JP2013074038A - Method of manufacturing photoelectric conversion device and photoelectric conversion device - Google Patents

Method of manufacturing photoelectric conversion device and photoelectric conversion device Download PDF

Info

Publication number
JP2013074038A
JP2013074038A JP2011211025A JP2011211025A JP2013074038A JP 2013074038 A JP2013074038 A JP 2013074038A JP 2011211025 A JP2011211025 A JP 2011211025A JP 2011211025 A JP2011211025 A JP 2011211025A JP 2013074038 A JP2013074038 A JP 2013074038A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
plane
amorphous silicon
photoelectric conversion
silicon layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2011211025A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinya Nakano
慎也 中野
Yoshiaki Takeuchi
良昭 竹内
Michio Kondo
道雄 近藤
Takuya Matsui
卓矢 松井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2011211025A priority Critical patent/JP2013074038A/en
Publication of JP2013074038A publication Critical patent/JP2013074038A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548Amorphous silicon PV cells

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a photoelectric conversion device capable of improving power generation characteristics of a solar cell having a hetero junction cell composed of a p-type crystal Ge (substrate), an i-type amorphous silicon layer, and an n-type amorphous silicon layer.SOLUTION: A method of manufacturing a photoelectric conversion device includes a hetero junction cell 1 in which a p-type crystal Ge is used as a substrate 11 and an i-type amorphous silicon layer 12 and an n-type amorphous silicon layer 13 are laminated on the substrate 11 in this order. This method includes a PHexposure processing step in which the substrate 11 of the p-type crystal Ge having a Ge (111) face on the surface is used and after heating the substrate 11 from which an oxide film 5 formed on the surface is removed to a predetermined temperature, the substrate 11 is exposed to the PHgas by being disposed in a vacuum chamber.

Description

本発明は、光電変換装置の製造方法及び光電変換装置に関し、特に、結晶系発電層とヘテロ接合を有する太陽電池の製造方法及び太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a photoelectric conversion device and a photoelectric conversion device, and particularly to a method for manufacturing a solar cell having a heterogeneous junction with a crystalline power generation layer and a solar cell.

太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、太陽電池が知られている。特許文献1には、単結晶基板上に非晶質シリコン層が積層されたヘテロ接合光電変換装置が開示されている。特許文献1では、光閉じ込め効果による短絡電流増加のために基板表面にピラミッド形状の凹凸を設けるに当たり、(100)面に沿ってスライスした結晶基板を異方性エッチングし、(111)面に配向した4個の壁により形成された断面がV字型の凹部を全面に形成した基板を用いている。該基板は、表面に付着した不純物などを除去するために前処理される。前処理により基板表面に酸化膜が形成されるため、該酸化膜を除去した後に、基板上に非晶質シリコン層を積層させている。   A solar cell is known as a photoelectric conversion device that converts sunlight energy into electrical energy. Patent Document 1 discloses a heterojunction photoelectric conversion device in which an amorphous silicon layer is stacked on a single crystal substrate. In Patent Document 1, in order to increase the short-circuit current due to the optical confinement effect, the crystal substrate sliced along the (100) plane is anisotropically etched and oriented to the (111) plane in order to provide pyramidal irregularities on the substrate surface. A substrate in which a V-shaped concave portion formed on the four walls is formed on the entire surface is used. The substrate is pretreated to remove impurities attached to the surface. Since an oxide film is formed on the substrate surface by the pretreatment, an amorphous silicon layer is laminated on the substrate after the oxide film is removed.

近年、太陽電池の変換効率の向上を目指して、ゲルマニウム(Ge)、またはシリコン(Si)−Ge−スズ(Sn)系合金などのナローギャップ材料を用いたヘテロ接合構造を備えた太陽電池の研究開発が行われている。Geは、バンドギャップが0.66eVであり、これは、従来光電変換層に使用されている結晶Siのバンドギャップ(1.1eV)よりも小さい。このようなナローギャップ材料を使用することで、今まで利用できなかったより長波長側の光の吸収を増加させて、太陽電池の変換効率をさらに向上させることができる。   In recent years, with the aim of improving the conversion efficiency of solar cells, research on solar cells with heterojunction structures using narrow gap materials such as germanium (Ge) or silicon (Si) -Ge-tin (Sn) alloys Development is underway. Ge has a band gap of 0.66 eV, which is smaller than the band gap (1.1 eV) of crystalline Si conventionally used in the photoelectric conversion layer. By using such a narrow gap material, it is possible to increase the absorption of light on the longer wavelength side, which could not be used until now, and to further improve the conversion efficiency of the solar cell.

ナローギャップ材料を用いたヘテロ接合構造を備えた太陽電池の一つとして、p型結晶Geを基板とし、該基板上に、i型非晶質シリコン層とn型非晶質シリコン層とが順に積層されたヘテロ接合セルを光電変換層とする太陽電池がある。   As one of solar cells having a heterojunction structure using a narrow gap material, a p-type crystal Ge is used as a substrate, and an i-type amorphous silicon layer and an n-type amorphous silicon layer are sequentially formed on the substrate. There is a solar battery using a stacked heterojunction cell as a photoelectric conversion layer.

特許第3271990号公報(第5頁右欄37行目〜第6頁左欄14行目、及び第6頁左欄45行目〜第6頁右欄30行目)Japanese Patent No. 3271990 (page 5, right column, line 37 to page 6, left column, line 14 and page 6, left column, line 45 to page 6, right column, line 30)

p型結晶Geを基板として用いる場合、まず、該基板は有機溶剤及び洗浄剤で洗浄される。洗浄された基板表面には酸化膜(GeOx)が形成されているため、基板を加熱して上記酸化膜を除去した後に、i型非晶質シリコン層とn型非晶質シリコン層とを順に積層する。しかしながら、このようにして作製したヘテロ接合セルを有する太陽電池では、所望の発電特性が得られないという問題がある。   When p-type crystal Ge is used as a substrate, the substrate is first cleaned with an organic solvent and a cleaning agent. Since an oxide film (GeOx) is formed on the cleaned substrate surface, the i-type amorphous silicon layer and the n-type amorphous silicon layer are sequentially formed after the substrate is heated to remove the oxide film. Laminate. However, a solar cell having a heterojunction cell manufactured in this manner has a problem that desired power generation characteristics cannot be obtained.

また、結晶基板を用いる場合、基板表面の面配向によって表面特性が異なる。そのため結晶の種類に応じた面配向に応じた適正な光電変換装置の構造とその製造方法があると予想されるが、適正化手法を明確にするには至っていない。   Further, when a crystal substrate is used, the surface characteristics vary depending on the surface orientation of the substrate surface. Therefore, it is expected that there is an appropriate photoelectric conversion device structure and manufacturing method according to the plane orientation corresponding to the type of crystal, but the optimization method has not been clarified.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、p型結晶Ge(基板)/i型非晶質シリコン層/n型非晶質シリコン層からなるヘテロ接合セルを有する太陽電池の発電特性を向上させることのできる光電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a solar battery having a heterojunction cell composed of p-type crystal Ge (substrate) / i-type amorphous silicon layer / n-type amorphous silicon layer It aims at providing the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus which can improve the electric power generation characteristic of this.

上記課題を解決するために、本発明は、p型結晶Geを基板とし、該基板上に、i型非晶質シリコン層とn型非晶質シリコン層とが順に積層されたヘテロ接合セルを備えた光電変換装置の製造方法であって、表面にGe(111)面を備えたp型結晶Geの基板を用い、前記表面に形成された酸化膜を除去した前記基板を所定温度とした後に、真空チャンバ内に配置してPHガスに暴露させるPH暴露処理工程を備える光電変換装置の製造方法を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a heterojunction cell in which a p-type crystal Ge is used as a substrate and an i-type amorphous silicon layer and an n-type amorphous silicon layer are sequentially stacked on the substrate. A method of manufacturing a photoelectric conversion device provided with a substrate of p-type crystal Ge having a Ge (111) surface on the surface, after the substrate from which the oxide film formed on the surface has been removed is set to a predetermined temperature Provided is a method for manufacturing a photoelectric conversion device including a PH 3 exposure treatment step that is arranged in a vacuum chamber and exposed to PH 3 gas.

p型結晶Geの基板を加熱すると、酸素(O)が昇華されて基板表面の酸化膜が除去される。本発明者らは、鋭意研究の結果、以下のような知見を得た。すなわち、酸化膜が除去された基板表面は、未結合手(ダングリングボンド)により覆われ、価電子帯内に安定順位が存在することで強いp型を示す。強いp型を示す基板上に非晶質シリコン層を製膜しても発電特性が得られない。
本発明によれば、酸化膜が除去された基板をPH暴露処理することで、PHガスが基板表面に吸着(もしくは結合)し、基板表面のフェルミレベルを真性付近に戻すことができる。このような基板上に、i型非晶質シリコン層及びn型非晶質シリコン層を積層することで光電変換装置の発電特性を格段に向上させることができる。
When the substrate of p-type crystal Ge is heated, oxygen (O) is sublimated and the oxide film on the substrate surface is removed. As a result of earnest research, the present inventors have obtained the following findings. That is, the substrate surface from which the oxide film has been removed is covered with dangling bonds (dangling bonds), and exhibits a strong p-type due to the presence of a stability order in the valence band. Even if an amorphous silicon layer is formed on a strong p-type substrate, power generation characteristics cannot be obtained.
According to the present invention, when the substrate from which the oxide film has been removed is subjected to PH 3 exposure treatment, PH 3 gas is adsorbed (or bonded) to the substrate surface, and the Fermi level on the substrate surface can be returned to the vicinity of the intrinsic. By laminating the i-type amorphous silicon layer and the n-type amorphous silicon layer on such a substrate, the power generation characteristics of the photoelectric conversion device can be significantly improved.

ここで、p型結晶Geの基板は、Ge(111)面を備えたものを用いる。Ge(111)面はGe(100)面よりも基板表面に存在する未結合手の密度は低い。これにより、基板とi型非晶質シリコン層との間の界面欠陥密度を低く抑えることができるため、界面での再結合速度が低くなり開放電圧を向上させることが可能となる。よって、Ge(111)基板を用いた場合、Ge(100)基板を用いた場合よりも高い変換効率の光電変換装置とすることができる。   Here, a p-type crystal Ge substrate having a Ge (111) plane is used. The density of dangling bonds existing on the substrate surface is lower in the Ge (111) plane than in the Ge (100) plane. As a result, the interface defect density between the substrate and the i-type amorphous silicon layer can be kept low, so that the recombination speed at the interface is reduced and the open circuit voltage can be improved. Therefore, when a Ge (111) substrate is used, a photoelectric conversion device with higher conversion efficiency than that when a Ge (100) substrate is used can be obtained.

前記PH暴露処理工程において、前記基板の前記所定温度を常温とすることが好ましい。PH暴露時の基板温度を常温とすることで、光電変換装置としたときの変換効率を向上させることができる。常温とは、数℃〜50℃の温度範囲を含む。 In the PH 3 exposure treatment step, it is preferable that the predetermined temperature of the substrate is a normal temperature. By setting the substrate temperature at the time of PH 3 exposure to room temperature, the conversion efficiency when the photoelectric conversion device is obtained can be improved. The normal temperature includes a temperature range of several degrees Celsius to 50 degrees Celsius.

