JP2013008866A - Thin film photoelectric conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film photoelectric conversion device in which photoelectric conversion efficiency is improved by increasing the open voltage and the short circuit current density of the thin film photoelectric conversion device including a crystalline silicon photoelectric conversion layer.SOLUTION: Between the one conductivity type layer 41 and the photoelectric conversion layer 42 of a crystalline silicon photoelectric conversion unit 4, an interface layer 44 consisting of a substantially intrinsic silicon composite layer is placed. The interface layer 44 consisting of a substantially intrinsic silicon composite layer is formed of a layer where the crystalline silicon phase is dispersed into a parent phase amorphous silicon oxygenation.

Description

本発明は、薄膜光電変換装置の改善に関し、特に結晶質シリコン半導体を用いた薄膜光電変換装置の開放電圧、短絡電流密度の増加による光電変換効率の改善した薄膜光電変換装置に関する。なお、本願明細書における「結晶質」および「微結晶」の用語は、当該技術分野において用いられているように、部分的に非晶質を含む場合にも用いられている。   The present invention relates to an improvement of a thin film photoelectric conversion device, and more particularly to a thin film photoelectric conversion device having an improved photoelectric conversion efficiency due to an increase in open circuit voltage and short circuit current density of a thin film photoelectric conversion device using a crystalline silicon semiconductor. Note that the terms “crystalline” and “microcrystal” in the present specification are also used in the case of partially containing amorphous, as used in this technical field.

近年、半導体内部の光電効果を用いて光を電気に変換する光電変換装置が注目され、開発が精力的行われているが、その光電変換装置の中でもシリコン系薄膜光電変換装置は、低温で大面積のガラス基板やステンレス基板上に形成できることから、低コスト化が期待できる。   In recent years, photoelectric conversion devices that convert light into electricity using the photoelectric effect inside semiconductors have attracted attention and development has been vigorously conducted. Among these photoelectric conversion devices, silicon-based thin film photoelectric conversion devices are large at low temperatures. Since it can be formed on a glass substrate or a stainless steel substrate having an area, cost reduction can be expected.

このようなシリコン系薄膜光電変換装置は、一般に透明絶縁基板上に順に積層された透明電極層と、1つ以上の光電変換ユニットと、及び裏面電極層とを含んでいる。ここで、光電変換ユニットは一般にp型層、i型層、及びn型層がこの順、またはその逆順に積層されてなり、その主要部を占めるi型の光電変換層が非晶質のものは非晶質光電変換ユニットと呼ばれ、i型層が結晶質のものは結晶質光電変換ユニットと呼ばれている。   Such a silicon-based thin film photoelectric conversion device generally includes a transparent electrode layer, one or more photoelectric conversion units, and a back electrode layer that are sequentially stacked on a transparent insulating substrate. Here, the photoelectric conversion unit generally has a p-type layer, an i-type layer, and an n-type layer laminated in this order or vice versa, and the i-type photoelectric conversion layer occupying the main part is amorphous. Is called an amorphous photoelectric conversion unit, and those having an i-type layer crystalline are called crystalline photoelectric conversion units.

光電変換層は、光を吸収して電子・正孔対を発生させる層である。一般に、シリコン系薄膜光電変換装置では、pin接合のうちi型層が光電変換層である。光電変換層であるi型層が、光電変換ユニットの主要な膜厚を占める。   The photoelectric conversion layer is a layer that absorbs light and generates electron-hole pairs. In general, in a silicon-based thin film photoelectric conversion device, an i-type layer of a pin junction is a photoelectric conversion layer. The i-type layer which is a photoelectric conversion layer occupies the main film thickness of the photoelectric conversion unit.

i型層は、理想的には導電型決定不純物を含まない真性の半導体層である。しかし、微量の不純物を含んでいても、フェルミ準位が禁制帯のほぼ中央にあれば、pin接合のi型層として機能するので、これを実質的に真性(実質的にi型)の層と呼ぶ。一般に、実質的に真性の層は、導電型決定不純物を原料ガスに添加せずに作製する。この場合、i型層として機能する許容範囲で導電型決定不純物を含んでも良い。また、実質的にi型の層は、大気や下地層に起因する不純物がフェルミ準位に与える影響を取り除くために、微量の導電型決定不純物を意図的に添加して作製しても良い。   The i-type layer is an intrinsic semiconductor layer that does not ideally contain a conductivity determining impurity. However, even if a small amount of impurities is included, if the Fermi level is in the middle of the forbidden band, it functions as a pin junction i-type layer, so that it is a substantially intrinsic (substantially i-type) layer. Call it. In general, the substantially intrinsic layer is formed without adding a conductivity determining impurity to the source gas. In this case, a conductivity determining impurity may be included in an allowable range that functions as an i-type layer. Further, the substantially i-type layer may be formed by intentionally adding a small amount of conductivity-type determining impurities in order to remove the influence of impurities caused by the atmosphere or the underlayer on the Fermi level.

また、光電変換装置の変換効率を向上させる方法として、2つ以上の光電変換ユニットを積層した、積層型と呼ばれる構造を採用した光電変換装置が知られている。この方法においては、光電変換装置の光入射側に大きな光学的禁制帯幅を有する光電変換層を含む前方光電変換ユニットを配置し、その後ろに順に小さな光学的禁制帯幅を有する(たとえばSi−Ge合金などの)光電変換層を含む後方光電変換ユニットを配置することにより、入射光の広い波長範囲にわたる光電変換を可能にし、入射する光を有効利用することにより装置全体としての変換効率の向上が図られている。   As a method for improving the conversion efficiency of a photoelectric conversion device, a photoelectric conversion device employing a structure called a stacked type in which two or more photoelectric conversion units are stacked is known. In this method, a front photoelectric conversion unit including a photoelectric conversion layer having a large optical forbidden band width is disposed on the light incident side of the photoelectric conversion device, and subsequently has a small optical forbidden band width (for example, Si− By arranging a rear photoelectric conversion unit including a photoelectric conversion layer (such as a Ge alloy), it is possible to perform photoelectric conversion over a wide wavelength range of incident light, and improve the conversion efficiency of the entire device by effectively using incident light Is planned.

たとえば非晶質シリコン光電変換ユニットと結晶質シリコン光電変換ユニットとを積層した2接合型薄膜光電変換装置は、ハイブリッド型薄膜光電変換装置として知られている。この場合、i型の非晶質シリコン(a−Si)が光電変換し得る光の波長は長波長側において700nm程度までであるが、i型の結晶質シリコンはそれより長い約1100nm程度の波長の光までを光電変換することができる。なお、この2接合型薄膜光電変換装置の場合、光入射側にある光電変換ユニットを前方光電変換ユニット、後方にある光電変換ユニットを後方光電変換ユニットと呼ぶ事とする。   For example, a two-junction thin film photoelectric conversion device in which an amorphous silicon photoelectric conversion unit and a crystalline silicon photoelectric conversion unit are stacked is known as a hybrid thin film photoelectric conversion device. In this case, the wavelength of light that can be photoelectrically converted by i-type amorphous silicon (a-Si) is up to about 700 nm on the long wavelength side, whereas i-type crystalline silicon has a longer wavelength of about 1100 nm. Can be photoelectrically converted. In the case of this two-junction thin film photoelectric conversion device, the photoelectric conversion unit on the light incident side is referred to as a front photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion unit on the rear side is referred to as a rear photoelectric conversion unit.

さらに、積層型薄膜光電変換装置の効率を向上させる技術として、薄膜光電変換ユニット間に、導電性を有しかつ薄膜光電変換ユニットを形成する材料よりも低い屈折率を有する材料からなる中間透過反射層を形成する方法がある。このような中間透過反射層を有することで、短波長側の光は反射し、長波長側の光は透過させる設計が可能となり、より有効に各薄膜光電変換ユニットでの光電変換が可能となる。たとえば、前方の非晶質シリコン光電変換ユニットと後方の結晶質シリコン光電変換ユニットからなるハイブリッド型光電変換装置に中間透過反射層を挿入した場合、非晶質シリコン光電変換層の膜厚を増やすことなく、その前方光電変換ユニットによって発生する電流を増加させることができる。また、中間透過反射層を含む場合には、それを含まない場合に比べて、同一の電流値を得るために必要な非晶質シリコン光電変換層の厚さを小さくし得ることから、非晶質シリコン層の厚さの増加に応じて顕著となる光劣化(Staebler-Wronski効果)による非晶質シリコン光電変換ユニットの特性低下を抑制することが可能となる。   Furthermore, as a technique for improving the efficiency of the multilayer thin film photoelectric conversion device, intermediate transmission reflection made of a material having conductivity and a lower refractive index than the material forming the thin film photoelectric conversion unit is provided between the thin film photoelectric conversion units. There are methods for forming layers. By having such an intermediate transmission reflection layer, it is possible to design to reflect light on the short wavelength side and transmit light on the long wavelength side, and more effectively perform photoelectric conversion in each thin film photoelectric conversion unit. . For example, when an intermediate transmission / reflection layer is inserted into a hybrid photoelectric conversion device including a front amorphous silicon photoelectric conversion unit and a rear crystalline silicon photoelectric conversion unit, the film thickness of the amorphous silicon photoelectric conversion layer is increased. In addition, the current generated by the front photoelectric conversion unit can be increased. In addition, when the intermediate transmission / reflection layer is included, the amorphous silicon photoelectric conversion layer necessary for obtaining the same current value can be made thinner than when the intermediate transmission / reflection layer is not included. It becomes possible to suppress the deterioration of the characteristics of the amorphous silicon photoelectric conversion unit due to the photodegradation (Staebler-Wronski effect) that becomes conspicuous as the thickness of the porous silicon layer increases.

結晶質光電変換ユニットの開放電圧は、非晶質光電変換ユニットの約55%と低く、開放電圧の向上が光電変換効率向上のための課題として挙げられる。結晶質シリコン半導体層の光電変換層の結晶化率を低くすると、開放電圧を増加することが可能であるが、短絡電流密度が低下してしまう課題がある。   The open circuit voltage of the crystalline photoelectric conversion unit is as low as about 55% of that of the amorphous photoelectric conversion unit, and improvement of the open circuit voltage can be cited as a problem for improving the photoelectric conversion efficiency. When the crystallization rate of the photoelectric conversion layer of the crystalline silicon semiconductor layer is lowered, the open circuit voltage can be increased, but there is a problem that the short circuit current density is lowered.

(先行例1)
特許文献1に、開放電圧を増加する目的で、p型微結晶シリコン/i型微結晶シリコン/n型微結晶シリコンの構造の薄膜光電変換装置のp/i界面に、炭素、酸素、窒素のいずれかを1×1020原子/cm以上含む界面層を挿入し、かつこの界面層の結晶分率がp層より低い例が開示されている。実施例では、この界面層にp層と同じ流量のBが用いられており、先行例1の界面層はp型であることが明示されている。実施例では、開放電圧が向上しているが、短絡電流密度が低下している。
(Prior Example 1)
In Patent Document 1, for the purpose of increasing the open-circuit voltage, carbon, oxygen, and nitrogen are formed on the p / i interface of a thin film photoelectric conversion device having a structure of p-type microcrystalline silicon / i-type microcrystalline silicon / n-type microcrystalline silicon. An example is disclosed in which an interface layer containing any one of 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more is inserted, and the crystal fraction of the interface layer is lower than that of the p layer. In the example, B 2 H 6 having the same flow rate as that of the p layer is used for this interface layer, and it is clearly shown that the interface layer of the first example is p-type. In the example, the open circuit voltage is improved, but the short circuit current density is decreased.

