JP3690772B2 - Photovoltaic element forming apparatus and forming method - Google Patents

Photovoltaic element forming apparatus and forming method Download PDF

Info

Publication number
JP3690772B2
JP3690772B2 JP30677397A JP30677397A JP3690772B2 JP 3690772 B2 JP3690772 B2 JP 3690772B2 JP 30677397 A JP30677397 A JP 30677397A JP 30677397 A JP30677397 A JP 30677397A JP 3690772 B2 JP3690772 B2 JP 3690772B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrodes
discharge
semiconductor layer
cathode electrode
discharge space
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP30677397A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH11145492A (en
Inventor
正太郎 岡部
勇蔵 幸田
直 芳里
明 酒井
孝博 矢島
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.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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 Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP30677397A priority Critical patent/JP3690772B2/en
Publication of JPH11145492A publication Critical patent/JPH11145492A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3690772B2 publication Critical patent/JP3690772B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related 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

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光起電力素子の形成装置及び形成方法に係る。より詳細には、i型半導体層を膜厚方向に組成比を制御して形成することにより、大面積にわたって、高い光電変換効率と高品質で優れた均一性とを兼ね備えた光起電力素子の形成が可能な装置及び方法に関する。特に、アモルファスシリコンやアモルファスシリコン合金を用いた太陽電池等の光起電力素子を大量生産するロール・ツー・ロール方方式による光起電力素子の形成装置及び形成方法として好適に用いられる。
【0002】
【従来の技術】
太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換素子である光起電力素子は、電卓、腕時計など民生用の小電力用電源として広く応用されており、また、将来、石油、石炭などのいわゆる化石燃料の代替用電力として実用化可能な技術として注目されている。光起電力素子は半導体のpn接合で生じる光起電力を利用した技術であり、シリコンなどの半導体が太陽光を吸収して電子と正孔の光キャリアが生成し、該光キャリアをpn接合部の内部電界に依りドリフトさせ、外部に取り出すものである。
【0003】
このような光起電力素子の半導体を構成する材料としては、例えば単結晶シリコン、多結晶質シリコン、非結晶シリコンが挙げられる。
【0004】
光エネルギーを起電力に変換する効率の点からは単結晶シリコンを用いるのが望ましいが、単結晶等の結晶質シリコンは間接光学端を有しているため、光吸収が小さく、単結晶シリコンの太陽電池は入射光を吸収するために少なくとも50μmの厚さが必要となる。また単結晶シリコンのバンドギャップは約1.1eVであり、太陽電池として好適な1.5eVよりも狭いため短波長成分を有効に利用できないといった欠点もある。
【0005】
一方、単結晶シリコンの代わりに多結晶質シリコンを用いた場合には、生産コストを下げることが可能となる。しかし、間接光学端の問題は解決できず、太陽電池の厚さを減らすことはできない。さらに多結晶シリコンは粒界その他の問題を合わせ持っており解決されるべき課題が多い。
【0006】
これらに対して、大面積化及び低コスト化の点から化学気相成長法(CVD)により形成した非結晶シリコンが有望視されている。しかし、この非結晶シリコン太陽電池は民生用小電力電源として広く普及してきたものの、未だ電力用素子としては高効率化、安定化の面で課題が残されている。
【0007】
このような非結晶シリコンの課題を解決する方法として、以下に示すような報告がある。
【0008】
米国特許2,949,498号明細書には、多重電池を用いて光電池の効率向上を図ることが記載されている。この多重電池にはpn接合結晶半導体が用いられたが、その思想は非晶質あるいは結晶質いずれも共通するものであり、太陽光スペクトルを、異なるバンドギャップの光起電力素子により効率よく吸収させ、Vocを増大させることにより発電効率を向上させるものである。
【0009】
上記多重電池の改良型として、米国特許第4,377,723号明細書には、pin接合を持つ非晶質シリコンおよび非晶質シリコンゲルマニウムを光起電力素子として3つの素子を積層し、素子全体のVocを増加させるいわゆるa−SiH/a−SiGe:H/a−SiGe:Hのトリプルセル型太陽電池が報告されている。この太陽電池は、第2の光起電力素子層に非晶質シリコンゲルマニウムを用いたことにより、第2の光起電力素子のi層の膜厚を減少させることができ、光生成キャリアの吹き払い効果により太陽電池於特性が向上する。
【0010】
しかしながら、非晶質シリコンゲルマニウムを光起電力素子の半導体を構成する材料とした場合には、以下のような問題点が指摘されている。
【0011】
第一には、非晶質シリコンに対してゲルマニウムは特性をおとす不純物として働き、シリコン、ゲルマニウム、水素からなる太陽電池はその光起電力特性が低下する。
【0012】
第二には、前述した非晶質シリコンゲルマニウム合金(以下非晶質SiGe合金と略す)の光起電力特性を向上させるためには、水素による非晶質SiGe合金のゲルマニウム導入により生じた欠陥状態の補償のみならず、エネルギーギャップ中の電子状態の大幅な改善が必要である。
【0013】
この対策として、特公昭63−48197号公報等には、高品質な非晶質SiGe合金の作製のために、活性化されたフッ素原子を用いて非晶質SiGe合金中のダングリングボンドの補償を行い実質的に局在化された欠陥密度を低減した非晶質SiGe合金が開示されている。
【0014】
一方、上述した膜質の本質的な向上以外の方法としては、非晶質SiGeを含む太陽電池の特性向上が検討されている。
【0015】
その一例としては、米国特許第4,254,429号明細書に開示されている、p型半導体および/またはn型半導体層とi型半導体層との接合界面においてバンド幅の傾斜を設けるいわゆるバッファ層を用いる方法が挙げられる。
【0016】
他の方法としては、シリコンとゲルマニウムの組成比を変化させることによりイントリンジック層中に組成の分布を設け特性を向上させるいわゆる傾斜層を設ける方法が開示されている。例えば、米国特許第4,816,082号明細書には、光入射側の第一の価電子制御された半導体層に接する部分のi層のバンドギャップを広くし、中央部に向かうに従って徐々にバンドギャップを狭くし、更に第2の価電子制御された半導体層に向かうに従って徐々にバンドギャップを広くしていく方法が開示されている。この方法によれば、光により生成したキャリアは内部電界の働きにより、効率よく分離でき膜特性が向上するとされている。
【0017】
基板上に光起電力素子等に用いる半導体機能性堆積膜を連続的に形成する方法としては、各種半導体層を形成するための独立した成膜室を設け、これらの各成膜室はゲートバルブを介したロードロック方式にて連結され、基板を各成膜室へ順次移動して各種半導体層を形成する方法が知られている。
【0018】
特に、量産性を著しく向上させる方法としては、米国特許4,400,409号明細書には、ロール・ツー・ロール(Roll to Roll)方式を採用した連続プラズマCVD法が開示されている。この方法によれば、長尺の帯状部材を基板として、複数のグロー放電領域において必要とされる導電型の半導体層を堆積形成しつつ、基板をその長手方向に連続的に搬送することによって、半導体接合を有する素子を連続形成できることが記載されている。
【0019】
この方法によれば、数百メートルにもおよぶ帯状基板上に半導体層を形成するには数時間におよぶ成膜時間を要し、均一で再現性が良い放電状態を維持制御し半導体層を形成する必要がある。従って、長尺の帯状部基板の始端から終端までの全体にわたって、さらに高品位で均一な半導体堆積膜を連続的にかつ収率良く形成する手法の開発が必要である。
【0020】
光起電力素子のi型半導体層として、例えばアモルファスシリコンゲルマニウムのグレーデッドバンドギャップ薄膜半導体層を用いる場合、シラン(SiH4)、ゲルマン(GeH4)等の原料ガスを混合してグロー放電分解することにより所望の導電型を有する半導体膜が得られる。しかしながら、高品位で所望のバンドギャップを有するアモルファスシリコンゲルマニウム薄膜を形成するためには、本質的に膜形成条件依存性が非常に大きく、膜形成条件の少しのふれ(ずれ)に対して非常に敏感であることから、何らかの原因で形成最適条件からはずれると、たちまちフィルファクターなどの光起電力素子の性能が低下してしまうという傾向がある。
【0021】
また、従来の典型的な放電容器内構造では、基板を含む接地されたアノード電極全体の面積は、カソード電極の面積に比べて非常に大きくなっている場合が多く、そのようなカソード電極では、投入される高周波電力のほとんどはカソード電極近傍で消費されてしまう結果、カソード電極近傍というある限られた部分のみにおいて材料ガスの励起、分解反応が活発となり、薄膜形成レートは高周波電力投入側すなわちカソード電極近傍でのみ大きくなってしまい、たとえ高周波電力を大きく投入していったとしても、アノード電極である基板側への高周波電力は十分に大きく投入されることはなく、所望のとおりの高い堆積速度でもって半導体薄膜を形成することが困難であり、ましてや良質な半導体薄膜を得ることは誠に困難なことであった。
【0022】
さらに、従来の典型的な放電容器内構造、すなわち基板を含む接地されたアノード電極全体の面積がカソード電極の面積に比べて非常に大きな構造の放電容器では、直流(DC)電源等を用いてカソード電極へ正の電位(バイアス)を印加する手法も行われてはいる。しかしながら、このような系では直流電源という2次的な手段を用いている結果、プラズマ放電に直流電流が流れてしまう系であるが故に、直流電圧バイアスを大きくしていくとスパーク等の異常放電が起こってしまい、これを抑制し安定な放電を維持することが非常に困難であった。したがって、プラズマ放電に直流電圧を印加することの効果が有効かどうか不鮮明であった。これは直流電圧と直流電流とを分離できていない系であることに起因する。すなわち、プラズマ放電に対して効果的に直流電圧だけを印加する手段が望まれていた。
【0023】
また、光起電力素子のi型半導体層は、素子特性の観点からその層厚が高々数百から千数百Åと非常に薄く設定される場合が多く、とりわけ積層型光起電力素子の形成時には、その層厚の均一性、膜の密着性、組成、特性の均一性、再現性が素子の特性に影響するだけでなく、素子の歩留にも大きく影響するものである。
【0024】
したがって、空間的にも時間的にも均一でかつ再現性よく非単結晶薄膜を形成するためには、長時間にわたるなお一層の放電安定性と、再現性及び均一性を向上させた形成方法および形成装置が求められている。また、装置のスループットを向上させ、コストダウンを図るためには、半導体薄膜の品質を維持したまま、大きな堆積速度が実現できる形成方法および形成装置の開発が望まれている。さらに、i型半導体層の基本特性では、電気的、光学的に光起電力素子の特性を大きく左右し、特に積層型光起電力素子においては、光学的禁制帯幅やフェルミ準位の精密な制御が必要とされるため、高品位なi型半導体層を再現性よく均一にかつ連続的に形成し得るための方法および装置が要求されている。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、連続して移動する帯状部材上に、大面積にわたって、光電変換効率が高く、高品質で優れた均一性を有し、再現性に優れ、かつ、欠陥の発生が少ない、光起電力素子を大量に作製することが可能な形成方法及び形成装置を提供することを目的とする。
【0026】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術における上述の諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、完成に至ったものである。
【0027】
本発明の光起電力素子の形成装置は、連続的に移動する導電性の帯状部材上に、非単結晶からなる第1の導電型半導体層、i型半導体層、及び第2の導電型半導体層を順次積層した構造体を1組以上有する光起電力素子の形成装置において、
前記i型半導体層の形成に用いる放電容器は、放電空間に設置された高周波電力印加電極(以下カソード電極と呼ぶ)の放電空間における表面積が、前記帯状部材の表面積を含むアノード電極全体の放電空間における表面積よりも大きく、グロー放電生起時におけるカソード電極の電位(以下自己バイアスと呼ぶ)が前記帯状部材を含む接地されたアノード電極に対して+30V以上の正電位を維持することができ、なおかつ、フィン状の形状をした前記カソード電極の一部(以下しきり状電極と呼ぶ)は前記帯状部材の搬送方向に垂直に複数設置され、前記しきり状電極各々の間隔は隣り合う前記しきり状電極の間における放電が生起維持するに充分な間隔を有するカソード構造と、前記i型半導体層の形成に用いる材料ガスを隣り合うしきり状電極の間のカソード電極表面からしきり状電極によって仕切られた放電空間それぞれへ導入するとともに、前記しきり状電極に沿って帯状部材の移動方向とは直交する方向(帯状部材の幅方向)に流し、前記カソード電極に高周波電力を印加して前記材料ガスをプラズマ放電によって分解する機構と、を備えたことを特徴としている。
【0028】