上記発明の一態様において、異方性エッチングによりp型結晶Ge(100)基板から前記Ge(111)面を備えたp型結晶Geの基板を作製しても良い。   In one embodiment of the present invention, a p-type crystal Ge substrate having the Ge (111) plane may be formed from a p-type crystal Ge (100) substrate by anisotropic etching.

p型結晶Ge(100)基板とは、Ge(100)面に沿ってスライスされたp型結晶基板であり、結晶Geの基板を利用する用途から比較的市場での流通量が多く入手しやすい。よって、Ge(100)基板からGe(111)面を得ることができれば、材料コストを下げることができる。
また、Ge(100)基板を異方性エッチングにより加工すると、Ge(111)面は、水平面に対して傾斜した面として露出され、基板表面はテクスチャ化される。それにより光反射を低減させる、及び、光路長を増加させることが可能となり、短絡電流密度の向上が期待できる。
The p-type crystal Ge (100) substrate is a p-type crystal substrate sliced along the Ge (100) plane, and is relatively easy to obtain in the market because of the use of the crystal Ge substrate. . Therefore, if the Ge (111) surface can be obtained from the Ge (100) substrate, the material cost can be reduced.
Further, when the Ge (100) substrate is processed by anisotropic etching, the Ge (111) surface is exposed as a surface inclined with respect to the horizontal plane, and the substrate surface is textured. Thereby, light reflection can be reduced and the optical path length can be increased, and an improvement in short-circuit current density can be expected.

上記発明の一態様において、Ge(100)面が所定の割合で残留するよう前記Ge(111)面を備えたp型結晶Geの基板を作製しても良い。   In one embodiment of the present invention, a p-type crystal Ge substrate having the Ge (111) surface may be manufactured so that the Ge (100) surface remains at a predetermined ratio.

所定面積のGe(100)面を残留させることにより、Ge(100)面の特性と、Ge(111)面の特性とを兼ね備えた光電変換装置とすることができる。すなわち、Ge(100)面を残留させることで短波長感度を補填し、Ge(111)面を備えることで開放電圧を補填することができ、短波長感度(短絡電流の増加)と開放電圧は太陽電池にとって性能向上にあたり重要な因子である。
また、p型結晶Geの基板上に、i型非晶質シリコン層及びn型非晶質シリコン層を積層することで光電変換装置を形成するに当たり、水平面であるGe(100)面を残留させることで、その上にi型非晶質シリコン層が堆積しやすくなる。そのため、特別な操作なしで未結合手の多いGe(100)面上にi型非晶質シリコン層を厚く堆積させることができる。非晶質シリコン膜は、パッシべーション効果があり、厚いほどその効果が高いことが報告されている(N.E. Posthuma et al. / Solar Energy Materials & Solar Cells 88 (2005) 37−45参照)。一方、傾斜面となるGe(111)面には、非晶質シリコン膜を選択的に薄く堆積させることができるため、非晶質シリコン膜の短波長を含めた光学吸収を抑制して短波長感度の改善効果が期待できる。
また、Ge(100)面を残留させることで、テクスチャ形状の凹凸部の鋭角部分がなくなるため、凹部深部に非晶質シリコン膜が一部製膜しにくくなること、及び、凸部が非晶質シリコン膜を貫通して透明電極層側とのリークパスになるなどの接合不良を解消するのに効果的である。
また、基板表面に平面部分を残留させることで、基板とi型非晶質シリコン層との接触面積が増える。そのため、基板側セルと上部側セルを別に製作した後に重ね合わせるメカニカルスタック構造で多接合セルを作製する際、基板と上部セルとの接着強度を向上させることができるとともに、光散乱・光閉じ込め能力も確保することができる。基板とi型非晶質シリコン層とを導電性接着剤で接合させる場合には、凹部に残留させる平面のサイズ及び充填される接着剤の屈折率を選択することでさらに反射・散乱効果の調整が可能となることが期待できる。
By leaving the Ge (100) surface having a predetermined area, a photoelectric conversion device having both the characteristics of the Ge (100) surface and the characteristics of the Ge (111) surface can be obtained. That is, the short wavelength sensitivity can be compensated by leaving the Ge (100) plane, and the open voltage can be compensated by providing the Ge (111) plane. This is an important factor for improving the performance of solar cells.
In addition, when a photoelectric conversion device is formed by laminating an i-type amorphous silicon layer and an n-type amorphous silicon layer on a p-type crystal Ge substrate, a Ge (100) plane which is a horizontal plane is left. As a result, the i-type amorphous silicon layer is easily deposited thereon. Therefore, the i-type amorphous silicon layer can be deposited thickly on the Ge (100) surface with many unbonded hands without any special operation. It has been reported that an amorphous silicon film has a passivation effect, and the thicker the effect, the higher the effect (see NE Posthuma et al./Solar Energy Materials & Solar Cells 88 (2005) 37-45). ). On the other hand, since an amorphous silicon film can be selectively deposited on the inclined Ge (111) surface, the optical absorption including the short wavelength of the amorphous silicon film is suppressed to reduce the short wavelength. The effect of improving sensitivity can be expected.
In addition, by leaving the Ge (100) plane, the acute-angled portion of the textured uneven portion is eliminated, so that it is difficult to form a part of the amorphous silicon film in the deep portion of the concave portion, and the convex portion is amorphous. This is effective in eliminating a bonding defect such as a leak path to the transparent electrode layer side through the porous silicon film.
Further, by leaving a planar portion on the substrate surface, the contact area between the substrate and the i-type amorphous silicon layer increases. For this reason, when manufacturing a multi-junction cell with a mechanical stack structure in which the substrate side cell and the upper side cell are separately manufactured and then stacked, the adhesion strength between the substrate and the upper cell can be improved, and light scattering and light confinement capability Can also be secured. When bonding the substrate and the i-type amorphous silicon layer with a conductive adhesive, the reflection / scattering effect can be further adjusted by selecting the size of the flat surface remaining in the recess and the refractive index of the adhesive to be filled. Can be expected to be possible.

上記発明の一態様において、前記基板上の表面にGe(111)面とGe(100)面が存在し、前記Ge(111)面と前記Ge(100)面との面積比が、Ge(111)/Ge(100)≧0.6の場合、前記PH暴露処理工程における前記所定温度を常温とし、Ge(111)/Ge(100)<0.6の場合、前記PH暴露処理工程における前記所定温度を150℃以上とすると良い。
Ge(100)面とGe(111)面とでは、最適なPH暴露処理温度が異なることが判明した。よって、Ge(100)面とGe(111)面とが混在する場合、Ge(100)面とGe(111)面との面積比に応じてPH暴露時の基板温度を設定することで、変換効率をより向上させることができる。
In one embodiment of the present invention, a Ge (111) surface and a Ge (100) surface exist on the surface of the substrate, and an area ratio of the Ge (111) surface to the Ge (100) surface is Ge (111). ) / Ge (100) ≧ 0.6, the predetermined temperature in the PH 3 exposure treatment step is set to room temperature, and Ge (111) / Ge (100) <0.6 in the PH 3 exposure treatment step. The predetermined temperature is preferably 150 ° C. or higher.
It has been found that the optimum PH 3 exposure treatment temperature differs between the Ge (100) surface and the Ge (111) surface. Therefore, when the Ge (100) plane and the Ge (111) plane coexist, by setting the substrate temperature during PH 3 exposure according to the area ratio of the Ge (100) plane and the Ge (111) plane, Conversion efficiency can be further improved.

本発明によれば、酸化膜を除去したp型結晶GeをPHに暴露するにあたり、Ge(111)面を設けてPH暴露時の基板温度を常温(数℃〜50℃の温度範囲を含むもの)に設定することで、p型結晶Geの表面のフェルミレベルを真性付近に戻すことができる。
さらに基板上の傾斜表面にGe(111)面と水平表面にGe(100)面が存在し、前記Ge(111)面と前記Ge(100)面との面積比に応じて、PH暴露時の基板温度を設定することで、短波長感度と開放電圧を向上することができる。
そのようなp型結晶Ge上に、i型非晶質シリコン層及びn型非晶質シリコン層を積層することで光電変換装置の発電特性を向上させることができる。
According to the present invention, in exposing the p-type crystal Ge from which the oxide film has been removed to PH 3 , a Ge (111) surface is provided, and the substrate temperature at the time of PH 3 exposure is set to room temperature (several to 50 ° C.). By setting it to include, the Fermi level of the surface of the p-type crystal Ge can be returned to the vicinity of the intrinsic.
Further, there is a Ge (111) plane on the inclined surface on the substrate and a Ge (100) plane on the horizontal surface, and depending on the area ratio between the Ge (111) plane and the Ge (100) plane, when PH 3 is exposed. By setting the substrate temperature, the short wavelength sensitivity and the open circuit voltage can be improved.
The power generation characteristics of the photoelectric conversion device can be improved by stacking an i-type amorphous silicon layer and an n-type amorphous silicon layer on such a p-type crystal Ge.

第1実施形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the photoelectric conversion apparatus which concerns on 1st Embodiment. 基板の洗浄工程の手順を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the procedure of the washing | cleaning process of a board | substrate. 基板洗浄後の太陽電池の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the solar cell after board | substrate washing | cleaning. 基板の面方位によるIV特性を比較するグラフである。It is a graph which compares the IV characteristic by the surface orientation of a board | substrate. Ge(111)面とGe(100)面の最表面における未結合手数を説明する図である。It is a figure explaining the unbonded number of hands in the outermost surface of a Ge (111) surface and a Ge (100) surface. 基板の面方位による外部量子効率を比較するグラフである。It is a graph which compares the external quantum efficiency by the surface orientation of a board | substrate. n型非晶質シリコン層/i型非晶質シリコン層/p型単結晶Ge層から構成される半導体のバンドダイヤグラムの模式図である。It is a schematic diagram of a semiconductor band diagram composed of an n-type amorphous silicon layer / i-type amorphous silicon layer / p-type single crystal Ge layer. 太陽電池の発電特性を示す図である。It is a figure which shows the electric power generation characteristic of a solar cell. PH暴露処理時の基板ヒータ温度とバンド補正による特性向上度との関係を示すグラフである。PH 3 is a graph showing the relationship between the characteristic improvement degree of exposure processing time of the substrate heater temperature and the band compensation. PH暴露処理時の基板ヒータ温度とPHによる再結合促進による性能低下との関係を示すグラフである。PH 3 is a graph showing the relationship between the recombination promotion by performance degradation due to exposure process when the substrate heater temperature and PH 3. PH暴露処理時の基板ヒータ温度と変換効率との関係を示すグラフである。PH 3 is a graph showing the relationship between the exposure process when the substrate heater temperature and the conversion efficiency. 異方性エッチングにおけるエッチング速度を説明する図である。It is a figure explaining the etching rate in anisotropic etching. フォトマスクの一例を示す上面図である。It is a top view which shows an example of a photomask. 異方性エッチングした基板の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the board | substrate which carried out anisotropic etching. 異方性エッチングした基板の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the board | substrate which carried out anisotropic etching. 異方性エッチングした基板の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the board | substrate which carried out anisotropic etching. 異方性エッチングした基板の部分断面図である。(メカニカルスタック構造)It is a fragmentary sectional view of the board | substrate which carried out anisotropic etching. (Mechanical stack structure) 異方性エッチングした基板の部分上面図である。It is a partial top view of the board | substrate which carried out anisotropic etching. 平面部分の辺の長さと平面率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the length of the side of a plane part, and a plane rate. 異方性エッチングした基板の部分上面図である。It is a partial top view of the board | substrate which carried out anisotropic etching. 平面部分の辺の長さと平面率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the length of the side of a plane part, and a plane rate. Ge基板表面におけるGe(111)面の面積割合と変換効率と関係を示すグラフである。It is a graph which shows the area ratio and conversion efficiency of Ge (111) surface in the Ge substrate surface. エッチング条件1でのエッチング処理が終了したGe基板のエッチングレート選択比を説明する図である。It is a figure explaining the etching rate selection ratio of the Ge board | substrate which the etching process on the etching conditions 1 was complete | finished.

