example, Non-Patent Document 1 describes a texture structure suitable for reducing the light reflectance at the time of incidence from a transparent conductive film to a silicon film. When the wavelength is 700 nm or less, the width is 300 nm, the height is 200 nm, and the wavelength is 700 nm. In the above, there is a description that the reflectivity decreases when the width is about 450 nm and the height is about 300 nm. Roughly speaking, it can be said that the unevenness of the texture structure of the transparent conductive film desirably has a width (W) of about half of the target wavelength and a height (H) of about 2/3 thereof. A suitable ratio of height (H) to width (W) is about W = 1.5H. When the unevenness height (H) is high, the photoelectric conversion layer is likely to have defects due to the steep shape of the surface of the transparent conductive film. When the unevenness height (H) is low, the surface of the transparent conductive film is Since it is locally approximated to a flat shape, a result suitable for reflection / scattering characteristics cannot be obtained.
なお、以下ではテクスチャ構造のテクスチャ形状(凹凸形状)の表現については、前述したような幅(W)と高さ(H)との関係を概ね満たすような理想的な形状を表現することから、特に記述の無い限り高さ部分の値を述べ、幅については、上記の値からわかるように高さの1.5倍程度の値を有することとする。例えば「300nm程度のテクスチャ形状」という表現は、「高さ(凹凸段差)が300nm程度であり、幅が450nm程度のテクスチャ形状」を示すこととする。なお、本明細書においてテクスチャ形状の高さは、半球状もしくは三角波状に形成されるテクスチャ構造における谷の部分とこの谷に隣接する谷との間に形成される山との高低差で定義され、テクスチャ形状の幅は隣接する谷と谷の間の距離で定義される。 In the following, the expression of the texture shape (uneven shape) of the texture structure represents an ideal shape that generally satisfies the relationship between the width (W) and the height (H) as described above. Unless otherwise stated, the value of the height portion is described, and the width has a value of about 1.5 times the height as can be seen from the above values. For example, the expression “texture shape of about 300 nm” indicates “texture shape having a height (unevenness level difference) of about 300 nm and a width of about 450 nm”. In the present specification, the height of the texture shape is defined by the difference in height between a valley portion in a texture structure formed in a hemispherical shape or a triangular wave shape and a mountain formed between the valley adjacent to this valley. The width of the texture shape is defined by the distance between adjacent valleys.
大きなテクスチャ構造上に微結晶薄膜を形成した場合には、下地のテクスチャ構造を反映した形状が成膜後の表面にも形成される。特許文献2においては、微結晶シリコンセルと非晶質シリコンセルの間に挿入される中間層を用いたテクスチャ形状の変換方法が報告されている。この方法においては、形成される中間層の加工などにより、テクスチャ構造のラフネスを大きくしたり、小さくしたりできるとしている。 When a microcrystalline thin film is formed on a large texture structure, a shape reflecting the underlying texture structure is also formed on the surface after film formation. Patent Document 2 reports a texture shape conversion method using an intermediate layer inserted between a microcrystalline silicon cell and an amorphous silicon cell. In this method, the roughness of the texture structure can be increased or decreased by processing the formed intermediate layer or the like.
ところで、前述したようにテクスチャ構造において反射率が低減される波長について考察を行うと、光反射側で考えた場合は、吸収波長が1000nm程度となる微結晶シリコンセルに対して反射電極側から反射してくる光に関しては、大まかに500nm程度の幅と350nm程度の高さを持つテクスチャ形状を下地に形成するのがよいといえる。ここで、テクスチャ構造を有する下地層上に微結晶シリコンセルを成膜した場合には、微結晶シリコンセルの表面のラフネスは下地層の表面のラフネスからわずかに低減するのみで、成膜前の下地層のテクスチャ構造をほぼ踏襲するといえる。 By the way, when the wavelength at which the reflectance is reduced in the texture structure as described above is considered, when considered on the light reflection side, it is reflected from the reflective electrode side with respect to the microcrystalline silicon cell having an absorption wavelength of about 1000 nm. Regarding the incoming light, it can be said that it is preferable to form a texture shape having a width of about 500 nm and a height of about 350 nm on the base. Here, when a microcrystalline silicon cell is formed on an underlying layer having a texture structure, the roughness of the surface of the microcrystalline silicon cell is only slightly reduced from the roughness of the surface of the underlying layer. It can be said that it almost follows the texture structure of the ground layer.
タンデム型の薄膜シリコン太陽電池においては、この微結晶シリコンセル上にアモルファスシリコンセルを作製することになる。入射光側で考えると、吸収波長が400nm〜500nm程度であるアモルファスシリコンセルに対しては、200nm程度の高さを持つテクスチャ形状が必要といえる。したがって、微結晶シリコンセルを成膜した状態のままでその上にアモルファスシリコンセルを成膜した場合には、アモルファスシリコンセルに対する適切なテクスチャ形状に比べて大きい凹凸がアモルファスシリコンセルの表面に形成される。このため、アモルファスシリコンセルの表面に形成されるテクスチャ形状を200nm程度まで低減させる必要がある。 In a tandem-type thin film silicon solar cell, an amorphous silicon cell is produced on this microcrystalline silicon cell. Considering the incident light side, it can be said that a texture shape having a height of about 200 nm is necessary for an amorphous silicon cell having an absorption wavelength of about 400 nm to 500 nm. Therefore, when an amorphous silicon cell is formed on a microcrystalline silicon cell as it is, a large unevenness is formed on the surface of the amorphous silicon cell compared to an appropriate texture shape for the amorphous silicon cell. The For this reason, it is necessary to reduce the texture shape formed on the surface of the amorphous silicon cell to about 200 nm.
しかし、350nm程度のテクスチャ形状を200nm程度のテクスチャ形状まで低減させるには、少なくとも150nmの厚みの膜に対する操作、すなわち成膜時の工夫や成膜後の加工などが必要である。 However, in order to reduce a texture shape of about 350 nm to a texture shape of about 200 nm, an operation on a film having a thickness of at least 150 nm, that is, a device at the time of film formation or processing after film formation is necessary.
また、中間層は発電に寄与しないにも関わらず、光を吸収し、電流に対する抵抗として働くことから、一般的に膜厚は薄い方が良い。このような観点から、膜厚は数十nmとされることが多い。したがって、この膜厚の中間層を利用して制御できるテクスチャ形状のサイズは数十nm程度であり、元々形成されていた数百nmのテクスチャ形状のサイズ変更を吸収することができない。 In addition, although the intermediate layer does not contribute to power generation, it absorbs light and functions as a resistance to current. From such a viewpoint, the film thickness is often set to several tens of nm. Therefore, the size of the texture shape that can be controlled using the intermediate layer having this film thickness is about several tens of nm, and the change in size of the texture shape of several hundred nm that was originally formed cannot be absorbed.