(先行例2)
特許文献2に、低屈折率層の材料として、n型のシリコン複合層を中間透過反射層として用いた積層型薄膜光電変換装置が開示されている。前記シリコン複合層はシリコンと酸素の非晶質合金母相中に分散したシリコン結晶相を含み、40原子%以上60原子%以下の膜中酸素濃度を含んでいて600nmの波長の光に対して1.7以上2.1以下の屈折率を有するとともに、20nmより大きく130nmより小さい厚さを有することを特徴とする。太陽電池の構造としては、p型非晶質炭化シリコン層/i型非晶質シリコン光電変換層/n型微結晶シリコン層/n型シリコン複合層/p型微結晶シリコン層/i型結晶質シリコン光電変換層/n型微結晶シリコン層を順次積層した構造が開示されている。
(Prior Example 2)
Patent Document 2 discloses a stacked thin film photoelectric conversion device using an n-type silicon composite layer as an intermediate transmission / reflection layer as a material for a low refractive index layer. The silicon composite layer includes a silicon crystal phase dispersed in an amorphous alloy matrix of silicon and oxygen, contains an oxygen concentration in the film of 40 atomic% or more and 60 atomic% or less, and with respect to light having a wavelength of 600 nm. It has a refractive index of 1.7 or more and 2.1 or less, and has a thickness greater than 20 nm and smaller than 130 nm. As the structure of the solar cell, p-type amorphous silicon carbide layer / i-type amorphous silicon photoelectric conversion layer / n-type microcrystalline silicon layer / n-type silicon composite layer / p-type microcrystalline silicon layer / i-type crystalline material A structure in which a silicon photoelectric conversion layer / n-type microcrystalline silicon layer is sequentially laminated is disclosed.

特開2003−258286号公報JP 2003-258286 A 特開2005−45129号公報JP 2005-45129 A

結晶質シリコン光電変換ユニットを含む薄膜光電変換装置の短絡電流密度を低下させずに開放電圧を向上することが困難である課題がある。   There is a problem that it is difficult to improve the open circuit voltage without reducing the short-circuit current density of the thin film photoelectric conversion device including the crystalline silicon photoelectric conversion unit.

上記を鑑み、本発明は結晶質光電変換ユニットを含む薄膜光電変換装置の短絡電流密度の低下を抑制して開放電圧を向上して、光電変換効率の改善した薄膜光電変換装置を提供することを目的とする。   In view of the above, the present invention provides a thin film photoelectric conversion device with improved photoelectric conversion efficiency by suppressing a decrease in short-circuit current density of a thin film photoelectric conversion device including a crystalline photoelectric conversion unit and improving an open circuit voltage. Objective.

本発明による薄膜光電変換装置は、一導電型層と実質的に真性半導体の光電変換層と逆導電型層を光入射側に近い順に配置した光電変換ユニットを含む薄膜光電変換装置であって、前記光電変換層は実質的に真性な結晶質シリコン半導体層を含む結晶質シリコン光電変換ユニットであり、結晶質シリコン光電変換ユニットの一導電型層と光電変換層の間に、実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層を配置し、かつ前記シリコン複合層は非晶質酸素化シリコン母相中に結晶シリコン相が分散している層であることを特徴とすることによって課題を解決する。   A thin film photoelectric conversion device according to the present invention is a thin film photoelectric conversion device including a photoelectric conversion unit in which a one conductivity type layer, a substantially intrinsic semiconductor photoelectric conversion layer, and a reverse conductivity type layer are arranged in the order closer to the light incident side, The photoelectric conversion layer is a crystalline silicon photoelectric conversion unit including a substantially intrinsic crystalline silicon semiconductor layer, and is substantially intrinsic between one conductive type layer and the photoelectric conversion layer of the crystalline silicon photoelectric conversion unit. The problem is solved by disposing an interface layer made of a silicon composite layer, wherein the silicon composite layer is a layer in which a crystalline silicon phase is dispersed in an amorphous oxygenated silicon matrix.

実質的に真性なシリコン複合層を界面層として、結晶質光電変換ユニットのp/i界面に配置したことによって、ワイドギャップな界面層が挿入されたことになり、薄膜光電変換装置の開放電圧が増加する。また、この界面層が実質的に真性なシリコン複合層あることによって、同じ屈折率のp型のシリコン複合層に比べて、吸収係数が小さくなり、光吸収損失が抑制されて、薄膜光電変換装置の短絡電流密度が向上する。さらに、この界面層が実質的に真性なシリコン複合層であることによって、同じ屈折率のp型のシリコン複合層に比べて、結晶化率が高くなり、界面層の上に結晶質光電変換層を作製する場合、界面層が結晶化率の高い下地層となって、その上の結晶質光電変換層の結晶化率が高くなり、薄膜光電変換装置の短絡電流密度が向上する。   By arranging a substantially intrinsic silicon composite layer as an interface layer at the p / i interface of the crystalline photoelectric conversion unit, a wide gap interface layer is inserted, and the open-circuit voltage of the thin film photoelectric conversion device is reduced. To increase. In addition, since the interface layer is a substantially intrinsic silicon composite layer, the absorption coefficient is smaller than that of the p-type silicon composite layer having the same refractive index, and the light absorption loss is suppressed. The short circuit current density is improved. Further, since the interface layer is a substantially intrinsic silicon composite layer, the crystallization rate is higher than that of the p-type silicon composite layer having the same refractive index, and the crystalline photoelectric conversion layer is formed on the interface layer. In this case, the interface layer becomes an underlayer having a high crystallization rate, the crystallization rate of the crystalline photoelectric conversion layer thereon is increased, and the short-circuit current density of the thin film photoelectric conversion device is improved.

本発明による薄膜光電変換装置は、積層型薄膜光電変換装置に適用した場合も有効である。特に、前方光電変換ユニットとして非晶質シリコン光電変換ユニットの逆導電型層の一部に透明中間反射層としてn型のシリコン複合層を含み、後方光電変換ユニットとして結晶質シリコン光電変換ユニットを配置した積層型薄膜光電変換装置の構成が望ましい。   The thin film photoelectric conversion device according to the present invention is also effective when applied to a laminated thin film photoelectric conversion device. In particular, a part of the reverse conductivity type layer of the amorphous silicon photoelectric conversion unit as the front photoelectric conversion unit includes an n-type silicon composite layer as the transparent intermediate reflection layer, and a crystalline silicon photoelectric conversion unit is disposed as the rear photoelectric conversion unit. The structure of the laminated thin film photoelectric conversion device is desirable.

本発明の界面層は、600nmの光に対する屈折率が2.2以上3.0以下が望ましい。あるいは、本発明の界面層は、ラマン散乱で測定した非晶質成分に由来するピークに対する結晶シリコン成分のTOモードピークのピーク強度比が3以上6以下であることが望ましい。あるいはまた、暗導電率が10−8S/cm以上、10−1S/cm以下であることが望ましい。 The interface layer of the present invention desirably has a refractive index of 2.2 to 3.0 for 600 nm light. Alternatively, in the interface layer of the present invention, it is desirable that the peak intensity ratio of the TO mode peak of the crystalline silicon component to the peak derived from the amorphous component measured by Raman scattering is 3 or more and 6 or less. Alternatively, it is desirable that the dark conductivity is 10 −8 S / cm or more and 10 −1 S / cm or less.

本発明の第1は、「光入射側から順に、透明電極層と、一導電型層と実質的に真性半導体の光電変換層と逆導電型層とを配置した1以上の光電変換ユニットと、裏面電極層とを含む薄膜光電変換装置であって、
少なくとも1つの光電変換ユニットは、光電変換層が実質的に真性な結晶質シリコン半導体層を含む結晶質シリコン光電変換ユニットであり、
前記結晶質シリコン光電変換ユニットの一導電型層と光電変換層との間に、実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層を配置し、
かつ前記シリコン複合層は非晶質酸素化シリコン母相中に結晶シリコン相が分散している層であることを特徴とする、薄膜光電変換装置」である。
According to a first aspect of the present invention, “in order from the light incident side, one or more photoelectric conversion units in which a transparent electrode layer, one conductive type layer, a substantially intrinsic semiconductor photoelectric conversion layer, and a reverse conductive type layer are disposed; A thin film photoelectric conversion device including a back electrode layer,
At least one photoelectric conversion unit is a crystalline silicon photoelectric conversion unit in which the photoelectric conversion layer includes a substantially intrinsic crystalline silicon semiconductor layer,
Between the one conductive type layer of the crystalline silicon photoelectric conversion unit and the photoelectric conversion layer, an interface layer composed of a substantially intrinsic silicon composite layer is disposed,
The silicon composite layer is a thin film photoelectric conversion device characterized in that a crystalline silicon phase is dispersed in an amorphous oxygenated silicon matrix.

本発明の第2は、「前記の薄膜光電変換装置であって、光電変換ユニットを2以上備え、光入射側に最近接の光電変換ユニットは光電変換層が実質的に真性な非晶質シリコン半導体層を含む非晶質光電変換ユニットである、積層型薄膜光電変換装置」である。   The second aspect of the present invention is “the thin film photoelectric conversion device as described above, comprising two or more photoelectric conversion units, and the closest photoelectric conversion unit on the light incident side is an amorphous silicon whose photoelectric conversion layer is substantially intrinsic. It is a “stacked thin film photoelectric conversion device” which is an amorphous photoelectric conversion unit including a semiconductor layer.

本発明の第3は、「前記の積層型薄膜光電変換装置であって、前記非晶質光電変換ユニットの逆導電型層の少なくとも一部が、非晶質酸素化シリコン母相中に結晶シリコン相が分散しているn型のシリコン複合層であることを特徴とする、積層型薄膜光電変換装置」である。   A third aspect of the present invention is “the laminated thin film photoelectric conversion device, wherein at least a part of the reverse conductivity type layer of the amorphous photoelectric conversion unit is crystalline silicon in an amorphous oxygenated silicon matrix”. A laminated thin film photoelectric conversion device, which is an n-type silicon composite layer in which phases are dispersed.

本発明の第4は、「前記の薄膜光電変換装置であって、前記界面層は600nmの波長の光に対する屈折率が2.2以上3.0以下であることを特徴とする、薄膜光電変換装置」である。   A fourth aspect of the present invention is the above-described thin film photoelectric conversion device, wherein the interface layer has a refractive index of 2.2 to 3.0 with respect to light having a wavelength of 600 nm. Device ".