以下に、本発明に係る光電変換装置の製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
<第1実施形態>
図1は、本実施形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す概略図である。光電変換装置100は、ヘテロ接合構造を備えた太陽電池であり、ヘテロ接合セル1、透明電極層2、グリッド電極3及び裏面電極層4を備える。
Hereinafter, an embodiment of a method for producing a photoelectric conversion device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of a photoelectric conversion apparatus according to the present embodiment. The photoelectric conversion device 100 is a solar cell having a heterojunction structure, and includes a heterojunction cell 1, a transparent electrode layer 2, a grid electrode 3, and a back electrode layer 4.

ヘテロ接合セル1は、p型単結晶Ge(基板11)、i型非晶質シリコン層12、及びn型非晶質シリコン層13から構成される。
基板11には、チョクラルスキー(CZ)法で成長させたGaドープp型単結晶Ge(100)(c−Ge)が使用される。c−Geは、表面に(111)面を備えた結晶基板である。本実施形態において、c−Geは、基板上面がすべてGe(111)面に沿ったGe(111)基板とされる。c−Geの厚さは、1.5μm以上500μm以下、好ましくは50μm以上200μm以下とされる。i型非晶質シリコン層12は、非晶質シリコンを主とし、膜厚5nm以上80nm以下とされる。n型非晶質シリコン層13は、非晶質シリコンにリン成分:Pを含有するPドープシリコンを主とし、膜厚4nm以上10nm以下とされる。
なお、基板11は、p型単結晶Geに限定されるものではなく、表面処理を適正化することで、多結晶Geも同様に利用することが可能である。
The heterojunction cell 1 includes a p-type single crystal Ge (substrate 11), an i-type amorphous silicon layer 12, and an n-type amorphous silicon layer 13.
The substrate 11 is made of Ga-doped p-type single crystal Ge (100) (c-Ge) grown by the Czochralski (CZ) method. c-Ge is a crystal substrate having a (111) plane on the surface. In this embodiment, c-Ge is a Ge (111) substrate whose upper surface is all along the Ge (111) plane. The thickness of c-Ge is 1.5 μm or more and 500 μm or less, preferably 50 μm or more and 200 μm or less. The i-type amorphous silicon layer 12 is mainly made of amorphous silicon and has a thickness of 5 nm to 80 nm. The n-type amorphous silicon layer 13 is mainly P-doped silicon containing a phosphorus component: P in amorphous silicon, and has a thickness of 4 nm to 10 nm.
The substrate 11 is not limited to p-type single crystal Ge, and polycrystalline Ge can be used in the same manner by optimizing the surface treatment.

透明電極層2は、酸化インジウム錫(ITO)、酸化錫(SnO)や酸化亜鉛(ZnO)などの金属酸化物を主成分とする膜とされる。透明電極層2の厚さは、集電抵抗と光反射特性から、50nm以上150nm以下とされる。
グリッド電極3は、主としてAgからなる膜とされるが、製膜方法を適正化することでAlなどの高導電性材料を利用することも可能である。集電抵抗を抑制しながら、光入射を妨げないよう、グリッドの幅を狭くし基板表面の占有面積を少なくなるよう設置することが好ましい。
裏面電極層4は、Alからなる膜であり、厚さ50nm以上500nm以下とされる。反射率向上にあたりAgからなる膜を、コスト低減にあたりCuからなる膜を用いることが可能である。
なお、AgやCuは大気成分(酸素、水蒸気、硫黄など)と反応しやすいので、AgやCuの表面をさらにTiやNiで被覆しても良く、光電変換装置全体の封止方法を工夫するようにしても良い。
The transparent electrode layer 2 is a film composed mainly of a metal oxide such as indium tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), or zinc oxide (ZnO). The thickness of the transparent electrode layer 2 is set to 50 nm or more and 150 nm or less from the current collecting resistance and the light reflection characteristics.
Although the grid electrode 3 is a film mainly made of Ag, a highly conductive material such as Al can be used by optimizing the film forming method. It is preferable to install so that the grid area is narrowed and the occupied area of the substrate surface is reduced so as not to prevent light incidence while suppressing the current collecting resistance.
The back electrode layer 4 is a film made of Al and has a thickness of 50 nm to 500 nm. A film made of Ag can be used for improving the reflectance, and a film made of Cu can be used for reducing the cost.
Since Ag and Cu easily react with atmospheric components (oxygen, water vapor, sulfur, etc.), the surface of Ag or Cu may be further coated with Ti or Ni, and a method for sealing the entire photoelectric conversion device is devised. You may do it.

本実施形態に係る光電変換装置の製造方法を説明する。本実施形態に係る太陽電池の製造方法は、基板洗浄工程と、酸化膜除去工程、ヘテロ接合セル作製工程、電極形成工程、及びアニール処理工程を備える。図2は、基板の洗浄工程の手順を説明するフロー図である。図3は、基板洗浄後の太陽電池の製造方法を説明する図である。   A method for manufacturing the photoelectric conversion device according to this embodiment will be described. The solar cell manufacturing method according to the present embodiment includes a substrate cleaning step, an oxide film removing step, a heterojunction cell manufacturing step, an electrode forming step, and an annealing treatment step. FIG. 2 is a flowchart for explaining the procedure of the substrate cleaning process. FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing a solar cell after substrate cleaning.

(1)基板洗浄工程:図2
まず、基板11を、アセトンなどの有機溶媒及びセミコクリーンなどの洗浄剤によって順次洗浄する。次に、フッ化水素(HF)を用いて基板11の表面に形成されている酸化膜を除去した後、基板11を純水でリンスする。次に、過酸化水素(H)を用いて基板11の表面に酸化膜5を形成させた後、基板11を純水でリンスする。
(1) Substrate cleaning process: FIG.
First, the substrate 11 is sequentially cleaned with an organic solvent such as acetone and a cleaning agent such as semi-clean. Next, after removing the oxide film formed on the surface of the substrate 11 using hydrogen fluoride (HF), the substrate 11 is rinsed with pure water. Next, after forming the oxide film 5 on the surface of the substrate 11 using hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), the substrate 11 is rinsed with pure water.

(2)酸化膜除去工程:図3(a)及び図3(b)
基板11を真空チャンバ内に搬入後、基板11の表面に形成された酸化膜5を除去する。酸化膜を除去する条件は、使用する熱源の種類、基板11の大きさなどに応じて適宜設定される。例えば、真空チャンバ内を10−7Torr(13.3μPa)程度以下まで真空引きし、赤外線ヒータなどの熱源を用いて基板11を20分程度加熱する。熱源温度は450℃程度まで昇温させると良い。それによって基板11の表面に形成された酸化膜(GeOx)を昇華させ、基板11に清浄表面を出すことができる。
赤外線ヒータを用いて昇温させ、実基板温度を放射温度計にて測定した結果、実基板温度は600℃程度であった。
(2) Oxide film removal step: FIGS. 3 (a) and 3 (b)
After carrying the substrate 11 into the vacuum chamber, the oxide film 5 formed on the surface of the substrate 11 is removed. Conditions for removing the oxide film are appropriately set according to the type of heat source to be used, the size of the substrate 11, and the like. For example, the inside of the vacuum chamber is evacuated to about 10 −7 Torr (13.3 μPa) or less, and the substrate 11 is heated for about 20 minutes using a heat source such as an infrared heater. The heat source temperature should be raised to about 450 ° C. As a result, the oxide film (GeOx) formed on the surface of the substrate 11 can be sublimated to provide a clean surface on the substrate 11.
As a result of raising the temperature using an infrared heater and measuring the actual substrate temperature with a radiation thermometer, the actual substrate temperature was about 600 ° C.

(3)ヘテロ接合セル作製工程:図3(c)
ヘテロ接合セル作製工程は、PH暴露処理工程、i層製膜工程、及びn層製膜工程を備える。
(PH暴露処理工程)
酸化膜を除去した基板11を所定温度とする。本実施形態における所定温度は、常温とする。常温とは数℃〜50℃を含む。
次に、別の真空チャンバ内、好ましくはプラズマCVD装置のn型非晶質シリコン層の製膜室(n層製膜室)内に基板11を配置する。真空チャンバ内にHガスで希釈したPHガスを導入する。
(3) Heterojunction cell fabrication process: FIG. 3 (c)
The heterojunction cell manufacturing process includes a PH 3 exposure treatment process, an i-layer film forming process, and an n-layer film forming process.
(PH 3 exposure treatment process)
The substrate 11 from which the oxide film has been removed is set to a predetermined temperature. The predetermined temperature in this embodiment is normal temperature. The normal temperature includes several to 50 ° C.
Next, the substrate 11 is placed in another vacuum chamber, preferably in an n-type amorphous silicon layer deposition chamber (n-layer deposition chamber) of a plasma CVD apparatus. A PH 3 gas diluted with H 2 gas is introduced into the vacuum chamber.

PH暴露の条件(PH導入量、基板温度、暴露時間、圧力など)は、適宜設定される。例えば、Hガスで希釈した0.6体積%PHガスを0.3sccm/cm、0.1Torr(13.3Pa)で導入する。このとき、基板11は非加熱とすることが好ましい。非加熱とは、積極的に熱源を用いて基板を加熱しないことを意味する。例えば、基板に接触させて加熱する種類の基板ヒータを用いる場合には、基板からヒータを離すことで非加熱となる。このとき、基板ヒータ温度は、基板の所定温度付近の温度であることが好ましいが、基板から熱源を離した基板ヒータが放熱していない状態でなくとも良い。
導入されるPHガス量は、極微量であってもよい。
The conditions for PH 3 exposure (PH 3 introduction amount, substrate temperature, exposure time, pressure, etc.) are appropriately set. For example, 0.6 volume% PH 3 gas diluted with H 2 gas is introduced at 0.3 sccm / cm 2 and 0.1 Torr (13.3 Pa). At this time, the substrate 11 is preferably not heated. Non-heating means that the substrate is not actively heated using a heat source. For example, in the case of using a type of substrate heater that is heated in contact with the substrate, the heater is not heated by separating the heater from the substrate. At this time, the substrate heater temperature is preferably a temperature in the vicinity of a predetermined temperature of the substrate, but the substrate heater separated from the substrate may not be in a state of not releasing heat.
An extremely small amount of PH 3 gas may be introduced.