一方、数百nmのテクスチャ形状のサイズ変更を吸収するために数百nmの膜厚の中間層を形成した場合は、光の吸収などの太陽電池の特性劣化要因が大きくなるのに加えて、中間層の膜厚が不均一になる。中間層の膜厚が不均一になると、光電変換ユニット間の接合抵抗や反射率が不均一になり、安定した太陽電池特性を得ることができない。 On the other hand, when an intermediate layer having a thickness of several hundred nm is formed in order to absorb the change in size of the texture shape of several hundred nm, in addition to the increase in characteristics of solar cell characteristics such as light absorption, The film thickness of the intermediate layer becomes non-uniform. If the film thickness of the intermediate layer is nonuniform, the junction resistance and reflectance between the photoelectric conversion units become nonuniform, and stable solar cell characteristics cannot be obtained.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、良好な光電変換効率が安定して得られる薄膜光電変換装置の製造方法を得ることを目的とする。 This invention is made | formed in view of the above, Comprising: It aims at obtaining the manufacturing method of the thin film photoelectric conversion apparatus from which favorable photoelectric conversion efficiency is obtained stably.
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の製造方法は、導電膜からなる第1電極層と透明導電膜からなる第2電極層との間に、半導体膜からなり光電変換を行う光電変換層を備えた複数の光電変換ユニットを積層形成する薄膜光電変換装置の製造方法であって、前記複数の光電変換ユニットのうち前記第1電極層側の第1光電変換ユニットを形成する工程では、前記第1電極層側の表面に第1凹凸形状を形成し、前記第2電極層側の表面に前記第1凹凸形状よりも小さな凹凸段差または短い凹凸ピッチを有する第2凹凸形状を形成し、前記複数の光電変換ユニットのうち前記第2電極層側の第2光電変換ユニットを形成する工程では、前記第2電極層側の表面に前記第2凹凸形状を反映させた凹凸形状を形成し、前記第1光電変換ユニットの光電変換層よりも光の吸収波長が短い材料からなる前記光電変換層を形成すること、を特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a method for manufacturing a thin film photoelectric conversion device according to the present invention includes a first electrode layer made of a conductive film and a second electrode layer made of a transparent conductive film. A method of manufacturing a thin film photoelectric conversion device comprising a plurality of photoelectric conversion units each including a photoelectric conversion layer made of a semiconductor film and performing photoelectric conversion, wherein the first electrode layer side of the plurality of photoelectric conversion units In the step of forming one photoelectric conversion unit, a first uneven shape is formed on the surface on the first electrode layer side, and an uneven step or a short uneven pitch smaller than the first uneven shape is formed on the surface on the second electrode layer side. In the step of forming a second photoelectric conversion unit on the second electrode layer side among the plurality of photoelectric conversion units, the second uneven shape is formed on the surface on the second electrode layer side. Uneven shape reflecting Forming a, to form the photoelectric conversion layer absorbs the wavelength of light is a short material than the photoelectric conversion layer of the first photoelectric conversion unit, and wherein.
本発明によれば、良好な光電変換効率が安定して得られる薄膜光電変換装置の製造方法を得ることができる、という効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that it is possible to obtain a method for manufacturing a thin film photoelectric conversion device in which good photoelectric conversion efficiency is stably obtained.
以下に、本発明にかかる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。 Embodiments of a method for manufacturing a thin film photoelectric conversion device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. 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.
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である薄膜太陽電池セル(以下、セルと呼ぶ)201の構成を模式的に示す断面図である。図1に示すように、実施の形態1にかかるセル201においては、絶縁基板100上に、反射電極層101が形成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a thin film solar battery cell (hereinafter referred to as a cell) 201 which is a thin film photoelectric conversion device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, in the
絶縁基板100としては、絶縁基板として例えばガラス基板が使用される。ただし、絶縁基板100は必ずしもガラスである必要はなく、樹脂等の基板を用いることも可能である。
As the insulating