本発明の第5は、「前記の薄膜光電変換装置であって、前記界面層はラマン散乱で測定した非晶質成分に由来するピークに対する結晶シリコン成分のTOモードピークのピーク強度比が3以上6以下であることを特徴とする、薄膜光電変換装置」である。   The fifth aspect of the present invention is “the thin-film photoelectric conversion device as described above, wherein the interface layer has a peak intensity ratio of a TO mode peak of a crystalline silicon component to a peak derived from an amorphous component measured by Raman scattering of 3 or more. It is a thin film photoelectric conversion device ”characterized in that it is 6 or less.

本発明の第6は、「前記の薄膜光電変換装置であって、前記界面層の暗導電率が10−8S/cm以上、10−1S/cm以下であることを特徴とする、薄膜光電変換装置」である。 A sixth aspect of the present invention is “the thin film photoelectric conversion device, wherein the interface layer has a dark conductivity of 10 −8 S / cm or more and 10 −1 S / cm or less. It is a “photoelectric conversion device”.

本発明の第7は、「前記の薄膜光電変換装置であって、前記界面層の膜厚は5nm以上15nm以下であることを特徴とする、薄膜光電変換装置」である。   A seventh aspect of the present invention is the “thin film photoelectric conversion device, wherein the film thickness of the interface layer is not less than 5 nm and not more than 15 nm”.

結晶質シリコン光電変換ユニットの一導電型層と光電変換層の間に、実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層を配置し、かつ前記シリコン複合層は非晶質酸素化シリコン母相中に結晶シリコン相が分散している層であることによって、開放電圧を増加して、かつ、短絡電流密度の低下を抑制して、光電変換効率を向上する。   An interfacial layer composed of a substantially intrinsic silicon composite layer is disposed between one conductive type layer of the crystalline silicon photoelectric conversion unit and the photoelectric conversion layer, and the silicon composite layer is in an amorphous oxygenated silicon matrix. In addition, the layer in which the crystalline silicon phase is dispersed increases the open-circuit voltage and suppresses the decrease in the short-circuit current density, thereby improving the photoelectric conversion efficiency.

本発明の1つの実施形態に係る積層型薄膜光電変換装置の模式的断面図。1 is a schematic cross-sectional view of a stacked thin film photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention. 本発明の1つの実施形態に係る集積型薄膜光電変換モジュールの模式的断面図。1 is a schematic cross-sectional view of an integrated thin film photoelectric conversion module according to one embodiment of the present invention. 本発明の別の実施形態に係る積層型薄膜光電変換装置の模式的断面図。The typical sectional view of the lamination type thin film photoelectric conversion device concerning another embodiment of the present invention. 従来法による比較例に係る積層型薄膜光電変換装置の模式的断面図。The typical sectional view of the lamination type thin film photoelectric conversion device concerning the comparative example by the conventional method. 実質的に真性型(図中SiO(i))およびp型(図中SiO(p))のシリコン複合層の波長600nmの光の屈折率に対する結晶シリコンラマンピーク強度比。Crystal silicon Raman peak intensity ratio with respect to the refractive index of light with a wavelength of 600 nm of substantially intrinsic (SiO (i) in the figure) and p-type (SiO (p) in the figure) silicon composite layers. 実質的に真性型(図中SiO(i))およびp型(図中SiO(p))のシリコン複合層の波長600nmの光の屈折率に対する暗導電率。Dark conductivity with respect to the refractive index of light having a wavelength of 600 nm of substantially intrinsic (SiO (i) in the figure) and p-type (SiO (p) in the figure) silicon composite layers. 実質的に真性型(図中SiO(i))およびp型(図中SiO(p))のシリコン複合層の光のエネルギー(E)に対する吸収係数(alpha)。Absorption coefficient (alpha) with respect to light energy (E) of silicon composite layers of substantially intrinsic type (SiO (i) in the figure) and p type (SiO (p) in the figure). 実質的に真性型(SiO(i))およびp型(SiO(p))のシリコン複合層、およびp型微結晶シリコン層(uc−Si(p)のラマン散乱スペクトル。Raman scattering spectra of substantially intrinsic (SiO (i)) and p-type (SiO (p)) silicon composite layers and p-type microcrystalline silicon layers (uc-Si (p)).

以下において本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお本願の各図において、厚さや長さなどの寸法関係については図面の明瞭化と簡略化のため適宜変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。また、各図において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing of the present application, dimensional relationships such as thickness and length are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships. Moreover, in each figure, the same referential mark represents the same part or an equivalent part.

本発明者らは、従来の結晶質シリコン光電変換ユニットを含む薄膜光電変換装置において、開放電圧を向上し、かつ短絡電流密度の低下を抑制して、光電変換効率を向上するために、薄膜光電変換装置の構造を検討した。   In the thin film photoelectric conversion device including the conventional crystalline silicon photoelectric conversion unit, the present inventors have developed a thin film photoelectric conversion device in order to improve the open-circuit voltage and suppress the decrease in short-circuit current density and improve the photoelectric conversion efficiency. The structure of the converter was studied.

結晶質シリコン光電変換ユニットに、ワイドギャップ材料として、先行例1のように、p型微結晶シリコンより結晶化率が低いp型のシリコン複合層を用いた場合、Vocは増加するが、Jscが低下してかえってEffが低下する課題が見出された。先行例1の構成は、p層の厚さが、p型微結晶シリコン+p型シリコン複合層となって、実質的に厚くなっており、Vocが増加するのは単に膜厚増加の効果といえる。p型層が厚くなった分、吸収損失が増えて、Jscが低下したといえる。   When a p-type silicon composite layer having a crystallization rate lower than that of p-type microcrystalline silicon is used as the wide gap material in the crystalline silicon photoelectric conversion unit as in the first example, Voc increases, but Jsc is On the contrary, a problem has been found in which Eff decreases. In the configuration of the first example, the thickness of the p layer is a p-type microcrystalline silicon + p-type silicon composite layer and is substantially thick, and it can be said that the increase in Voc is simply an effect of increasing the film thickness. . As the p-type layer becomes thicker, it can be said that the absorption loss increases and Jsc decreases.

さらにシリコン複合層について詳細に調べたところ、p型のシリコン複合層に導電型決定不純物が含まれると、吸収係数が増加すること、ラマンピーク強度比などで検知できる結晶性が低くなることがわかった。   Further examination of the silicon composite layer reveals that if the p-type silicon composite layer contains conductivity-determining impurities, the absorption coefficient increases and the crystallinity that can be detected by the Raman peak intensity ratio decreases. It was.

結晶質光電変換ユニットのVocを増加させ、かつ、Jscを低下させない構造を鋭意検討したところ、実質的に真性なシリコン複合層を、p/i界面に導入することで、課題を解決できることを発明者は見出した。微結晶シリコンの場合、p型の微結晶シリコンの暗導電率は10−2S/cm〜1S/cm程度であるのに対して、実質的に真性な微結晶シリコンの暗導電率は10−6S/cm〜10−4S/cm程度と、p型に比べて真性型は2から4桁暗導電率が低く、高抵抗になることが知られている。シリコン複合層は非晶質酸素化シリコン母相中に結晶シリコン相が分散している層であり、微結晶シリコンの場合と同様に、p型シリコン複合層に対して、実質的に真性なシリコン複合層は数桁暗導電率が低いことが当業者には予想され、p/i界面に真性型のシリコン複合層を用いることは、常識的には行わない。 As a result of intensive studies on a structure that increases the Voc of the crystalline photoelectric conversion unit and does not decrease the Jsc, it is invented that the problem can be solved by introducing a substantially intrinsic silicon composite layer into the p / i interface. Found. In the case of microcrystalline silicon, the dark conductivity of p-type microcrystalline silicon is about 10 −2 S / cm to 1 S / cm, whereas the dark conductivity of substantially intrinsic microcrystalline silicon is 10 It is known that the intrinsic type has a low dark conductivity of 2 to 4 digits compared to the p-type, and has a high resistance of about 6 S / cm to 10 −4 S / cm. The silicon composite layer is a layer in which a crystalline silicon phase is dispersed in an amorphous oxygenated silicon matrix, and, as in the case of microcrystalline silicon, silicon that is substantially intrinsic to the p-type silicon composite layer. It is expected by those skilled in the art that the composite layer has a dark conductivity that is several orders of magnitude lower, and it is not common practice to use an intrinsic type silicon composite layer at the p / i interface.

しかしながら、発明者が界面層について鋭意検討したところ、同じ屈折率で比べた場合、実質的に真性なシリコン複合層の結晶化率は、p型シリコン複合層の結晶化率より高くなり、また、暗導電率はほぼ同等の値を示し、界面層として用いた場合、開放電圧を向上できることを見出した。これは、先行例1が界面層の結晶化率を低くして開放電圧の向上を意図したのとは逆に、本願では界面層の結晶化率を高くする構成としたにもかかわらず、Vocの向上を実現している。また、意外なことに、界面層を追加して層がふえたにもかかわらず、短絡電流密度を向上できることを見出した。   However, when the inventor diligently studied the interface layer, when compared at the same refractive index, the crystallization rate of the substantially intrinsic silicon composite layer is higher than the crystallization rate of the p-type silicon composite layer, It has been found that the dark conductivity shows almost the same value, and when used as an interface layer, the open circuit voltage can be improved. This is contrary to the case in which the first example was intended to improve the open-circuit voltage by lowering the crystallization rate of the interface layer. The improvement is realized. Surprisingly, the present inventors have found that the short-circuit current density can be improved even though the interface layer is added to increase the layer.

図5に、シリコン複合層の波長600nmの屈折率に対するラマンピーク強度比を示す。波数520cm−1付近の結晶シリコン成分のTOモードピークと480cm−1付近の非晶質シリコンのTOモードピークの強度比を縦軸に示す。図中にSiO(i)と示したのが実質的に真性なシリコン複合層、SiO(p)と示したのがp型のシリコン複合層である。屈折率が2.5付近の同じ屈折率で比較すると、SiO(i)のピーク強度比が、SiO(p)に比べて約2倍と高くなっていることがわかる。 FIG. 5 shows the Raman peak intensity ratio with respect to the refractive index at a wavelength of 600 nm of the silicon composite layer. The intensity ratio between the TO mode peak of the crystalline silicon component near the wave number of 520 cm −1 and the TO mode peak of the amorphous silicon near 480 cm −1 is shown on the vertical axis. In the figure, SiO (i) indicates a substantially intrinsic silicon composite layer, and SiO (p) indicates a p-type silicon composite layer. Comparing with the same refractive index near the refractive index of 2.5, it can be seen that the peak intensity ratio of SiO (i) is about twice as high as that of SiO (p).

図6に、シリコン複合層の波長600nmの屈折率に対する暗導電率を示す。屈折率が2.5付近の同じ屈折率で比較すると、SiO(i)とSiO(p)がほぼ同等の10−5S/cmの暗導電率を示すことがわかる。 FIG. 6 shows the dark conductivity with respect to the refractive index at a wavelength of 600 nm of the silicon composite layer. Comparing with the same refractive index near the refractive index of 2.5, it can be seen that SiO (i) and SiO (p) show substantially the same dark conductivity of 10 −5 S / cm.