また本発明の光起電力素子の形成装置は、前記しきり状電極間の放電空間に複数種の材料ガスを導入する際、前記複数種の材料ガスをそれぞれ独立して前記放電空間に導くガス供給手段を備えたことを特徴としている。
【0029】
上述した構成からなる本発明の光起電力素子の形成装置は、次に示すような作用を有する。
【0030】
(1)i型半導体層の形成に用いる放電容器が、放電空間に設置された高周波電力印加電極(以下カソード電極と呼ぶ)の放電空間における表面積が、前記帯状部材の表面積を含むアノード電極全体の放電空間における表面積よりも大きく、グロー放電生起時におけるカソード電極の電位(以下自己バイアスと呼ぶ)が前記帯状部材を含む接地されたアノード電極に対して+30V以上の正電位を維持することができ、なおかつ、フィン状の形状をした前記カソード電極の一部(以下しきり状電極と呼ぶ)は前記帯状部材の搬送方向に垂直に複数設置され、前記しきり状電極各々の間隔は隣り合う前記しきり状電極の間における放電が生起維持するに充分な間隔を有するカソード構造を備えたことよって、従来の装置において欠点であるところのカソード電極近傍というある限られた部分のみにおいて材料ガスの励起、分解反応が促進されることなく、放電空間全体、どちらかといえば帯状部材を含むアノード電極側において上述の材料ガスの励起、分解反応を促進し、比較的高い堆積速度をもってして、該帯状部材上へ効率よく薄膜を堆積させることができる。すなわち、カソードへ投入される高周波電力量をうまく調整し、投入される高周波電力をより有効に利用して放電空間内に導入される材料ガスを効率的に励起、分解し、しかも高品位な非単結晶半導体薄膜を該帯状部材上へ均一で再現性よく比較的高い堆積速度でもって形成することが可能となる。
【0031】
(2)前記i型半導体層の形成に用いる材料ガスを隣り合うしきり状電極の間からしきり状電極間の放電空間内へ導入するとともに、前記しきり状電極に沿って帯状部材の移動方向とは直行する方向(帯状部材の幅方向)に流し、前記カソード電極に高周波電力を印加して前記材料ガスをプラズマ放電によって分解する機構を備えたことによって、帯状部材の搬送方向に沿って複数個の隣接したプラズマ空間を設けることができる。その結果、従来の技術において欠点であるところのロール・ツー・ロール方式におけるi型グレーデッドバンドギャップ半導体層形成に必要な長大な成膜空間(すなわちチャンバー長さ)を大幅に短縮することができる形成装置が得られる。
【0032】
(3)前記しきり状電極間の放電空間に複数種の材料ガスを導入する際、前記複数種の材料ガスをそれぞれ独立して前記放電空間に導くガス供給手段を備えたことによって、帯状部材の搬送方向に沿って任意の組成比からなるガスを自由に導入することができる。その結果、帯状部材上に膜厚方向に精密に組成制御された堆積膜の形成が可能となる。
【0033】
すなわち、本発明の装置を用いることにより、膜厚方向に精密に組成制御された、例えばシリコンゲルマニウムグレーデッドバンドギャップ半導体膜を、従来よりもコンパクトな装置で、かつ、材料ガスの消費量を削減して形成することができる。ここで、コンパクトな装置とは、チャンバー数の削減された装置あるいはチャンバーの長さが短縮された装置を指す。
【0034】
本発明の光起電力素子の形成方法は、連続的に移動する導電性の帯状部材上に、非単結晶からなる第1の導電型半導体層、i型半導体層、及び第2の導電型半導体層を順次積層した構造体を1組以上有する光起電力素子の形成方法において、
前記i型半導体層の形成に用いる放電容器として、放電空間に設置された高周波電力印加電極(以下カソード電極と呼ぶ)の放電空間における表面積が、前記帯状部材の表面積を含むアノード電極全体の放電空間における表面積よりも大きな構造を有し、グロー放電生起時におけるカソード電極の電位(以下自己バイアスと呼ぶ)が前記帯状部材を含む接地されたアノード電極に対して+30V以上の正電位を維持することができ、なおかつ、フィン状の形状をした前記カソード電極の一部(以下しきり状電極と呼ぶ)は前記帯状部材の搬送方向に垂直に複数設置され、前記しきり状電極各々の間隔は隣り合う前記しきり状電極の間における放電が生起維持するに充分な間隔を有するカソード構造を有する放電容器を備えた光起電力素子の形成装置を用い、前記i型半導体層の形成に用いる材料ガスを隣り合うしきり状電極の間のカソード電極表面からしきり状電極によって仕切られた放電空間それぞれへ導入するとともに、前記しきり状電極に沿って帯状部材の移動方向とは直交する方向(帯状部材の幅方向)に流しながら、前記カソード電極に高周波電力を印加して前記材料ガスをプラズマ放電によって分解することによって前記i型半導体層を形成することを特徴としている。
【0035】
また本発明の光起電力素子の形成方法は、前記しきり状電極間の放電空間に導入する材料ガスを複数種設け、それぞれ独立して前記放電空間に導くことで、帯状部材の移動方向に沿って導入される材料ガスの組成比(混合比)を変えて前記i型半導体層を形成することを特徴としている。
【0036】
上述した構成からなる本発明の光起電力素子の形成方法は、次のような作用を有する。
【0037】
(1)前述した構成からなる装置を用いることによって、数百メートルにもおよぶ帯状部材に半導体層を形成するといった長時間におよぶ成膜時間全体にわたって、均一で再現性が良い放電状態を維持制御し、組成制御された半導体層を形成することが可能となる。
【0038】
(2)上記(1)により、長尺の帯状部材の始端から終端までの全体にわたって、高品位で均一な半導体堆積膜を連続的かつ収率良く形成可能となる。
【0039】
【発明の実施の形態】
本発明に係る光起電力素子の形成装置及び形成方法では、以下に示す構成が好ましい形態である。
【0040】
本発明の装置において、カソード電極の材料としては、ステンレスおよびその合金、アルミニウムおよびその合金等が考えられるが、その他に、導電性性質を持った材質であれば特にこれらに限った材料である必要はない。アノード電極材料に関しても同様である。
【0041】
本発明の光起電力素子を連続的に作製する装置は、帯状部材を長手方向に連続的に移動させながら光起電力素子の成膜空間を順次通過させ、光起電力素子を連続的に作製する装置、あるいは複数の光起電力素子の成膜空間を順次通過させ、積層型光起電力素子を連続的に作製する装置である。また、本発明の装置は、グロー放電空間内に設置されたカソード電極の電位(自己バイアス)が、前記帯状部材を含む接地(アノード)電極に対して正電位を維持し得る構造を有し、なおかつ、フィン状もしくはブロック状の形状をした前記しきり状電極は前記帯状部材の搬送方向に平行もしくは垂直に複数設置され、前記しきり状電極各々の間隔は隣り合う前記しきり状電極の間における放電が生起維持するに充分な間隔を有するカソード構造をもつ装置である。
【0042】
本発明は、グロー放電空間に設置された高周波電力印加カソード電極の放電に接する空間における表面積が、帯状部材を含む接地された電極全体(アノード電極)の放電空間における表面積よりも大きくすることを特徴とし、さらにグロー放電を生起し半導体薄膜形成時のカソード電極の電位(自己バイアス)を、投入する高周波電力を調整することを併用することによって、+30Vに維持した状態にて、i型半導体薄膜を堆積することを特徴とする。
【0043】
また、本発明では、前記しきり状電極を前記帯状部材の搬送方向に複数設置し、前記しきり状電極各々の間隔は隣り合う前記しきり状電極の間における放電が生起維持するに充分な間隔を有することにより、カソード電極には比較的大きな正電位をセルフバイアスにて生起維持することが可能である。この構成は、別途設けた直流(DC)電源等を用いたバイアス印加方法等とは異なり、スパーク等による異常放電の発生を抑制することができるので、放電を安定して生起維持することが可能となり、なおかつ、正の自己バイアスが生起されたカソード電極の一部、すなわちしきり状電極の先端部が前記帯状部材に対して比較的接近していることから、生起された比較的大きな正電位を前記帯状部材の堆積膜に対して、放電空間を介して効率よく安定してバイアス印加することが可能となる。この構成は、従来の典型的な装置におけるカソード電極構造、すなわちカソード電極面積がアノード(接地)電極面積に対して小さい平行平板型のカソード電極構造において、例えば単にカソード/基板間距離を短くする方法や直流電源を併用して直流電圧をカソードへ印加する方法等とは明らかに異なるセルフバイアス電位であり、直流バイアス印加効果である。
【0044】
本発明は、i型非単結晶半導体を上述した構成の装置にて形成することを特徴とし、カソード電極が正電位に維持されることにより、帯状部材状の堆積膜に対して正電荷をもつイオンを照射する方向にバイアス印加されるため、プラズマ放電内に存在するイオンが帯状部材の方向へより効率よく印加されいわゆるイオンボンバートメントによって堆積膜表面に効果的にエネルギーを与えることができる。その結果、比較的高い堆積速度においても膜の構造緩和が促進され、膜の良質化、緻密化が向上し、高品位な半導体薄膜を比較的容易に得ることができる。i型非単結晶半導体薄膜の形成に際しては、上述したカソード電極電位の値は形成する薄膜の特性を大きく左右し、良質なi型半導体層を比較的高い堆積速度にて均一性よくかつ再現性よく実現するために、上述した通りカソード電極の電位を+30V以上、望ましくは+100V以上、さらに望ましくは+150V以上に維持した状態で薄膜を堆積する。
【0045】
また、本発明では、放電空間に導入する材料ガスの流れる方向を、帯状部材の搬送方向とは直角の方向、すなわち帯状部材の幅方向へ流すことを特徴とし、さらに、放電空間に導入する材料ガスは、帯状部材の搬送方向に平行に複数個配列した前記しきり状電極の間を帯状部材の搬送方向に直角に流れる。しきり状電極の間に導入する材料ガスの組成を帯状部材の搬送方向で変化させることで、帯状部材状に膜厚方向に精密に組成制御された堆積膜を形成することができる。
【0046】
以下では、本発明に係る光起電力素子の形成装置について述べる。
【0047】
図1は、本発明の形成装置を構成する放電容器内の構造を示した模式的な断面図である。図2は、図1に示したカソード電極の一例を示す模式的な鳥瞰図である。図1において、1000は導電性帯状部材、1001は真空容器、1002はカソード電極、1003はしきり状電極、1004は接地(アノード)電極、1005はランプヒーター、1006は排気口、1007はガス導入管、1008はガスゲート、1009は絶縁ガイシ、1010は放電空間である。
【0048】
図1のカソード電極1002は、図2に示したカソード電極例と同様の構造を有しており、接地(アノード)電極1004上に絶縁ガイシ1009によって電気的に絶縁された状態で設置されている。導電性帯状部材1000は、カソード電極1002の上方空間を、不図示の複数のマグネットローラで支えられながら、下に位置するカソード電極および上に位置するランプヒーター1005に物理的に接することなく矢印で示される方向へ移動する。材料ガスはガス導入管1007から導入され、帯状部材とカソード電極との間を帯状部材の搬送方向と直角な方向に通り排気口1006から不図示の真空ポンプによって排気される。カソード電極およびアノード電極材料としては、SUS316を用いた。カソード電極に不図示の高周波電極から高周波を印加し、生起されるグロー放電の放電領域は、カソード電極の一部であるところの複数接地されたしきり状電極1003同士の隙間および帯状部材とカソード電極との間の空間であり、上部の導電性帯状部材1000で閉じこめられた領域となる。
【0049】
このような構造の放電容器を用いた場合、カソード電極の面積の帯状部材を含む接地されたアノード電極の面積に対する比率は、明らかに1よりも大きなものとなる。さらに帯状部材1000とカソード電極の一部であるフィン状もしくはブロック状の形状をしたしきり状電極1003との最近接距離(図1におけるl1)が5cm以下の範囲内とするのが効果的である。さらに、複数設置されたしきり状電極1003同士の間隔は放電が生起維持するに充分な間隔を有し、その適度な間隔(図2におけるl2)が、3cm以上10cm以下の範囲内とするのが効果的である。
【0050】
図10は、従来のカソード電極を有する放電容器の一例を示す模式的な断面図である。図10から明らかなように、放電空間に接するカソード電極2002の表面積は、同じく放電空間に接する導電性帯状部材2000を含む接地されたアノード電極2004全体の表面積に比べて小さな構造となっている。すなわち、カソード電極の面積の帯状部材を含む接地されたアノード電極の面積に対する比率は、明らかに1よりも小さなものとなる。
【0051】
図3〜図7は、図1のカソード電極において材料ガスの導入口及び排気口を設ける位置と材料ガスの流れとを示した、帯状部材の側からみたカソード電極の模式的な平面図である。図中に示した矢印は、材料ガスの流れる方向を示す。
【0052】
導電性帯状部材1000上に形成する堆積膜において、膜厚方向に精密な組成制御を行うために、材料ガスは隣接するしきり状電極1003間の放電空間にそれぞれ導入し、しきり電極1003の間を帯状部材1000の移動方向に直角(帯状部材1000の幅方向)に流す。また、供給される材料ガスの組成比(混合比)は、帯状部材1000の移動方向に沿って調整する。
【0053】
材料ガスの供給位置すなわちガス導入管1007を設ける位置は、帯状部材に対向するカソード電極上からでも(図3)、隣接するしきり状電極間を繋ぐ板からでもかまわない(図4)。排気口の位置も帯状部材に対向するカソード電極上に設けても(図3)、隣接するしきり状電極間を繋ぐ板に設けてもかまわない(図4)。材料ガスの放電空間での流れがしきり状電極に沿って帯状部材の移動方法に直角(帯状部材の幅方向)に流れれば、材料ガスの導入位置、排気口位置に制約は無い。
【0054】
図5〜図7は、帯状部材の幅が広い場合に、帯状部材の幅方向での堆積膜の諸特性の均一性を考慮して考案した材料ガスの導入口と排気口を設ける位置を示した、帯状部材の側からみたカソード電極の模式的な断面図である。図中に示した矢印は、材料ガスの流れる方向を示す。材料ガスの導入位置と排気口のあいだの距離が広がりすぎないように、材料ガスの導入位置または排気口を帯状部材の搬送方向に副数個配置したり(図5)、隣り合う放電空間で交互にまたはずらして配置したり(図6)、あるいは、材料ガスの流れを隣り合う放電空間で交互にする(図7)ことで、放電空間内の帯状部材幅方向のプラズマの均一性を上げ、帯状部材上に形成される堆積膜の組成を幅方向で均一にする。
【0055】
図8及び図9は、放電空間に導入する材料ガス流量の制御方法を示した概念的模式図である。
【0056】
図8は、膜厚方向に均一な組成の堆積膜を形成するための材料ガスの導入方法および制御方法を示した図である。ガスボンベ1012から供給される材料ガスをマスフローコントローラー1011により流量制御するとともに、必要なガスを混合したうえで配管によりしきり状カソード電極近傍に設けたガス導入管1007から放電空間に導入する。その際、導入箇所数に応じて配管を等コンダクタンスに分岐することで材料ガスを等分配してフィン状電極の間から放電空間に導入する。
【0057】
