JP2013041857A - 薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜太陽電池の光電変換効率を高くする。
【解決手段】ｎ型半導体層１１０は基板１０上に形成されている。真性半導体層１２０は、ｎ型半導体層１１０上に形成されており、非晶質と液晶の混晶である。ｐ型半導体層１３０は、真性半導体層１２０上に形成されている。界面層１３２は、真性半導体層１２０とｐ型半導体層１３０の間に形成されており、真性半導体層１２０よりもバンドギャップが大きい材料、例えばｐ型の非晶質層である。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法に関する。

太陽電池の一つである薄膜太陽電池は、使用するシリコン等の量が少ないため、重要性が高まっている。薄膜太陽電池は、基板上に第１導電型半導体層、真性半導体層、及び第２導電型半導体層を積層した光電変換層を有している（例えば特許文献１〜１１）。

特に特許文献１には、真性半導体層のうちｐ型半導体層と接する面に、Ｂ（ボロン）を０．１〜１００ｐｐｍ導入した層を５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さで設けることが記載されている。これにより、光電変換層に酸素や窒素などの不純物層が混入することに起因して光電変換効率が低下することを抑制できる、とされている。

また特許文献２には、真性半導体層とｐ型半導体層の間に、界面層を設けることが記載されている。この界面層の膜厚は、０．５〜８ｎｍであり、シリコンを含んでいる。
さらに、特許文献１１には、微結晶相を含む非晶質薄膜からなるｐ型半導体層と、非晶質薄膜からなり実質的に真性なｉ型半導体層との間に、１〜８ｎｍの厚さの非晶質シリコンオキサイドのｐ／ｉ界面層を設けることが記載されている。

特開平７−９４７６８号公報 特開２００１−２９１８７８号公報 特表２０１１−５０３８４８号公報 特表２０１０−５２４２６２号公報 特開２０１１−１４６１７号公報 特開２０１１−２９２５９号公報 特開２０１０−３４５２５号公報 特開２００７−１８９２６６号公報 特開２００６−３３２７１１号公報 特開２００３−３４７５７２号公報 特開２００１−２０３３７４号公報

薄膜太陽電池には、光電変換効率をさらに高めることが求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光電変換効率が高い薄膜太陽電池及び薄膜太陽電池の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、基板と、
前記基板上に形成された第１電極と、
前記第１電極上に形成された第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に形成され、非晶質と結晶からなる真性半導体層と、
前記真性半導体層上に形成された第２導電型半導体層と、
前記第２導電型半導体層上に形成された第２電極と、
前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層のうちｐ型の半導体層と、前記真性半導体層の間に形成され、ｐ型の非晶質層である界面層と、
を備え、
前記界面層は、不純物としてボロンを含有する薄膜太陽電池が提供される。

本発明によれば、基板上に第１導電型半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型半導体層上に、非晶質と結晶の混晶である真性半導体層を形成する工程と、
前記真性半導体層上に第２導電型半導体層を形成する工程と、
を備え、
さらに、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層のうちｐ型の半導体層を形成する工程と、前記真性半導体層を形成する工程の間に、ｐ型の非晶質層である界面層を、原料ガス中のジボラン濃度が、シランに対して２０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下で形成する工程を備える薄膜太陽電池の製造方法が提供される。

本発明によれば、薄膜太陽電池の発電効率を上昇させることができる。

第１の実施形態に係る薄膜太陽電池の構成を示す断面図である。 図１に示した薄膜太陽電池を製造する装置の構成を示す図である。 成膜室３０１の構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る薄膜太陽電池の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る薄膜太陽電池の構成を示す断面図である。この薄膜太陽電池は、基板１０、第１電極２１０、ｎ型半導体層１１０（第１導電型半導体層）、真性半導体層１２０、ｐ型半導体層１３０（第２導電型半導体層）、第２電極２２０、及び界面層１３２を有している。基板１０は可撓性を有している。ｎ型半導体層１１０は第１電極２１０上に形成されている。真性半導体層１２０は、ｎ型半導体層１１０上に形成されており、非単結晶Ｓｉである。ｐ型半導体層１３０は、真性半導体層１２０上に形成されている。界面層１３２は、真性半導体層１２０とｐ型半導体層１３０の間に形成されており、真性半導体層１２０よりもバンドギャップが大きい材料、例えばｐ型の非晶質層である。以下、詳細に説明する。

