JP2013533620A - 微結晶吸収層とパシベーション層とを有する薄膜太陽電池およびその太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図4Aは、当該技術分野で公知のタンデム接合シリコン薄膜太陽電池を示している。このような薄膜太陽電池50は、一般的に、基板41上に逐次積重ねられた第1または前面電極42と、1つ以上の半導体薄膜p−i−n接合(52〜54、51、44〜46、43)と、第2または背面電極47とを含む。各p−i−n接合51、43または薄膜光起電変換ユニットは、p型層52、44とn型層54、46との間に挟まれたi型層53、45を含む(p型=正にドープされた、n型=負にドープされた)。本質的に真性の半導体層であるi型層53、45は、薄膜p−i−n接合の厚さの大半を占めている。本明細書において、「本質的に真性」は「本質的にドーピングされないことを示す」と理解される。光電変換は、主にこのi型層で発生するため、このi型層は吸収層とも呼ばれている。
微結晶シリコンを光活性(真性)i−層として取入れた単接合および多接合太陽電池において、μc−i−層の重要な物理パラメータのうち2つは、1)その結晶度および2)その電子品質(欠陥密度)である。装置の最適性能を得るために、一方では、(標準PECVD堆積条件の場合に)微結晶シリコン層は、装置に高開放電圧(Voc)を引起す非晶質−微結晶シリコン転移の近くに堆積させたとき、より良い電子品質(低欠陥密度)を有することを考慮して、光活性層の結晶度を選択しなければならない。他方では、高電流密度(Jsc)は、非晶質−微結晶転移における結晶度をよく増大させることによって得られる。したがって、最適な装置のために、高Vocと高Jscとの間の妥協点を見出さなければならない。「中」i−層結晶度の最適値が大まかに見出されている。現在では、i−μc−Si:H層の最適結晶度および最高電子品質を得るために、既知のPECVDプロセスは、微結晶i−層堆積時の堆積パラメータ(たとえば、シラン濃度プロファイルおよび/または電力プロファイルなど)を段階的または連続的に調整している。
通常、選択された、装置のi−μc−Si:H層の結晶度は、高Jscを達成するための高結晶度と高Vocを達成するための中結晶度との妥協から生まれる。最先端のPECVD堆積ツールおよび堆積プロセスは、μc−Si:H i−層を製造するために、高結晶度(高Jsc)および低欠陥密度(高Voc)を有する理想的なμc−Si:H材料を考慮していない。しかしながら、欠陥−パシベーション層を設けることによって、典型的な標準PECVD堆積パラメータで高結晶度(高Jsc)および良好なVocを達成することが可能である。
図4Bに示すように、本発明は、太陽電池60の微結晶i−層45(「Micromorph」タンデム型太陽電池中のボトムセル)の中にまたはそれに隣接して欠陥−パシベーション層55を導入するステップを含む。この追加パシベーション層55は、a−Si:H i−層を含む。i−層は、上から入射する光に対して光学的に透明である(すなわち、光線は、トップセル、およびpからiまでのμc−Si:H副セルを一度通過した後その上に到達する)。i−μc−Si:H層の上に堆積させたこの追加a−Si:H i−層は、「Micromorph」装置の全体的な電気性能(測定されたVoc、FFおよびJscが外部量子効率EQEである)を向上させる。
以下の例示的な実施例において、トップ級の「Micromorph」太陽電池を成長させた粗いTCO(LPCVD−ZnO)として作製した。比較のための参照装置50は、トップp−i−n a−Si:Hセル51とボトムμc−Si:Hセル43とを有する。トップp−i−n a−Si:Hセル51は、厚さ250nmのi−層53を有する。ボトムμc−Si:Hセル43は、「中」結晶度(780nmのレーザーを用いて測定したバルクラマン結晶度:50〜55%)および2000nmの厚さを有する光活性のi−層45を有する。本発明の不活化された装置60において、トップセルのi−層とボトムセルのi−層とは同じ厚さを有する。ただし、μc−Si:H i−層45を堆積させた後、本発明にしたがった異なる厚さを有する完全非晶質i−層55(パシベーション層)の堆積を行った。不活化された装置60は、改善された電気性能(図1参照)を示している。これは、基礎となる微結晶シリコン層の欠陥の一部の有害な影響がこのように軽減されたためである。特に、ダングリングボンドのような再結合中心がa−Si:Hにより効率的に不活化されることができ、例示的な実施例で観察されたように、それに応じて低減された光キャリアの再結合が、Voc、FFと合計(トップ副セルとボトム副セルとの和)Jsc(EQEによって測定される)を増加させる。