(i層製膜工程及びn層製膜工程)
基板11上に、プラズマCVD装置を用いてi型非晶質シリコン層12及びn型非晶質シリコン層13を順に製膜する。i型非晶質シリコン層12は、i型非晶質シリコン層の製膜室(i層製膜室)にて、原料ガス:SiHガス及びHガス、減圧雰囲気:1Pa以上1000Pa以下、基板温度:約150℃で製膜する。
n型非晶質シリコン層13は、n型非晶質シリコン層の製膜室(n層製膜室)にて、原料ガス:SiHガス、Hガス及びPHガス、減圧雰囲気:1Pa以上1000Pa以下、基板温度:約150℃で製膜する。
(I-layer deposition process and n-layer deposition process)
An i-type amorphous silicon layer 12 and an n-type amorphous silicon layer 13 are sequentially formed on the substrate 11 using a plasma CVD apparatus. The i-type amorphous silicon layer 12 is formed in an i-type amorphous silicon layer deposition chamber (i-layer deposition chamber). Source gas: SiH 4 gas and H 2 gas, reduced pressure atmosphere: 1 Pa to 1000 Pa, Substrate temperature: Film is formed at about 150 ° C.
The n-type amorphous silicon layer 13 is formed in an n-type amorphous silicon layer deposition chamber (n-layer deposition chamber). Source gas: SiH 4 gas, H 2 gas and PH 3 gas, reduced pressure atmosphere: 1 Pa The film is formed at 1000 Pa or less and the substrate temperature: about 150 ° C.

(4)電極形成工程:図3(d)〜図3(g)
n型非晶質シリコン層13の上に、高周波(RF)スパッタリング法にて透明電極層2を形成する。スパッタリング条件は、ターゲット:ITO焼結体、雰囲気ガス:Ar、到達圧力:10−4Pa〜10−5Pa、高周波電力:2W/cm〜3W/cmとされる。
次いで、反応性イオンエッチング(RIE)によって素子分離を行う。透明電極層2のターゲットはFをドープしたSnOや、GaまたはAlをドープしたZnOさらには、雰囲気ガス:Ar+O:0.5〜10体積%としてもよい。
(4) Electrode forming step: FIG. 3 (d) to FIG. 3 (g)
The transparent electrode layer 2 is formed on the n-type amorphous silicon layer 13 by high frequency (RF) sputtering. The sputtering conditions, target: ITO sintered body, the atmosphere gas: Ar, ultimate pressure: 10 -4 Pa to 10 -5 Pa, RF power: are 2W / cm 2 ~3W / cm 2 .
Next, element isolation is performed by reactive ion etching (RIE). Target transparent electrode layer 2 SnO 2 and doped with F, ZnO doped with Ga or Al, more atmospheric gas: Ar + O 2: it may be 0.5 to 10 vol%.

透明電極層2の上に、パターンマスク板を設置して、直流(DC)スパッタリング法にてグリッド電極3を形成する。スパッタリング条件は、ターゲット:Ag、雰囲気ガス:Ar、到達圧力:10−4Pa〜10−5Pa、高周波電力:2W/cm〜3W/cmとされる。 A pattern mask plate is installed on the transparent electrode layer 2, and the grid electrode 3 is formed by a direct current (DC) sputtering method. The sputtering conditions, targets: Ag, Atmosphere gas: Ar, ultimate pressure: 10 -4 Pa to 10 -5 Pa, RF power: are 2W / cm 2 ~3W / cm 2 .

基板11の裏面(非晶質シリコン層が形成された側の反対の面)に、抵抗加熱蒸着によって裏面電極層4を形成する。タングステンフィラメントに30Aの電流を流すことでAlを加熱し蒸発させる。   The back electrode layer 4 is formed on the back surface of the substrate 11 (the surface opposite to the side on which the amorphous silicon layer is formed) by resistance heating vapor deposition. Al is heated and evaporated by passing a current of 30 A through the tungsten filament.

(5)アニール処理工程:図3(g)
上記工程で作製した太陽電池を、真空中で加熱し、アニール処理する。アニール処理は、非晶質シリコン層のSiを終端している水素が離脱するなどの悪影響を及ぼさないよう基板温度150℃程度で8時間行うことが好ましい。
(5) Annealing process: FIG. 3 (g)
The solar cell manufactured in the above process is heated in a vacuum and annealed. The annealing treatment is preferably performed at a substrate temperature of about 150 ° C. for 8 hours so as not to adversely affect the hydrogen terminating the Si in the amorphous silicon layer.

(基板の面配向の検討)
面配向が異なる基板(p型単結晶Ge)を用い、第1実施形態に従って、それぞれ以下の構成の太陽電池を作製した。
グリッド電極:Ag膜、平均膜厚200nm
透明電極層:ITO膜、平均膜厚70nm
n型非晶質シリコン層:平均膜厚8nm
i型非晶質シリコン層:平均膜厚40nm
裏面電極層:Al膜、平均膜厚200nm
(Examination of substrate surface orientation)
Using the substrates having different plane orientations (p-type single crystal Ge), solar cells having the following configurations were produced according to the first embodiment.
Grid electrode: Ag film, average film thickness 200 nm
Transparent electrode layer: ITO film, average film thickness 70 nm
n-type amorphous silicon layer: average film thickness 8 nm
i-type amorphous silicon layer: average film thickness 40 nm
Back electrode layer: Al film, average film thickness 200 nm

表1に、使用した基板の特性を示す。

Figure 2013074038
*EPD:エッチピット密度(Etch Pit Density) Table 1 shows the characteristics of the substrate used.
Figure 2013074038
* EPD: Etch Pit Density

本試験において、使用した基板の抵抗率は、略同等に揃えた。PH暴露処理条件は、PH流量(H0.6%希釈):40sccm、圧力:0.1Torr(13.3Pa)、時間:5分、基板温度150℃(ヒータ温度:200℃)とした。 In this test, the resistivities of the substrates used were made approximately equal. PH 3 exposure treatment conditions were: PH 3 flow rate (H 2 0.6% dilution): 40 sccm, pressure: 0.1 Torr (13.3 Pa), time: 5 minutes, substrate temperature 150 ° C. (heater temperature: 200 ° C.) did.

上記で作製した太陽電池について、短絡電流及び開放電圧を測定した。結果を図4に示す。同図において、横軸が開放電圧、縦軸が短絡電流である。図4によれば、Ge(1
11)基板(基板No.1)の方が、Ge(100)基板(基板No.2、No.3)よりも開放電圧が高く、特性が良好であった。
About the solar cell produced above, the short circuit current and the open circuit voltage were measured. The results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis is the open circuit voltage, and the vertical axis is the short circuit current. According to FIG. 4, Ge (1
11) The substrate (substrate No. 1) had higher open-circuit voltage and better characteristics than the Ge (100) substrate (substrates No. 2 and No. 3).

半導体の最表面はバルクと異なった電子状態が形成され、表面の第1層の原子には未結合手(ダングリングボンド)があり、この存在が最表面の物性を大きく特徴づけている。Ge(111)面とGe(100)面の最表面における未結合手数を図5に示す。基板の最表面に存在する未結合手の密度を比較した場合、Ge(111)面の方がGe(100)面よりも低密度である。最表面に存在する未結合手が低密度であれば、界面欠陥密度を低く抑えることができる。よって、Ge(111)基板では、界面での再結合速度が低くなり開放電圧が向上したと推測される。   An electronic state different from that of the bulk is formed on the outermost surface of the semiconductor, and atoms in the first layer on the surface have dangling bonds (dangling bonds). This presence greatly characterizes the physical properties of the outermost surface. FIG. 5 shows the number of dangling bonds on the outermost surfaces of the Ge (111) plane and the Ge (100) plane. When comparing the density of dangling bonds existing on the outermost surface of the substrate, the Ge (111) plane has a lower density than the Ge (100) plane. If the number of dangling bonds present on the outermost surface is low, the interface defect density can be kept low. Therefore, in the Ge (111) substrate, it is presumed that the recombination speed at the interface is lowered and the open circuit voltage is improved.

上記で作製した太陽電池について、JIS C 8915に準じて外部量子効率を測定した。結果を図6に示す。同図において、横軸が波長、縦軸が外部量子効率(EQE:External Quantum Efficiency)である。図6によれば、Ge(111)基板は、Ge(100)基板よりも300nm〜約500nm程度の短波長感度が低いが、約600nm〜1200nm程度の長波長感度が高いという特性であることが判明した。   About the solar cell produced above, the external quantum efficiency was measured according to JIS C 8915. The results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents wavelength, and the vertical axis represents external quantum efficiency (EQE). According to FIG. 6, the Ge (111) substrate has a characteristic that the short wavelength sensitivity of about 300 nm to about 500 nm is lower than the Ge (100) substrate, but the long wavelength sensitivity of about 600 nm to 1200 nm is high. found.

図7に、n型非晶質シリコン層/i型非晶質シリコン層/p型単結晶Ge層から構成される半導体のバンドダイヤグラムを示す。図7(a)は、p型単結晶Ge層がG(100)基板である場合、図7(b)は、p型単結晶Ge層がGe(111)基板である場合を示す。
Ge(100)基板を用いた場合には、Ge(100)基板の表面のダングリングボンド数が多いためp型化が顕著となる。図7(a)に示すように、p型化が顕著である場合には、i型非晶質シリコン層(a−Si(i))内の電界強度(傾き)が急激に変化する。この傾きが大きいほど、励起された電子正孔対を分離する能力が高くなる。ここで、短波長側の光は、主に非晶質シリコン層で吸収されるため、図6の結果では、Ge(100)基板を用いた場合に短波長側の外部量子効率が高くなったものと推測される。
Ge(111)基板を用いた場合には、Ge(111)基板の表面のダングリングボンド数が少ないためp型化が緩和され、a−Si(i)にかかる電界強度が低下している。これにより、ヘテロ接合を形成しているa−Si(i)での光学吸収によりp型単結晶Ge層へ導かれる光の損失が大きくなり、Ge(100)基板を用いたものより短波長側の外部量子効率が低くなったと推測される。
FIG. 7 shows a band diagram of a semiconductor composed of an n-type amorphous silicon layer / i-type amorphous silicon layer / p-type single crystal Ge layer. FIG. 7A shows a case where the p-type single crystal Ge layer is a G (100) substrate, and FIG. 7B shows a case where the p-type single crystal Ge layer is a Ge (111) substrate.
When a Ge (100) substrate is used, p-type conversion becomes remarkable because the number of dangling bonds on the surface of the Ge (100) substrate is large. As shown in FIG. 7A, when p-type conversion is significant, the electric field strength (tilt) in the i-type amorphous silicon layer (a-Si (i)) changes abruptly. The greater the slope, the higher the ability to separate excited electron-hole pairs. Here, since the light on the short wavelength side is mainly absorbed by the amorphous silicon layer, the external quantum efficiency on the short wavelength side is increased when the Ge (100) substrate is used in the result of FIG. Presumed to be.
When a Ge (111) substrate is used, since the number of dangling bonds on the surface of the Ge (111) substrate is small, p-type conversion is relaxed, and the electric field strength applied to a-Si (i) is reduced. This increases the loss of light guided to the p-type single crystal Ge layer by optical absorption in the a-Si (i) forming the heterojunction, which is shorter than that using the Ge (100) substrate. It is presumed that the external quantum efficiency of was low.