基板１０は、可撓性を有しており、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）などの絶縁性の基材である。基板１０とｎ型半導体層１１０の間には、第１電極２１０が形成されている。第１電極２１０は、例えばＡｇとＺｎＯをこの順に積層したものである。なお、基板１０は、全体が導電性を有していても良い。この場合、基板１０が第１電極２１０を兼ねてもよい。

ｎ型半導体層１１０、真性半導体層１２０、ｐ型半導体層１３０、及び界面層１３２は、本実施形態では、ずれもＳｉ膜である。ｎ型半導体層１１０及びｐ型半導体層１３０は、非単結晶系のＳｉ膜、例えば微結晶Ｓｉ膜である。真性半導体層１２０は、不純物が導入されていない真性半導体層であり、例えば微結晶Ｓｉ膜である。界面層１３２は、例えば微結晶Ｓｉ膜である。

ｎ型半導体層１１０の膜厚は、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、真性半導体層１２０の膜厚は、例えば２００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。また界面層１３２の膜厚は、５ｎｍ以上４０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。ｐ型半導体層１３０の膜厚は、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

また、ｎ型半導体層１１０の不純物濃度は、例えば１０^１９ｃｍ^−３以上１０^２１ｃｍ^−３以下であり、ｐ型半導体層１３０の不純物濃度は、例えば１０^１９ｃｍ^−３以上１０^２１ｃｍ^−３以下である。さらに、界面層１３２の不純物濃度は、例えば２×１０^１８ｃｍ^−３以上２×１０^１９ｃｍ^−３以下である。界面層１３２の不純物は、例えばＢである。

また、ｐ型半導体層１３０の上には、第２電極２２０が形成されている。第２電極２２０は透明電極であり、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜である。

なお、ｎ型半導体層１１０、真性半導体層１２０、ｐ型半導体層１３０、及び界面層１３２は、他のＳｉ系膜、例えばＳｉＧｅであっても良い。

図２は、図１に示した薄膜太陽電池を製造する装置の構成を示す図である。この装置は、基板１０に光電変換層を形成する装置であり、成膜室３０１，３０２，３０３，３０４、基板送出部３００、基板巻取部３０５、及び連結部４０１，４０２，４０３，４０４，４０５を備えている。

基板送出部３００は、ロール状に巻かれた基板１０を保持しており、成膜室３０１，３０２，３０３，３０４に基板１０を送り出す。本実施形態において、基板１０は、ポリイミドやポリアミドなどの絶縁性の基材の上に予め第１電極２１０を形成したものである。成膜室３０１，３０２，３０３，３０４は、基板１０に成膜処理を行う。具体的には、成膜室３０１はｎ型半導体層１１０をＣＶＤ法により成膜し、成膜室３０２は真性半導体層１２０をＣＶＤ法により成膜し、成膜室３０３は、界面層１３２及びｐ型半導体層１３０をＣＶＤ法により成膜する。成膜室３０４は、第２電極２２０を直流のスパッタリング法により成膜する。基板巻取部３０５は、成膜室３０１，３０２，３０３，３０４で成膜処理された基板１０をロール状に巻き取る。

成膜室３０１と基板送出部３００は連結部４０１で連結されており、成膜室３０１と成膜室３０２は連結部４０２で連結されている。成膜室３０２と成膜室３０３は連結部４０３で連結されており、成膜室３０３と成膜室３０４は連結部４０４で連結されている。成膜室３０４と基板巻取部３０５は連結部４０５で連結されている。連結部４０１，４０２，４０３，４０４，４０５はゲートバルブ（図示せず）を有している。

図３は、成膜室３０１の構成を示す断面図である。成膜室３０１は、成膜容器３１０、カソード電極３２０、及びアノード電極３３０を備えている。カソード電極３２０及びアノード電極３３０は成膜容器３１０の中に配置されている。カソード電極３２０は、整合器３４０を介して高周波電源３５０に接続している。またカソード電極３２０は、処理ガスを成膜容器３１０に導入するシャワーヘッドとなっており、プロセスガスを導入するための配管（図示せず）が接続されている。アノード電極３３０は接地されており、基板１０に接している。そしてアノード電極３３０は、基板１０を加熱するためのヒーターを内蔵している。本図に示す例において、カソード電極３２０が上側に位置しており、アノード電極３３０が下側に位置しているが、これは、実際の装置においてカソード電極３２０及びアノード電極３３０がこのような位置関係にあることを示すものではない。