図1に、本発明の実施形態の一例による積層型薄膜光電変換装置100の模式的断面図を示す。透明基板1上に、透明電極層2、前方光電変換ユニットとして非晶質シリコン光電変換ユニット3、後方光電変換ユニットとして結晶質シリコン光電変換ユニット4、および裏面電極層5の順に配置されている。後方光電変換ユニットのp型層と光電変化層の間に界面層44を備えることを特徴としている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a stacked thin film photoelectric conversion device 100 according to an example of an embodiment of the present invention. On the transparent substrate 1, a transparent electrode layer 2, an amorphous silicon photoelectric conversion unit 3 as a front photoelectric conversion unit, a crystalline silicon photoelectric conversion unit 4 as a rear photoelectric conversion unit, and a back electrode layer 5 are arranged in this order. An interface layer 44 is provided between the p-type layer and the photoelectric change layer of the rear photoelectric conversion unit.

基板側から光を入射するタイプの光電変換装置にて用いられる透明基板1には、ガラス、透明樹脂等から成る板状部材やシート状部材が用いられる。特に、透明基板1としてガラス板を用いれば、それが高い透過率を有しかつ安価であるので好ましい。   A plate-like member or a sheet-like member made of glass, transparent resin or the like is used for the transparent substrate 1 used in a photoelectric conversion device of a type in which light enters from the substrate side. In particular, it is preferable to use a glass plate as the transparent substrate 1 because it has a high transmittance and is inexpensive.

すなわち、透明基板1は薄膜光電変換装置の光入射側に位置するので、より多くの太陽光を透過させて光電変換ユニットに吸収させるために、できるだけ透明であることが好ましい。同様の意図から、太陽光の入射面における光反射ロスを低減させるために、透明基板1の光入射面上に無反射コーティングを設けることが好ましい。   That is, since the transparent substrate 1 is located on the light incident side of the thin film photoelectric conversion device, it is preferable that the transparent substrate 1 be as transparent as possible so that more sunlight is transmitted and absorbed by the photoelectric conversion unit. From the same intention, it is preferable to provide a non-reflective coating on the light incident surface of the transparent substrate 1 in order to reduce the light reflection loss on the sunlight incident surface.

透明電極層2はSnO、ZnO等の導電性金属酸化物から成ることが好ましく、CVD、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが好ましい。透明電極層2はその表面に微細な凹凸を有することにより、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。 The transparent electrode layer 2 is preferably made of a conductive metal oxide such as SnO 2 or ZnO, and is preferably formed using a method such as CVD, sputtering, or vapor deposition. The transparent electrode layer 2 desirably has the effect of increasing the scattering of incident light by having fine irregularities on its surface.

トップセルである前方光電変換ユニットは、例えば非晶質シリコン光電変換ユニット3で構成することが望ましい。非晶質シリコン光電変換ユニット3は、プラズマCVD法によって、たとえばp型層、i型層、およびn型層の順に積層して形成される。具体的には、ボロンが0.01原子%以上ドープされた厚さ5から40nmのp型非晶質シリコンカーバイド層31、実質的にi型の厚さ50から400nmの非晶質シリコンの光電変換層32、およびリンが0.01原子%以上ドープされた厚さ5から40nmのn型微結晶シリコン層33がこの順に堆積される。   It is desirable that the front photoelectric conversion unit, which is a top cell, is composed of, for example, an amorphous silicon photoelectric conversion unit 3. The amorphous silicon photoelectric conversion unit 3 is formed by stacking, for example, a p-type layer, an i-type layer, and an n-type layer in this order by plasma CVD. Specifically, a p-type amorphous silicon carbide layer 31 having a thickness of 5 to 40 nm doped with 0.01 atomic% or more of boron, and a substantially i-type amorphous silicon photoelectric film having a thickness of 50 to 400 nm. A conversion layer 32 and an n-type microcrystalline silicon layer 33 having a thickness of 5 to 40 nm doped with 0.01 atomic% or more of phosphorus are deposited in this order.

後方光電変換ユニットは、結晶質シリコン光電変換ユニット4で構成される。結晶質シリコン光電変換ユニット4は、プラズマCVD法によって、p型層、界面層、i型層、およびn型層の順に積層して形成される。具体的には、ボロンが0.01原子%以上ドープされた厚さ5から40nmのp型微結晶シリコン層41、実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層44、実質的に真性な厚さ0.5から5umの結晶質シリコン光電変換層42、リンが0.01原子%以上ドープされた厚さ1から40nmのn型微結晶シリコン層43がこの順に堆積される。   The rear photoelectric conversion unit is composed of a crystalline silicon photoelectric conversion unit 4. The crystalline silicon photoelectric conversion unit 4 is formed by stacking a p-type layer, an interface layer, an i-type layer, and an n-type layer in this order by plasma CVD. Specifically, a p-type microcrystalline silicon layer 41 having a thickness of 5 to 40 nm doped with 0.01 atomic% or more of boron, an interface layer 44 made of a substantially intrinsic silicon composite layer, and a substantially intrinsic thickness. A crystalline silicon photoelectric conversion layer 42 with a thickness of 0.5 to 5 μm and an n-type microcrystalline silicon layer 43 with a thickness of 1 to 40 nm doped with 0.01 atomic% or more of phosphorus are deposited in this order.

ここで、本発明の実施形態の一例では結晶質シリコン光電変換ユニットのp型層と、結晶質シリコン光電変換層との間に、実質的に真性なシリコン複合層を界面層として配置したことを本発明の特徴とする。界面層44は、非晶質酸素化シリコン母相中に結晶シリコン相が分散している層からなる。シリコン結晶相の周りが非晶質シリコン合金で囲まれることにより、実質的なバンドギャップが広がって、結晶質光電変換ユニットのp/i界面のワイドギャップ層が挿入されることになり、ヘテロ接合が形成されて、薄膜光電変換装置の開放電圧が増加する。また、この界面層が実質的に真性なシリコン複合層であることによって、同じ屈折率のp型のシリコン複合層に比べて、吸収係数が小さくなり、光吸収損失が抑制されて、薄膜光電変換装置の短絡電流密度が向上する。さらに、この界面層が実質的に真性なシリコン複合層であることによって、同じ屈折率のp型のシリコン複合層に比べて、結晶化率が高くなり、界面層の上に結晶質光電変換層を作製する場合、界面層が結晶化率の高い下地層となって、その上の結晶質光電変換層の結晶化率が高くなり、薄膜光電変換装置の短絡電流密度が向上する。   Here, in an example of the embodiment of the present invention, a substantially intrinsic silicon composite layer is disposed as an interface layer between the p-type layer of the crystalline silicon photoelectric conversion unit and the crystalline silicon photoelectric conversion layer. It is a feature of the present invention. The interface layer 44 is a layer in which a crystalline silicon phase is dispersed in an amorphous oxygenated silicon matrix. Since the silicon crystal phase is surrounded by an amorphous silicon alloy, a substantial band gap is widened, and a wide gap layer at the p / i interface of the crystalline photoelectric conversion unit is inserted. As a result, the open circuit voltage of the thin film photoelectric conversion device increases. In addition, since the interface layer is a substantially intrinsic silicon composite layer, the absorption coefficient is smaller than that of the p-type silicon composite layer having the same refractive index, and light absorption loss is suppressed. The short circuit current density of the device is improved. Further, since the interface layer is a substantially intrinsic silicon composite layer, the crystallization rate is higher than that of the p-type silicon composite layer having the same refractive index, and the crystalline photoelectric conversion layer is formed on the interface layer. In this case, the interface layer becomes an underlayer having a high crystallization rate, the crystallization rate of the crystalline photoelectric conversion layer thereon is increased, and the short-circuit current density of the thin film photoelectric conversion device is improved.

実質的に真性な界面層(i−SiOx)は、反応ガスとして、SiH、CO、H、を用い、H/SiH比が大きいいわゆる微結晶作製条件でかつ、CO/SiH比が0.3〜3程度の範囲を用いてプラズマCVDで作製できることが実験によりわかった。このとき、プラズマの条件は、容量結合型の平行平板電極を用いて、電源周波数10〜100MHz、パワー密度50〜500mW/cm、圧力50〜1000Pa、H/SiH比が50〜500倍、基板温度150〜250℃である。CO/SiH比を増加させると膜中酸素濃度が単調に増加する。しかし、膜中炭素濃度はCO/SiH比を0〜4の範囲で変化させても1原子%以下であり、酸素に比べてほとんど膜に入らないことが実験によりわかった。膜中酸素濃度は、5原子%以上40原子%以下が好適であり、10原子%以上30原子%以下がさらに好適である。酸素濃度を5原子%以上とすることにより、界面層のバンドギャップが広がり、薄膜光電変換装置のVocが向上する。また、酸素濃度を30原子%以下とすることにより、暗導電率を高くして、界面層と隣接する層との接触抵抗を低減してFFを高くすることが出来る。また、酸素濃度を30原子%以下とすることにより、界面層中に容易にシリコン結晶相を含むことが出来るので、その上に結晶シリコン光電変換層を作製する場合、界面層が結晶性の高い下地層となり、結晶質シリコン光電変換層の結晶化率が高くなり、短絡電流密度が向上するので望ましい。 The substantially intrinsic interface layer (i-SiOx) uses SiH 4 , CO 2 , and H 2 as the reaction gas under so-called microcrystal production conditions with a large H 2 / SiH 4 ratio, and CO 2 / SiH. It has been experimentally found that it can be produced by plasma CVD using a ratio of 4 to about 0.3-3. At this time, the plasma conditions are as follows: a capacitively coupled parallel plate electrode, a power frequency of 10 to 100 MHz, a power density of 50 to 500 mW / cm 2 , a pressure of 50 to 1000 Pa, and a H 2 / SiH 4 ratio of 50 to 500 times. The substrate temperature is 150 to 250 ° C. When the CO 2 / SiH 4 ratio is increased, the oxygen concentration in the film increases monotonously. However, the carbon concentration in the film was 1 atomic% or less even when the CO 2 / SiH 4 ratio was changed in the range of 0 to 4, and it was found by experiment that it hardly enters the film compared with oxygen. The oxygen concentration in the film is preferably 5 atom% or more and 40 atom% or less, and more preferably 10 atom% or more and 30 atom% or less. By setting the oxygen concentration to 5 atomic% or more, the band gap of the interface layer is widened, and the Voc of the thin film photoelectric conversion device is improved. Further, by setting the oxygen concentration to 30 atomic% or less, the dark conductivity can be increased, the contact resistance between the interface layer and the adjacent layer can be reduced, and the FF can be increased. Moreover, since the silicon crystal phase can be easily included in the interface layer by setting the oxygen concentration to 30 atomic% or less, when the crystalline silicon photoelectric conversion layer is formed thereon, the interface layer has high crystallinity. It becomes an underlayer, which is desirable because the crystallization rate of the crystalline silicon photoelectric conversion layer is increased and the short-circuit current density is improved.