一方、長波長側の光は、a−Siではほとんど吸収されないため、p型単結晶Ge層で主に吸収される。その際、p型単結晶Ge層からa−Si(n)側に電子を輸送させる必要がある。Ge(111)基板では空乏層により電子が加速されるため、取り出せる電流の量が多くなる。それにより、図6の結果では、Ge(111)基板を用いたものの長波長側の外部量子効率が高くなったものと推測される。   On the other hand, since light on the long wavelength side is hardly absorbed by a-Si, it is mainly absorbed by the p-type single crystal Ge layer. At that time, it is necessary to transport electrons from the p-type single crystal Ge layer to the a-Si (n) side. In the Ge (111) substrate, electrons are accelerated by the depletion layer, so that the amount of current that can be extracted increases. Thereby, in the result of FIG. 6, it is presumed that the external quantum efficiency on the long wavelength side was increased although the Ge (111) substrate was used.

(PH暴露時の基板温度依存性)
面配向が異なる基板(Ge(100)基板及びGe(111)基板)を用い、PH暴露時の最適な基板温度を検討した。PH暴露時の条件を表2に示す。比較としてPH暴露処理を行わないものも用意した。

Figure 2013074038
*非加熱とは、ヒータを基板から離し、積極的に加熱していない状態を指す。上記試験におけるヒータ温度は200℃のままであるが、基板温度は50℃程度になっており常温範囲であった。常温とは、数℃〜50℃の温度範囲を含むものである。 (Substrate temperature dependence during PH 3 exposure)
Using substrates with different plane orientations (Ge (100) substrate and Ge (111) substrate), the optimum substrate temperature during PH 3 exposure was investigated. Table 2 shows the conditions at the time of PH 3 exposure. For comparison, a sample not subjected to PH 3 exposure treatment was also prepared.
Figure 2013074038
* Non-heating refers to the state where the heater is not actively heated while being separated from the substrate. The heater temperature in the above test remained at 200 ° C., but the substrate temperature was about 50 ° C. and was in the normal temperature range. The normal temperature includes a temperature range of several to 50 ° C.

上記条件以外は、第1実施形態に従って、以下の構成の太陽電池を作製した。
グリッド電極:Ag膜、平均膜厚200nm
透明電極層:ITO膜、平均膜厚70nm
n型非晶質シリコン層:平均膜厚8nm
i型非晶質シリコン層:平均膜厚40nm
裏面電極層:Al膜、平均膜厚200nm
Except for the above conditions, a solar cell having the following configuration was fabricated according to the first embodiment.
Grid electrode: Ag film, average film thickness 200 nm
Transparent electrode layer: ITO film, average film thickness 70 nm
n-type amorphous silicon layer: average film thickness 8 nm
i-type amorphous silicon layer: average film thickness 40 nm
Back electrode layer: Al film, average film thickness 200 nm

表3に、使用した基板の特性を示す。

Figure 2013074038
Table 3 shows the characteristics of the substrate used.
Figure 2013074038

上記で作製した太陽電池について、開放電圧(Voc)、短絡電流(Jsc)、形状因子(F.F.)、及び変換効率(Eff.)を測定した。測定結果を図8の(a)〜(d)に示す。
図8によれば、PHに暴露しなかった無処理のものと比較して、PH暴露処理したものは、開放電圧、形状因子、及び変換効率が向上した。
About the solar cell produced above, an open circuit voltage (Voc), a short circuit current (Jsc), a form factor (FF), and a conversion efficiency (Eff.) Were measured. The measurement results are shown in (a) to (d) of FIG.
According to FIG 8, compared to that of untreated did not exposed to PH 3, PH 3 which exposed the process, the open-circuit voltage, fill factor, and conversion efficiency was improved.

Ge(100)基板を用いた場合、PH暴露時の基板温度は高い方が良く、基板ヒータ温度300℃で基板を加熱した(基板温度220℃の)太陽電池の変換効率が最も高くなった。上記結果によれば、Ge(100)基板を用いた場合、高温でのPH暴露処理が好適であり、基板温度150℃程度とすると、n層製膜室の製膜条件での温度をそのまま使用できる。よって、Ge(100)基板を用いた場合、PH暴露処理工程の所定温度は、150℃以上とすると良い。 When a Ge (100) substrate was used, the substrate temperature when exposed to PH 3 was better, and the conversion efficiency of the solar cell heated at a substrate heater temperature of 300 ° C. (substrate temperature of 220 ° C.) was the highest. . According to the above results, when a Ge (100) substrate is used, PH 3 exposure treatment at a high temperature is suitable, and when the substrate temperature is about 150 ° C., the temperature under the film forming conditions of the n-layer film forming chamber remains as it is. Can be used. Therefore, when a Ge (100) substrate is used, the predetermined temperature in the PH 3 exposure treatment step is preferably 150 ° C. or higher.

Ge(111)基板を用いた場合、基板非加熱(基板温度は常温範囲の約50℃)でPH暴露した太陽電池の変換効率が最も高くなった。基板ヒータ温度200℃で基板を150℃に加熱した太陽電池の変換効率は、非加熱の太陽電池の変換効率よりも低くなる傾向を示した。 When the Ge (111) substrate was used, the conversion efficiency of the solar cell exposed to PH 3 with the substrate not heated (the substrate temperature was about 50 ° C. in the normal temperature range) was the highest. The conversion efficiency of the solar cell in which the substrate was heated to 150 ° C. at a substrate heater temperature of 200 ° C. showed a tendency to be lower than the conversion efficiency of the non-heated solar cell.

ここで、Ge(111)基板を用い、基板を150℃(基板ヒータ温度200℃)で加熱してPH暴露処理した太陽電池の変換効率が低下傾向を示したことについて考察する。PH暴露処理は、(1)n型のドーパントとして電子を供給し、Ge基板表面の未結合手によるp型化を補正する働き(バンド補正)、及び(2)不純物としてGe基板と非晶質シリコン層との界面での再結合を促進する働きがあると考えられる。 Here, it will be considered that the conversion efficiency of a solar cell in which a Ge (111) substrate is used and the substrate is heated at 150 ° C. (substrate heater temperature 200 ° C.) and subjected to PH 3 exposure treatment tends to decrease. The PH 3 exposure treatment (1) supplies electrons as an n-type dopant and corrects the p-type conversion due to dangling bonds on the surface of the Ge substrate (band correction), and (2) a Ge substrate and an amorphous material as impurities. It is considered that there is a function of promoting recombination at the interface with the porous silicon layer.

図9に、PH暴露処理時の基板ヒータ温度とバンド補正による特性向上度との関係を示す。図10に、PH暴露処理時の基板ヒータ温度とPHによる再結合促進による性能低下との関係を示す。図11に、PH暴露処理時の基板ヒータ温度と変換効率との関係を示す。
PH暴露処理時の基板温度が高温化すると、PHとGe基板の反応性が増加し、上記(1)のp型化補正が促進され、且つ、上記(2)の再結合も促進される。このバランスで性能向上が実現されていると考えると、基板150℃(基板ヒータ温度200℃)では上記(1)のp型化補正効果より、上記(2)の再結合促進による性能低下の影響が大きいため、特性が低下していると考えられる。
FIG. 9 shows the relationship between the substrate heater temperature during the PH 3 exposure treatment and the degree of improvement in characteristics by band correction. FIG. 10 shows the relationship between the substrate heater temperature during PH 3 exposure treatment and the performance degradation due to recombination promotion by PH 3 . FIG. 11 shows the relationship between the substrate heater temperature and the conversion efficiency during the PH 3 exposure treatment.
When the substrate temperature at the time of the PH 3 exposure treatment is increased, the reactivity between the PH 3 and the Ge substrate increases, the correction of p-type in (1) is promoted, and the recombination in (2) is also promoted. The If it is considered that the performance improvement is realized by this balance, at the substrate 150 ° C. (substrate heater temperature 200 ° C.), the effect of the performance deterioration due to the recombination promotion of the above (2) is more effective than the p-type correction effect of the above (1). It is considered that the characteristics are degraded due to the large value.

しかしながら、図8によれば、上記のように一部条件で特性が低下したとしても、Ge(111)基板を用いた太陽電池は、PH暴露時の基板ヒータ温度が同じ場合、いずれもGe(100)基板を用いた太陽電池より開放電圧、形状因子、及び変換効率が高くなった。詳細には、基板を220℃(基板ヒータ温度300℃)で加熱した場合、Ge(111)基板を用いた太陽電池の変換効率は、Ge(100)基板を用いた太陽電池の変換効率の1.28倍となった。また、Ge(111)基板を用いた太陽電池の最も高かった変換効率は、Ge(100)基板を用いた太陽電池の最も高かった変換効率の1.43倍となった。 However, according to FIG. 8, even if the characteristics are deteriorated under some conditions as described above, the solar cells using the Ge (111) substrate are both Ge substrates when the substrate heater temperature at the time of PH 3 exposure is the same. The open circuit voltage, form factor, and conversion efficiency were higher than those of the solar cell using the (100) substrate. Specifically, when the substrate is heated at 220 ° C. (substrate heater temperature 300 ° C.), the conversion efficiency of the solar cell using the Ge (111) substrate is 1 of the conversion efficiency of the solar cell using the Ge (100) substrate. .28 times. In addition, the highest conversion efficiency of the solar cell using the Ge (111) substrate was 1.43 times the highest conversion efficiency of the solar cell using the Ge (100) substrate.

以上より、ヘテロ接合型構造の太陽電池を作製する場合、基板表面の面配向は、Ge(100)面よりもGe(111)面とするのが好適である。また、Ge(111)基板を用いる場合には、基板を積極的に加熱せず(非加熱で)PH暴露処理すると良い。 From the above, when producing a solar cell with a heterojunction structure, it is preferable that the surface orientation of the substrate surface is a Ge (111) plane rather than a Ge (100) plane. Further, when a Ge (111) substrate is used, it is preferable to perform the PH 3 exposure treatment without actively heating the substrate (without heating).

図5に示すように、Ge(111)面の表面に存在する未結合手の密度が、Ge(100)面よりも少ないと考えると、Ge(111)基板ではドーパントによるフェルミレベル補正の必要性が少ない。よって、反応性が低い非加熱(数℃〜50℃の温度範囲を含む常温)でのPH暴露処理で効率が最大になったと考えられる。従って、未結合手が多いGe(100)基板を用いる場合には高温でPH暴露処理を行うと良いが、未結合手が少ないGe(111)基板を用いる場合には低温でPH暴露処理を行うと良い。 As shown in FIG. 5, considering that the density of dangling bonds existing on the surface of the Ge (111) surface is lower than that of the Ge (100) surface, it is necessary to correct the Fermi level with a dopant in the Ge (111) substrate. Less is. Therefore, it is considered that the efficiency is maximized by the PH 3 exposure treatment with non-heating (room temperature including a temperature range of several to 50 ° C.) with low reactivity. Therefore, when a Ge (100) substrate with many unbonded hands is used, it is preferable to perform the PH 3 exposure treatment at a high temperature. However, when a Ge (111) substrate with few unbonded hands is used, the PH 3 exposure treatment is performed at a low temperature. Good to do.