反射電極層101は、裏面電極として機能するとともに、光電変換ユニットで吸収されなかった光を反射して再度光電変換ユニットに戻す反射層として機能するため、光電変換効率の向上に寄与する。したがって、反射電極層101は、導電性と光反射性が求められ、導電率が高く光反射率が大きいほど好ましい。反射電極層101は、例えば可視光反射率の高い銀(Ag)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)もしくはパラジウムなどの金属材料、またはこれらの金属材料の合金、これらの金属材料の窒化物、これらの金属材料の酸化物などにより形成することができる。反射電極層101に必要とされる特性は、電気抵抗が低いことと、反射率が高いことであり、この条件を満たせば特に規定はされない。また、反射電極層101は、複数の電極層の積層構造とされてもよい。更に、基板として反射電極を用いることができれば、絶縁基板100は必ずしも必要ではない。
The
反射電極層101上には、透明電極層102が形成されている。透明電極層102は、透光性を有する透明導電膜からなる。透明電極層102は、例えば酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム錫(ITO:Indium Tin Oxide)、酸化スズ(SnO2)、酸化インジウム(In2O3)のうちの少なくとも1種を含む透明導電性酸化膜(TCO:Transparent Conducting Oxide)、またはこれらを積層した透明導電膜で構成される。また、透明電極層102は、上述したTCO膜にドーパントとしてアルミニウム(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)、フッ素(F)から選択した少なくとも1種類以上の元素を用いた透光性の膜によって構成されてもよい。このような透明電極層102は、例えばCVD法、スパッタリング法、蒸着法等の方法を用いて形成される。
A
また、透明電極層102は、微細な凹凸を有するテクスチャ構造102Sを表面に有する。このテクスチャ構造102Sは、反射電極層101で反射した光を散乱させ、第1光電変換ユニット103で光をより効率的に吸収させ、光利用効率を高める機能を有する。テクスチャ構造102Sは、後述する光の吸収波長が1000nm程度となる微結晶シリコン光電変換層103bにおける光吸収に適した構造とされている。表面テクスチャ構造の形成方法は特に限定されず、公知の手法を用いることができる。
The
なお、この透明電極層102は、反射電極層101と後述する第1光電変換ユニット103との接触による変質などを防ぐ目的で形成されるため、反射電極層101と第1光電変換ユニット103が反応しない場合には必ずしも必要でない。透明電極層102を省略する場合には、前述のテクスチャ構造102Sは反射電極層101の表面に形成される構造となる。
The
このテクスチャ構造102Sについては、最終的に第1光電変換ユニット103側の透明電極層102の表面部分に形成されていることが必要であるため、絶縁基板100、反射電極層101または透明電極層102のうち、少なくとも1層の表面に対して形成されたテクスチャ構造が、透明電極層102の表面にテクスチャ構造102Sとされる。
Since this
透明電極層102は光を吸収することから、透明電極層102の膜厚はできるだけ薄い方が良く、例えば100nm以下が好ましい。このため、透明電極層102自体にテクスチャ構造を形成するための加工を施すのではなく、下層の絶縁基板100または反射電極層101に対してテクスチャ構造を形成し、その形状を透明電極層102に反映、維持させることが好ましい。
Since the
図2は、透明電極層102の表面へのテクスチャ構造の形成方法の一例を模式的に示す断面図である。図2では、絶縁基板100の表面にテクスチャ構造を形成し、その上層の反射電極層101および透明電極層102に該テクスチャ構造の形状を反映、維持させた場合を示している。図3は、透明電極層102の表面へのテクスチャ構造の形成方法の他の例を模式的に示す断面図である。図3では、反射電極層101の表面にテクスチャ構造を形成し、その上層の透明電極層102に該テクスチャ構造の形状を反映、維持させた場合を示している。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of a method for forming a texture structure on the surface of the
透明電極層102上には、第1光電変換ユニット103が形成されている。第1光電変換ユニット103は、pn接合またはpin接合を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が1層以上積層されて構成される。第1光電変換ユニット103は、透明電極層102側から、n型シリコン半導体層103a、微結晶シリコン光電変換層103b、p型シリコン半導体層103cが積層された構造を有しており、例えばプラズマCVD法を用いて形成することが可能である。微結晶シリコン光電変換層103bにおけるp型シリコン半導体層103c側の表面には、テクスチャ構造103bSよりも平均凹凸段差が小さい150nm〜200nm程度のテクスチャ形状とされたテクスチャ構造103bS’が形成されている。
A first
第1光電変換ユニット103上には、中間反射層104、第2光電変換ユニット105が順次積層形成されている。第2光電変換ユニット105は、pn接合またはpin接合を有し、入射する光により発電を行う薄膜半導体層が1層以上積層されて構成される。第2光電変換ユニット105は、中間反射層104側から、n型シリコン半導体層105a、非晶質シリコン光電変換層105b、p型シリコン半導体層105cが積層された構造を有しており、例えばプラズマCVD法を用いて形成することが可能である。
On the first
ここでは、第1光電変換ユニット103中の光電変換層として、微結晶シリコン光電変換層103bを用いているが、第1光電変換ユニット103中の光電変換層は微結晶シリコン系半導体材料で形成され、その材料として、真性シリコン以外にもシリコンゲルマニウム(SiGe)、シリコンカーバイド(SiC)などの合金等も用いられる。
Here, the microcrystalline silicon
また、第2光電変換ユニット105中の光電変換層として、非晶質シリコン光電変換層105bを用いているが、第2光電変換ユニット105中の光電変換層は非晶質シリコン系半導体材料で形成され、その材料として、真性シリコン以外にもシリコンゲルマニウム(SiGe)、シリコンカーバイド(SiC)などの合金等も用いられる。
Further, the amorphous silicon
また、第1光電変換ユニット103中の光電変換層(微結晶シリコン光電変換層103b)と第2光電変換ユニット105中の光電変換層(非晶質シリコン光電変換層105b)とは吸収する光の波長域が異なっている。例えば、前述したような微結晶シリコン光電変換層103bでは波長が1100nm程度以下の光を吸収し、非晶質シリコン光電変換層105bでは波長が600nm程度以下の光を吸収する。このように吸収する光の波長域の異なる複数の光電変換ユニットを積層させることで、幅広い波長域の光を有効に活用することができる。
Further, the photoelectric conversion layer (microcrystalline silicon
このようなタンデム構造に用いられる中間反射層104には、例えば酸化錫(SnO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化シリコン(SiO2)のような透明導電性酸化膜を用いることができる。この中間反射層104に求められる特性としては、第1光電変換ユニット103と第2光電変換ユニット105との電気的な接続を妨げることのないように、導電性を有することが必要である。また、中間反射層104は、非晶質シリコン光電変換層105bが吸収する波長の光は反射し、微結晶シリコン光電変換層103bが吸収する波長の光は透過させることが好ましい。中間反射層104がこのような特性を持つことで、非晶質シリコン光電変換層105bは薄い膜厚においても十分な光吸収が可能となる。
For the intermediate
更に、第1光電変換ユニット103および第2光電変換ユニット105のそれぞれの光電変換層(微結晶シリコン光電変換層103bおよび非晶質シリコン光電変換層105b)と、中間反射層104との膜厚を変化させることによって、それぞれの光電変換ユニットで発生する電流のバランスをとることが重要である。
Furthermore, the film thicknesses of the respective photoelectric conversion layers (microcrystalline silicon