本発明に係るパシベーション層は、以下のように作製することができる。当該技術分野で公知のPECVDプロセスチャンバ(たとえば、Oerlikon Solar社から市販されているKAI−M)において、以下のプロセスパラメータが使用された。基板サイズが約500×400mm2であった。圧力が0.1〜2mbar、好ましくは0.2〜0.5mbar、電力が5〜500W(基板サイズ1cm2当たり2.5mW〜250mW)、好ましくは30〜100W(基板サイズ1cm2当たり15mW〜50mW)、および水素とシランとの比率が1:1である条件下で、高品質のa−Si:Hパシベーション層が得られる。プロセス温度として100℃〜250℃、好ましくは約200℃を選択した。50〜2000sccm、好ましくは50〜500sccmのガス流速を使用した。また、このガス流速は、使用されるプロセスツールおよび基板サイズにも依存する。
太陽電池60は、基板31、透明導電性酸化物の前面電極または第1電極42、および微結晶シリコンを含有する少なくとも1つのp−i−n接合43を含む。該p−i−n接合43は、シリコンおよびnドーパントを含有する第1副層44、シリコンおよびpドーパントを含有する第2副層46、および本質的に真性の微結晶シリコンを含有する第3副層45を含む。本質的に真性の非晶質シリコンを含有する少なくとも1つのパシベーション層45は、a)本質的に真性の微結晶副層45とnドープシリコン副層46との間にまたはb)埋め込み層として本質的に真性の微結晶副層45にまたはc)両方に配置される。
Claims (7)
- 太陽電池であって、
基板と、
透明導電性酸化物の前面電極または第1電極と、
微結晶シリコンを含有する少なくとも1つのp−i−n接合とを含み、
前記p−i−n接合は、第1のnドープシリコン副層、第2のpドープシリコン副層、および前記第1副層と前記第2副層との間に配置された第3の本質的に真性の微結晶シリコン副層を含み、
本質的に真性の非晶質シリコンを含有する少なくとも1つのパシベーション層が、a)本質的に真性の微結晶シリコン副層とnドープシリコン副層との間にまたはb)埋め込み層として本質的に真性の微結晶シリコン副層にまたはc)両方に配置される、太陽電池。 - 前記パシベーション層は、5nm〜200nm、好ましくは10〜50nmの厚さを有する、請求項1に記載の太陽電池。
- 前記パシベーション層は、本質的に真性のシリコンまたはa−SiC:H、a−Si:O:H、a−SiN:Hまたは類似のシリコン化合物/合金を含有する、請求項1〜2に記載の太陽電池。
- 光起電薄膜シリコン太陽電池を製造する方法であって、
透明基板の上に透明導電前面電極を設けるステップと、
pドープSi層を堆積させるステップと、
真性の微結晶シリコン層を堆積させるステップと、
本質的に真性の非晶質シリコンを含有するパシベーション層を堆積させるステップと、
nドープSi層および裏面電極層を堆積させるステップとを含む、薄膜シリコン太陽電池の製造方法。 - パシベーション層を堆積させるステップは、
基板が配置されたPECVDプロセスチャンバの中にシランと水素との混合ガスを導入するステップと、
基板を100℃〜250℃の温度、好ましくは160℃で保持するステップと、
5nm〜100nm、好ましくは20〜40nmの厚さを有する本質的に真性の非晶質シリコン含有層を堆積させるステップとを含む、請求項4に記載の方法。 - パシベーション層を堆積させるステップは、
0.1〜2mbar、好ましくは0.2〜0.5mbarのプロセス圧力と、
40MHz以上で、1平方センチ基板サイズ当たり2.5mW〜250mW、好ましくは1平方センチ基板サイズ当たり15mW〜50mWのRFパワーと、
1:1の水素とシランとの比とを確立させるステップを含む、請求項4〜5に記載の方法。 - パシベーション層を堆積させるステップは、
1〜5mbarのプロセス圧力と、
40MHz以上で、1平方センチ基板サイズ当たり50mW〜300mWのRFパワーと、
10:1〜200:1の水素とシランとの比とを確立させるステップを含む、請求項4〜5に記載の方法。
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