界面層の結晶シリコン相の有無は、積層型薄膜光電変換装置と同じ製膜条件で界面層をガラス基板上に作製し、ラマン散乱スペクトル、X線回折法、分光エリプソメトリーなどで検知することができる。   The presence or absence of the crystalline silicon phase in the interface layer can be detected by manufacturing the interface layer on a glass substrate under the same film-forming conditions as the stacked thin film photoelectric conversion device, and using Raman scattering spectrum, X-ray diffraction method, spectroscopic ellipsometry, etc. it can.

あるいは薄膜光電変換装置にウェットエッチングあるいはプラズマエッチングを行い、界面層を露出させることによって結晶シリコン相を検知することができる。この場合、最表面に露出した界面層の結晶相の検知感度を上げるために、ラマン散乱スペクトルの測定の場合、短波長光のレーザー、例えば532nm以下の波長のレーザーを用いたレーザー顕微ラマン装置を用いる。あるいは、イン・プレーン法によるX線回折測定を行う。あるいは、分光エリプソメトリーを用いる。   Alternatively, the crystalline silicon phase can be detected by performing wet etching or plasma etching on the thin film photoelectric conversion device to expose the interface layer. In this case, in order to increase the detection sensitivity of the crystal phase of the interface layer exposed on the outermost surface, in the case of measuring the Raman scattering spectrum, a laser microscope Raman apparatus using a short wavelength laser, for example, a laser having a wavelength of 532 nm or less, is used. Use. Alternatively, X-ray diffraction measurement is performed by an in-plane method. Alternatively, spectroscopic ellipsometry is used.

あるいは薄膜光電変換装置の透過型電子顕微鏡(TEM)の断面像からも結晶シリコン相の有無を検知することができる。TEMの断面像で20万倍から50万倍程度を撮影し、シリコン結晶相の有無を確認することが出来る。特に暗視野像を撮影すると、明るく見える部分が結晶相なので、容易にシリコン結晶相を確認できる。   Alternatively, the presence or absence of the crystalline silicon phase can also be detected from a cross-sectional image of a transmission electron microscope (TEM) of the thin film photoelectric conversion device. A cross-sectional image of the TEM can be taken from 200,000 times to 500,000 times to confirm the presence or absence of a silicon crystal phase. In particular, when a dark field image is taken, the silicon crystal phase can be easily confirmed because the portion that appears bright is the crystal phase.

界面層は、ラマン散乱で測定した波数520cm−1付近の結晶シリコン成分のTOモードのピーク強度(Ic)と、480cm−1付近の非晶質シリコン成分のTOモードのピーク強度(Ia)の強度比(Ic/Ia)が、3以上6以下が好ましい。Ic/Iaが3以上になると結晶シリコン相が確実に発生するので好ましく、導電型決定不純物がなくても、暗導電率を高くすることが出来る。また、Ic/Iaが3以上にすると、界面層の上に結晶質シリコン光電変換層を形成する場合に、結晶性が向上して、Jscが増加する。Ic/Iaが6以下の場合、非晶質シリコン合金に囲まれた結晶シリコン相の格子間隔が広がりやすくなると考えられ、バンドギャップが広がって、結晶質光電変換ユニットのVocが高くなるので好ましい。 The interface layer is measured by Raman scattering, and has the intensity of the TO mode peak intensity (Ic) of the crystalline silicon component around 520 cm −1 and the intensity of the TO mode peak intensity (Ia) of the amorphous silicon component around 480 cm −1. The ratio (Ic / Ia) is preferably 3 or more and 6 or less. When Ic / Ia is 3 or more, a crystalline silicon phase is surely generated, which is preferable. Even if there is no conductivity type determining impurity, dark conductivity can be increased. When Ic / Ia is 3 or more, crystallinity is improved and Jsc is increased when a crystalline silicon photoelectric conversion layer is formed on the interface layer. When Ic / Ia is 6 or less, it is considered that the lattice spacing of the crystalline silicon phase surrounded by the amorphous silicon alloy is likely to be widened, and the band gap is widened to increase the Voc of the crystalline photoelectric conversion unit.

界面層の暗導電率は、10−8S/cm以上、10−1S/cm以下であることが好ましい。界面層の暗導電率を10−8S/cm以上とすることで、界面層と隣接する層との接触抵抗を低減して、薄膜光電変換装置のFFを高くすることが出来る。また、界面層の暗導電率を10−1S/cm以下とすることで、リーク電流を減らすことが出来、電流損失を低減できるので望ましい。特に、暗導電率を10−1S/cm以下とすることで、薄膜光電変換装置をレーザースクライブなどで集積構造としたときに、リーク電流を抑制してFFが高くなり、光電変換装置の特性が高くなるので望ましい。 The dark conductivity of the interface layer is preferably 10 −8 S / cm or more and 10 −1 S / cm or less. By setting the dark conductivity of the interface layer to 10 −8 S / cm or more, the contact resistance between the interface layer and the adjacent layer can be reduced, and the FF of the thin film photoelectric conversion device can be increased. In addition, it is preferable that the dark conductivity of the interface layer is 10 −1 S / cm or less because leakage current can be reduced and current loss can be reduced. In particular, by setting the dark conductivity to 10 −1 S / cm or less, when the thin film photoelectric conversion device is integrated with a laser scribe or the like, the leakage current is suppressed and the FF is increased, and the characteristics of the photoelectric conversion device are increased. Is desirable because it increases.

界面層の波長600nmの光の屈折率は、2.2以上3.0以下が好ましく、2.3以上2.8以下がより好ましい。界面接合層の波長600nmの屈折率が2.2以上の場合、界面層の結晶化率が高くなり、暗導電率が高くなり、Voc、FFが向上するので望ましい。また、屈折率が3.0以下の場合に、界面層のバンドギャップが広がってVocが高くなるとともに、吸収係数が低くなり、Jscが増加するので望ましい。界面層の波長600nmの光の屈折率は分光エリプソメトリーで測定することが出来る。   The refractive index of light having a wavelength of 600 nm of the interface layer is preferably 2.2 or more and 3.0 or less, and more preferably 2.3 or more and 2.8 or less. When the refractive index at a wavelength of 600 nm of the interface bonding layer is 2.2 or more, it is desirable because the crystallization rate of the interface layer is increased, the dark conductivity is increased, and Voc and FF are improved. Further, when the refractive index is 3.0 or less, the band gap of the interface layer is widened to increase Voc, lower the absorption coefficient, and increase Jsc. The refractive index of light having a wavelength of 600 nm in the interface layer can be measured by spectroscopic ellipsometry.

界面層の膜厚は、5nm以上150nm以下が望ましい。界面層が薄いとVocの増加が小さくなるので、Vocを十分向上させるためには、界面層の膜厚を5nm以上にすることが望ましい。界面層が厚すぎると吸収損失が増えるので、Jscを高くするためには界面層の膜厚は150nm以下が望ましい。   The thickness of the interface layer is desirably 5 nm or more and 150 nm or less. If the interface layer is thin, the increase in Voc is small. Therefore, in order to sufficiently improve Voc, it is desirable that the thickness of the interface layer be 5 nm or more. If the interface layer is too thick, absorption loss increases. Therefore, in order to increase Jsc, the film thickness of the interface layer is desirably 150 nm or less.

裏面電極層5としては、Al、Ag、Au、Cu、PtおよびCrから選ばれる少なくとも一つの材料からなる少なくとも一層の金属層をスパッタ法または蒸着法により形成することが好ましい。また、光電変換ユニットと金属層との間に、ITO、SnO、ZnO等の導電性酸化物からなる層を形成しても構わない(図示せず)。 As the back electrode layer 5, it is preferable to form at least one metal layer made of at least one material selected from Al, Ag, Au, Cu, Pt and Cr by sputtering or vapor deposition. Between the photoelectric conversion unit and the metal layer, ITO, may be formed a layer made of SnO 2, conductive oxides such as ZnO (not shown).

なお、図1では2接合の積層型薄膜光電変換装置を示したが、結晶質シリコン光電変換ユニットを含めば、単接合薄膜光電変換装置、あるいは3接合以上の光電変換ユニットが積層された多接合の薄膜光電変換装置であってもよいことは言うまでもない。   1 shows a two-junction stacked thin-film photoelectric conversion device. However, if a crystalline silicon photoelectric conversion unit is included, a single-junction thin-film photoelectric conversion device or a multi-junction in which three or more junction photoelectric conversion units are stacked. Needless to say, the thin film photoelectric conversion device may be used.

また、図1では基板側から光を入射する薄膜光電変換装置を示したが、基板と反対側から光を入射する薄膜光電変換装置においても、本発明が有効であることは言うまでもない。基板と反対側から光を入射する場合、例えば、基板、裏面電極層、結晶質シリコン光電変換ユニット、前方光電変換ユニット、透明電極層の順に積層すればよい。この場合、結晶質シリコン光電変換ユニットは、n型層、結晶質シリコン光電変換層、界面層、p型層の順に積層することが好ましく、前方光電変換ユニットは、n型層、光電変換層、p型層の順に積層することが望ましい。   Although FIG. 1 shows a thin film photoelectric conversion device in which light is incident from the substrate side, it goes without saying that the present invention is also effective in a thin film photoelectric conversion device in which light is incident from the opposite side of the substrate. When light is incident from the side opposite to the substrate, for example, the substrate, the back electrode layer, the crystalline silicon photoelectric conversion unit, the front photoelectric conversion unit, and the transparent electrode layer may be stacked in this order. In this case, the crystalline silicon photoelectric conversion unit is preferably stacked in the order of an n-type layer, a crystalline silicon photoelectric conversion layer, an interface layer, and a p-type layer, and the front photoelectric conversion unit includes an n-type layer, a photoelectric conversion layer, It is desirable to stack in the order of the p-type layer.

本発明はレーザーパターニングを用いて同一の基板上に直列接続構造を形成した集積型薄膜光電変換装置においても有効であることは言うまでもない。集積型薄膜光電変換装置の場合、レーザーパターニングが容易にできるので図1に示すように基板側から光入射する構造が望ましい。   Needless to say, the present invention is also effective in an integrated thin film photoelectric conversion device in which a series connection structure is formed on the same substrate using laser patterning. In the case of an integrated thin film photoelectric conversion device, laser patterning can be easily performed. Therefore, a structure in which light is incident from the substrate side as shown in FIG. 1 is desirable.

以下、本発明による実施例と、従来技術による比較例に基づいて詳細に説明する。各図において同様の部材には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。また、本発明はその趣旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, examples according to the present invention and comparative examples according to the prior art will be described in detail. In the drawings, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Moreover, this invention is not limited to a following example, unless the meaning is exceeded.