第2光電変換ユニット105上には、表面透明電極層106が形成されている。表面透明電極層106は、良好な導電性と光透過性とを有することが求められ、透明電極層102と同様の膜が用いられることが多い。この表面透明電極層106に高い導電性を持たせるために厚い膜厚が必要な場合においては、例えば電流取り出し用に櫛型の金属電極層を該表面透明電極層106上に形成することも可能である。
A surface
上述したような反射電極層101から表面透明電極層106もしくは櫛型電極層までの積層構造によって、実施の形態1にかかるセル201が構成される。
The
つぎに、上記のように構成された本実施の形態にかかるセル201の製造方法について図4−1〜図4−7を参照して説明する。図4−1〜図4−7は、実施の形態1にかかるセル201の製造方法を説明するための断面図である。
Next, a manufacturing method of the
まず、絶縁基板100として例えばガラス基板を用意する。そして、絶縁基板100の一面側に、反射電極層101を公知の方法で形成する。例えば、高反射率を有する銀(Ag)膜からなる反射電極層101をスパッタリング法により形成する。
First, for example, a glass substrate is prepared as the insulating
つぎに、反射電極層101上に、導電性の高い透明電極層102を公知の方法で形成する(図4−1)。例えば、反射電極層101上に酸化亜鉛(ZnO)膜からなる透明電極層102をスパッタリング法により形成する。また、成膜方法として、CVD法などの他の成膜方法を用いてもよい。
Next, the
この時点で、透明電極層102の表面にはテクスチャ構造102Sが形成される。透明電極層102表面に形成されるテクスチャ構造102Sは、光の吸収波長が1000nm程度となる微結晶シリコン光電変換層103bにおける光吸収に適した構造とされる。このため、透明電極層102からシリコン膜への入射時におけるこのような波長の光の反射率を低減させるために適したテクスチャ構造として、幅が500nm程度、高さ(凹凸段差)が350nm程度の形状を持つテクスチャ構造102Sを形成する。すなわち、n型シリコン半導体層103aが反射電極層101側において接する隣接層である透明電極層102の表面にテクスチャ構造102Sを形成する。
At this point, the
テクスチャ構造102Sを形成する方法として、絶縁基板100上または反射電極層101上にテクスチャ構造を形成する方法がある。例えば絶縁基板100上または反射電極層101上にレジストパターンを形成した後、ウェットエッチング加工またはドライエッチング加工を実施する方法、絶縁基板100の表面または反射電極層101の表面に対してレーザーなどで直接凹凸パターンを加工形成する方法などが挙げられる。
As a method of forming the
また、テクスチャ構造102Sを形成する方法として、絶縁基板100上に微粒子を散布した後に反射電極層101を形成して微粒子を除去する方法や、反射電極層101の成膜条件と膜厚とを適切に設定することでその表面に凹凸を形成する方法も採用可能である。これらの方法により絶縁基板100上または反射電極層101上にテクスチャ構造を形成した後に、これらの上層に反射電極層101と透明電極層102とを形成する、または透明電極層102を形成することにより、下層のテクスチャ構造の形状を反映、維持したテクスチャ構造102Sを透明電極層102に形成できる。
Further, as a method of forming the
また、透明電極層102に対してテクスチャ構造102Sを直接加工形成する方法としては、スパッタリング法により形成された酸化亜鉛(ZnO)膜などからなる透明電極層102の表面を酸によりエッチング加工する方法などが挙げられる。
Further, as a method of directly processing and forming the
つぎに、テクスチャ構造102Sを有する透明電極層102上に、膜厚が100nm以下程度のn型シリコン半導体層103aを公知の方法で形成する(図4−2)。例えば、プラズマCVDによりn型シリコン半導体層103aを透明電極層102上に形成する。n型シリコン半導体層103aの表面には下層のテクスチャ構造の形状を反映、維持したテクスチャ構造102Sと同様のテクスチャ構造103aSが形成される。
Next, an n-type
つぎに、テクスチャ構造103aSを有するn型シリコン半導体層103a上に、膜厚が1500nm程度の微結晶シリコン光電変換層103bを公知の方法で形成する(図4−3)。例えば、プラズマCVDにより微結晶シリコン光電変換層103bをn型シリコン半導体層103a上に形成する。微結晶シリコン光電変換層103bの表面にはテクスチャ構造102S(テクスチャ構造103aS)と同様のテクスチャ構造103bSが形成される。ここで、微結晶シリコン光電変換層103bの膜厚は、400nm〜5000nm程度とすることが好ましい。
Next, a microcrystalline silicon
つぎに、微結晶シリコン光電変換層103bの表面のテクスチャ構造103bSに対して、テクスチャ形状を変更してテクスチャ形状を緩和するための追加加工を施す。テクスチャ構造103bSに対する追加加工としては、例えば径が500nm〜2000nm程度のシリコン微粒子301を微結晶シリコン光電変換層103b上に分散させた後に、微結晶シリコン光電変換層103bの表面に対してドライエッチングを実施する(図4−4)。エッチング条件としては、例えばエッチングガスとしてCF4とO2との混合ガスを使用し、ガス流量がCF4:100sccm、O2:10sccm、圧力:1.3Pa、RF:300Wとする。このような条件で、微結晶シリコン光電変換層103bの表面のテクスチャ構造103bSに対して高さ方向で150nm相当のエッチングを行うことにより、シリコン微粒子301に覆われていないテクスチャ構造103bSの凸部が選択的にエッチングされ、テクスチャ構造103bSの表面にシリコン表面に高さ(凹凸段差)が150nm〜200nm程度の凹凸が形成される。
Next, the texture structure 103bS on the surface of the microcrystalline silicon
このときのエッチングガスとして、CHF3、C4F8、CF4、SF6を含む単体ガス、およびO2、He、Ar等を混合したエッチングガスを用いることも可能である。また、シリコン微粒子301の材質についても、シリコンに限定されることなく、アルミナなどを用いても構わない。この方法を用いる場合は、塗布したシリコン微粒子301はブラシを用いた水洗で除去可能である。
As an etching gas at this time, it is also possible to use a single gas containing CHF 3 , C 4 F 8 , CF 4 , SF 6 and an etching gas mixed with O 2 , He, Ar, or the like. Further, the material of the silicon
このような加工を行うことにより、テクスチャ構造103bSにおける高い凸部が加工された、高さ(凹凸段差)が150nm〜200nm程度の凹凸が元のテクスチャ構造103bSに対して付加された構造であるテクスチャ構造103bS’を得ることができる(図4−5)。このテクスチャ構造103bS’は、150nm〜200nm程度のテクスチャ形状とされ、テクスチャ構造103bSよりも平均凹凸段差が小さい。 By performing such processing, a texture having a structure in which high protrusions in the texture structure 103bS are processed and unevenness having a height (unevenness step) of about 150 nm to 200 nm is added to the original texture structure 103bS. The structure 103bS ′ can be obtained (FIGS. 4-5). The texture structure 103bS 'has a texture shape of about 150 nm to 200 nm, and the average unevenness level is smaller than that of the texture structure 103bS.