図9は、膜厚方向に組成勾配を持った堆積膜を形成するための材料ガスの導入方法及び制御方法を示した図である。すなわち、組成勾配を作る為に、放電空間に導入する複数の材料ガスの混合比(もしくは流量比)を帯状部材の移動方向で変化させる。ガスボンベ1012から供給される材料ガスをガス種ごとにマスフローコントローラー1011を通して流量制御したうえで配管によりしきり状カソード電極近傍まで導く。前記配管は帯状部材の搬送方向に並行に配置し、小孔を介してガス混合部1013に導かれ、同様にして導かれた、他のガスと混合される。それぞれのガス混合部に導かれる材料ガスは、マスフローコントローラー1011を通して配管によりガス混合部に導く流量に応じて分岐(分岐先配管のコンダクタンスを設計する)、分配される。混合されたガスはガス混合空間に設けられた別の小孔からしきり状カソード電極間に設けたガス導入管1007から放電空間に導入される。
【0058】
しきり状電極と帯状部材との間の隙間(図1におけるl1)は、隣接する放電空間間のガスの相互拡散を促し、堆積膜の膜厚方向のなめらかな組成勾配の形成に重要である。l1が広い場合には相互拡散が促進される反面、隣接する放電間の独立性は希薄になる。
【0059】
【実施例】
以下では、本発明に係る光起電力素子の形成方法について具体的な実施例を示して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【0060】
(実施例1)
本例では、図1の放電容器を、図11に示すロール・ツー・ロール(Roll to Roll)方式の連続プラズマCVD装置におけるi型層形成容器として用い、シングルセル型光起電力素子を作製した。その際、図1の放電容器におけるカソード構造は、次のような寸法および配置とした。
【0061】
▲1▼帯状部材とカソード電極の一部であるしきり状電極との最近接距離(図1におけるl1)は0.5cmとした。
▲2▼しきり状電極は18枚設置し、しきり状電極同士の間隔(図1おけるl2)は5cm(すなわちカソード電極長105cm)とした。
▲3▼しきり状電極の帯状部材の幅方向の長さは50cmとした。
▲4▼導電性帯状部材を含む接地されたアノード面積全体に対するカソード面積の比率は3.0倍とした。
▲5▼材料ガスはしきり状電極間に均等に分配して供給した。その際、ガス導入口と排気口の配置は図6のパターンとした。
【0062】
図11に示したシングル型光起電力素子の製造装置(図11)は、帯状部材101の送り出し及び巻き取り用の真空容器301及び302、第1の導電型層作製用真空容器601、i型層作製用真空容器100、第2の導電型層作製用真空容器602をガスゲートを介して接続した装置から構成した。すなわち、i型層作製用真空容器100が、上述した構成のカソード電極をもつi型層形成容器である。
【0063】
以下では、図11の製造装置を用いて、図12に示したシングル型光起電力素子の作製方法について述べる。図12において、4001はSUS基板、4002はAg薄膜、4003はZnO薄膜、4004は第1の導電型層、4005はi型層、4006は第2の導電型層、4007はITO、4008は集電電極である。
【0064】
各層は以下に示す手順によって連続的に作製し、シングル型光起電力素子(素子−実1)を形成した。表1には、各層の作製条件を示した。
【0065】
(1)基板送り出し機構を有する真空容器301に、十分に脱脂、洗浄を行い、下部電極として、スパッタリング法により、銀薄膜を100nm、ZnO薄膜を1μm蒸着してあるSUS430BA製帯状部材101(幅400mm×長さ200m×厚さ0.13mm)の巻きつけられたボビン303をセットし、該帯状部材101をガスゲート、各非単結晶層作製用真空容器を介して、帯状部材巻き取り機構を有する真空容器302まで通し、たるみのない程度に張力調整を行った。
【0066】
(2)各真空容器301、601、100、602、302を不図示の真空ポンプで1×10-4Torr以下まで真空引きした。
【0067】
(3)ガスゲートにゲートガス導入管131n、131、132、131pよりゲートガスとしてH2を各々700sccm流し、ランプヒータ124n、124、124pにより、帯状部材101を、各々350℃、350℃、250℃に加熱した。そして、ガス導入管605より、SiH4ガスを40sccm、PH3ガス(2%H2希釈品)を50sccm、H2ガスを200sccm、ガス導入管104a、104b、104cより、SiH4ガスを各100sccm、H2ガスを各500sccm、ガス導入管606より、SiH4ガスを10sccm、BF3ガス(2%H2希釈品)を100sccm、H2ガスを500sccm導入した。
【0068】
(4)真空容器301内の圧力が、圧力計314で1.0Torrになるようにコンダクタンスバルブ307で調整した。真空容器601内の圧力が、不図示の圧力計で1.5Torrになるように不図示のコンダクタンスバルブで調整した。真空容器100内の圧力が、不図示の圧力計で1.8Torrになるように不図示のコンダクタンスバルブで調整した。真空容器602内の圧力が、不図示の圧力計で1.6Torrになるように不図示のコンダクタンスバルブで調整した。真空容器302内の圧力が、圧力計315で1.0Torrになるようにコンダクタンスバルブ308で調整した。
【0069】
(5)カソード電極603にはRF電力を500W導入し、カソード電極107にはRF電力を200W導入し、カソード電極604にはRF電力を600W導入した。
【0070】
(6)帯状部材101を図11に矢印で示した方向に搬送させ、帯状部材上に第1の導電型層、i型層、第2の導電型層を作製した。
【0071】
(7)第2の導電型層上に、透明電極としてITO(In23+SnO2)を真空蒸着にて80nm蒸着し、さらに集電電極としてAlを真空蒸着にて2μm蒸着した。
【0072】
上記工程(1)〜(7)によって、本例の光起電力素子(素子−実1)を作製した。
【0073】
【表1】

Figure 0003690772
【0074】
(比較例1)
本例では、真空容器100内のカソード電極603及び真空容器602内のカソード電極604の構造を、図10に示した平行平板型カソード電極構造とした点が実施例1と異なる。その際、カソード構造は、次のような寸法および配置とした。
【0075】
▲1▼カソード電極のサイズは、幅50cm×長さ130cmとした。
▲2▼導電性帯状部材を含む接地されたアノード面積全体に対するカソード面積の比率は0.6倍とした。
▲3▼材料ガスはカソード電極上の放電空間を帯状部材の移動方向に流した。
【0076】
また、各層の作製条件は表2に示した数値に設定した。
【0077】
他の点は実施例1と同様とし、シングル型光起電力素子(素子−比1)を形成した。
【0078】
【表2】
Figure 0003690772
【0079】
実施例1(素子−実1)および比較例1(素子−比1)で作製した光起電力素子の変換効率、特性均一性および歩留の評価を行った。
【0080】
電流電圧特性は、帯状部材10mおきに幅方向中央部、端部(端から5cm)から5cm角の面積で切出し、AM−1.5(100mW/cm2)光照射下に設置し、光電変換効率を測定し、評価した。歩留は、切り出した5cm角素子の暗状態でのシャント抵抗を測定し、抵抗値が1×103Ω・cm2以上のものを良品としてカウントし、全数中の比率を百分率で表し、評価した。
【0081】
表3に、上記の評価結果を示した。表3に示した実施例1(素子−実1)の各値は、比較例1(素子−比1)の各特性の平均値を1.00として規格化した数値である。
【0082】
【表3】
Figure 0003690772
【0083】
表3から、(素子−実1)は(素子−比1)に比べて全体的に各特性が向上しており、特に開放電圧の向上が認められた結果、変換効率が1.05倍に向上することが分かった。
【0084】
表3に示すように、比較例1(素子−比1)の光起電力素子に対して、実施例1(素子−実1)の光起電力素子は、変換効率において優れており、本発明の作製方法により作製した光起電力素子が、優れた特性を有することが判明し、本発明の効果が実証された。
【0085】
帯状部材幅方向の特性均一性は、実施例1(素子−実1)、比較例1(素子−比1)で作製した帯状部材上の光起電力素子を、10mおきに幅方向中央および端部(端から5cm)で5cm角の面積で切出し、AM−1.5(100mW/cm2)光照射下に設置し、光電変換効率を測定して、その光電変換効率の幅方向分布を評価した。幅方向中央部と端部の各特性値の平均値のばらつき(%表示)を表4に示した。
【0086】
【表4】
Figure 0003690772
【0087】
表4から、比較例1(素子−比1)の光起電力素子に対して、実施例1(素子−実1)の光起電力素子は、特性均一性においても優れており、本発明の作製方法により作製したシングル型光起電力素子が、優れた特性を有することが判明し、本発明の効果が実証された。
【0088】
(実施例2)
本例では、i型層作製用真空容器100内のカソード電極は実施例1と同様として、材料ガスの導入口と排気口の配置は図6に、材料ガスの導入方法及び制御方法は図9に示した構成に代えて、組成制御されたi型a−SiGe4:H堆積膜をSUS430BAからなる帯状部材上(長さ100m)に作製した。
【0089】
以下の説明において、しきり状電極の間の放電空間を帯状部材の搬送方向上手側から(1),(2),......,(16),(17)と呼称する。また、しきり状電極と帯状部材の間隔(図1におけるl1)は0.5cmとした。
【0090】
しきり状電極間に供給される材料ガスとしてはSiH4,GeH4,H2ガスを用いた。GeH4ガスは、中央部に位置するしきり状電極間(放電空間)の(11)から両端に向かって供給量を減らし、両端(1),(17)では零となるように設定した。一方、SiH4ガスは、両端に位置するしきり状電極間(放電空間)の(1)及び(17)から中央部の(11)に向かって供給量を減らすように設定した。また、H2は各フィン間で均等に供給した。
【0091】
表5には、i型層の作製条件を示した。
【0092】
【表5】
Figure 0003690772
【0093】
堆積膜の形成された帯状部材の幅方向中央部、端部の一部を10mごとにそれぞれ切り出し、SIMSを用いて堆積膜の厚さ(表面からの深さ)方向の組成分析を行った。その結果、図16において実線で示したデプスプロファイルが得られ、ほぼ図17に示すようなバンドプロファイルが形成されていることが分かった。
【0094】
(比較例2)
本例では、i型層作製用真空容器100内のカソード電極構造を、図10で示した平行平板のカソード電極構造(従来型:この場合、導電性帯状部材を含む接地されたアノード面積全体に対するカソード面積の比率は0.6倍)として、帯状部材を移動させずに静止固定の状態で、組成制御されたi型a−SiGe4:H堆積膜をSUS430BA帯状部材上に作製した。
【0095】
i型層の組成制御は表6に示すように成膜時間の経過に対応してSiH4とGeH4の混合比をなめらかに変化させる方法で行った。
【0096】
【表6】
Figure 0003690772
【0097】
堆積膜の形成された帯状部材を任意の位置で切り出し、実施例2と同様の組成分析を行ったところ、図16において破線で示すなめらかなデプスプロファイルが得られ、ほぼ図17に示す実施例2と同様のバンドプロファイルが形成されていることが分かった。
【0098】
従って、本発明の装置及び方法により堆積膜の厚さ方向の組成を制御できることが明らかとなった。
【0099】
また、本発明の装置及び方法により堆積膜の厚さ方向の組成を帯状部材の幅方向で均一に形成できることも確認された。
【0100】
さらに、実施例2で作製した堆積膜のデプスプロファイルは、比較例2で作製した堆積膜と同様に滑らかな変化を示しており、実施例2による堆積膜は滑らかな変化のバンドプロファイルが形成されている。すなわち、本発明の装置及び方法によりa−SiGe:Hグレーデッドバンドギャップ構造などの堆積膜の厚さ方向の組成制御をなめらかに制御できることが分かった。
【0101】
(実施例3)
本例では、実施例2に示したa−SiGe:Hグレーデッドバンドギャップi型層を採用し、図12に示したシングル型光起電力素子を、表7に示す作製条件で作製した。本例で作製した光起電力素子は、(素子−実3)と呼称する。
【0102】
他の点は実施例1と同様とした。
【0103】
【表7】
Figure 0003690772
【0104】
(比較例3)
本例では、a−SiGe:Hグレーデッドバンドギャップi型層を、a−SiGe:Hフラットバンドギャップi型層とこれを挟むa−Si:Hフラットバンドギャップi型(第1,2の)バッファ層の3層構成として、図14に示したシングル型光起電力素子を、表8に示す作製条件で作製した。本例で作製した光起電力素子は、(素子−比3)と呼称する。
【0105】
上記i型層の作製装置としては、図10に示した平行平板型カソード電極構造(導電性帯状部材を含む接地されたアノード面積全体に対するカソード面積の比率は0.6倍)をもつ上記3層成膜用真空容器を配置した図11と同様の装置を用いた。
【0106】
他の点は実施例1と同様とした。
【0107】
【表8】
Figure 0003690772
Figure 0003690772
【0108】
実施例3(素子−実3)および比較例3(素子−比3)で作製した光起電力素子の変換効率、特性均一性および歩留の評価を行った。
【0109】
電流電圧特性は、帯状部材10mおきに幅方向中央部、端部(端から5cm)から5cm角の面積で切出し、AM−1.5(100mW/cm2)光照射下に設置し、光電変換効率を測定し、評価した。歩留は、実施例3(素子−実3)、比較例1(素子−比3)で作製した帯状部材上の光起電力素子を、10mおきに5cm角の面積で切出し、その暗状態でのシャント抵抗を測定し、抵抗値が1×103Ω・cm2以上のものを良品としてカウントし、全数中の比率を百分率で表し、評価した。
【0110】
表9に、上記の評価結果を示した。表9に示した実施例3(素子−実3)の各値は、比較例3(素子−比3)の各特性の平均値を1.00として規格化した数値である。
【0111】
【表9】
Figure 0003690772
表9から、(素子−実3)は(素子−比3)に比べて全体的に各特性が向上しており、特に開放電圧の向上が認められた結果、変換効率が1.05倍に向上することが分かった。
【0112】
表9に示すように、比較例3(素子−比3)の光起電力素子に対して、実施例3(素子−実3)の光起電力素子は、変換効率において優れており、本発明の作製方法により作製した光起電力素子が、優れた特性を有することが判明し、本発明の効果が実証された。
【0113】
帯状部材幅方向の特性均一性は、実施例3(素子−実3)、比較例3(素子−比3)で作製した帯状部材上の光起電力素子を、10mおきに幅方向中央および端部(端から5cm)で5cm角の面積で切出し、AM−1.5(100mW/cm2)光照射下に設置し、光電変換効率を測定して、その光電変換効率の幅方向分布を評価した。幅方向中央部と端部の各特性値の平均値のばらつき(%表示)を表10に示した。
【0114】
【表10】
Figure 0003690772
【0115】