(実施例1)
実施例1として、図1に示す構造の薄膜光電変換装置100を作製した。さらに、レーザースクライブによって、図2に示す構造の集積型薄膜光電変換モジュール901を形成した。透明基板1は、厚み4mm、910mm×455mmのガラス基板を用いた。透明基板1の上に、微小なピラミッド状の表面凹凸を含みかつ平均厚さ700nmのSnO2膜が熱CVD法にて透明電極層2を作製した。得られた透明電極層2のシート抵抗は約9Ω/□であった。またC光源で測定したヘイズ率は12%であり、表面凹凸の平均高低差dは約100nmであった。ヘイズ率はJISK7136に基づき測定した。
Example 1
As Example 1, a thin film photoelectric conversion device 100 having the structure shown in FIG. Further, an integrated thin film photoelectric conversion module 901 having the structure shown in FIG. 2 was formed by laser scribing. As the transparent substrate 1, a glass substrate having a thickness of 4 mm and 910 mm × 455 mm was used. On the transparent substrate 1, a transparent electrode layer 2 was produced by a thermal CVD method using a SnO 2 film having minute pyramidal surface irregularities and an average thickness of 700 nm. The sheet resistance of the obtained transparent electrode layer 2 was about 9Ω / □. The haze ratio measured with a C light source was 12%, and the average height difference d of the surface irregularities was about 100 nm. The haze ratio was measured based on JISK7136.

次に、波長1064nmのYAGレーザーを用いて、透明電極層2に第一の分離溝903を形成し、その後、洗浄、乾燥を行った。   Next, a first separation groove 903 was formed in the transparent electrode layer 2 using a YAG laser having a wavelength of 1064 nm, and then washed and dried.

この透明電極層2の上に、13.56MHzの周波数の平行平板電極を備えた容量結合型の高周波プラズマCVD装置を用いて、前方光電変換ユニットとして非晶質シリコン光電変換ユニット3、後方光電変換ユニットとして結晶質シリコン光電変換ユニット4を順次作製した。   On this transparent electrode layer 2, using a capacitively coupled high-frequency plasma CVD apparatus having parallel plate electrodes with a frequency of 13.56 MHz, an amorphous silicon photoelectric conversion unit 3 and a backward photoelectric conversion unit are used as the front photoelectric conversion unit. A crystalline silicon photoelectric conversion unit 4 was sequentially produced as a unit.

非晶質シリコン光電変換ユニット3は、反応ガスとしてSiH4、H2、CH4及びBを導入し一導電型層としてp型非晶質炭化シリコン層31を15nm形成後、反応ガスとしてSiH4を導入し非晶質シリコン光電変換層32を350nm形成し、その後反応ガスとしてSiH4、H2及びPHを導入し逆導電型層としてn型微結晶シリコン層33を20nm形成することで作製した。 The amorphous silicon photoelectric conversion unit 3 introduces SiH 4 , H 2 , CH 4, and B 2 H 6 as a reaction gas and forms a p-type amorphous silicon carbide layer 31 as a single conductivity type layer with a thickness of 15 nm. SiH 4 is introduced to form an amorphous silicon photoelectric conversion layer 32 having a thickness of 350 nm, and then SiH 4 , H 2 and PH 3 are introduced as reaction gases to form an n-type microcrystalline silicon layer 33 having a thickness of 20 nm as a reverse conductivity type layer. It was produced by.

次に、結晶質シリコン光電変換ユニット4を作製した。反応ガスとしてSiH4、H2及びBを導入し一導電型層としてp型微結晶シリコン層41を10nm形成後、実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層44を10nm形成し、反応ガスとしてSiH4とH2を導入し結晶質シリコン光電変換層42を1.5μm形成した。その後、反応ガスとしてSiH4、H2及びPHを導入しn型微結晶シリコン層43を10nm形成することで、逆導電型層であるn型層43を作製した。 Next, a crystalline silicon photoelectric conversion unit 4 was produced. SiH 4 , H 2 and B 2 H 6 are introduced as reaction gases to form a p-type microcrystalline silicon layer 41 having a thickness of 10 nm as one conductivity type layer, and then an interface layer 44 made of a substantially intrinsic silicon composite layer is formed to a thickness of 10 nm. Then, SiH 4 and H 2 were introduced as reaction gases to form a crystalline silicon photoelectric conversion layer 42 having a thickness of 1.5 μm. Thereafter, SiH 4 , H 2, and PH 3 were introduced as reaction gases to form an n-type microcrystalline silicon layer 43 with a thickness of 10 nm, thereby producing an n-type layer 43 that is a reverse conductivity type layer.

p型微結晶シリコン層41を製膜時のガスの流量比はSiH/B/H=1/0.005/300である。電源周波数は13.56MHz、パワー密度200mW/cm、圧力350Pa、基板温度200℃で製膜した。p型微結晶シリコン層のラマン散乱で測定した非晶質シリコン成分のTOモードピークに対する結晶シリコン成分のTOモードピークのピーク強度比は2.8であった。 The gas flow rate ratio when forming the p-type microcrystalline silicon layer 41 is SiH 4 / B 2 H 6 / H 2 = 1 / 0.005 / 300. The film was formed at a power frequency of 13.56 MHz, a power density of 200 mW / cm 2 , a pressure of 350 Pa, and a substrate temperature of 200 ° C. The peak intensity ratio of the TO mode peak of the crystalline silicon component to the TO mode peak of the amorphous silicon component measured by Raman scattering of the p-type microcrystalline silicon layer was 2.8.

実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層44を製膜時のガスの流量比はSiH/CO/H2=1/0.75/300である。電源周波数は13.56MHz、パワー密度200mW/cm、圧力350Pa、基板温度200℃で製膜した。このとき界面層44は、膜中酸素濃度が23原子%、600nmの光に対する屈折率は2.5、ラマン散乱で測定した非晶質シリコン成分のTOモードピークに対する結晶シリコン成分のTOモードピークのピーク強度比は4.3、暗導電率は1.4×10−5S/cmであった。 The flow rate ratio of the gas when forming the interface layer 44 made of a substantially intrinsic silicon composite layer is SiH 4 / CO 2 / H 2 = 1 / 0.75 / 300. The film was formed at a power frequency of 13.56 MHz, a power density of 200 mW / cm 2 , a pressure of 350 Pa, and a substrate temperature of 200 ° C. At this time, the interface layer 44 has an oxygen concentration in the film of 23 atomic%, a refractive index for light of 600 nm is 2.5, and the TO mode peak of the crystalline silicon component with respect to the TO mode peak of the amorphous silicon component measured by Raman scattering. The peak intensity ratio was 4.3, and the dark conductivity was 1.4 × 10 −5 S / cm.


ラマン散乱ピーク強度比および暗導電率は、薄膜光電変換装置の界面層44あるいはp型微結晶リコン層41に比べて製膜時間を長くしたことを除いて同じ条件で、ガラス基板上に厚さ200nm作製して測定した。また、暗導電率はガラス基板上の界面層に、Alのコプラナー型電極を作製して、電圧電流特性から求めた。膜中酸素濃度は光電子分光法(XPS)により測定した。ラマン散乱ピーク強度比は波長532nmのレーザーを用いた顕微ラマン装置を用いて測定した。

The Raman scattering peak intensity ratio and dark conductivity are the same on the glass substrate under the same conditions except that the film formation time is longer than that of the interface layer 44 or the p-type microcrystalline recon layer 41 of the thin film photoelectric conversion device. 200 nm was prepared and measured. The dark conductivity was obtained from voltage-current characteristics by preparing an Al coplanar electrode on the interface layer on the glass substrate. The oxygen concentration in the film was measured by photoelectron spectroscopy (XPS). The Raman scattering peak intensity ratio was measured using a micro Raman apparatus using a laser having a wavelength of 532 nm.

続いて、532nmの第二高調波のYAGレーザーを用いて、前方光電変換ユニット2、後方光電変換ユニット3からなる半導体層30を貫通して、接続溝905を形成した。   Subsequently, a connection groove 905 was formed through the semiconductor layer 30 including the front photoelectric conversion unit 2 and the rear photoelectric conversion unit 3 using a 532 nm second harmonic YAG laser.

その後、裏面電極層5として、厚さ30nmのAlドープされたZnO膜と厚さ300nmのAg膜がスパッタ法にて順次形成された。   Thereafter, as the back electrode layer 5, an Al-doped ZnO film having a thickness of 30 nm and an Ag film having a thickness of 300 nm were sequentially formed by sputtering.

最後に、532nmの第二高調波のYAGレーザーを用いて、前方光電変換ユニット2、後方光電変換ユニット3からなる半導体層30、および裏面電極層5を貫通して、第二の分離溝904を形成した。   Finally, a second separation groove 904 is formed through the front photoelectric conversion unit 2, the semiconductor layer 30 including the rear photoelectric conversion unit 3, and the back electrode layer 5 using a 532 nm second harmonic YAG laser. Formed.

以上のようにして得られた薄膜光電変換モジュール901にAM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射して出力特性を測定したところ、表1の実施例1に示すように、開放電圧(Voc)が1.371V、短絡電流密度(Jsc)が11.58mA/cm2、曲線因子(FF)が0.729、そして変換効率(Eff)が11.42%であった。 When the thin film photoelectric conversion module 901 obtained as described above was irradiated with AM 1.5 light at a light quantity of 100 mW / cm 2 and the output characteristics were measured, as shown in Example 1 of Table 1, the open circuit voltage was measured. (Voc) was 1.371 V, short circuit current density (Jsc) was 11.58 mA / cm 2 , fill factor (FF) was 0.729, and conversion efficiency (Eff) was 11.42%.

Figure 2013008866
Figure 2013008866

(比較例1)
比較例1として図4に示す従来法による薄膜光電変換モジュールを作製した。比較例1は、図1の界面層44が無いことを除いて、実施例1と同様の構造で同様に作製した。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a thin film photoelectric conversion module according to the conventional method shown in FIG. Comparative Example 1 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the interface layer 44 of FIG. 1 was not present.

表1に示すように、比較例1の光電変換装置の出力特性を実施例1と同様に測定したところ、Voc=1.342V、Jsc=11.47mA/cm、FF=0.726、Eff=11.18%であった。 As shown in Table 1, when the output characteristics of the photoelectric conversion device of Comparative Example 1 were measured in the same manner as in Example 1, Voc = 1.342 V, Jsc = 11.47 mA / cm 2 , FF = 0.726, Eff = 11.18%.