以上のような追加加工においては、微結晶シリコン光電変換層103bの形成膜厚が厚く、表面のテクスチャ構造を変化させるのに十分な膜厚を有するため、成膜後の加工も含めたプロセスが容易となる。また、厚い微結晶シリコン光電変換層103bに対してテクスチャ形状を変化させるため、膜厚による特性の変動が小さく、タンデム構造における電流のマッチングに対する影響が少なくなる。
In the additional processing as described above, since the microcrystalline silicon
つぎに、テクスチャ構造103bS’を有する微結晶シリコン光電変換層103b上に、膜厚が15nm程度のp型シリコン半導体層103cを公知の方法で形成する。例えば、プラズマCVDによりp型シリコン半導体層103cを微結晶シリコン光電変換層103b上に形成する。p型シリコン半導体層103cの表面は、下層のテクスチャ形状を反映、維持してテクスチャ構造103bS’と同様の形状とされる。
Next, a p-type
つぎに、p型シリコン半導体層103c上に中間反射層104、n型シリコン半導体層105a、非晶質シリコン光電変換層105b、p型シリコン半導体層105cを公知の方法で形成する(図4−6)。例えば、プラズマCVDによりこれらを順次形成する。
Next, the
ここで、中間反射層104の膜厚は10nm〜100nm程度、n型シリコン半導体層105aの膜厚は10nm〜100nm程度、非晶質シリコン光電変換層105bの膜厚は100nm〜500nm程度、p型シリコン半導体層105cの膜厚は2nm〜30nm程度とされる。そして、これらの層の表面は、下層のテクスチャ形状を反映、維持してテクスチャ構造103bS’と同様の形状とされる。これにより、p型シリコン半導体層105cの表面には、光の吸収波長が400nm〜500nm程度となる非晶質シリコン光電変換層105bにおける光吸収に適したテクスチャ構造として、150nm〜200nm程度のテクスチャ形状が形成される。
Here, the thickness of the
つぎに、p型シリコン半導体層105c上に表面透明電極層106を公知の方法で形成する(図4−7)。例えば、p型シリコン半導体層105c上に酸化亜鉛(ZnO)膜からなる表面透明電極層106をプラズマCVDにより形成する。以上により、図1に示すようなセル201が得られる。
Next, the surface
上述した実施の形態1によれば、透明電極層102と第1光電変換ユニット103との界面になる透明電極層102の表面には、光の吸収波長が1000nm程度となる微結晶シリコン光電変換層103bにおける光吸収に適したテクスチャ構造として、350nm程度のテクスチャ形状を形成することができる。また、表面透明電極層106と第2光電変換ユニット105との界面になるp型シリコン半導体層105cの表面には、光の吸収波長が400nm〜500nm程度となる非晶質シリコン光電変換層105bにおける光吸収に適したテクスチャ構造として、150nm〜200nm程度のテクスチャ形状を形成することができる。
According to Embodiment 1 described above, a microcrystalline silicon photoelectric conversion layer having an absorption wavelength of light of about 1000 nm is formed on the surface of the
これにより、反射電極層101での反射光の透明電極層102と第1光電変換ユニット103との界面での反射低減および拡散反射による第1光電変換ユニット103内での光路長の増加が達成でき、セル201の発電効率を向上できる。また、入射光の表面透明電極層106と第2光電変換ユニット105との界面での反射低減および拡散反射による第2光電変換ユニット105内での光路長の増加が達成でき、セル201の発電効率を向上できる。
As a result, reflection of reflected light at the
更に、中間反射層104の膜厚については薄く均一な膜厚で形成すればよく、光の吸収ロスや膜の不均一による太陽電池特性のバラつきが抑制できる。また、第1光電変換ユニット103と第2光電変換ユニット105との生成電流を容易にバランスさせることが可能となり、安定した光電変換効率が得られる。なお、中間反射層104については、必要が無い場合には、省略することも可能となり、その場合には中間反射層104による光の吸収を抑制することも可能である。
Furthermore, the intermediate
したがって、実施の形態1によれば、良好な光電変換効率が安定して得られる薄膜太陽電池セルが実現できる。 Therefore, according to Embodiment 1, the thin film photovoltaic cell from which favorable photoelectric conversion efficiency is obtained stably is realizable.
実施の形態2.
実施の形態2では、微結晶シリコン光電変換層103bの表面のテクスチャ構造103bSに対する追加加工方法の他の形態について説明する。実施の形態2における追加加工方法としては、印刷技術により微結晶シリコン光電変換層103bの表面にレジストなどの有機材料からなるパターンを形成した後、微結晶シリコン光電変換層103bの表面に対してウェットエッチングを実施する。ここで、有機材料からなるパターンは、該パターンをマスクとしたウェットエッチングにより、微結晶シリコン光電変換層103bの表面に形成された350nm程度のテクスチャ形状(テクスチャ構造103bS)を150nm〜200nm程度のテクスチャ形状(テクスチャ構造103bS’)に加工できるパターンで形成される。
Embodiment 2. FIG.
In Embodiment 2, another embodiment of an additional processing method for the texture structure 103bS on the surface of the microcrystalline silicon
エッチング方法としては、例えば0.3wt%程度の水酸化カリウム水溶液などのアルカリ溶液を微結晶シリコン光電変換層103bの表面に対して散布する方法が挙げられる。この方法により、テクスチャ構造103bSにおいて有機材料からなるパターンで覆われていない部分が選択的にエッチングされ、テクスチャ構造103bSを加工できる。また、エッチング溶液としては、TMAH(テトラメチルアンモニアハイドロオキサイド)、エチレンジアミンピロカテコール、水和ヒドラジンなどを用いてもよい。
Examples of the etching method include a method in which an alkaline solution such as a potassium hydroxide aqueous solution of about 0.3 wt% is sprayed on the surface of the microcrystalline silicon
追加加工の実施後、有機材質からなるパターンをアセトンなどにより除去することで、実施の形態1で説明したようなテクスチャ構造103bS’(図4−5参照)が微結晶シリコン光電変換層103bの表面に形成される。
After the additional processing is performed, the pattern made of an organic material is removed with acetone or the like, so that the texture structure 103bS ′ (see FIG. 4-5) as described in Embodiment 1 becomes the surface of the microcrystalline silicon
この方法を用いることで、追加加工のために微結晶シリコン光電変換層103bの表面に設けた他部材を完全に除去することができ、追加加工後の微結晶シリコン光電変換層103bの表面に他部材が残存することを防止できるため、清浄な加工面が得られる。そして、テクスチャ構造103bSに対する追加加工以外の工程は、実施の形態1と同様にしてセル201を作製できる。
By using this method, other members provided on the surface of the microcrystalline silicon
なお、ウェットエッチングの代わりに、ブラスト処理やイオンミリングなど、物理的な除去方法によって追加加工を行うことも可能である。 In addition, it is also possible to perform additional processing by a physical removal method such as blasting or ion milling instead of wet etching.
したがって、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様に良好な光電変換効率が安定して得られる薄膜太陽電池セルが実現できる。 Therefore, according to the second embodiment, it is possible to realize a thin-film solar battery in which good photoelectric conversion efficiency can be stably obtained as in the first embodiment.
実施の形態3.
実施の形態3では、微結晶シリコン光電変換層103bの表面のテクスチャ構造103bSに対する追加加工方法の他の形態について説明する。実施の形態3における追加加工方法では、微結晶シリコン光電変換層103bの表面に多く存在する結晶粒界を利用する。すなわち、微結晶シリコン光電変換層103bの成膜後、表面を酸素に曝すことで、最表面部および粒界部にシリコン酸化膜が形成される。この際、酸素は粒界部以外の領域よりも粒界部の方に深く入り込む。
Embodiment 3 FIG.