表10から、比較例3(素子−比3)の光起電力素子に対して、実施例3(素子−実3)の光起電力素子は、特性均一性においても優れており、本発明の作製方法により作製したシングルセル型光起電力素子が、優れた特性を有することが判明し、本発明の効果が実証された。
【0116】
(実施例4)
本例では、図1の形成容器を、図11に示すようなロール・ツー・ロール(Roll to Roll)方式の連続プラズマCVD装置におけるi型層形成容器として用い、図13に示したトリプルセル型光起電力素子を作製した。その際、図1の形成容器におけるカソード構造は、次のような寸法および配置とした。
【0117】
▲1▼帯状部材とカソード電極の一部であるしきり状電極との最近接距離(図1おけるl1)は0.5cmとした。
▲2▼複数設置されたしきり状電極同士の間隔(図1おけるl2)は5cmとした。
▲3▼導電性帯状部材を含む接地されたアノード面積全体に対するカソード面積の比率は3.0倍とした。
【0118】
図11に示すようなロール・ツー・ロール(Roll to Roll)方式を採用した連続プラズマCVD装置(不図示)とは、図11に示した、第1の導電型層作製用真空容器601、i型層作製用真空容器100、第2の導電型層作製用真空容器602をガスゲートを介して接続した装置をワンセットとし、これをさらに2セット増設して、計3セット繰り返して直列に配置した構成の装置である。そして、全てのi型層形成容器に、上述した形成容器を設置した。
【0119】
上記構成からなる装置を用いて、図13に示したトリプルセル型光起電力素子を、表11に示す作製条件で作製した。図13において、5001はSUS基板、5002はAg薄膜、5003はZnO薄膜、5004は第1の導電型層、5005は第1のi型層、5006は第2の導電型層、5007は第1の導電型層、5008は第2のi型層、5009は第2の導電型層、5010は第1の導電型層、5011は第3のi型層、5012は第2の導電型層、5013はITO、5014は集電電極である。
【0120】
上記各層は連続的に作製し、トリプルセル型光起電力素子(素子−実4)を形成した。表11には、各層の作製条件を示した。
【0121】
【表11】
Figure 0003690772
Figure 0003690772
Figure 0003690772
【0122】
(比較例4)
本例では、a−SiGe:Hグレーデッドバンドギャップi型層を、a−SiGe:Hフラットバンドギャップi型層とこれを挟むa−Si:Hフラットバンドギャップi型(第1,2の)バッファ層の3層構成として、図15に示したトリプルセル型光起電力素子を形成した。表12には、各層の作製条件を示した。本例で作製した光起電力素子は、(素子−比4)と呼称する。
【0123】
上記i型層の作製装置としては、図10に示した平行平板型カソード電極構造(導電性帯状部材を含む接地されたアノード面積全体に対するカソード面積の比率は0.6倍)をもつ上記3層成膜用真空容器を配置した実施例4で使用した装置を用いた。
【0124】
他の点は実施例4と同様とした。
【0125】
【表12】
Figure 0003690772
Figure 0003690772
Figure 0003690772
【0126】
実施例4(素子−実4)および比較例4(素子−比4)で作製した光起電力素子の変換効率、特性均一性および歩留の評価を行った。
【0127】
電流電圧特性は、帯状部材10mおきに幅方向中央部、端部(端から5cm)から5cm角の面積で切出し、AM−1.5(100mW/cm2)光照射下に設置し、光電変換効率を測定し、評価した。歩留は、実施例3(素子−実3)、比較例1(素子−比3)で作製した帯状部材上の光起電力素子を、10mおきに5cm角の面積で切出し、その暗状態でのシャント抵抗を測定し、抵抗値が1×103Ω・cm2以上のものを良品としてカウントし、全数中の比率を百分率で表し、評価した。
【0128】
表13に、上記の評価結果を示した。表13に示した実施例4(素子−実4)の各値は、比較例4(素子−比4)の各特性の平均値を1.00として規格化した数値である。
【0129】
【表13】
Figure 0003690772
【0130】
表13から、(素子−実4)は(素子−比4)に比べて全体的に各特性が向上しており、特に開放電圧の向上が認められた結果、変換効率が1.06倍に向上することが分かった。
【0131】
表13に示すように、比較例4(素子−比4)の光起電力素子に対して、実施例4(素子−実4)の光起電力素子は、変換効率において優れており、本発明の作製方法により作製した光起電力素子が、優れた特性を有することが判明し、本発明の効果が実証された。
【0132】
帯状部材幅方向の特性均一性は、実施例4(素子−実4)、比較例4(素子−比4)で作製した帯状部材上の光起電力素子を、10mおきに幅方向中央および端部(端から5cm)で5cm角の面積で切出し、AM−1.5(100mW/cm2)光照射下に設置し、光電変換効率を測定して、その光電変換効率の幅方向分布を評価した。幅方向中央部と端部の各特性値の平均値のばらつき(%表示)を表14に示した。
【0133】
【表14】
Figure 0003690772
【0134】
表14から、比較例4(素子−比4)の光起電力素子に対して、実施例4(素子−実4)の光起電力素子は、特性均一性においても優れており、本発明の作製方法により作製したトリプルセル型光起電力素子が、優れた特性を有することが判明し、本発明の効果が実証された。
【0135】
また、実施例3と比較例3との比較、および実施例4と比較例4との比較により、本発明に係る装置は、装置のコンパクト化が図れるとともに、付帯設備の軽量化や材料ガスの消費量削減に有効であることが分かった。
【0136】
【発明の効果】
本発明によれば、連続的に移動する導電性の帯状部材上に、非単結晶からなる第1の導電型半導体層、i型半導体層及び第2の導電型半導体層を順次積層した構造体を1組以上有する光起電力素子の形成において、
前記i型半導体層の形成に用いる放電容器として、
帯状部材の移動方向に垂直に並んだしきり状カソード電極を備えた放電容器を用い、放電時のカソード電位(自己バイアス)を正電位とし、材料ガスを隣接するしきり状電極の間に導入し、しきり状電極に沿って基板搬送方向と直角(基板幅)方向に流すことにより、また、その材料ガスの組成比(混合比)を基板搬送方向に沿って変化させる事で、前記i型半導体層の膜組成をその膜厚方向に精密に組成制御することができる。
【0137】
また、上記i型半導体層を採用することにより、大面積にわたって、高い光電変換効率と高品質で優れた均一性とを有し、より再現性高く欠陥の少ない光起電力素子を大量に安定して作製することができる。
【0138】
さらに、形成装置の小型化が図れるとともに、材料ガスの使用量を削減することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の形成装置を構成する放電容器内の構造を示した模式的な断面図である。
【図2】図1に示したカソード電極の一例を示す模式的な鳥瞰図である。
【図3】材料ガスの導入口及び排気口を設ける位置と材料ガスの流れとを示したカソード電極の一例を示す模式的な平面図である。
【図4】材料ガスの導入口及び排気口を設ける位置と材料ガスの流れとを示したカソード電極の他の一例を示す模式的な平面図である。
【図5】材料ガスの導入口及び排気口を設ける位置と材料ガスの流れとを示したカソード電極の他の一例を示す模式的な平面図である。
【図6】材料ガスの導入口及び排気口を設ける位置と材料ガスの流れとを示したカソード電極の他の一例を示す模式的な平面図である。
【図7】材料ガスの導入口及び排気口を設ける位置と材料ガスの流れとを示したカソード電極の他の一例を示す模式的な平面図である。
【図8】放電空間に導入する材料ガス供給方法の一例を示した模式図である。
【図9】放電空間に導入する材料ガス供給方法の他の一例を示した模式図である。
【図10】従来のカソード電極を有する放電容器の一例を示す模式的な断面図である。
【図11】本発明に係る光起電力素子の形成装置の一例を示した模式的な断面図である。
【図12】本発明に係る装置及び方法により形成したシングルセル型光起電力素子の模式的な断面図である。
【図13】本発明に係る装置及び方法により形成したトリプルセル型光起電力素子の模式的な断面図である。
【図14】比較例3で用いた従来のシングルセル型光起電力素子の模式的な断面図である。
【図15】比較例4で用いた従来のトリプルセル型光起電力素子の模式的な断面図である。
【図16】実施例2及び比較例2で作製した堆積膜のSIMSによる組成分析のデプスプロファイルである。
【図17】実施例2及び比較例2で作製した堆積膜のバンドプロファイルである。
【符号の説明】
100 真空容器、
101 帯状部材、
103a、103b、103c 加熱ヒーター、
104a、104b、104c ガス導入管、
107 カソード電極、
124n、124、124p ランプヒーター、
129n、129、129p、130 ガスゲート、
131n、131、131p、132 ガスゲート導入管、
301、302 真空容器、
303、304 ボビン、
305、306 アイドリングローラ、
307、308 コンダクタンスバルブ、
310、311 排気管、
314、315 圧力計、
513 排気管、
601、602 真空容器、
603、604 カソード電極、
605、606 ガス導入管、
607、608 排気管、
1000 導電性帯状部材、
1001 真空容器、
1002 カソード電極、
1003 しきり状電極、
1004 接地(アノード)電極、
1005 ランプヒーター、
1006 排気口、
1007 ガス導入管、
1008 ガスゲート、
1009 絶縁ガイシ、
1010 放電空間、
1011 マスフローコントローラー、
1012 ガスボンベ、
1013 ガス混合部、
2000 導電性帯状部材、
2001 真空容器、
2002 カソード電極、
2004 接地(アノード)電極、
2005 ランプヒーター、
2006 排気口、
2007 ガス導入管、
2008 ガスゲート
2009 絶縁ガイシ
2010 放電空間
4001 SUS基板、
4002 Ag薄膜、
4003 ZnO薄膜、
4004 第1の導電型層、
4005 i型層、
4006 第2の導電型層、
4007 ITO、
4008 集電電極、
5001 SUS基板
5002 Ag薄膜、
5003 ZnO薄膜、
5004 第1の導電型層、
5005 第1のi型層、
5006 第2の導電型層、
5007 第1の導電型層、
5008 第2のi型層、
5009 第2の導電型層、
5010 第1の導電型層、
5011 第3のi型層、
5012 第2の導電型層、
5013 ITO、
5014 集電電極、
6001 SUS基板、
6002 Ag薄膜、
6003 ZnO薄膜、
6004 第1の導電型層、
6005 第1のバッファ層、
6006 i型層、
6007 第2のバッファ層、
6008 第2の導電型層、
6009 ITO、
6010 集電電極、
7001 SUS基板、
7002 Ag薄膜、
7003 ZnO薄膜、
7004 第1の導電型層、
7005 第1のバッファ層、
7006 第1のi型層、
7007 第2のバッファ層、
7008 第2の導電型層、
7009 第1の導電型層、
7010 第1のバッファ層、
7011 第2のi型層、
7012 第2のバッファ層、
7013 第2の導電型層、
7014 第1の導電型層、
7015 第3のi型層、
7016 第2の導電型層、
7017 ITO、
7018 集電電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photovoltaic device forming apparatus and method. More specifically, by forming the i-type semiconductor layer by controlling the composition ratio in the film thickness direction, a photovoltaic device having high photoelectric conversion efficiency and high quality and excellent uniformity over a large area. The present invention relates to an apparatus and method that can be formed. In particular, it is suitably used as an apparatus and method for forming a photovoltaic element by a roll-to-roll method for mass-producing photovoltaic elements such as solar cells using amorphous silicon or amorphous silicon alloy.
[0002]
[Prior art]
Photovoltaic elements, which are photoelectric conversion elements that convert sunlight into electrical energy, are widely applied as power sources for consumer use such as calculators and wristwatches. In the future, so-called fossil fuels such as oil and coal are used. It is attracting attention as a technology that can be put to practical use as an alternative power. A photovoltaic device is a technology that uses photovoltaic power generated at a pn junction of a semiconductor, and a semiconductor such as silicon absorbs sunlight to generate photocarriers of electrons and holes, and the photocarrier is converted into a pn junction. It drifts depending on the internal electric field and is taken out to the outside.
[0003]
Examples of the material constituting the semiconductor of such a photovoltaic element include single crystal silicon, polycrystalline silicon, and amorphous silicon.