また、PHは、本来はGe基板及び非晶質シリコン層にとって不純物であるため、高温でPH暴露処理した場合には、界面欠陥を増加させる傾向を示す。一方、Ge(111)基板では、非加熱(常温)でPH暴露処理することで、高温で処理した場合よりも不純物の影響が抑制され、界面欠陥も減少していると考えられる。 Moreover, since PH 3 is originally an impurity for the Ge substrate and the amorphous silicon layer, when it is exposed to PH 3 at a high temperature, it tends to increase interface defects. On the other hand, in the Ge (111) substrate, it is considered that the effect of impurities is suppressed and the interface defects are reduced by performing the PH 3 exposure treatment without heating (at room temperature) compared to the case of treatment at a high temperature.

Ge(111)基板を用いる場合には、非加熱で界面フェルミレベル処理ができるため、温度昇温設備が不要であるとともに、基板加熱の温度管理という性能管理項目が不要となる。従って、生産性及び安定性に優れたヘテロ接合構造の太陽電池とすることができる。   When a Ge (111) substrate is used, the interface Fermi level treatment can be performed without heating, so that a temperature raising facility is unnecessary and a performance management item of temperature management for substrate heating is not required. Therefore, it can be set as the solar cell of the heterojunction structure excellent in productivity and stability.

<第2実施形態>
本実施形態では、異方性エッチングによりp型単結晶Ge(100)基板(以降、Ge(100)基板と称する)からGe(111)面を備えるGe基板を作製する。詳細には、Ge(100)基板の表面を、所定の開口を有するマスクで覆い、エッチャントでエッチングしてパターニングする。Ge(100)基板の表面は、エッチャントにより、Ge(100)基板の深さ方向及び面方向にエッチングされる。図12にエッチング速度を説明する図を示す。エッチング速度は、Ge基板の結晶面配向によって異なり、Ge(100)面(矢印D方向)よりもGe(111)面(矢印E方向)の方が遅い。Ge(100)基板の表面を異方性エッチングにより加工した場合、Ge(111)面はGe(100)基板の基板面(Ge(100)面)に対して54.7℃傾斜した面として露出する。これにより、Ge(111)面を備えるGe基板の表面はテクスチャ形状となる。異方性エッチングでは、使用するマスク14及びエッチャントの種類、並びにエッチング時間などを調整することで、所望のテクスチャ形状を形成することが可能である。異方性エッチングとしては、G. Chianetta et al. J Low Temp Phys 151 (2008) 387、S. Kagawa et al. JJAP 21 (1982) 1616−1618に記載の異方性エッチングを用いるとGe(100)基板からGe(111)面を露出させ、テクスチャ形状とすることが可能である。基板表面をテクスチャ形状とすることで、光学散乱の増加が得られるため、太陽電池の発電特性を向上させることができる。
Second Embodiment
In this embodiment, a Ge substrate having a Ge (111) surface is produced from a p-type single crystal Ge (100) substrate (hereinafter referred to as a Ge (100) substrate) by anisotropic etching. Specifically, the surface of the Ge (100) substrate is covered with a mask having a predetermined opening, and is patterned by etching with an etchant. The surface of the Ge (100) substrate is etched by the etchant in the depth direction and the plane direction of the Ge (100) substrate. FIG. 12 is a diagram for explaining the etching rate. The etching rate differs depending on the crystal plane orientation of the Ge substrate, and the Ge (111) plane (arrow E direction) is slower than the Ge (100) plane (arrow D direction). When the surface of the Ge (100) substrate is processed by anisotropic etching, the Ge (111) surface is exposed as a surface inclined by 54.7 ° C. with respect to the substrate surface (Ge (100) surface) of the Ge (100) substrate. To do. Thereby, the surface of the Ge substrate having the Ge (111) surface has a texture shape. In anisotropic etching, it is possible to form a desired texture shape by adjusting the type of mask 14 and etchant used, and the etching time. As anisotropic etching, G.I. Chianetta et al. J Low Temp Phys 151 (2008) 387, S.J. Kagawa et al. When anisotropic etching described in JJAP 21 (1982) 1616-1618 is used, a Ge (111) surface can be exposed from a Ge (100) substrate to form a textured shape. By making the substrate surface a textured shape, an increase in optical scattering can be obtained, so that the power generation characteristics of the solar cell can be improved.

本実施形態においてマスク14のパターニング方法は、UVを使用したフォトリソグラフィを用いる。なお、パターニング方法は、電子ビーム露光、インプリント、微粒子の塗布などマスクとしての機能を有し、微細パターンを得られるものであれば特に制限はない。   In the present embodiment, the mask 14 is patterned using photolithography using UV. The patterning method is not particularly limited as long as it has a function as a mask such as electron beam exposure, imprint, and fine particle coating, and can obtain a fine pattern.

エッチャントは、形成したい所望のテクスチャ形状と精度やエッチング速度に応じて適宜選択する。
エッチャントは、例えば、リン酸:過酸化水素水:エタノール=1:1:1の割合で混合して調製する。上記割合で混合したエッチャントは、エッチングレート選択比が遅いので、平面残留の時間を管理しやすい。上記エッチャントを使用する場合、レジスト以外のマスクを使用する。それにより、エタノールがレジストを侵食することに起因するエッチング不良を生じ難くさせ、エッチングの再現性を向上させることができる。
エッチャントは、例えば、リン酸:過酸化水素水:イオン交換水=4:1:5の割合で混合して調製する。上記割合で混合したエッチャントは、有機溶剤を用いていないため、マスクとしてフォトレジストを使用してもレジストを侵す心配がない。また、エッチング速度がエタノールを用いたものより速いが、エッチング時間の管理を厳密に実施することでGe(100)面を残留させることもできる。
The etchant is appropriately selected according to a desired texture shape to be formed, accuracy, and etching rate.
The etchant is prepared, for example, by mixing at a ratio of phosphoric acid: hydrogen peroxide: ethanol = 1: 1: 1. Since the etchant mixed at the above ratio has a low etching rate selection ratio, it is easy to manage the remaining time of the plane. When the above etchant is used, a mask other than a resist is used. As a result, etching defects caused by ethanol eroding the resist are hardly caused, and etching reproducibility can be improved.
The etchant is prepared, for example, by mixing at a ratio of phosphoric acid: hydrogen peroxide water: ion exchange water = 4: 1: 5. Since the etchant mixed in the above ratio does not use an organic solvent, there is no fear of damaging the resist even if a photoresist is used as a mask. Although the etching rate is faster than that using ethanol, the Ge (100) surface can be left by strictly controlling the etching time.

図13に、フォトマスクの一例を示す。フォトマスク14は、間隔をあけて周期的に配置された複数の開口15を備える。開口の面積及び形状と精度やエッチング速度は、形成したい所望のテクスチャ形状及び使用するエッチャントの種類などに応じて適宜設定する。開口の面積はエッチングレート選択比により適宜設定する。リン酸:過酸化水素水:イオン交換水=4:1:5のエッチャントを用いる場合、開口の一辺の長さは、開口の周期(P)の1/10以下程度とすると良い。それによって、基板に残留する平面の面積を小さくすることができる。ここで平面とは、加工前の基板面または基板面に対して実質的に平行な面、すなわち、Ge(100)面である。   FIG. 13 shows an example of a photomask. The photomask 14 includes a plurality of openings 15 that are periodically arranged at intervals. The area, shape, accuracy, and etching rate of the opening are appropriately set according to the desired texture shape to be formed and the type of etchant to be used. The area of the opening is appropriately set according to the etching rate selection ratio. When an etchant of phosphoric acid: hydrogen peroxide water: ion exchange water = 4: 1: 5 is used, the length of one side of the opening is preferably about 1/10 or less of the period (P) of the opening. Thereby, the area of the plane remaining on the substrate can be reduced. Here, the plane is a substrate surface before processing or a surface substantially parallel to the substrate surface, that is, a Ge (100) surface.

開口の周期(P)は、後述するように基板の板厚の1/2の深さまでエッチングを許容できるとして、基板の板厚の約0.71倍以内の距離とする。開口の周期(P)は、1μm〜5μmとすることが望ましい。開口の周期(P)を5μm以上にすると、入射光を太陽電池内で散乱させる効果が小さくなる。しかし、開口の周期(P)を5μmからさらに大きくしても、凹凸の形状が相似であれば表面で反射した光を太陽電池内に再入射させる割合は変わらない。従って、開口の周期(P)を5μmからさらに大きくしても入射側から見た太陽電池表面の反射率はほとんど変わらない。   The period (P) of the opening is set to a distance within about 0.71 times the thickness of the substrate, assuming that etching can be allowed to a depth of ½ of the thickness of the substrate as will be described later. The period (P) of the opening is desirably 1 μm to 5 μm. When the period (P) of the opening is 5 μm or more, the effect of scattering incident light in the solar cell is reduced. However, even if the period (P) of the opening is further increased from 5 μm, the ratio at which the light reflected by the surface re-enters the solar cell does not change as long as the uneven shape is similar. Therefore, even if the period (P) of the opening is further increased from 5 μm, the reflectance of the solar cell surface seen from the incident side is hardly changed.

開口の周期を大きくすると、フォトリソグラフィに要求される精度が低くなり、製造の簡易化が可能となる。しかし、周期をあまり増加させるとGe(100)基板の板厚方向のエッチング深さが大きくなる。これにより、Ge(100)基板に薄い部分が生じる、Ge(100)基板が貫通するなどの弊害が起こる。   When the period of the opening is increased, the accuracy required for photolithography is reduced, and the manufacturing can be simplified. However, if the period is increased too much, the etching depth in the thickness direction of the Ge (100) substrate increases. This causes problems such as a thin portion in the Ge (100) substrate and penetration of the Ge (100) substrate.

板厚の減少による光吸収ロスを少なくするためには、基板の板厚の1/2程度の深さまでのエッチングが許容できる。図14に、板厚の1/2の深さまでエッチングした場合の基板11の断面図を示す。同図は、エッチングにより平面部分の面積が限りなくゼロとなり、且つ、基板11のGe(100)面に対するGe(111)面の傾斜角度が理論値通りの54.7°でエッチング可能と仮定したモデルである。図14によれば、開口の周期は板厚の約0.71倍まで大きくすることができ、これを開口の周期(P)の上限と設定することができる。   In order to reduce the light absorption loss due to the reduction in the plate thickness, etching to a depth of about ½ of the plate thickness of the substrate can be allowed. FIG. 14 shows a cross-sectional view of the substrate 11 when etching is performed to a depth of ½ of the plate thickness. In the figure, it is assumed that the area of the plane portion becomes zero as much as possible by etching, and that the inclination angle of the Ge (111) plane with respect to the Ge (100) plane of the substrate 11 can be etched at a theoretical value of 54.7 °. It is a model. According to FIG. 14, the opening period can be increased to about 0.71 times the plate thickness, and this can be set as the upper limit of the opening period (P).