なお成膜室３０２，３０３の構成も、上記した成膜室３０１の構成と略同様である。

成膜室３０１で用いられるプロセスガスは、例えばシラン（ＳｉＨ_４）、水素、及び不純物ガス（例えばＰＨ_３）である。成膜室３０２で用いられるプロセスガスは、例えばシラン（ＳｉＨ_４）及び水素である。成膜室３０３で用いられるプロセスガスは、例えばシラン（ＳｉＨ_４）、水素、及び不純物ガス（例えばＢ_２Ｈ_６）である。

次に、図２に示した成膜装置を用いて、図１に示した薄膜太陽電池の光電変換層を形成する方法を説明する。まずロール状の基板１０を基板送出部３００にセットし、この基板１０の始端部を、連結部４０１、成膜室３０１、連結部４０２、成膜室３０２、連結部４０３、成膜室３０３、連結部４０４、成膜室３０４を介して基板巻取部３０５に取り付ける。次いで、基板１０に、成膜室３０１におけるｎ型半導体層１１０の成膜処理、成膜室３０２における真性半導体層１２０の成膜処理、成膜室３０３における界面層１３２及びｐ型半導体層１３０の成膜処理を、この順に行なう。これにより、基板１０上に光電変換層が形成される。次いで、成膜室３０４において第２電極２２０の形成処理を行う。

なお、上記したｎ型半導体層１１０の形成処理、真性半導体層１２０の形成処理、並びに界面層１３２及びｐ型半導体層１３０の形成処理を、この順に複数回繰り返しても良い。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態によれば、真性半導体層１２０とｐ型半導体層１３０の間には、界面層１３２が形成されている。界面層１３２は、真性半導体層１２０よりもバンドギャップ大きい。このため、真性半導体層１２０で励起した電子がｐ型半導体層１３０に流れ込んだり、真性半導体層１２０とｐ型半導体層１３０の界面で再結合して消滅することが抑制される。これにより、薄膜太陽電池の発電効率が上昇する。

また界面層１３２は、ｐ型である。このため、ｐ型半導体層１３０と真性半導体層１２０の間でキャリアすなわちホールを伝導させることができる。従って、界面層１３２を設けることによって薄膜太陽電池の発電効率が低下することはない。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る薄膜太陽電池の構成を示す断面図である。この薄膜太陽電池は、基板１０の上に、第１電極２１０、ｐ型半導体層１３０、界面層１３２、真性半導体層１２０、ｎ型半導体層１１０及び第２電極２２０の順に積層されている点を除いて、第１の実施形態に係る薄膜太陽電池と同様の構成である。ただし、第１電極２１０は透明電極であり、第２電極２２０はＡｇとＺｎＯの積層膜である。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（実施例１）
図１に示した薄膜太陽電池を作成した。成膜条件の一例を、表１に示す。表１において、希釈率は、シラン流量に対する水素流量の比率である。また、ｎ型のドーピングガスにはホスフィンを使用し、ｐ型のドーピングガスにはジボランを使用した。本実施例において、第２電極２２０の成膜条件（スパッタリング条件）を、Ａｒ−Ｏ_２のガス流量が２０ｓｃｃｍ、圧力が３ｍｔｏｒｒ、パワーが３００Ｗ、基板温度が２００℃とした。第２電極２２０の膜厚は、７０ｎｍとした。

各層は、界面層１３２を除いて全て微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）で形成されている。界面層１３２は、アモルファスシリコンで形成されている。界面層１３２を形成するとき、ジボランをドーピングガスとして用いたが、表２に示すように、このジボランの添加量は、ＳｉＨ４に対する不純物ガス濃度比として、を０〜１０００ｐｐｍの間で変化させることにより、複数の試料を作成した。ただし、ｎ型半導体層に対しては、不純物ガスＰＨ３に対する濃度比とした。表２には、ジボランの添加量と、光電変換効率の関係を示している。光電変換効率の測定を行う際、第２電極２２０の上に、Ａｇの櫛型電極を蒸着した。そして、ソーラーシミュレータで１００ｍＷ／ｃｍ^２の光を照射して電流-電圧特性を測定することにより、薄膜太陽電池の光電変換効率を評価した。