[0004]
From the point of efficiency of converting light energy into electromotive force, it is desirable to use single crystal silicon. However, since crystalline silicon such as single crystal has an indirect optical edge, light absorption is small, and single crystal silicon The solar cell needs to have a thickness of at least 50 μm in order to absorb incident light. In addition, the band gap of single crystal silicon is about 1.1 eV, which is narrower than 1.5 eV, which is suitable for a solar cell, and thus has a drawback that a short wavelength component cannot be effectively used.
[0005]
On the other hand, when polycrystalline silicon is used instead of single crystal silicon, the production cost can be reduced. However, the problem of the indirect optical edge cannot be solved, and the thickness of the solar cell cannot be reduced. Furthermore, polycrystalline silicon has many problems to be solved because it has both grain boundaries and other problems.
[0006]
On the other hand, amorphous silicon formed by chemical vapor deposition (CVD) is promising from the viewpoint of increasing the area and reducing the cost. However, although this amorphous silicon solar cell has been widely spread as a small power source for consumer use, there are still problems in terms of high efficiency and stabilization as a power element.
[0007]
As a method for solving such a problem of amorphous silicon, there are the following reports.
[0008]
U.S. Pat. No. 2,949,498 describes that multiple cells are used to improve the efficiency of a photovoltaic cell. A pn junction crystal semiconductor was used for this multiple battery, but the idea is common to both amorphous and crystalline materials, and the solar spectrum is efficiently absorbed by photovoltaic elements of different band gaps. , Voc is increased to improve power generation efficiency.
[0009]
US Pat. No. 4,377,723 discloses an improved version of the above-described multiple battery, in which three elements are stacked using amorphous silicon having a pin junction and amorphous silicon germanium as photovoltaic elements. A so-called a-SiH / a-SiGe: H / a-SiGe: H triple cell solar cell that increases the overall Voc has been reported. In this solar cell, the amorphous silicon germanium is used for the second photovoltaic element layer, whereby the film thickness of the i layer of the second photovoltaic element can be reduced, and the photogenerated carriers can be blown. The characteristics of the solar cell are improved by the paying effect.
[0010]
However, the following problems have been pointed out when amorphous silicon germanium is used as the material constituting the semiconductor of the photovoltaic element.
[0011]
First, germanium acts as an impurity having characteristics with respect to amorphous silicon, and the photovoltaic characteristics of solar cells made of silicon, germanium, and hydrogen are deteriorated.
[0012]
Second, in order to improve the photovoltaic characteristics of the above-mentioned amorphous silicon germanium alloy (hereinafter abbreviated as amorphous SiGe alloy), defect states caused by introduction of germanium in the amorphous SiGe alloy by hydrogen are introduced. In addition to the compensation of the above, it is necessary to significantly improve the electronic state in the energy gap.
[0013]
As a countermeasure against this, Japanese Patent Publication No. 63-48197 discloses compensation of dangling bonds in an amorphous SiGe alloy using activated fluorine atoms in order to produce a high-quality amorphous SiGe alloy. And an amorphous SiGe alloy with a substantially reduced defect density is disclosed.
[0014]
On the other hand, as a method other than the essential improvement of the film quality described above, improvement of characteristics of a solar cell containing amorphous SiGe has been studied.
[0015]
As an example of this, a so-called buffer is disclosed in US Pat. No. 4,254,429, in which a bandwidth gradient is provided at the junction interface between a p-type semiconductor and / or an n-type semiconductor layer and an i-type semiconductor layer. The method using a layer is mentioned.
[0016]
As another method, there is disclosed a method of providing a so-called gradient layer that improves the characteristics by providing a composition distribution in the intrinsic layer by changing the composition ratio of silicon and germanium. For example, in U.S. Pat. No. 4,816,082, the band gap of the i layer in the portion in contact with the first valence-controlled semiconductor layer on the light incident side is widened and gradually toward the center. A method is disclosed in which the band gap is narrowed and further gradually widened toward the second valence-controlled semiconductor layer. According to this method, carriers generated by light can be efficiently separated by the action of an internal electric field, and the film characteristics are improved.
[0017]
As a method for continuously forming a semiconductor functional deposition film used for a photovoltaic element or the like on a substrate, an independent film formation chamber for forming various semiconductor layers is provided, and each of these film formation chambers is a gate valve. There is known a method in which various semiconductor layers are formed by sequentially connecting a substrate to each film forming chamber and being connected by a load lock method via a substrate.
[0018]
In particular, as a method for significantly improving mass productivity, US Pat. No. 4,400,409 discloses a continuous plasma CVD method employing a roll-to-roll method. According to this method, by using a long belt-like member as a substrate, while depositing and forming a conductive type semiconductor layer required in a plurality of glow discharge regions, the substrate is continuously conveyed in the longitudinal direction, It is described that an element having a semiconductor junction can be continuously formed.
[0019]
According to this method, it takes several hours to form a semiconductor layer on a strip-like substrate of several hundred meters, and the semiconductor layer is formed by maintaining and controlling a uniform and reproducible discharge state. There is a need to. Therefore, it is necessary to develop a method for continuously and yielding a high-quality and uniform semiconductor deposited film over the entire length of the long band-shaped substrate from the start to the end.
[0020]
For example, when a graded band gap thin film semiconductor layer of amorphous silicon germanium is used as the i-type semiconductor layer of the photovoltaic element, silane (SiH Four ), Germanic (GeH Four A semiconductor film having a desired conductivity type can be obtained by mixing raw material gases such as) and performing glow discharge decomposition. However, in order to form a high-quality amorphous silicon germanium thin film having a desired band gap, the dependence on the film formation conditions is very large in essence, and it is extremely difficult to slightly change (shift) the film formation conditions. Because of its sensitivity, if it deviates from the optimum formation conditions for some reason, the performance of photovoltaic elements such as fill factors tends to deteriorate.
[0021]
Further, in the conventional typical discharge vessel internal structure, the area of the entire grounded anode electrode including the substrate is often very large compared to the area of the cathode electrode. In such a cathode electrode, As a result of most of the high-frequency power input being consumed in the vicinity of the cathode electrode, the excitation and decomposition reaction of the material gas is active only in a limited portion in the vicinity of the cathode electrode. Even if a large amount of high frequency power is applied in the vicinity of the electrode, the high frequency power to the substrate, which is the anode electrode, is not sufficiently large and a high deposition rate as desired. Therefore, it is difficult to form a semiconductor thin film, and it is very difficult to obtain a good quality semiconductor thin film. .
[0022]
Furthermore, in a conventional typical discharge vessel structure, that is, a discharge vessel having a structure in which the area of the grounded anode electrode including the substrate is much larger than the area of the cathode electrode, a direct current (DC) power source or the like is used. A technique of applying a positive potential (bias) to the cathode electrode has also been performed. However, in such a system, as a result of using a secondary means such as a DC power source, a DC current flows in the plasma discharge. Therefore, if the DC voltage bias is increased, abnormal discharge such as sparks occurs. It was very difficult to suppress this and maintain a stable discharge. Therefore, it was unclear whether the effect of applying a DC voltage to the plasma discharge was effective. This is due to the fact that the DC voltage and DC current cannot be separated. That is, a means for effectively applying only a DC voltage to plasma discharge has been desired.
[0023]
In addition, the i-type semiconductor layer of the photovoltaic element is often set to a very thin thickness of several hundred to several thousand hundreds from the viewpoint of element characteristics. In some cases, the layer thickness uniformity, film adhesion, composition, property uniformity, and reproducibility not only affect the device properties, but also greatly affect the device yield.
[0024]
Therefore, in order to form a non-single crystal thin film that is spatially and temporally uniform and reproducible, a further improved discharge stability over a long period of time, a formation method with improved reproducibility and uniformity, and There is a need for a forming apparatus. In order to improve the throughput of the apparatus and reduce the cost, it is desired to develop a forming method and a forming apparatus that can realize a high deposition rate while maintaining the quality of the semiconductor thin film. Furthermore, the basic characteristics of the i-type semiconductor layer greatly affect the characteristics of the photovoltaic element electrically and optically. Particularly, in the laminated photovoltaic element, the optical forbidden band width and the Fermi level are precise. Since control is required, there is a need for a method and apparatus that can form a high-quality i-type semiconductor layer uniformly and continuously with high reproducibility.
[0025]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a photocatalyst having a high photoelectric conversion efficiency over a large area, high quality, excellent uniformity, excellent reproducibility, and few defects on a continuously moving strip member. An object of the present invention is to provide a forming method and a forming apparatus capable of manufacturing a large amount of power elements.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has solved the above-mentioned problems in the prior art, and as a result of intensive studies to achieve the object of the present invention, has been completed.
[0027]
The apparatus for forming a photovoltaic device of the present invention includes a first conductive semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and a second conductive semiconductor made of non-single crystal on a conductive belt-like member that moves continuously. In a photovoltaic device forming apparatus having one or more structures in which layers are sequentially stacked,
The discharge vessel used for forming the i-type semiconductor layer has a discharge space of the whole anode electrode in which the surface area in the discharge space of a high-frequency power application electrode (hereinafter referred to as a cathode electrode) installed in the discharge space includes the surface area of the strip-shaped member. The surface potential of the cathode electrode when glow discharge occurs (hereinafter referred to as self-bias) can be maintained at a positive potential of +30 V or more with respect to the grounded anode electrode including the belt-shaped member, and A plurality of the fin-shaped cathode electrodes (hereinafter referred to as “threshold electrodes”) are provided in a plurality perpendicular to the conveying direction of the strip-shaped member, and the spacing between the respective thru-shaped electrodes is between the adjacent thru-shaped electrodes. The cathode structure having a sufficient interval for maintaining discharge in the substrate and the material gas used for forming the i-type semiconductor layer are adjacent to each other. Is introduced from the cathode electrode surface between Jo electrodes into each discharge space partitioned by the partition-like electrodes, the moving direction of the belt-shaped member along the partition-like electrodes Orthogonal And a mechanism for applying high frequency power to the cathode electrode to decompose the material gas by plasma discharge.
[0028]
The photovoltaic device forming apparatus according to the present invention may further include a gas supply for independently introducing the plurality of types of material gases into the discharge space when the plurality of types of material gases are introduced into the discharge space between the threshold electrodes. It is characterized by having means.
[0029]
The photovoltaic device forming apparatus of the present invention having the above-described configuration has the following operation.
[0030]
(1) The discharge vessel used for forming the i-type semiconductor layer has a surface area in the discharge space of a high-frequency power application electrode (hereinafter referred to as a cathode electrode) installed in the discharge space. The surface area in the discharge space is larger, and the potential of the cathode electrode when glow discharge occurs (hereinafter referred to as self-bias) can maintain a positive potential of +30 V or more with respect to the grounded anode electrode including the belt-shaped member, In addition, a plurality of fin-shaped cathode electrodes (hereinafter referred to as “threshold electrodes”) are provided in a plurality perpendicular to the transport direction of the strip-shaped member, and the spacing between the respective thru-shaped electrodes is adjacent to the above-described thru-shaped electrodes. A cathode structure with sufficient spacing to maintain a discharge between the two, which is a disadvantage in conventional devices. The excitation and decomposition reaction of the material gas is not promoted only in a limited portion in the vicinity of the cathode electrode, and the excitation and decomposition of the material gas described above is performed on the entire discharge space, that is, the anode electrode side including the band-shaped member. The reaction can be accelerated and a thin film can be efficiently deposited on the strip with a relatively high deposition rate. That is, the amount of high-frequency power input to the cathode is well adjusted, the input high-frequency power is more effectively utilized, the material gas introduced into the discharge space is efficiently excited, decomposed, and high-quality non- A single crystal semiconductor thin film can be formed on the strip-like member with a relatively high deposition rate with good reproducibility.
[0031]
(2) The material gas used for forming the i-type semiconductor layer is introduced into the discharge space between the threshold electrodes from between the adjacent threshold electrodes, and the moving direction of the strip member along the threshold electrodes is By supplying a mechanism for flowing in a perpendicular direction (width direction of the strip member) and applying high frequency power to the cathode electrode to decompose the material gas by plasma discharge, a plurality of members are provided along the transport direction of the strip member. Adjacent plasma spaces can be provided. As a result, the long film formation space (that is, the chamber length) necessary for forming the i-type graded bandgap semiconductor layer in the roll-to-roll method, which is a drawback in the prior art, can be greatly shortened. A forming device is obtained.
[0032]
(3) When a plurality of types of material gases are introduced into the discharge space between the threshold electrodes, gas supply means for guiding the plurality of types of material gases to the discharge space independently of each other is provided. A gas having an arbitrary composition ratio can be freely introduced along the transport direction. As a result, it is possible to form a deposited film whose composition is precisely controlled in the film thickness direction on the belt-shaped member.
[0033]
That is, by using the apparatus of the present invention, for example, a silicon germanium graded bandgap semiconductor film whose composition is precisely controlled in the film thickness direction is a more compact apparatus than before and the consumption of material gas is reduced. Can be formed. Here, the compact apparatus refers to an apparatus with a reduced number of chambers or an apparatus with a reduced chamber length.