In Embodiment 3, another embodiment of an additional processing method for the texture structure 103bS on the surface of the microcrystalline silicon
その後、フッ酸によるウェットエッチングまたはフッ素系プラズマによるドライエッチングを実施することで、酸化されている微結晶シリコン光電変換層103bの最表面部および粒界部分を選択的にエッチングでき、微細な凹凸構造を形成することが可能である。これにより、実施の形態1で説明したようなテクスチャ構造103bS’(図4−5参照)が微結晶シリコン光電変換層103bの表面に形成される。そして、テクスチャ構造103bSに対する追加加工以外の工程は、実施の形態1と同様にしてセル201を作製できる。
Thereafter, wet etching with hydrofluoric acid or dry etching with fluorine-based plasma can be performed to selectively etch the outermost surface portion and grain boundary portion of the oxidized microcrystalline silicon
この方法を用いた場合には、実施の形態1や実施の形態2の場合のようなパターニング用の材料が不要である、という利点がある。 When this method is used, there is an advantage that a patterning material as in the first and second embodiments is not necessary.
したがって、実施の形態3によれば、実施の形態1と同様に良好な光電変換効率が安定して得られる薄膜太陽電池セルが実現できる。 Therefore, according to the third embodiment, a thin-film solar battery that can stably obtain good photoelectric conversion efficiency as in the first embodiment can be realized.
実施の形態4.
実施の形態4では、微結晶シリコン光電変換層103bの表面のテクスチャ構造103bSに対する追加加工方法の他の形態について図5−1および図5−2を参照して説明する。図5−1および図5−2は、実施の形態4にかかるテクスチャ構造103bSに対する追加加工方法を模式的に示す断面図である。
Embodiment 4 FIG.
In Embodiment 4, another embodiment of an additional processing method for the texture structure 103bS on the surface of the microcrystalline silicon
実施の形態4における追加加工方法では、一度、微結晶シリコン光電変換層103bを形成した後、この微結晶シリコン光電変換層103bの表面を平坦化する工程を実施する(図5−1)。微結晶シリコン光電変換層103bの表面を平坦化する方法としては、例えば機械的な研磨およびCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)が挙げられる。なお、微結晶シリコン光電変換層103bの表面の平坦化においては、大きな凹凸段差が除去できれば、テクスチャ構造103bS’と同レベル以下の小さな凹凸段差が多少残っていても構わない。
In the additional processing method in Embodiment 4, after forming the microcrystalline silicon
微結晶シリコン光電変換層103bの表面を平坦化した後、再度微結晶シリコン光電変換層103bを成膜し、さらに実施の形態1から実施の形態3で示したような追加加工工程を実施することにより、実施の形態1で説明したようなテクスチャ構造103bS’が微結晶シリコン光電変換層103bの表面に形成される(図5−2)。そして、テクスチャ構造103bSに対する追加加工以外の工程は、実施の形態1と同様にしてセル201を作製できる。
After planarizing the surface of the microcrystalline silicon
微結晶シリコン光電変換層103bの表面を一旦平坦化することにより、元のテクスチャ構造(テクスチャ構造103bS)が原因となる微結晶シリコン光電変換層103bの欠陥を容易に排除することができる。このため、平坦化工程は元のテクスチャの高さ(凹凸段差)(本実施の形態では350nm)を除去可能な、できるだけ薄い状態まで実施することが好ましい(図5−1)。
By once planarizing the surface of the microcrystalline silicon
例えば、n型シリコン半導体層103a上に500nm程度の膜厚の微結晶シリコン光電変換層103bを形成後、平坦化工程を実施する。これにより、平坦化後に形成される欠陥が少ない微結晶シリコン光電変換層103bを厚く形成することが可能となる。なお、最初に十分な微結晶シリコン光電変換層103bを成膜しておいて、再度の微結晶シリコン光電変換層103bの成膜を省略することも可能である。
For example, after the microcrystalline silicon
したがって、実施の形態4によれば、実施の形態1と同様に良好な光電変換効率が安定して得られる薄膜太陽電池セルが実現できる。 Therefore, according to the fourth embodiment, it is possible to realize a thin-film solar battery in which good photoelectric conversion efficiency can be stably obtained as in the first embodiment.
実施の形態5.
実施の形態5では、テクスチャ構造103bSの形成方法の他の形態について説明する。まず、前述の実施の形態1と同様の製造工程を経て、第1光電変換ユニット103のn型シリコン半導体層103aまでを形成する。その後、微結晶シリコン光電変換層103bを形成するが、微結晶シリコン光電変換層103bの成膜中に成膜条件を変化させることによって結晶化率に変化を生じさせることにより、微結晶シリコン光電変換層103bの表面に形成されるテクスチャ形状を変化させることが可能となる。微結晶シリコン膜においては、低結晶化させた場合にはテクスチャ形状を緩和するように成膜が進み、高結晶化させた場合には結晶粒による微細な凹凸が表面に形成される。
Embodiment 5 FIG.
In the fifth embodiment, another embodiment of a method for forming the texture structure 103bS will be described. First, through the manufacturing steps similar to those of the first embodiment, the layers up to the n-type
CVDプロセスより微結晶シリコン膜を形成する際に、成膜初期におけるシラン(SiH4)ガス流量を、本来の成膜条件に対して1.5倍程度にすることで結晶化率を0.3倍程度に抑制することが可能である。このような方法によって結晶化率の低い(非晶質に近い)シリコン層を初期に形成することで、シリコン膜の表面を平滑化することができる。 When a microcrystalline silicon film is formed by a CVD process, the crystallization rate is set to 0.3 by setting the silane (SiH 4 ) gas flow rate at the initial stage of film formation to about 1.5 times the original film formation conditions. It is possible to suppress to about twice. By forming a silicon layer having a low crystallization rate (close to amorphous) in the initial stage by such a method, the surface of the silicon film can be smoothed.