また、実施例１に示した薄膜太陽電池において界面層１３２を形成しないものを作成した（比較例１）。この比較例１における光電変換効率も、表２に示す。

表２より、シランガスに対するジボラン濃度比を０〜１０００ｐｐｍに変化させると、ジボラン濃度比が２０〜２００ｐｐｍの範囲内で、光電変換効率が比較例と同等以上になることが判明した。特にジボラン濃度比が５０〜１５０ｐｐｍの場合、光電変換効率は高くなると考えられ、ジボラン濃度比が１００ｐｐｍの時が特に好ましい。なお、ジボラン濃度比を２０〜２００ｐｐｍとした試料における界面層１３２のＢ密度は、ＳＩＭＳ測定により、おおよそ２×１０^１８ｃｍ^−３〜２×１０^１９ｃｍ^−３であることが判明した。よって、特に好ましい条件（ジボラン濃度比が１００ｐｐｍ）において、界面層１３２のＢ密度は、１×１０^１９ｃｍ^−３である。

（実施例２）
実施例１に示した薄膜太陽電池において、界面層１３２の厚さを変えることにより、複数の試料を作成した。なお、界面層１３２におけるシランガスに対するジボラン濃度比を、１００ｐｐｍとした。各試料における光電変換効率を、表３に示す。

また、界面層１３２を１０ｎｍとした上で、界面層１３２を成膜している間にジボランガスの添加量を徐々に変化させてｐ型半導体層１３０と界面層１３２を連続して形成した試料を作成した。なお、ｐ型半導体層１３０におけるシランガスに対するジボラン濃度比を、１００００ｐｐｍとした（比較例２）。比較例２における光電変換効率も、表３に示す。

表３より、実施例の各資料は、比較例２よりも光電変換効率が高いことが判明した。

以上、図面を参照して本発明の実施形態及び実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ 基板
１１０ ｎ型半導体層
１２０ 真性半導体層
１３０ ｐ型半導体層
１３２ 界面層
２１０ 第１電極
２２０ 第２電極
３００ 基板送出部
３０１ 成膜室
３０２ 成膜室
３０３ 成膜室
３０４ 成膜室
３０５ 基板巻取部
３１０ 成膜容器
３２０ カソード電極
３３０ アノード電極
３４０ 整合器
３５０ 高周波電源
４０１ 連結部
４０２ 連結部
４０３ 連結部
４０４ 連結部
４０５ 連結部

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された第１電極と、
   前記第１電極上に形成された第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に形成され、非晶質と結晶からなる真性半導体層と、
   前記真性半導体層上に形成された第２導電型半導体層と、
   前記第２導電型半導体層上に形成された第２電極と、
   前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層のうちｐ型の半導体層と、前記真性半導体層の間に形成され、ｐ型の非晶質層である界面層と、
   を備え、
   前記界面層は、不純物としてボロンを含有する薄膜太陽電池。
2. 請求項１に記載の薄膜太陽電池において、
   前記界面層の厚さは、５ｎｍ以上４０ｎｍ以下である薄膜太陽電池。
3. 請求項２に記載の薄膜太陽電池において、
   前記界面層の厚さは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である薄膜太陽電池。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜太陽電池において、
   前記界面層の不純物濃度は、２×１０^１８ｃｍ^−３以上２×１０^１９ｃｍ^−３以下である薄膜太陽電池。
5. 基板上に第１導電型半導体層を形成する工程と、
   前記第１導電型半導体層上に、非晶質と結晶の混晶である真性半導体層を形成する工程と、
   前記真性半導体層上に第２導電型半導体層を形成する工程と、
   を備え、
   さらに、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層のうちｐ型の半導体層を形成する工程と、前記真性半導体層を形成する工程の間に、ｐ型の非晶質層である界面層を、原料ガス中のジボラン濃度が、シランに対して２０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下で形成する工程を備える薄膜太陽電池の製造方法。
6. 請求項５に記載の薄膜太陽電池の製造方法において、
   前記界面層を形成する工程と、前記ｐ型の半導体層を形成する工程を、同一の処理槽内で行う薄膜太陽電池の製造方法。

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