[0034]
According to the method for forming a photovoltaic element of the present invention, a first conductive type semiconductor layer, an i type semiconductor layer, and a second conductive type semiconductor made of a non-single crystal are formed on a conductive belt-like member that moves continuously. In a method for forming a photovoltaic device having one or more sets of structures in which layers are sequentially stacked,
As a discharge vessel used for forming the i-type semiconductor layer, the surface area of the discharge space of a high-frequency power application electrode (hereinafter referred to as a cathode electrode) installed in the discharge space is the discharge space of the entire anode electrode including the surface area of the strip-shaped member. The cathode electrode potential (hereinafter referred to as self-bias) when glow discharge occurs is maintained at a positive potential of +30 V or more with respect to the grounded anode electrode including the belt-like member. In addition, a plurality of fin-shaped cathode electrodes (hereinafter referred to as “threshold electrodes”) are provided in a plurality perpendicular to the transport direction of the belt-like member, and the intervals between the respective threshold electrodes are adjacent to each other. Of a photovoltaic device with a discharge vessel having a cathode structure with sufficient spacing to cause and maintain a discharge between the electrode-like electrodes The apparatus is used to introduce a material gas used for forming the i-type semiconductor layer from the cathode electrode surface between adjacent threshold electrodes into each discharge space partitioned by the threshold electrodes, and along the threshold electrodes. What is the direction of movement of the strip member? Orthogonal The i-type semiconductor layer is formed by applying high-frequency power to the cathode electrode and decomposing the material gas by plasma discharge while flowing in a direction (width direction of the belt-like member).
[0035]
In the method for forming a photovoltaic element of the present invention, a plurality of kinds of material gases to be introduced into the discharge space between the threshold electrodes are provided, and each is independently guided to the discharge space, thereby moving along the moving direction of the strip member. The i-type semiconductor layer is formed by changing the composition ratio (mixing ratio) of the introduced material gas.
[0036]
The method for forming a photovoltaic device of the present invention having the above-described configuration has the following operation.
[0037]
(1) By using the apparatus configured as described above, a uniform and reproducible discharge state is maintained and controlled over a long period of time, such as forming a semiconductor layer on a strip-like member extending over several hundred meters. In addition, a semiconductor layer whose composition is controlled can be formed.
[0038]
(2) According to the above (1), a high-quality and uniform semiconductor deposited film can be formed continuously and with high yield over the entire length from the beginning to the end of the belt-like member.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the photovoltaic device forming apparatus and the forming method according to the present invention, the following configurations are preferable modes.
[0040]
In the apparatus of the present invention, the material of the cathode electrode may be stainless steel and its alloys, aluminum and its alloys, etc. In addition, if it is a material having conductive properties, it should be a material limited to these. There is no. The same applies to the anode electrode material.
[0041]
The apparatus for continuously producing photovoltaic elements of the present invention sequentially produces photovoltaic elements by sequentially passing the film formation space of the photovoltaic elements while continuously moving the strip-like member in the longitudinal direction. Or an apparatus for sequentially manufacturing a stacked photovoltaic element by sequentially passing through a film formation space of a plurality of photovoltaic elements. In addition, the apparatus of the present invention has a structure in which the potential (self-bias) of the cathode electrode installed in the glow discharge space can maintain a positive potential with respect to the ground (anode) electrode including the belt-shaped member, In addition, a plurality of the fin-shaped or block-shaped threshold electrodes are installed in parallel or perpendicular to the transport direction of the band-shaped member, and the gap between the threshold electrodes is set to discharge between the adjacent threshold electrodes. It is an apparatus having a cathode structure having a sufficient interval to maintain and occur.
[0042]
The present invention is characterized in that the surface area in the space in contact with the discharge of the high-frequency power applied cathode electrode installed in the glow discharge space is larger than the surface area in the discharge space of the entire grounded electrode (anode electrode) including the strip member. In addition, the i-type semiconductor thin film is maintained in a state in which glow discharge is generated and the potential (self-bias) of the cathode electrode at the time of forming the semiconductor thin film is maintained at +30 V by using a combination of adjusting the high-frequency power to be applied. It is characterized by depositing.
[0043]
Further, in the present invention, a plurality of the threshold electrodes are installed in the transport direction of the belt-shaped member, and the intervals between the threshold electrodes are sufficient to maintain the discharge between the adjacent threshold electrodes. Thus, a relatively large positive potential can be generated and maintained on the cathode electrode by self-bias. Unlike the bias application method using a direct current (DC) power supply provided separately, this configuration can suppress the occurrence of abnormal discharge due to sparks and the like, so that the discharge can be stably generated and maintained. In addition, since a part of the cathode electrode in which the positive self-bias is generated, that is, the tip of the threshold electrode is relatively close to the band-shaped member, a relatively large positive potential is generated. A bias can be efficiently and stably applied to the deposited film of the band-shaped member through the discharge space. This configuration is, for example, a method of simply shortening the distance between the cathode and the substrate in a cathode electrode structure in a conventional typical apparatus, that is, in a parallel plate type cathode electrode structure in which the cathode electrode area is smaller than the anode (ground) electrode area. This is a self-bias potential that is clearly different from the method of applying a DC voltage to the cathode in combination with a DC power source, which is a DC bias application effect.
[0044]
The present invention is characterized in that an i-type non-single-crystal semiconductor is formed by the apparatus having the above-described structure, and the cathode electrode is maintained at a positive potential, thereby having a positive charge with respect to the belt-shaped member-like deposited film. Since a bias is applied in the direction of irradiating ions, ions existing in the plasma discharge are more efficiently applied in the direction of the belt-like member, and energy can be effectively applied to the deposited film surface by so-called ion bombardment. As a result, the structure relaxation of the film is promoted even at a relatively high deposition rate, the quality and density of the film are improved, and a high-quality semiconductor thin film can be obtained relatively easily. When forming an i-type non-single-crystal semiconductor thin film, the value of the cathode electrode potential described above greatly affects the characteristics of the thin film to be formed, and a high-quality i-type semiconductor layer can be uniformly and reproducibly at a relatively high deposition rate. In order to realize well, the thin film is deposited in a state where the potential of the cathode electrode is maintained at +30 V or higher, preferably +100 V or higher, more preferably +150 V or higher as described above.
[0045]
Further, the present invention is characterized in that the flow direction of the material gas introduced into the discharge space flows in a direction perpendicular to the transport direction of the strip member, that is, the width direction of the strip member, and further the material introduced into the discharge space The gas flows perpendicularly to the transport direction of the strip member between the plurality of threshold electrodes arranged in parallel to the transport direction of the strip member. By changing the composition of the material gas introduced between the threshold electrodes in the transport direction of the strip member, a deposited film whose composition is precisely controlled in the thickness direction can be formed in the strip member shape.
[0046]
Hereinafter, a photovoltaic device forming apparatus according to the present invention will be described.
[0047]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure inside the discharge vessel constituting the forming apparatus of the present invention. FIG. 2 is a schematic bird's-eye view showing an example of the cathode electrode shown in FIG. In FIG. 1, 1000 is a conductive strip member, 1001 is a vacuum vessel, 1002 is a cathode electrode, 1003 is a threshold electrode, 1004 is a ground (anode) electrode, 1005 is a lamp heater, 1006 is an exhaust port, and 1007 is a gas introduction pipe. , 1008 is a gas gate, 1009 is an insulating insulator, and 1010 is a discharge space.
[0048]
The cathode electrode 1002 in FIG. 1 has the same structure as the cathode electrode example shown in FIG. 2, and is installed on the ground (anode) electrode 1004 in a state of being electrically insulated by an insulating insulator 1009. . The conductive belt-like member 1000 is supported by an upper space of the cathode electrode 1002 by a plurality of magnet rollers (not shown), and is indicated by an arrow without being physically in contact with the lower cathode electrode and the upper lamp heater 1005. Move in the direction shown. The material gas is introduced from the gas introduction pipe 1007, passes between the strip member and the cathode electrode in a direction perpendicular to the transport direction of the strip member, and is exhausted from the exhaust port 1006 by a vacuum pump (not shown). SUS316 was used as the cathode and anode electrode material. A discharge region of glow discharge that is generated when a high frequency is applied to the cathode electrode from a high frequency electrode (not shown) is a gap between a plurality of ground electrodes 1003 that are part of the cathode electrode, and a band-shaped member and the cathode electrode. And is a region confined by the upper conductive strip member 1000.
[0049]
When the discharge vessel having such a structure is used, the ratio of the area of the cathode electrode to the area of the grounded anode electrode including the belt-shaped member is obviously larger than 1. Furthermore, it is effective that the closest distance (l1 in FIG. 1) between the belt-like member 1000 and the fin-like or block-like threshold-like electrode 1003 which is a part of the cathode electrode is within a range of 5 cm or less. . Further, the interval between the plurality of installed threshold electrodes 1003 is sufficient to maintain the discharge, and the appropriate interval (l2 in FIG. 2) is within the range of 3 cm to 10 cm. It is effective.
[0050]
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of a discharge vessel having a conventional cathode electrode. As is clear from FIG. 10, the surface area of the cathode electrode 2002 in contact with the discharge space is smaller than the surface area of the grounded anode electrode 2004 including the conductive strip member 2000 in contact with the discharge space. That is, the ratio of the area of the cathode electrode to the area of the grounded anode electrode including the belt-like member is clearly smaller than 1.
[0051]
3 to 7 are schematic plan views of the cathode electrode as viewed from the side of the belt-shaped member, showing the positions where the material gas inlet and exhaust ports are provided in the cathode electrode of FIG. 1 and the flow of the material gas. . The arrows shown in the figure indicate the direction in which the material gas flows.
[0052]
In the deposited film formed on the conductive strip member 1000, in order to precisely control the composition in the film thickness direction, the material gas is introduced into the discharge space between the adjacent threshold electrodes 1003, and between the threshold electrodes 1003, respectively. It flows in a direction perpendicular to the moving direction of the strip member 1000 (width direction of the strip member 1000). Further, the composition ratio (mixing ratio) of the supplied material gas is adjusted along the moving direction of the strip member 1000.
[0053]
The supply position of the material gas, that is, the position where the gas introduction pipe 1007 is provided may be from the cathode electrode facing the belt-like member (FIG. 3) or from a plate connecting adjacent threshold electrodes (FIG. 4). The position of the exhaust port may be provided on the cathode electrode facing the strip member (FIG. 3), or may be provided on a plate connecting adjacent threshold electrodes (FIG. 4). If the flow of the material gas in the discharge space flows at right angles to the moving method of the strip member along the threshold electrode (in the width direction of the strip member), the introduction position of the material gas and the exhaust port position are not limited.
[0054]
5 to 7 show positions where the material gas introduction port and the exhaust port are devised in consideration of the uniformity of various characteristics of the deposited film in the width direction of the band member when the band member is wide. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the cathode electrode viewed from the belt-like member side. The arrows shown in the figure indicate the direction in which the material gas flows. In order to prevent the distance between the introduction position of the material gas and the exhaust port from becoming too large, the introduction position or exhaust port of the material gas may be arranged in the transport direction of the strip member (FIG. 5), or in the adjacent discharge space. Alternately or staggered (FIG. 6), or by alternating the material gas flow in adjacent discharge spaces (FIG. 7), the plasma uniformity in the width direction of the strip-shaped member in the discharge space is increased. The composition of the deposited film formed on the belt-like member is made uniform in the width direction.
[0055]
8 and 9 are conceptual schematic diagrams showing a method for controlling the flow rate of the material gas introduced into the discharge space.
[0056]
FIG. 8 is a diagram showing a material gas introduction method and a control method for forming a deposited film having a uniform composition in the film thickness direction. The flow rate of the material gas supplied from the gas cylinder 1012 is controlled by the mass flow controller 1011 and the necessary gas is mixed, and then introduced into the discharge space from a gas introduction tube 1007 provided in the vicinity of the threshold cathode electrode by piping. At that time, the material gas is equally distributed by branching the pipe into equal conductance according to the number of introduction points, and is introduced into the discharge space from between the fin-shaped electrodes.
[0057]
FIG. 9 is a diagram illustrating a material gas introduction method and a control method for forming a deposited film having a composition gradient in the film thickness direction. That is, in order to create a composition gradient, the mixing ratio (or flow rate ratio) of a plurality of material gases introduced into the discharge space is changed in the moving direction of the strip member. The flow rate of the material gas supplied from the gas cylinder 1012 is controlled through the mass flow controller 1011 for each gas type, and then led to the vicinity of the threshold cathode electrode by piping. The piping is arranged in parallel with the conveying direction of the belt-shaped member, led to the gas mixing unit 1013 through the small holes, and mixed with other gases led in the same manner. The material gas guided to each gas mixing section is branched (designing the conductance of the branch destination pipe) according to the flow rate led to the gas mixing section by piping through the mass flow controller 1011 and distributed. The mixed gas is introduced into the discharge space from another small hole provided in the gas mixing space through a gas introducing tube 1007 provided between the threshold cathode electrodes.
[0058]
The gap (11 in FIG. 1) between the threshold electrode and the strip member promotes gas mutual diffusion between adjacent discharge spaces, and is important for forming a smooth composition gradient in the film thickness direction of the deposited film. When l1 is wide, interdiffusion is promoted, but the independence between adjacent discharges is dilute.
[0059]
【Example】
Hereinafter, the method for forming a photovoltaic device according to the present invention will be described in detail with specific examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0060]
(Example 1)
In this example, the discharge vessel of FIG. 1 was used as an i-type layer forming vessel in the roll-to-roll type continuous plasma CVD apparatus shown in FIG. . At that time, the cathode structure in the discharge vessel of FIG.
[0061]
(1) The closest distance (l1 in FIG. 1) between the belt-like member and the threshold electrode which is a part of the cathode electrode was 0.5 cm.
(2) Eighteen threshold electrodes were installed, and the distance between the threshold electrodes (l2 in FIG. 1) was 5 cm (that is, the cathode electrode length was 105 cm).
(3) The length in the width direction of the band-shaped member of the threshold electrode was 50 cm.
(4) The ratio of the cathode area to the entire grounded anode area including the conductive belt-shaped member was set to 3.0 times.
(5) The material gas was supplied evenly distributed between the threshold electrodes. At that time, the arrangement of the gas introduction port and the exhaust port was the pattern shown in FIG.