そして、成膜を進めるにつれてシラン(SiH4)ガス流量を減らしていき、本来の成膜条件での成膜を進めて結晶化率が高いシリコン層を形成する。但し、結晶化率の低い層は、膜厚100nm以上に増加すると直列抵抗成分が大幅に増加する。このため、結晶化率を低くしている部分(初期層)の厚さは、100nm以下にすることが好ましい。この場合、微結晶シリコン光電変換層103bの表面に形成されるテクスチャ形状の高さ(凹凸段差)に関しては、テクスチャ構造102S(テクスチャ構造103aS)と同様の高さ(凹凸段差)から、20nm〜25nm程度緩和される。
Then, as the film formation proceeds, the silane (SiH 4 ) gas flow rate is reduced, and the film formation under the original film formation conditions proceeds to form a silicon layer with a high crystallization rate. However, when the layer having a low crystallization rate is increased to a thickness of 100 nm or more, the series resistance component is significantly increased. For this reason, the thickness of the portion (initial layer) where the crystallization rate is lowered is preferably 100 nm or less. In this case, regarding the height of the texture shape (uneven steps) formed on the surface of the microcrystalline silicon
そして、その後の本来の成膜条件での成膜により形成されるシリコン膜の表面のテクスチャ形状は、下層である結晶化率の低い(非晶質に近い)シリコン層のテクスチャ形状が反映、維持される。このことから、微結晶シリコン光電変換層103bの表面のテクスチャ形状の高さ(凹凸段差)を、テクスチャ構造102S(テクスチャ構造103aS)を反映した350nm程度から150nm程度にまで低減するためには、結晶化率の低い(非晶質に近い)シリコン層の成膜を8回〜10回程度繰り返す。
Then, the texture shape of the surface of the silicon film formed by subsequent film formation under the original film formation conditions reflects and maintains the texture shape of the lower layer of the silicon layer with a low crystallization rate (close to amorphous). Is done. From this, in order to reduce the height of the texture shape (concave step) on the surface of the microcrystalline silicon
結晶化率の低い(非晶質に近い)シリコン層においても微結晶化したシリコンが点在しており、結晶化率が高いシリコン層との交互成膜を繰り返すことで、微結晶シリコン光電変換層103bの直列抵抗成分の増加が抑制される。所望の膜厚のシリコン層を形成した後、最後にシラン(SiH4)ガス流量を本来の成膜条件に対して0.7倍程度にすることで結晶化率が2倍程度高いシリコン層を形成し、このシリコン層の成長によりテクスチャ構造103bSよりも平均凹凸ピッチが短い微細な凹凸を有するテクスチャ構造を表面に形成することができる。以上の処理により、実施の形態1で説明したようなテクスチャ構造103bS’が表面に形成された微結晶シリコン光電変換層103bが得られる。
Microcrystalline silicon photoelectric conversion is performed by repeating alternate film formation with silicon layers with high crystallization rate, even in silicon layers with low crystallization rate (close to amorphous). An increase in the series resistance component of the
この方法を用いることで、微結晶シリコン光電変換層103bの成膜後の処理が不要になるため、シリコン膜中への不純物の混入などを抑制することが可能となり、連続してp型シリコン半導体層103cの成膜を行うことができる。
By using this method, processing after the microcrystalline silicon
図6は、上述した実施の形態5にかかるテクスチャ構造の形成方法を適用して作製された薄膜太陽電池セルの構成を模式的に示す断面図である。図6に示すセルは、セル201の構成を基本構成として第2光電変換ユニット105と表面透明導電層106との間に第3光電変換ユニット107が挿入された構成を有する。第3光電変換ユニット107は、第2光電変換ユニット105側からn型シリコン半導体層107a、シリコンカーバイド光電変換層107b、p型シリコン半導体層107cが積層された構造を有しており、例えばプラズマCVD法を用いて形成することが可能である。
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a thin-film solar battery manufactured by applying the texture structure forming method according to the fifth embodiment. The cell shown in FIG. 6 has a configuration in which the third
このセルにおいては、第1光電変換ユニット103の光電変換層は、微結晶シリコンよりも更に長波長の光を吸収する微結晶シリコンゲルマニウムを用いた微結晶シリコンゲルマニウム光電変換層103b’とされる。微結晶シリコンゲルマニウム光電変換層103b’は、上述した方法により形成された結晶化率が低いシリコンゲルマニウム初期層103b1と、結晶化率が高い微結晶シリコンゲルマニウム層103b2と、微結晶シリコンゲルマニウム層103b2よりも結晶化率がより高い微結晶シリコンゲルマニウム層103b3とが積層されている。
In this cell, the photoelectric conversion layer of the first
また、第3光電変換ユニット107の光電変換層は、非晶質シリコンよりも短波長の光を吸収するシリコンカーバイドを用いたシリコンカーバイド光電変換層107bとされる。これにより、第2光電変換ユニット105の光電変換層には、800nm程度の波長の光を効果的に吸収できる非晶質シリコンゲルマニウムやナノ結晶シリコンを用いることもでき、太陽光を効果的に吸収することができる。
In addition, the photoelectric conversion layer of the third
また、このような構造を用いる場合には、第2光電変換ユニット105には高さ(凹凸段差)が250nm程度のテクスチャ形状が適当となり、第3光電変換ユニット107には100nm〜150nm程度のテクスチャ形状が適当となり、前述した成膜方法を用いたテクスチャ形状の制御における初期層の形成回数が減る効果が得られる。
When such a structure is used, a texture shape having a height (unevenness level) of about 250 nm is appropriate for the second
したがって、実施の形態5によれば、実施の形態1と同様に良好な光電変換効率が安定して得られる薄膜太陽電池セルが実現できる。 Therefore, according to the fifth embodiment, a thin-film solar cell that can stably obtain good photoelectric conversion efficiency can be realized as in the first embodiment.
また、上記の実施の形態で説明した構成を有する薄膜太陽電池セルを絶縁基板100上に複数形成し、隣接する薄膜太陽電池セル同士を電気的に接続することにより、良好な光電変換効率が安定して得られる薄膜太陽電池モジュールが実現できる。この場合は、隣接する薄膜太陽電池セルの一方の反射電極層101と他方の表面透明電極層106とを電気的に接続すればよい。
In addition, by forming a plurality of thin film solar cells having the configuration described in the above embodiment on the insulating
以上のように、本発明にかかる薄膜光電変換装置の製造方法は、良好な光電変換効率が安定して得られる薄膜光電変換装置の製造に有用である。 As described above, the method for manufacturing a thin film photoelectric conversion device according to the present invention is useful for manufacturing a thin film photoelectric conversion device that can stably obtain good photoelectric conversion efficiency.