(比較例2)
比較例2として従来法による薄膜光電変換モジュールを作製した。比較例2は、図1の界面層44に代えて、厚さ10nmのp型のシリコン複合層を界面層に用いたことを除いて、実施例1と同様の構造で同様に作製した。
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, a conventional thin film photoelectric conversion module was produced. Comparative Example 2 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that a p-type silicon composite layer having a thickness of 10 nm was used for the interface layer instead of the interface layer 44 in FIG.

p型のシリコン複合層からなる界面層を製膜時のガスの流量比はSiH/CO//B/H=1/1.1/0.005/300である。電源周波数は13.56MHz、パワー密度200mW/cm、圧力350Pa、基板温度200℃で製膜した。このときp型の界面層は、膜中酸素濃度が27原子%、600nmの光に対する屈折率は2.5、ラマン散乱で測定した非晶質シリコン成分のTOモードピークに対する結晶シリコン成分のTOモードピークのピーク強度比は1.7、暗導電率は1.6×10−5S/cmであった。 The flow rate ratio of the gas when forming the interface layer made of the p-type silicon composite layer is SiH 4 / CO 2 // B 2 H 6 / H 2 = 1 / 1.1 / 0.005 / 300. The film was formed at a power frequency of 13.56 MHz, a power density of 200 mW / cm 2 , a pressure of 350 Pa, and a substrate temperature of 200 ° C. At this time, the p-type interface layer has an oxygen concentration in the film of 27 atomic%, a refractive index for light of 600 nm is 2.5, and the TO mode peak of the crystalline silicon component with respect to the TO mode peak of the amorphous silicon component measured by Raman scattering. The peak intensity ratio of the peak was 1.7, and the dark conductivity was 1.6 × 10 −5 S / cm.

表1に示すように、比較例1の光電変換装置の出力特性を実施例1と同様に測定したところ、Voc=1.356V、Jsc=11.17mA/cm、FF=0.725、Eff=10.98%であった。 As shown in Table 1, when the output characteristics of the photoelectric conversion device of Comparative Example 1 were measured in the same manner as in Example 1, Voc = 1.356 V, Jsc = 11.17 mA / cm 2 , FF = 0.725, Eff = 10.98%.

(実施例1、比較例1、2の比較)
実施例1は、実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層を用いることで、比較例1に比べて、Voc、Jsc、FFいずれも増加して、Effが向上している。これに対して、比較例2は、実施例1とほぼ同じ屈折率であるが、p型のシリコン複合層を界面層として用いており、比較例1に比べて、Vocは増加するが、Jscが減少して、Effが低下した。実施例1、比較例2ともにワイドギャップな層を結晶質シリコンユニットのp/i界面に配置したことでVocが向上したといえる。しかし、比較例2のp型のシリコン複合層は、実施例1の実質的に真性なシリコン複合層に比べて、吸収係数が高いことにより吸収損失があること、あるいは、ラマンピーク強度比が低いことにより界面層の上に形成する結晶質シリコン光電変換層の結晶化率が低下することによって、Jscが低下したといえる。また、実施例1のJscが比較例1より増加した理由は明確ではないが、シリコン複合層が実質的に真性であるため、活性層としても機能して光吸収によるキャリアの発生が増加したためと推定される。
(Comparison between Example 1 and Comparative Examples 1 and 2)
In Example 1, by using an interface layer made of a substantially intrinsic silicon composite layer, Voc, Jsc, and FF are all increased and Eff is improved as compared with Comparative Example 1. On the other hand, Comparative Example 2 has almost the same refractive index as Example 1, but uses a p-type silicon composite layer as an interface layer, and Voc increases as compared with Comparative Example 1, but Jsc. Decreased and Eff decreased. In both Example 1 and Comparative Example 2, it can be said that Voc was improved by arranging a wide gap layer at the p / i interface of the crystalline silicon unit. However, the p-type silicon composite layer of Comparative Example 2 has an absorption loss due to a higher absorption coefficient or a lower Raman peak intensity ratio than the substantially intrinsic silicon composite layer of Example 1. As a result, it can be said that Jsc is reduced by reducing the crystallization rate of the crystalline silicon photoelectric conversion layer formed on the interface layer. The reason why Jsc in Example 1 increased from Comparative Example 1 is not clear, but because the silicon composite layer is substantially intrinsic, it also functions as an active layer and increased generation of carriers due to light absorption. Presumed.

図7に実施例1に用いた実質的に真性な界面層(図中SiO(i))と、比較例2に用いたp型の界面層(図中SiO(p))の光のエネルギー(E)に対する吸収係数(alpha)を示す。各界面層は、膜厚を200nmと厚くしたことを除いて、光電変換装置に用いたのと同じ製膜条件でガラス基板上に製膜した。図7からわかるように、同じ屈折率で比べた場合、実質的に真性なシリコン複合層のほうが、p型のシリコン複合層に比べて吸収係数が小さいことがわかる。   FIG. 7 shows the light energy of the substantially intrinsic interface layer (SiO (i) in the figure) used in Example 1 and the p-type interface layer (SiO (p) in the figure) used in Comparative Example 2. The absorption coefficient (alpha) for E) is shown. Each interface layer was formed on a glass substrate under the same film forming conditions as those used in the photoelectric conversion device except that the film thickness was increased to 200 nm. As can be seen from FIG. 7, when compared with the same refractive index, the substantially intrinsic silicon composite layer has a smaller absorption coefficient than the p-type silicon composite layer.

また、X軸にE、Y軸に√(αE)をプロットした時のX軸切片から求めたバンドギャップ(いわゆるタウスギャップ)は、実施例1の界面層は2.64eV、比較例2の界面層は2.66eVであった。   Further, the band gap (so-called Taus gap) obtained from the X-axis intercept when plotting E on the X-axis and √ (αE) on the Y-axis is 2.64 eV for the interface layer of Example 1, and the interface layer of Comparative Example 2 Was 2.66 eV.

図8に実施例1に用いた実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層(図中SiO(i))と、比較例2に用いたp型シリコン複合層からなる界面層(図中SiO(p))、および実施例1と比較例2に用いたp型微結晶シリコン層(uc−Si(p))のラマン散乱スペクトルを示す。図8から明らかにように、520cm−1付近の結晶シリコンTOモード成分のピークが、SiO(i)のほうがSiO(p)に比べて高く、結晶性が高いことがわかる。また、SiO(i)は、uc−Si(p)より結晶シリコン成分ピークが鋭く、結晶性が高いことがわかる。非晶質シリコン成分ピークに対する結晶シリコン成分ピークの強度比で、uc−Si(i)、uc−Si(p)、SiO(p)の順に、4.3、2.8、1.7となっている。 FIG. 8 shows an interface layer (SiO (i) in the figure) made of a substantially intrinsic silicon composite layer used in Example 1, and an interface layer (SiO in the figure) made of a p-type silicon composite layer used in Comparative Example 2. (P)), and the Raman scattering spectrum of the p-type microcrystalline silicon layer (uc-Si (p)) used in Example 1 and Comparative Example 2. As is clear from FIG. 8, the peak of the crystalline silicon TO mode component in the vicinity of 520 cm −1 is higher in SiO (i) than in SiO (p) and high in crystallinity. It can also be seen that SiO (i) has a sharper crystalline silicon component peak and higher crystallinity than uc-Si (p). The intensity ratio of the crystalline silicon component peak to the amorphous silicon component peak is 4.3, 2.8, and 1.7 in the order of uc-Si (i), uc-Si (p), and SiO (p). ing.

(実施例2)
実施例2として図1に示す構造の薄膜光電変換モジュールを作製した。実施例2は、界面層44の膜厚を15nmとしたことを除いて、実施例1と同様の構造で同様に作製した。
(Example 2)
As Example 2, a thin film photoelectric conversion module having the structure shown in FIG. Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the interface layer 44 was 15 nm.

表1に示すように、実施例2の光電変換装置の出力特性を実施例1と同様に測定したところ、Voc=1.367V、Jsc=11.38mA/cm、FF=0.736、Eff=11.45%であった。 As shown in Table 1, when the output characteristics of the photoelectric conversion device of Example 2 were measured in the same manner as in Example 1, Voc = 1.367 V, Jsc = 11.38 mA / cm 2 , FF = 0.636, Eff = 11.45%.

(実施例3)
実施例3として図1に示す構造の薄膜光電変換モジュールを作製した。実施例3は、界面層44の膜厚を5nmとしたことを除いて、実施例1と同様の構造で同様に作製した。
(Example 3)
As Example 3, a thin film photoelectric conversion module having the structure shown in FIG. Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the interface layer 44 was 5 nm.

表1に示すように、実施例3の光電変換装置の出力特性を実施例1と同様に測定したところ、Voc=1.351V、Jsc=11.47mA/cm、FF=0.736、Eff=11.28%であった。 As shown in Table 1, when the output characteristics of the photoelectric conversion device of Example 3 were measured in the same manner as in Example 1, Voc = 1.351 V, Jsc = 1.47 mA / cm 2 , FF = 0.636, Eff = 11.28%.

(実施例1〜3、比較例1の比較)
実質的に真性なシリコン複合層の界面層の膜厚を変化させると、Voc、Jscは膜厚10nmで最大となった。実施例3が実施例1に比べて、Vocが低くなったのは、ワイドギャップ層である界面層の厚さが十分でないためといえる。これに対して、実施例2が実施例1に比べてVocがやや低下したのは、界面層が厚すぎると界面層にかかる電界が大きくなるとともに結晶質シリコン光電変換層にかかる電界が弱くなって、Vocが低下したと推定される。実施例3が実施例1に比べて、Jscが低くなったのは、界面層が薄いため界面層中で発生する光キャリアが少ないためと考えられる。実施例2が実施例1に比べてJscがやや低下したのは、界面層による吸収損失が増加したためといえる。実施例2のFFが実施例1に比べて増加したのは、界面層の膜厚が厚くなるともに界面層の結晶化率が増加して、界面層と結晶質シリコン光電変換層の接触抵抗が低下したためと考えられる。
(Comparison between Examples 1 to 3 and Comparative Example 1)
When the film thickness of the interface layer of the substantially intrinsic silicon composite layer was changed, Voc and Jsc were maximized at a film thickness of 10 nm. The reason why Voc is lower in Example 3 than in Example 1 is that the thickness of the interface layer, which is a wide gap layer, is not sufficient. On the other hand, Voc slightly decreased in Example 2 compared to Example 1 because the electric field applied to the interface layer was increased and the electric field applied to the crystalline silicon photoelectric conversion layer was weakened when the interface layer was too thick. Thus, it is estimated that Voc has decreased. The reason why Example 3 has a lower Jsc than that of Example 1 is considered to be that the optical layer generated in the interface layer is small because the interface layer is thin. The reason why Jsc slightly decreased in Example 2 compared to Example 1 can be attributed to an increase in absorption loss due to the interface layer. The FF of Example 2 increased from that of Example 1 because the crystallization rate of the interface layer increased as the thickness of the interface layer increased, and the contact resistance between the interface layer and the crystalline silicon photoelectric conversion layer increased. This is thought to be due to a decline.

(実施例4)
実施例4として図1に示す構造の薄膜光電変換モジュールを作製した。実施例4は、界面層44の波長600nmの光に対する屈折率を2.3としたこと、界面層製膜時のガス流量比をSiH/CO/H2=1/1.1/300したことを除いて、実施例1と同様の構造で同様に作製した。
Example 4
As Example 4, a thin film photoelectric conversion module having the structure shown in FIG. In Example 4, the refractive index of the interface layer 44 with respect to light having a wavelength of 600 nm was set to 2.3, and the gas flow rate ratio during the formation of the interface layer was SiH 4 / CO 2 / H 2 = 1 / 1.1 / 300. Except for this, the same structure as in Example 1 was produced.