[0062]
The single-type photovoltaic element manufacturing apparatus shown in FIG. 11 (FIG. 11) includes a vacuum container 301 and 302 for feeding and winding the belt-like member 101, a first conductive type layer forming vacuum container 601 and an i-type. The layer manufacturing vacuum container 100 and the second conductivity type layer manufacturing vacuum container 602 were configured from an apparatus connected via a gas gate. That is, the i-type layer manufacturing vacuum container 100 is an i-type layer forming container having the cathode electrode configured as described above.
[0063]
In the following, a manufacturing method of the single photovoltaic element shown in FIG. 12 will be described using the manufacturing apparatus of FIG. In FIG. 12, 4001 is a SUS substrate, 4002 is an Ag thin film, 4003 is a ZnO thin film, 4004 is a first conductivity type layer, 4005 is an i type layer, 4006 is a second conductivity type layer, 4007 is ITO, and 4008 is a collection. Electrode.
[0064]
Each layer was continuously produced by the following procedure to form a single type photovoltaic element (element-actual 1). Table 1 shows the manufacturing conditions of each layer.
[0065]
(1) A SUS430BA belt-like member 101 (width 400 mm) in which a vacuum vessel 301 having a substrate feed mechanism is sufficiently degreased and cleaned, and a lower electrode is deposited by sputtering with a silver thin film of 100 nm and a ZnO thin film of 1 μm. A bobbin 303 wound with a length of 200 m and a thickness of 0.13 mm is set, and a vacuum having a belt-shaped member winding mechanism is set through the gas-shaped gate member 101 and each non-single crystal layer forming vacuum vessel The tension was adjusted to the extent that there was no slack through the container 302.
[0066]
(2) Each vacuum vessel 301, 601, 100, 602, 302 is 1 × 10 with a vacuum pump (not shown). -Four A vacuum was drawn to below Torr.
[0067]
(3) From the gate gas introduction pipes 131n, 131, 132, 131p to the gas gate, H is used as the gate gas. 2 Was fed at 700 sccm, and the belt-like member 101 was heated to 350 ° C., 350 ° C., and 250 ° C. by lamp heaters 124 n, 124, and 124 p, respectively. From the gas introduction pipe 605, SiH Four Gas 40sccm, PH Three Gas (2% H 2 Diluted product) 50 sccm, H 2 200 sccm of gas, SiH from gas introduction pipes 104a, 104b, 104c Four 100 sccm of gas each, H 2 Each gas is 500 sccm, from the gas introduction pipe 606, SiH Four 10sccm of gas, BF Three Gas (2% H 2 Diluted product) 100 sccm, H 2 500 sccm of gas was introduced.
[0068]
(4) The conductance valve 307 was adjusted so that the pressure in the vacuum vessel 301 was 1.0 Torr with the pressure gauge 314. The conductance valve (not shown) was adjusted so that the pressure in the vacuum vessel 601 was 1.5 Torr with a pressure gauge (not shown). The conductance valve (not shown) was adjusted so that the pressure in the vacuum vessel 100 was 1.8 Torr with a pressure gauge (not shown). The conductance valve (not shown) was adjusted so that the pressure in the vacuum vessel 602 was 1.6 Torr with a pressure gauge (not shown). The pressure in the vacuum vessel 302 was adjusted by the conductance valve 308 so that the pressure gauge 315 would be 1.0 Torr.
[0069]
(5) 500 W of RF power was introduced into the cathode electrode 603, 200 W of RF power was introduced into the cathode electrode 107, and 600 W of RF power was introduced into the cathode electrode 604.
[0070]
(6) The belt-like member 101 was transported in the direction indicated by the arrow in FIG. 11, and a first conductivity type layer, an i-type layer, and a second conductivity type layer were produced on the belt-like member.
[0071]
(7) On the second conductive type layer, ITO (In 2 O Three + SnO 2 ) Was deposited by vacuum deposition at 80 nm, and Al was further deposited by vacuum deposition at 2 μm as a collector electrode.
[0072]
The photovoltaic element (element-actual 1) of this example was produced by the above steps (1) to (7).
[0073]
[Table 1]
Figure 0003690772
[0074]
(Comparative Example 1)
This embodiment is different from the first embodiment in that the structure of the cathode electrode 603 in the vacuum vessel 100 and the cathode electrode 604 in the vacuum vessel 602 is the parallel plate cathode electrode structure shown in FIG. At that time, the cathode structure had the following dimensions and arrangement.
[0075]
(1) The size of the cathode electrode was 50 cm wide × 130 cm long.
(2) The ratio of the cathode area to the entire grounded anode area including the conductive strip member was 0.6 times.
(3) The material gas flowed through the discharge space on the cathode electrode in the moving direction of the strip member.
[0076]
The production conditions for each layer were set to the values shown in Table 2.
[0077]
The other points were the same as in Example 1, and a single photovoltaic element (element-ratio 1) was formed.
[0078]
[Table 2]
Figure 0003690772
[0079]
Conversion efficiency, characteristic uniformity, and yield of the photovoltaic elements produced in Example 1 (element-actual 1) and Comparative Example 1 (element-ratio 1) were evaluated.
[0080]
The current-voltage characteristics were obtained by cutting out an area of 5 cm square from the center in the width direction and from the end (5 cm from the end) every 10 m of the band-shaped member, and AM-1.5 (100 mW / cm 2 ) Installed under light irradiation, measured and evaluated photoelectric conversion efficiency. The yield was measured by measuring the shunt resistance in the dark state of the cut out 5 cm square element, and the resistance value was 1 × 10. Three Ω · cm 2 The above were counted as non-defective products, and the ratio in the total number was expressed as a percentage and evaluated.
[0081]
Table 3 shows the evaluation results. Each value of Example 1 (element-actual 1) shown in Table 3 is a numerical value normalized by setting the average value of each characteristic of Comparative Example 1 (element-ratio 1) to 1.00.
[0082]
[Table 3]
Figure 0003690772
[0083]
From Table 3, each characteristic of (element-actual 1) is improved as a whole as compared with (element-ratio 1), and in particular, an improvement in open-circuit voltage was recognized, resulting in a conversion efficiency of 1.05 times. It turns out that it improves.
[0084]
As shown in Table 3, the photovoltaic element of Example 1 (element-actual 1) is superior in conversion efficiency to the photovoltaic element of Comparative Example 1 (element-ratio 1), and the present invention The photovoltaic device produced by this production method was found to have excellent characteristics, and the effect of the present invention was proved.
[0085]
The uniformity of characteristics in the width direction of the belt-shaped member is as follows. The photovoltaic elements on the belt-shaped members prepared in Example 1 (element-actual 1) and Comparative Example 1 (element-ratio 1) Cut out in a 5 cm square area at the part (5 cm from the end), AM-1.5 (100 mW / cm 2 ) It was installed under light irradiation, the photoelectric conversion efficiency was measured, and the width direction distribution of the photoelectric conversion efficiency was evaluated. Table 4 shows the variation (in%) in the average value of the characteristic values at the center and the end in the width direction.
[0086]
[Table 4]
Figure 0003690772
[0087]
From Table 4, the photovoltaic element of Example 1 (element-actual 1) is superior in characteristic uniformity as compared with the photovoltaic element of comparative example 1 (element-ratio 1). The single-type photovoltaic device produced by the production method was found to have excellent characteristics, and the effect of the present invention was demonstrated.
[0088]
(Example 2)
In this example, the cathode electrode in the vacuum container 100 for forming the i-type layer is the same as in Example 1, the arrangement of the material gas introduction port and the exhaust port is shown in FIG. 6, and the material gas introduction method and control method are shown in FIG. The i-type a-SiGe whose composition is controlled instead of the configuration shown in FIG. Four : H deposition film was produced on a strip-like member made of SUS430BA (length 100 m).
[0089]
In the following description, the discharge space between the threshold electrodes is referred to as (1), (2),..., (16), (17) from the upper side in the transport direction of the belt-shaped member. In addition, the distance between the threshold electrode and the strip member (l1 in FIG. 1) was 0.5 cm.
[0090]
The material gas supplied between the threshold electrodes is SiH. Four , GeH Four , H 2 Gas was used. GeH Four The gas supply amount was reduced from (11) between the threshold electrodes (discharge space) located at the central portion toward both ends, and was set to be zero at both ends (1) and (17). On the other hand, SiH Four The amount of gas supplied was set so as to decrease the supply amount from (1) and (17) between the threshold electrodes (discharge space) located at both ends toward (11) in the center. H 2 Was supplied evenly between each fin.
[0091]
Table 5 shows the conditions for producing the i-type layer.
[0092]
[Table 5]
Figure 0003690772
[0093]
A central portion in the width direction and a part of the end portion of the band-shaped member on which the deposited film was formed were cut out every 10 m, and composition analysis in the thickness (depth from the surface) direction of the deposited film was performed using SIMS. As a result, a depth profile indicated by a solid line in FIG. 16 was obtained, and it was found that a band profile as shown in FIG. 17 was formed.
[0094]
(Comparative Example 2)
In this example, the cathode electrode structure in the vacuum vessel 100 for forming the i-type layer is the same as the parallel plate cathode electrode structure shown in FIG. 10 (conventional type: in this case, with respect to the entire grounded anode area including the conductive strip member). The ratio of the cathode area is 0.6 times), and the composition-controlled i-type a-SiGe in a stationary state without moving the belt-shaped member Four : H deposition film was produced on the SUS430BA strip member.
[0095]
As shown in Table 6, composition control of the i-type layer is performed in accordance with the elapse of the film formation time. Four And GeH Four The mixing ratio was smoothly changed.
[0096]
[Table 6]
Figure 0003690772
[0097]
The strip-shaped member on which the deposited film was formed was cut out at an arbitrary position and subjected to the same composition analysis as in Example 2. As a result, a smooth depth profile indicated by a broken line in FIG. 16 was obtained, and Example 2 shown in FIG. It was found that the same band profile was formed.
[0098]
Therefore, it became clear that the composition in the thickness direction of the deposited film can be controlled by the apparatus and method of the present invention.
[0099]
It was also confirmed that the composition in the thickness direction of the deposited film can be uniformly formed in the width direction of the belt-shaped member by the apparatus and method of the present invention.
[0100]
Further, the depth profile of the deposited film produced in Example 2 shows a smooth change similarly to the deposited film produced in Comparative Example 2, and the deposited profile according to Example 2 has a smoothly changing band profile. ing. That is, it was found that the composition control in the thickness direction of the deposited film such as the a-SiGe: H graded band gap structure can be smoothly controlled by the apparatus and method of the present invention.
[0101]
(Example 3)
In this example, the a-SiGe: H graded bandgap i-type layer shown in Example 2 was employed, and the single photovoltaic element shown in FIG. 12 was produced under the production conditions shown in Table 7. The photovoltaic element fabricated in this example is referred to as (element-actual 3).
[0102]
The other points were the same as in Example 1.
[0103]
[Table 7]
Figure 0003690772
[0104]
(Comparative Example 3)
In this example, the a-SiGe: H graded bandgap i-type layer is replaced with the a-SiGe: H flat bandgap i-type layer and the a-Si: H flat bandgap i-type (first and second) sandwiching the a-SiGe: H flat bandgap i-type layer. As a three-layer configuration of the buffer layer, the single type photovoltaic device shown in FIG. 14 was manufactured under the manufacturing conditions shown in Table 8. The photovoltaic element produced in this example is referred to as (element-ratio 3).
[0105]
As the i-type layer manufacturing apparatus, the above-mentioned three layers having the parallel plate type cathode electrode structure shown in FIG. 10 (the ratio of the cathode area to the entire grounded anode area including the conductive strip member is 0.6 times). An apparatus similar to that shown in FIG. 11 in which a vacuum container for film formation was arranged was used.
[0106]
The other points were the same as in Example 1.
[0107]
[Table 8]
Figure 0003690772
Figure 0003690772
[0108]
Conversion efficiency, characteristic uniformity, and yield of the photovoltaic devices fabricated in Example 3 (device-actual 3) and Comparative example 3 (device-ratio 3) were evaluated.
[0109]
The current-voltage characteristics were obtained by cutting out an area of 5 cm square from the center in the width direction and from the end (5 cm from the end) every 10 m of the band-shaped member, and AM-1.5 (100 mW / cm 2 ) Installed under light irradiation, measured and evaluated photoelectric conversion efficiency. Yield was obtained by cutting out the photovoltaic elements on the band-shaped member produced in Example 3 (element-actual 3) and comparative example 1 (element-ratio 3) in an area of 5 cm square every 10 m. The shunt resistance is measured and the resistance value is 1 × 10 Three Ω · cm 2 The above were counted as non-defective products, and the ratio in the total number was expressed as a percentage and evaluated.
[0110]
Table 9 shows the evaluation results. Each value of Example 3 (element-actual 3) shown in Table 9 is a numerical value normalized by setting the average value of each characteristic of Comparative Example 3 (element-ratio 3) to 1.00.
[0111]
[Table 9]
Figure 0003690772
Table 9 shows that (element-actual 3) has an overall improvement in characteristics compared to (element-ratio 3), and in particular, an improvement in open-circuit voltage has been recognized, resulting in a conversion efficiency of 1.05 times. It turns out that it improves.
[0112]
As shown in Table 9, the photovoltaic element of Example 3 (element-actual 3) is superior in conversion efficiency to the photovoltaic element of Comparative Example 3 (element-ratio 3), and the present invention. The photovoltaic device produced by this production method was found to have excellent characteristics, and the effect of the present invention was proved.