100 絶縁基板
101 反射電極層
102 透明電極層
102S テクスチャ構造
103 第1光電変換ユニット
103a n型シリコン半導体層
103aS テクスチャ構造
103b 微結晶シリコン光電変換層
103b’ 微結晶シリコンゲルマニウム光電変換層
103b1 結晶化率が低いシリコンゲルマニウム初期層
103b2 結晶化率が高い微結晶シリコンゲルマニウム層
103b3 結晶化率がのより高い微結晶シリコンゲルマニウム層
103bS テクスチャ構造
103c p型シリコン半導体層
104 中間反射層
105 第2光電変換
105a n型シリコン半導体層
105b 非晶質シリコン光電変換層
105c p型シリコン半導体層
106 表面透明電極層
107 第3光電変換ユニット
107a n型シリコン半導体層
107b シリコンカーバイド光電変換層
107c p型シリコン半導体層
201 薄膜太陽電池セル(セル)
301 シリコン微粒子
DESCRIPTION OF
301 Silicon fine particles
Claims (8)
前記複数の光電変換ユニットのうち前記第1電極層側の第1光電変換ユニットを形成する工程では、前記第1電極層側の表面に第1凹凸形状を形成し、前記第2電極層側の表面に前記第1凹凸形状よりも小さな凹凸段差または短い凹凸ピッチを有する第2凹凸形状を形成し、
前記複数の光電変換ユニットのうち前記第2電極層側の第2光電変換ユニットを形成する工程では、前記第2電極層側の表面に前記第2凹凸形状を反映させた凹凸形状を形成し、前記第1光電変換ユニットの光電変換層よりも光の吸収波長が短い材料からなる前記光電変換層を形成すること、
を特徴とする薄膜光電変換装置の製造方法。 A thin film photoelectric conversion device in which a plurality of photoelectric conversion units each including a photoelectric conversion layer made of a semiconductor film and performing photoelectric conversion are stacked between a first electrode layer made of a conductive film and a second electrode layer made of a transparent conductive film. A manufacturing method of
In the step of forming the first photoelectric conversion unit on the first electrode layer side among the plurality of photoelectric conversion units, a first concavo-convex shape is formed on the surface on the first electrode layer side, and the second electrode layer side is formed. Forming a second concavo-convex shape having a concavo-convex step smaller than the first concavo-convex shape or a short concavo-convex pitch on the surface;
In the step of forming the second photoelectric conversion unit on the second electrode layer side among the plurality of photoelectric conversion units, an uneven shape reflecting the second uneven shape on the surface on the second electrode layer side is formed, Forming the photoelectric conversion layer made of a material having a light absorption wavelength shorter than the photoelectric conversion layer of the first photoelectric conversion unit;
A method of manufacturing a thin film photoelectric conversion device characterized by the above.
前記第1光電変換ユニットが前記第1電極層側において接する隣接層の表面に前記第1凹凸形状を形成する第1工程と、
前記隣接層上に、前記第1光電変換ユニットの前記第1導電型半導体層と前記光電変換層とを積層形成し、前記第1凹凸形状の凹凸形状を反映した凹凸形状を表面に有するとともに前記第1凹凸形状の凹凸段差よりも厚い膜厚を有する前記光電変換層を形成する第2工程と、
前記光電変換層の表面の前記第1凹凸形状を緩和して前記第2凹凸形状を形成する第3工程と、
前記第2凹凸形状が形成された前記光電変換層上に、前記第1光電変換ユニットの前記第2導電型半導体層を形成する第4工程と、
前記第1光電変換ユニットの前記第2導電型半導体層上に、前記第2光電変換ユニットを最表層として1以上の光電変換ユニットを積層形成する第5工程と、
前記第2光電変換ユニット上に前記第2電極層を形成する第6工程と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。 The photoelectric conversion unit is formed by sequentially laminating a first conductivity type semiconductor layer, the photoelectric conversion layer, and a second conductivity type semiconductor layer from the first electrode layer side.
A first step of forming the first concavo-convex shape on a surface of an adjacent layer in contact with the first photoelectric conversion unit on the first electrode layer side;
The first conductive semiconductor layer of the first photoelectric conversion unit and the photoelectric conversion layer are stacked on the adjacent layer, and have a concavo-convex shape reflecting the concavo-convex shape of the first concavo-convex shape on the surface. A second step of forming the photoelectric conversion layer having a film thickness thicker than the first uneven shape uneven step;
A third step of relaxing the first uneven shape on the surface of the photoelectric conversion layer to form the second uneven shape;
A fourth step of forming the second conductive semiconductor layer of the first photoelectric conversion unit on the photoelectric conversion layer on which the second uneven shape is formed;
A fifth step of stacking and forming one or more photoelectric conversion units on the second conductive semiconductor layer of the first photoelectric conversion unit with the second photoelectric conversion unit as the outermost layer;
A sixth step of forming the second electrode layer on the second photoelectric conversion unit;
The method for producing a thin film photoelectric conversion device according to claim 1, wherein:
前記光電変換層上に粒子を分散配置する工程と、
前記粒子をマスクとして前記光電変換層の表面のエッチングを行うことにより前記光電変換層の表面の前記第1凹凸形状を緩和して前記第2凹凸形状を形成する工程と、
前記粒子を除去する工程と、
を有することを特徴とする請求項2に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。 In the third step,
A step of dispersing and arranging particles on the photoelectric conversion layer;
Etching the surface of the photoelectric conversion layer using the particles as a mask to relax the first uneven shape of the surface of the photoelectric conversion layer and forming the second uneven shape;
Removing the particles;
The manufacturing method of the thin film photoelectric conversion apparatus of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
前記光電変換層上に有機材料のパターンを形成する工程と、
前記有機材料のパターンをマスクとして前記光電変換層の表面のエッチングを行うことにより前記光電変換層の表面の前記第1凹凸形状を緩和して前記第2凹凸形状を形成する工程と、
前記有機材料のパターンを除去する工程と、
を有することを特徴とする請求項2に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。 In the third step,
Forming a pattern of an organic material on the photoelectric conversion layer;
Etching the surface of the photoelectric conversion layer using the pattern of the organic material as a mask to relax the first uneven shape of the surface of the photoelectric conversion layer and forming the second uneven shape;
Removing the pattern of organic material;
The manufacturing method of the thin film photoelectric conversion apparatus of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
前記光電変換層の表面を酸化して酸化シリコン層を形成する工程と、
前記酸化シリコン層を選択的に除去する除去工程と、
を有することを特徴とする請求項2に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。 In the third step,
Oxidizing the surface of the photoelectric conversion layer to form a silicon oxide layer;
A removal step of selectively removing the silicon oxide layer;
The manufacturing method of the thin film photoelectric conversion apparatus of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
前記光電変換層の表面を平坦化する工程と、
前記平坦化した光電変換層上に前記第2凹凸形状を形成する工程と、
を有すること特徴とする請求項2に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。 In the third step,
Flattening the surface of the photoelectric conversion layer;
Forming the second uneven shape on the planarized photoelectric conversion layer;
The manufacturing method of the thin film photoelectric conversion device of Claim 2 characterized by the above-mentioned.
を特徴とする請求項6に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。 After additionally forming a new photoelectric conversion layer on the planarized photoelectric conversion layer, forming the second uneven shape on the surface of the new photoelectric conversion layer;
A method for producing a thin film photoelectric conversion device according to claim 6.
を特徴とする請求項2に記載の薄膜光電変換装置の製造方法。 In the second step and the third step, when forming the photoelectric conversion layer, a plurality of semiconductor films having a crystallization rate lower than the crystallization rate of the photoelectric conversion layer are inserted and formed in the photoelectric conversion layer. Relaxing the first uneven shape on the surface of the photoelectric conversion layer to form the second uneven shape on the surface of the photoelectric conversion layer,
The manufacturing method of the thin film photoelectric conversion apparatus of Claim 2 characterized by these.
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