このとき、界面層44の膜中酸素濃度が30原子%、600nmの光に対する屈折率は2.3、ラマン散乱で測定した非晶質シリコン成分のTOモードピークに対する結晶シリコン成分のTOモードピークのピーク強度比は3.6、暗導電率は9.8×10−7S/cmであった。 At this time, the oxygen concentration in the interface layer 44 is 30 atomic%, the refractive index for light of 600 nm is 2.3, and the TO mode peak of the crystalline silicon component with respect to the TO mode peak of the amorphous silicon component measured by Raman scattering. The peak intensity ratio was 3.6, and the dark conductivity was 9.8 × 10 −7 S / cm.

表1に示すように、実施例4の光電変換装置の出力特性を実施例1と同様に測定したところ、Voc=1.366V、Jsc=11.36mA/cm、FF=0.731、Eff=11.34%であった。実施例4で界面層44の屈折率を2.3とした場合においても、比較例1に比べて、Voc、Jscが向上してEffが向上した。 As shown in Table 1, when the output characteristics of the photoelectric conversion device of Example 4 were measured in the same manner as in Example 1, Voc = 1.366 V, Jsc = 11.36 mA / cm 2 , FF = 0.731, Eff = 11.34%. Even in Example 4 where the refractive index of the interface layer 44 was 2.3, Voc and Jsc were improved and Eff was improved as compared with Comparative Example 1.

(実施例5)
実施例5として図3に示す構造の薄膜光電変換モジュールを作製した。実施例5は、非晶質シリコン光電変換ユニット3のn型層として、厚さ50nmのn型シリコン複合層からなる中間透過反射層34、厚さ10nmのn型微結晶シリコン層34を順次配置したこと、結晶質シリコン光電変換層44の厚さを2.5umとしたことを除いて、実施例1と同様の構造で同様に作製した。
(Example 5)
As Example 5, a thin film photoelectric conversion module having the structure shown in FIG. In Example 5, as an n-type layer of the amorphous silicon photoelectric conversion unit 3, an intermediate transmission / reflection layer 34 made of an n-type silicon composite layer having a thickness of 50 nm and an n-type microcrystalline silicon layer 34 having a thickness of 10 nm are sequentially arranged. The same structure as in Example 1 was prepared except that the thickness of the crystalline silicon photoelectric conversion layer 44 was 2.5 μm.

n型のシリコン複合層からなる中間透過反射層を製膜時のガスの流量比はSiH/CO/PH/H=1/2.3/0.02/250である。電源周波数は13.56MHz、パワー密度200mW/cm、圧力350Pa、基板温度200℃で製膜した。このときn型の中間透過反射層は、膜中酸素濃度が44原子%、600nmの光に対する屈折率は2.0、ラマン散乱で測定した非晶質シリコン成分のTOモードピークに対する結晶シリコン成分のTOモードピークのピーク強度比は2.0、暗導電率は1.2×10−4S/cmであった。 The flow rate ratio of the gas when forming the intermediate transmission / reflection layer made of the n-type silicon composite layer is SiH 4 / CO 2 / PH 3 / H 2 = 1 / 2.3 / 0.02 / 250. The film was formed at a power frequency of 13.56 MHz, a power density of 200 mW / cm 2 , a pressure of 350 Pa, and a substrate temperature of 200 ° C. At this time, the n-type intermediate transmission / reflection layer has an oxygen concentration in the film of 44 atomic%, a refractive index for light of 600 nm is 2.0, and the crystalline silicon component relative to the TO mode peak of the amorphous silicon component measured by Raman scattering. The peak intensity ratio of the TO mode peak was 2.0, and the dark conductivity was 1.2 × 10 −4 S / cm.

表1に示すように、実施例5の光電変換装置の出力特性を実施例1と同様に測定したところ、Voc=1.325V、Jsc=13.26mA/cm、FF=0.697、Eff=12.25%であった。 As shown in Table 1, when the output characteristics of the photoelectric conversion device of Example 5 were measured in the same manner as in Example 1, Voc = 1.325 V, Jsc = 13.26 mA / cm 2 , FF = 0.597, Eff = 12.25%.

(比較例3)
比較例3として従来法による薄膜光電変換モジュールを作製した。比較例3は、図3の界面層44が無いことを除いて、実施例2と同様の構造で同様に作製した。
(Comparative Example 3)
As Comparative Example 3, a conventional thin film photoelectric conversion module was produced. Comparative Example 3 was fabricated in the same manner as in Example 2 except that the interface layer 44 of FIG. 3 was not present.

表1に示すように、比較例3の光電変換装置の出力特性を実施例1と同様に測定したところ、Voc=1.316V、Jsc=13.20mA/cm、FF=0.688、Eff=11.95%であった。 As shown in Table 1, when the output characteristics of the photoelectric conversion device of Comparative Example 3 were measured in the same manner as in Example 1, Voc = 1.316V, Jsc = 13.20 mA / cm 2 , FF = 0.688, Eff = 11.95%.

(実施例5、比較例3の比較)
中間透過反射層がある場合においても、実質的に真性なシリコン複合層を界面層として用いることで、Vocが向上するともに、Jsc、FFが向上してEffが比較例3に比べて高くなった。
(Comparison of Example 5 and Comparative Example 3)
Even in the case where there is an intermediate transmission / reflection layer, the use of a substantially intrinsic silicon composite layer as the interface layer improves Voc, improves Jsc and FF, and increases Eff compared to Comparative Example 3. .

1 透明基板
2 透明電極層
3 非晶質シリコン光電変換ユニット
30 半導体層
31 p型非晶質炭化シリコン層
32 実質的に真性な非晶質シリコン光電変換層
33 n型微結晶シリコン層
34 n型のシリコン複合層からなる中間透過反射層
4 結晶質シリコン光電変換ユニット
41 p型微結晶シリコン層
42 実質的に真性な結晶質シリコン層の光電変換層
43 n型微結晶シリコン層
44 実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層
100 積層型薄膜光電変換装置
901 集積型薄膜光電変換モジュール
902 光電変換セル
903 第1の分離溝
904 第2の分離溝
905 接続溝
Reference Signs List 1 transparent substrate 2 transparent electrode layer 3 amorphous silicon photoelectric conversion unit 30 semiconductor layer 31 p-type amorphous silicon carbide layer 32 substantially intrinsic amorphous silicon photoelectric conversion layer 33 n-type microcrystalline silicon layer 34 n-type Intermediate transmission reflection layer made of silicon composite layer 4 crystalline silicon photoelectric conversion unit 41 p-type microcrystalline silicon layer 42 photoelectric conversion layer of substantially intrinsic crystalline silicon layer 43 n-type microcrystalline silicon layer 44 substantially intrinsic Interface layer made of a silicon composite layer 100 Laminated thin film photoelectric conversion device 901 Integrated thin film photoelectric conversion module 902 Photoelectric conversion cell 903 First separation groove 904 Second separation groove 905 Connection groove

Claims (7)

光入射側から順に、透明電極層と、一導電型層と実質的に真性半導体の光電変換層と逆導電型層とを配置した1以上の光電変換ユニットと、裏面電極層とを含む薄膜光電変換装置であって、
少なくとも1つの光電変換ユニットは、光電変換層が実質的に真性な結晶質シリコン半導体層を含む結晶質シリコン光電変換ユニットであり、
前記結晶質シリコン光電変換ユニットの一導電型層と光電変換層との間に、実質的に真性なシリコン複合層からなる界面層を配置し、
かつ前記シリコン複合層は非晶質酸素化シリコン母相中に結晶シリコン相が分散している層であることを特徴とする、薄膜光電変換装置。
In order from the light incident side, a thin-film photoelectric device including a transparent electrode layer, one or more photoelectric conversion units in which one conductive type layer, a substantially intrinsic semiconductor photoelectric conversion layer, and a reverse conductive type layer are disposed, and a back electrode layer. A conversion device,
At least one photoelectric conversion unit is a crystalline silicon photoelectric conversion unit in which the photoelectric conversion layer includes a substantially intrinsic crystalline silicon semiconductor layer,
Between the one conductive type layer of the crystalline silicon photoelectric conversion unit and the photoelectric conversion layer, an interface layer composed of a substantially intrinsic silicon composite layer is disposed,
The thin film photoelectric conversion device is characterized in that the silicon composite layer is a layer in which a crystalline silicon phase is dispersed in an amorphous oxygenated silicon matrix.
請求項1に記載の薄膜光電変換装置であって、光電変換ユニットを2以上備え、光入射側に最近接の光電変換ユニットは光電変換層が実質的に真性な非晶質シリコン半導体層を含む非晶質光電変換ユニットである、積層型薄膜光電変換装置。   2. The thin film photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion unit includes two or more photoelectric conversion units, and the photoelectric conversion unit closest to the light incident side includes a substantially intrinsic amorphous silicon semiconductor layer. A laminated thin film photoelectric conversion device which is an amorphous photoelectric conversion unit. 請求項2に記載の積層型薄膜光電変換装置であって、
前記非晶質光電変換ユニットの逆導電型層の少なくとも一部が、非晶質酸素化シリコン母相中に結晶シリコン相が分散しているn型のシリコン複合層であることを特徴とする、積層型薄膜光電変換装置。
The stacked thin film photoelectric conversion device according to claim 2,
At least a part of the reverse conductivity type layer of the amorphous photoelectric conversion unit is an n-type silicon composite layer in which a crystalline silicon phase is dispersed in an amorphous oxygenated silicon matrix. Multilayer thin film photoelectric conversion device.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の薄膜光電変換装置であって、前記界面層は600nmの波長の光に対する屈折率が2.2以上3.0以下であることを特徴とする、薄膜光電変換装置。   The thin film photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the interface layer has a refractive index of 2.2 to 3.0 with respect to light having a wavelength of 600 nm. Thin film photoelectric conversion device. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の薄膜光電変換装置であって、前記界面層はラマン散乱で測定した非晶質成分に由来するピークに対する結晶シリコン成分のTOモードピークのピーク強度比が3以上6以下であることを特徴とする、薄膜光電変換装置。   5. The thin film photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the interface layer has a peak intensity ratio of a TO mode peak of a crystalline silicon component to a peak derived from an amorphous component measured by Raman scattering. Is 3 or more and 6 or less, The thin film photoelectric conversion apparatus characterized by the above-mentioned. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の薄膜光電変換装置であって、前記界面層の暗導電率が10−8S/cm以上、10−1S/cm以下であることを特徴とする、薄膜光電変換装置。 It is a thin film photoelectric conversion device of any one of Claims 1-5, Comprising: The dark conductivity of the said interface layer is 10 < -8 > S / cm or more and 10 < -1 > S / cm or less, It is characterized by the above-mentioned. A thin film photoelectric conversion device. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の薄膜光電変換装置であって、前記界面層の膜厚は5nm以上15nm以下であることを特徴とする、薄膜光電変換装置。   7. The thin film photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the interface layer has a thickness of 5 nm to 15 nm.
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