例えば、一般的な板厚100μmのGe(100)基板を用いると、開口の周期は71μmまで大きくすることが可能である。上記周期のマスクを用いることで、製造の簡易化が可能となる。
例えば、板厚10μmの薄いGe(100)基板を用いると、開口の周期は7μmまで大きくすることができる。その場合、周期の上限値が小さくなるので、入射光を太陽電池内で散乱させる効果を得ることが可能となる。
For example, when a general Ge (100) substrate having a plate thickness of 100 μm is used, the period of the opening can be increased to 71 μm. By using the mask having the above-described period, it becomes possible to simplify the manufacturing.
For example, when a thin Ge (100) substrate having a plate thickness of 10 μm is used, the period of the opening can be increased to 7 μm. In that case, since the upper limit value of the period becomes small, it is possible to obtain an effect of scattering incident light in the solar cell.

Ge(111)面を備えるGe基板の表面は、平面がなるべく残留していない形状に加工することが好ましい。平面を少なくすることで、反射率が低減する。
一方、平面がなるべく残留しないようエッチングした場合、図15に示すように、凸部16あるいは凹部17が鋭角となる。鋭角部分の上に非晶質シリコンi層12を形成すると、凹部深部に非晶質シリコン膜が一部製膜しにくくなること、及び、凸部が非晶質シリコン膜を貫通して透明電極層側とのリークパスになるなどの接合不良が生じる。そのため、エッチングの際には、図16に示すように、接合不良が生じない程度に凸部18及び凹部19に平面を残留させると良い。接合不良を解消するためには、凸部18及び凹部19の各平面の一辺の長さを、非晶質シリコン層の膜厚程度、すなわち10nm以上とすることが好ましい。凹部平面の一辺の長さと、凸部平面の短辺の長さとは異なっていても良い。
The surface of the Ge substrate provided with the Ge (111) plane is preferably processed into a shape in which a plane remains as little as possible. By reducing the number of planes, the reflectance is reduced.
On the other hand, when etching is performed so that the flat surface does not remain as much as possible, the convex portion 16 or the concave portion 17 has an acute angle as shown in FIG. When the amorphous silicon i layer 12 is formed on the acute angle part, it becomes difficult to form a part of the amorphous silicon film in the deep part of the concave part, and the transparent part passes through the amorphous silicon film in the convex part. Bonding defects such as a leak path with the layer side occur. Therefore, at the time of etching, as shown in FIG. 16, it is preferable to leave the planes in the convex portions 18 and the concave portions 19 to such an extent that no poor bonding occurs. In order to eliminate the bonding failure, it is preferable that the length of one side of each plane of the convex portion 18 and the concave portion 19 is about the thickness of the amorphous silicon layer, that is, 10 nm or more. The length of one side of the concave plane may be different from the length of the short side of the convex plane.

本実施形態の別の製造方法による太陽電池としては、基板11と上部セル20を別々に製作した後に、導電性接着剤6を介して重ね合わせるメカニカルスタック構造として多接合セルを作製してもよい。この際、凸部18の平面(Ge(100)面)の面積が大きくなるよう凸部平面の短辺の長さを長くすると、図17に示すように、基板11と上部セル20との接触面積が増えるため、上部セル20との接着強度を向上させることができる。この構造により、基板11と上部セル20との接着強度を向上させるとともに、光散乱・光閉じ込め能力も確保することができる。
さらに、基板11と非晶質シリコンi層とを導電性接着剤6で接合させる場合には、基板11の凹部に残留させる平面のサイズ及び充填される導電性接着剤6の屈折率を選択することでさらに反射・散乱効果の調整が可能となり、太陽電池の性能を向上できる。
As a solar cell according to another manufacturing method of the present embodiment, a multi-junction cell may be manufactured as a mechanical stack structure in which the substrate 11 and the upper cell 20 are separately manufactured and then overlapped via the conductive adhesive 6. . At this time, if the length of the short side of the projection plane is increased so that the area of the plane of the projection 18 (Ge (100) plane) is increased, the contact between the substrate 11 and the upper cell 20 as shown in FIG. Since the area increases, the adhesive strength with the upper cell 20 can be improved. With this structure, the adhesion strength between the substrate 11 and the upper cell 20 can be improved, and light scattering / light confinement capability can be secured.
Further, when the substrate 11 and the amorphous silicon i layer are bonded with the conductive adhesive 6, the size of the plane left in the concave portion of the substrate 11 and the refractive index of the conductive adhesive 6 to be filled are selected. Thus, the reflection / scattering effect can be further adjusted, and the performance of the solar cell can be improved.

図18に、凹部19の平面の一辺(l)と、凸部の平面の短辺(s)とが同じとなるようにエッチングしたGe基板の上面図を示す。図19に、図18の条件でエッチングした場合における、平面部分の辺の長さ(凹部平面の一辺(l)+凸部平面の短辺(s))と平面率との関係を示す。同図において、横軸は平面部分の辺の長さ(開口の周期に対する%)、縦軸は真上から見た場合の平面の割合である。
図20に、凸部上の平面の短辺(s)を開口の周期の1%(例えば、開口の周期が1μmであれば、短辺(s)は10nm)に固定されるようにエッチングしたGe基板の上面図を示す。図21に、図20の条件でエッチングした場合の平面部分の辺の長さ(凹部平面の一辺(l)+凸部平面の短辺(s))と平面率との関係を示す。同図において、横軸は平面部分の辺の長さ(開口の周期に対する%)、縦軸は真上から見た場合の平面の割合である。
図19及び図21によれば、10%以下の平面率を実現するとした場合、平面の辺の長さをそれぞれ5%以下及び28%以下にする必要がある。このように、凹部と凸部分の平面サイズを調整することで平面率の制御が可能であり、基板11の凹凸形状の設計と製作が容易になる。なお、平面の辺の長さがそれぞれ5%及び28%の時、Ge(111)/Ge(100)はそれぞれ0.94及び0.96となる。
FIG. 18 shows a top view of a Ge substrate etched so that one side (l) of the plane of the recess 19 is the same as the short side (s) of the plane of the projection. FIG. 19 shows the relationship between the plane length and the side length (one side (1) of the concave plane + the short side (s) of the convex plane) when etching is performed under the conditions shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the length of the side of the plane portion (% relative to the period of the opening), and the vertical axis represents the ratio of the plane when viewed from directly above.
In FIG. 20, the short side (s) of the plane on the convex portion is etched so as to be fixed to 1% of the period of the opening (for example, if the period of the opening is 1 μm, the short side (s) is 10 nm). A top view of a Ge substrate is shown. FIG. 21 shows the relationship between the plane length and the side length (one side (1) of the concave plane + the short side (s) of the convex plane) when etching is performed under the conditions shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the length of the side of the plane portion (% relative to the period of the opening), and the vertical axis represents the ratio of the plane when viewed from directly above.
According to FIG. 19 and FIG. 21, when the flatness of 10% or less is realized, the length of the side of the plane needs to be 5% or less and 28% or less, respectively. In this way, the flatness can be controlled by adjusting the planar sizes of the concave and convex portions, and the uneven shape of the substrate 11 can be easily designed and manufactured. When the side lengths of the plane are 5% and 28%, Ge (111) / Ge (100) is 0.94 and 0.96, respectively.

また、開口の間隔(周期)およびエッチング時間を調整することで凸部の平面サイズを調整することが可能である。   Further, it is possible to adjust the planar size of the convex portion by adjusting the interval (period) of the openings and the etching time.

上記で作製したGe(111)面を備えるGe基板を用い、第1実施形態と同様に、太陽電池を作製する。ただし、ヘテロ接合セル作製工程におけるPH暴露処理時の基板温度(基板ヒータ温度)は、Ge(111)とGe(100)との面積比、すなわち、Ge(111)/Ge(100)(エッチングレート選択比)に、応じて適宜設定する。
図22に、Ge基板表面におけるGe(111)面の面積割合と変換効率と関係を示す。同図において、横軸はGe(111)面の割合、縦軸は変換効率である。同図によれば、Ge(111)/Ge(100)の面積比と変換効率が対応すると仮定すると、G(111)/Ge(100)<0.6では基板温度220℃(ヒータ温度:300℃)として、PH暴露処理を行うと良い。すなわち、Ge(100)面をPH暴露する際に適した条件に合わせると良い。G(111)/Ge(100)≧0.6では所定温度を常温(数℃〜50℃の温度範囲を含む)とし、基板非加熱でPH暴露処理を行うと良い。そうすることで、太陽電池の変換効率をより向上することができる。
Using the Ge substrate having the Ge (111) surface produced above, a solar cell is produced in the same manner as in the first embodiment. However, the substrate temperature (substrate heater temperature) during the PH 3 exposure process in the heterojunction cell manufacturing process is the area ratio of Ge (111) to Ge (100), that is, Ge (111) / Ge (100) (etching). The rate selection ratio is set as appropriate.
FIG. 22 shows the relationship between the area ratio of the Ge (111) plane on the surface of the Ge substrate and the conversion efficiency. In the figure, the horizontal axis represents the ratio of the Ge (111) plane, and the vertical axis represents the conversion efficiency. According to the figure, assuming that the area ratio of Ge (111) / Ge (100) corresponds to the conversion efficiency, the substrate temperature is 220 ° C. (heater temperature: 300 when G (111) / Ge (100) <0.6. (° C.) and PH 3 exposure treatment may be performed. That is, it is preferable to match the conditions suitable for exposing the Ge (100) surface to PH 3 . When G (111) / Ge (100) ≧ 0.6, the predetermined temperature is normal temperature (including a temperature range of several degrees C. to 50 ° C.), and the PH 3 exposure treatment may be performed without heating the substrate. By doing so, the conversion efficiency of a solar cell can be improved more.

第2実施形態に従い、板厚175μmのGe(100)基板からGe(111)面を備えるGe基板を作製した。本試験のエッチング条件を以下に示す。
(エッチング条件1)
エッチャント;リン酸:過酸化水素水:イオン交換水=4:1:5
(使用試薬濃度:リン酸98%、過酸化水素水30%)
エッチャント温度;25℃(室温)
パターニング手法;フォトリソグラフィ
(光源は水銀ランプのUVを使用。マスクとサンプルは密着させて露光)
使用マスク;開口が2μm□、開口の周期が20μmのフォトマスク
エッチング時間;15min
深さ方向エッチングレート;約0.44μm/min(図12矢印D方向)
横方向エッチングレート;約0.56μm/min(図12矢印F方向。Ge(111)エッチング速度とは異なる)
According to the second embodiment, a Ge substrate having a Ge (111) surface was produced from a Ge (100) substrate having a thickness of 175 μm. The etching conditions for this test are shown below.
(Etching condition 1)
Etchant; phosphoric acid: hydrogen peroxide water: ion-exchanged water = 4: 1: 5
(Reagent concentration: phosphoric acid 98%, hydrogen peroxide solution 30%)
Etchant temperature: 25 ° C (room temperature)
Patterning technique: photolithography (light source uses UV from mercury lamp. Mask and sample are in close contact for exposure)
Mask used: Photomask with an opening of 2 μm □ and an opening cycle of 20 μm Etching time: 15 min
Depth direction etching rate: about 0.44 μm / min (direction of arrow D in FIG. 12)
Lateral etching rate: about 0.56 μm / min (direction of arrow F in FIG. 12, different from Ge (111) etching rate)

(エッチング条件2)
エッチャント;リン酸:過酸化水素水:エタノール=1:1:1
(使用試薬濃度:リン酸98%、過酸化水素水30%、エタノール99.5%)
エッチャント温度:25℃(室温)
パターニング手法:フォトリソグラフィ(光源は水銀ランプのUVを使用。マスクとサンプルは密着させて露光)
使用マスク:開口が2μm□、開口の周期が20μmのフォトマスク
エッチング時間:20min
深さ方向エッチングレート:約0.21μm/min
横方向エッチングレート:約0.275μm/min
(Etching condition 2)
Etchant; phosphoric acid: hydrogen peroxide solution: ethanol = 1: 1: 1
(Reagent concentration: phosphoric acid 98%, hydrogen peroxide 30%, ethanol 99.5%)
Etchant temperature: 25 ° C (room temperature)
Patterning method: photolithography (light source uses UV of mercury lamp. Mask and sample are in close contact with each other for exposure)
Mask used: Photomask with 2 μm square opening and 20 μm opening period Etching time: 20 min
Depth direction etching rate: about 0.21 μm / min
Lateral etching rate: about 0.275 μm / min

上記試験のエッチング条件では、マスクの開口を2μm□とした。入射光の太陽電池表面での反射率を低減させるには、なるべく平面(水平面)が少なく斜面部分が多い形状の方が良い。しかしながら、上記試験のエッチング条件で使用するエッチャントではエッチングレート選択比(Ge(100)/Ge(111))が低いため、エッチング時間によらず開口部分に対応する凹部に平面が残留してしまう。また、エッチング時間を増加させてもほぼ等面積またはやや広がるだけである。よって、上記試験のエッチング条件では、UV露光、密着露光のフォトリドグラフィで実現可能な範囲で、なるべく小さい開口を選択した。   Under the etching conditions in the above test, the opening of the mask was 2 μm □. In order to reduce the reflectance of the incident light on the surface of the solar cell, it is better to have a shape with as few planes (horizontal planes) as possible and a large number of slope portions. However, since the etch rate selection ratio (Ge (100) / Ge (111)) is low in the etchant used in the etching conditions of the above test, a plane remains in the recess corresponding to the opening regardless of the etching time. Further, even if the etching time is increased, the area is almost the same or slightly widened. Therefore, under the etching conditions of the above test, an opening as small as possible was selected within a range that can be realized by photolithography of UV exposure and contact exposure.

光吸収を増加させるには、表面で反射した光を太陽電池内に再入射させるのみでなく、吸収したい光の波長と同オーダーの凹凸を設け、入射光を太陽電池内で散乱させる機能を持たせることも重要である。よって、開口の周期は20μmでは大きすぎると考えられる。しかし、上記試験のエッチング条件では、使用するエッチャントのエッチングレート選択比が低く、且つ、フォトマスクの開口が2μm□と広い。そのため、あまり小さな周期で開口を配置すると開口部分に対応して残留する凹部の平面が占める割合が高くなってしまう。そこで20μmと比較的大きな周期で開口を配置し、平面(水平面)の割合を低減させた。   In order to increase light absorption, not only the light reflected from the surface is re-entered into the solar cell, but also has the function of providing irregularities of the same order as the wavelength of the light to be absorbed and scattering the incident light within the solar cell. It is also important that Therefore, the period of the opening is considered to be too large at 20 μm. However, under the etching conditions in the above test, the etching rate selectivity of the etchant used is low, and the opening of the photomask is as wide as 2 μm □. For this reason, if the openings are arranged with a very small period, the proportion of the remaining concave portions corresponding to the openings becomes high. Therefore, openings were arranged with a relatively large period of 20 μm to reduce the ratio of the plane (horizontal plane).

エッチング時間に依存して、Ge(100)面の残留量を調整することができる。   Depending on the etching time, the residual amount of the Ge (100) plane can be adjusted.

エッチング条件1でエッチングすることにより、平面の少ないGe(111)面を備えるGe基板を作製することができる。 By etching under the etching condition 1, a Ge substrate having a Ge (111) surface with few planes can be manufactured.

エッチング条件2でエッチングすることにより、平面(Ge(100)面)を残留させることができる。
図23は、エッチング条件1のエッチャントを用いてエッチングした際、PH暴露処理の最適条件の境界となるGe(111)/Ge(100)の面積比が0.6となる場合の形状を表す図である。
By etching under the etching condition 2, a plane (Ge (100) plane) can be left.
FIG. 23 shows the shape when the area ratio of Ge (111) / Ge (100), which is the boundary of the optimum conditions for the PH 3 exposure treatment, is 0.6 when etching is performed using the etchant under the etching condition 1. FIG.

1 ヘテロ接合セル
2 透明電極層
3 グリッド電極
4 裏面電極層
5 酸化膜
6 導電性接着剤
11 基板(p型単結晶Ge)
12 i型非晶質シリコン層
13 n型非晶質シリコン層
14 マスク(フォトマスク)
15 開口
16 凸部
17 凹部
18 凸部(平面)
19 凹部(平面)
20 上部セル
100 光電変換装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heterojunction cell 2 Transparent electrode layer 3 Grid electrode 4 Back surface electrode layer 5 Oxide film 6 Conductive adhesive agent 11 Substrate (p-type single crystal Ge)
12 i-type amorphous silicon layer 13 n-type amorphous silicon layer 14 mask (photomask)
15 Opening 16 Convex part 17 Concave part 18 Convex part (plane)
19 Recess (plane)
20 Upper cell 100 Photoelectric conversion device

Claims (6)

p型結晶Geを基板とし、該基板上に、i型非晶質シリコン層とn型非晶質シリコン層とが順に積層されたヘテロ接合セルを備えた光電変換装置の製造方法であって、
表面にGe(111)面を備えたp型結晶Geの基板を用い、
前記表面に形成された酸化膜を除去した前記基板を所定温度とした後に、真空チャンバ内に配置してPHガスに暴露させるPH暴露処理工程を備える光電変換装置の製造方法。
A method of manufacturing a photoelectric conversion device including a heterojunction cell in which a p-type crystal Ge is used as a substrate and an i-type amorphous silicon layer and an n-type amorphous silicon layer are sequentially stacked on the substrate,
Using a substrate of p-type crystal Ge having a Ge (111) surface on its surface,
A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising: a PH 3 exposure treatment step in which the substrate from which the oxide film formed on the surface is removed is brought to a predetermined temperature and then placed in a vacuum chamber and exposed to PH 3 gas.
前記PH暴露処理工程において、前記基板の前記所定温度を常温とする請求項1に記載の光電変換装置の製造方法。 The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to claim 1, wherein in the PH 3 exposure treatment step, the predetermined temperature of the substrate is set to room temperature. 異方性エッチングによりp型結晶Ge(100)基板から前記Ge(111)面を備えたp型結晶Geの基板を作製する請求項1または請求項2に記載の光電変換装置の製造方法。   The manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus of Claim 1 or Claim 2 which produces the board | substrate of the p-type crystal | crystallization Ge provided with the said Ge (111) surface from the p-type crystal | crystallization Ge (100) board | substrate by anisotropic etching. Ge(100)面が所定の割合で残留するよう前記Ge(111)面を備えたp型結晶Geの基板を作製する請求項3に記載の光電変換装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a photoelectric conversion device according to claim 3, wherein a substrate of p-type crystal Ge provided with the Ge (111) surface so that the Ge (100) surface remains at a predetermined ratio. 前記基板上の表面にGe(111)面とGe(100)面が存在し、
前記Ge(111)面と前記Ge(100)面との面積比が、
Ge(111)/Ge(100)≧0.6の場合、前記PH暴露処理工程における前記所定温度を常温とし、
Ge(111)/Ge(100)<0.6の場合、前記PH暴露処理工程における前記所定温度を150℃以上とする請求項1または請求項4に記載の光電変換装置の製造方法。
Ge (111) plane and Ge (100) plane exist on the surface on the substrate,
The area ratio between the Ge (111) plane and the Ge (100) plane is:
When Ge (111) / Ge (100) ≧ 0.6, the predetermined temperature in the PH 3 exposure treatment step is set to room temperature,
5. The method of manufacturing a photoelectric conversion device according to claim 1, wherein, when Ge (111) / Ge (100) <0.6, the predetermined temperature in the PH 3 exposure treatment step is set to 150 ° C. or higher.
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の方法で製造した光電変換装置。
A photoelectric conversion device manufactured by the method according to claim 1.
JP2011211025A 2011-09-27 2011-09-27 Method of manufacturing photoelectric conversion device and photoelectric conversion device Withdrawn JP2013074038A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011211025A JP2013074038A (en) 2011-09-27 2011-09-27 Method of manufacturing photoelectric conversion device and photoelectric conversion device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011211025A JP2013074038A (en) 2011-09-27 2011-09-27 Method of manufacturing photoelectric conversion device and photoelectric conversion device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013074038A true JP2013074038A (en) 2013-04-22

Family

ID=48478300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011211025A Withdrawn JP2013074038A (en) 2011-09-27 2011-09-27 Method of manufacturing photoelectric conversion device and photoelectric conversion device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013074038A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018038478A1 (en) * 2016-08-24 2018-03-01 주성엔지니어링(주) Solar cell and method for manufacturing same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018038478A1 (en) * 2016-08-24 2018-03-01 주성엔지니어링(주) Solar cell and method for manufacturing same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5456168B2 (en) Method for manufacturing photoelectric conversion device
US8252624B2 (en) Method of manufacturing thin film solar cells having a high conversion efficiency
JP5863391B2 (en) Method for manufacturing crystalline silicon solar cell
WO2012020682A1 (en) Crystalline silicon solar cell
JP2004014958A (en) Thin film polycrystalline solar cell and manufacturing method therefor
JP2002057359A (en) Laminated solar battery
JP2020017763A (en) Manufacturing method of photoelectric conversion device
JP5307688B2 (en) Crystalline silicon solar cell
JP2015185593A (en) Solar cell and manufacturing method of the same
JP6990764B2 (en) Solar cells and their manufacturing methods
JP2011077454A (en) Crystal silicon system solar cell and method of manufacturing the same
JP2004119491A (en) Method for manufacturing thin film solar battery, and thin film solar battery manufactured thereby
JP4215697B2 (en) Photoelectric conversion device and manufacturing method thereof
JP5975841B2 (en) Manufacturing method of photovoltaic device and photovoltaic device
JP5622231B2 (en) Method for manufacturing photoelectric conversion device
JP2013074038A (en) Method of manufacturing photoelectric conversion device and photoelectric conversion device
JP2002280590A (en) Multi-junction type thin-film solar battery and method for manufacturing the same
KR20120021849A (en) Method for preparing of azo thin film using electron-beam
JP2011066213A (en) Photoelectric converter and method of manufacturing the same
Chuchvaga et al. Optimization and Fabrication of Heterojunction Silicon Solar Cells Using an Experimental-Industrial Facility AK-1000 Inline
KR102212042B1 (en) Solar cell comprising buffer layer formed by atomic layer deposition and method of fabricating the same
JP2013125884A (en) Photoelectric conversion device manufacturing method and photoelectric conversion device
JP4215694B2 (en) Photoelectric conversion device and manufacturing method thereof
JP2005244071A (en) Solar cell and its manufacturing method
JP5307280B2 (en) Thin film photoelectric conversion element

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20141202