[0113]
The uniformity of characteristics in the width direction of the belt-shaped member is determined by the width direction center and end of the photovoltaic elements on the belt-shaped member produced in Example 3 (element-actual 3) and Comparative Example 3 (element-ratio 3) every 10 m. Cut out in a 5 cm square area at the part (5 cm from the end), AM-1.5 (100 mW / cm 2 ) It was installed under light irradiation, the photoelectric conversion efficiency was measured, and the width direction distribution of the photoelectric conversion efficiency was evaluated. Table 10 shows the variation (in%) in the average value of the characteristic values at the center and the end in the width direction.
[0114]
[Table 10]
Figure 0003690772
[0115]
From Table 10, the photovoltaic element of Example 3 (element-actual 3) is superior in characteristic uniformity as compared with the photovoltaic element of comparative example 3 (element-ratio 3). The single cell type photovoltaic device produced by the production method was found to have excellent characteristics, and the effect of the present invention was proved.
[0116]
(Example 4)
In this example, the forming container of FIG. 1 is used as an i-type layer forming container in a roll-to-roll type continuous plasma CVD apparatus as shown in FIG. 11, and the triple cell type shown in FIG. A photovoltaic device was produced. At that time, the cathode structure in the forming container of FIG.
[0117]
(1) The closest distance (l1 in FIG. 1) between the belt-like member and the threshold electrode that is a part of the cathode electrode was 0.5 cm.
{Circle around (2)} The interval (l2 in FIG. 1) between the plurality of threshold electrodes installed was 5 cm.
(3) The ratio of the cathode area to the entire grounded anode area including the conductive belt member was set to 3.0 times.
[0118]
A continuous plasma CVD apparatus (not shown) employing a roll-to-roll method as shown in FIG. 11 is the first conductive type layer forming vacuum vessel 601 shown in FIG. A device in which the vacuum vessel 100 for producing the mold layer and the vacuum vessel 602 for producing the second conductive type layer are connected via a gas gate is set as one set, and two more sets are added, and a total of 3 sets are repeatedly arranged in series. The device of the configuration. And the formation container mentioned above was installed in all the i-type layer formation containers.
[0119]
Using the apparatus configured as described above, the triple cell type photovoltaic element shown in FIG. 13 was produced under the production conditions shown in Table 11. In FIG. 13, 5001 is a SUS substrate, 5002 is an Ag thin film, 5003 is a ZnO thin film, 5004 is a first conductivity type layer, 5005 is a first i type layer, 5006 is a second conductivity type layer, and 5007 is a first conductivity type layer. , 5008 is the second i-type layer, 5009 is the second conductivity-type layer, 5010 is the first conductivity-type layer, 5011 is the third i-type layer, 5012 is the second conductivity-type layer, 5013 is ITO, and 5014 is a collector electrode.
[0120]
Each of the above layers was continuously produced to form a triple cell type photovoltaic element (element-actual 4). Table 11 shows the conditions for manufacturing each layer.
[0121]
[Table 11]
Figure 0003690772
Figure 0003690772
Figure 0003690772
[0122]
(Comparative Example 4)
In this example, the a-SiGe: H graded bandgap i-type layer is replaced with the a-SiGe: H flat bandgap i-type layer and the a-Si: H flat bandgap i-type (first and second) sandwiching the a-SiGe: H flat bandgap i-type layer. The triple cell type photovoltaic device shown in FIG. 15 was formed as a three-layer structure of the buffer layer. Table 12 shows the conditions for manufacturing each layer. The photovoltaic element fabricated in this example is referred to as (element-ratio 4).
[0123]
As the i-type layer manufacturing apparatus, the above-mentioned three layers having the parallel plate type cathode electrode structure shown in FIG. The apparatus used in Example 4 in which the vacuum container for film formation was arranged was used.
[0124]
The other points were the same as in Example 4.
[0125]
[Table 12]
Figure 0003690772
Figure 0003690772
Figure 0003690772
[0126]
Conversion efficiency, characteristic uniformity, and yield of the photovoltaic elements fabricated in Example 4 (element-actual 4) and Comparative example 4 (element-ratio 4) were evaluated.
[0127]
The current-voltage characteristics were obtained by cutting out an area of 5 cm square from the center in the width direction and from the end (5 cm from the end) every 10 m of the band-shaped member, and AM-1.5 (100 mW / cm 2 ) Installed under light irradiation, measured and evaluated photoelectric conversion efficiency. For the yield, the photovoltaic elements on the band-shaped member produced in Example 3 (element-actual 3) and comparative example 1 (element-ratio 3) were cut out in an area of 5 cm square every 10 m, and in the dark state. The shunt resistance is measured and the resistance value is 1 × 10 Three Ω · cm 2 The above were counted as non-defective products, and the ratio in the total number was expressed as a percentage and evaluated.
[0128]
Table 13 shows the evaluation results. Each value of Example 4 (element-actual 4) shown in Table 13 is a numerical value normalized by setting the average value of each characteristic of Comparative Example 4 (element-ratio 4) to 1.00.
[0129]
[Table 13]
Figure 0003690772
[0130]
From Table 13, each characteristic of (element-actual 4) is improved as a whole as compared with (element-ratio 4), and in particular, an improvement in open-circuit voltage was recognized, resulting in a conversion efficiency of 1.06 times. It turns out that it improves.
[0131]
As shown in Table 13, the photovoltaic element of Example 4 (element-actual 4) is superior in conversion efficiency to the photovoltaic element of comparative example 4 (element-ratio 4). The photovoltaic device produced by this production method was found to have excellent characteristics, and the effect of the present invention was proved.
[0132]
The uniformity of the characteristics in the width direction of the band-shaped member was determined by comparing the photovoltaic elements on the band-shaped members prepared in Example 4 (element-actual 4) and Comparative Example 4 (element-ratio 4) at the center and end in the width direction every 10 m. Cut out in a 5 cm square area at the part (5 cm from the end), AM-1.5 (100 mW / cm 2 ) It was installed under light irradiation, the photoelectric conversion efficiency was measured, and the width direction distribution of the photoelectric conversion efficiency was evaluated. Table 14 shows variations (in%) in the average values of the characteristic values at the center and the end in the width direction.
[0133]
[Table 14]
Figure 0003690772
[0134]
From Table 14, the photovoltaic element of Example 4 (element-actual 4) is superior in characteristic uniformity as compared with the photovoltaic element of comparative example 4 (element-ratio 4). The triple cell type photovoltaic device produced by the production method was found to have excellent characteristics, and the effect of the present invention was proved.
[0135]
In addition, by comparing Example 3 with Comparative Example 3 and comparing Example 4 with Comparative Example 4, the apparatus according to the present invention can reduce the size of the apparatus, reduce the weight of incidental equipment, and reduce the amount of material gas. It was found to be effective in reducing consumption.
[0136]
【The invention's effect】
According to the present invention, a structure in which a first conductive semiconductor layer made of non-single crystal, an i-type semiconductor layer, and a second conductive semiconductor layer are sequentially laminated on a continuously moving conductive belt-like member. In forming a photovoltaic device having one or more sets of
As a discharge vessel used for forming the i-type semiconductor layer,
Using a discharge vessel equipped with a threshold cathode electrode aligned perpendicular to the moving direction of the strip member, the cathode potential (self-bias) at the time of discharge is set to a positive potential, and a material gas is introduced between adjacent threshold electrodes, By flowing in the direction perpendicular to the substrate transport direction (substrate width) along the threshold electrode, and by changing the composition ratio (mixing ratio) of the material gases along the substrate transport direction, the i-type semiconductor layer The film composition can be precisely controlled in the film thickness direction.
[0137]
In addition, by adopting the above i-type semiconductor layer, a large number of photovoltaic elements having high photoelectric conversion efficiency, high quality and excellent uniformity over a large area, and more reproducible and less defective are stabilized Can be produced.
[0138]
Furthermore, it is possible to reduce the size of the forming apparatus and reduce the amount of material gas used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structure inside a discharge vessel constituting a forming apparatus of the present invention.
2 is a schematic bird's-eye view showing an example of the cathode electrode shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic plan view showing an example of a cathode electrode showing a position where a material gas introduction port and a gas exhaust port are provided and a material gas flow.
FIG. 4 is a schematic plan view showing another example of the cathode electrode showing the position where the material gas introduction port and the gas exhaust port are provided and the flow of the material gas.
FIG. 5 is a schematic plan view showing another example of the cathode electrode showing the position where the material gas introduction port and the gas exhaust port are provided and the flow of the material gas.
FIG. 6 is a schematic plan view showing another example of the cathode electrode showing the position where the material gas introduction port and the gas exhaust port are provided and the flow of the material gas.
FIG. 7 is a schematic plan view showing another example of the cathode electrode showing the position where the material gas introduction port and the gas exhaust port are provided and the flow of the material gas.
FIG. 8 is a schematic view showing an example of a method for supplying a material gas introduced into the discharge space.
FIG. 9 is a schematic view showing another example of a method for supplying a material gas introduced into the discharge space.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of a discharge vessel having a conventional cathode electrode.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of a photovoltaic device forming apparatus according to the present invention.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a single cell type photovoltaic device formed by the apparatus and method according to the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a triple cell type photovoltaic device formed by the apparatus and method according to the present invention.
14 is a schematic cross-sectional view of a conventional single cell type photovoltaic element used in Comparative Example 3. FIG.
15 is a schematic cross-sectional view of a conventional triple cell photovoltaic element used in Comparative Example 4. FIG.
16 is a depth profile of the composition analysis by SIMS of the deposited films prepared in Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
17 is a band profile of a deposited film manufactured in Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
100 vacuum vessel,
101 strip members,
103a, 103b, 103c heater,
104a, 104b, 104c gas introduction pipes,
107 cathode electrode,
124n, 124, 124p lamp heater,
129n, 129, 129p, 130 gas gate,
131n, 131, 131p, 132 gas gate introduction pipes,
301, 302 vacuum vessel,
303, 304 bobbins,
305, 306 idle roller,
307, 308 conductance valve,
310, 311 exhaust pipe,
314, 315 pressure gauge,
513 exhaust pipe,
601 and 602 vacuum containers,
603, 604 cathode electrode,
605, 606 gas introduction pipe,
607, 608 exhaust pipe,
1000 conductive strip member,
1001 vacuum vessel,
1002 cathode electrode,
1003 threshold electrode,
1004 Ground (anode) electrode,
1005 lamp heater,
1006 exhaust port,
1007 gas introduction pipe,
1008 Gas gate,
1009 Insulating insulator,
1010 discharge space,
1011 Mass flow controller,
1012 Gas cylinder,
1013 gas mixing section,
2000 conductive strip member,
2001 vacuum vessel,
2002 cathode electrode,
2004 Ground (anode) electrode,
2005 lamp heater,
2006 exhaust vent,
2007 gas introduction pipe,
2008 Gas gate
2009 Insulating insulator
2010 Discharge space
4001 SUS substrate,
4002 Ag thin film,
4003 ZnO thin film,
4004 a first conductivity type layer;
4005 i-type layer,
4006 second conductivity type layer;
4007 ITO,
4008 current collecting electrode,
5001 SUS board
5002 Ag thin film,
5003 ZnO thin film,
5004 a first conductivity type layer;
5005 first i-type layer;
5006 second conductivity type layer;
5007 first conductivity type layer;
5008 second i-type layer;
5009 second conductivity type layer;
5010 first conductivity type layer;
5011 third i-type layer,
5012 second conductivity type layer;
5013 ITO,
5014 current collecting electrode,
6001 SUS substrate,
6002 Ag thin film,
6003 ZnO thin film,
6004 a first conductivity type layer;
6005 a first buffer layer,
6006 i-type layer,
6007 second buffer layer,
6008 second conductivity type layer;
6009 ITO,
6010 current collecting electrode,
7001 SUS substrate,
7002 Ag thin film,
7003 ZnO thin film,
7004 a first conductivity type layer;
7005 a first buffer layer;
7006 a first i-type layer,
7007 a second buffer layer,
7008 second conductivity type layer;
7009 a first conductivity type layer;
7010 first buffer layer,
7011 a second i-type layer,
7012 a second buffer layer;
7013 second conductivity type layer;
7014 a first conductivity type layer;
7015 a third i-type layer,
7016 second conductivity type layer;
7017 ITO,
7018 Current collecting electrode.

Claims (4)

連続的に移動する導電性の帯状部材上に、非単結晶からなる第1の導電型半導体層、i型半導体層、及び第2の導電型半導体層を順次積層した構造体を1組以上有する光起電力素子の形成装置において、
前記i型半導体層の形成に用いる放電容器は、放電空間に設置された高周波電力印加電極(以下カソード電極と呼ぶ)の放電空間における表面積が、前記帯状部材の表面積を含むアノード電極全体の放電空間における表面積よりも大きく、グロー放電生起時におけるカソード電極の電位(以下自己バイアスと呼ぶ)が前記帯状部材を含む接地されたアノード電極に対して+30V以上の正電位を維持することができ、なおかつ、フィン状の形状をした前記カソード電極の一部(以下しきり状電極と呼ぶ)は前記帯状部材の搬送方向に垂直に複数設置され、前記しきり状電極各々の間隔は隣り合う前記しきり状電極の間における放電が生起維持するに充分な間隔を有するカソード構造と、前記i型半導体層の形成に用いる材料ガスを隣り合うしきり状電極の間のカソード電極表面からしきり状電極によって仕切られた放電空間それぞれへ導入するとともに、前記しきり状電極に沿って帯状部材の移動方向とは直交する方向(帯状部材の幅方向)に流し、前記カソード電極に高周波電力を印加して前記材料ガスをプラズマ放電によって分解する機構とを備えたことを特徴とする光起電力素子の形成装置。
One or more sets of structures in which a first conductive semiconductor layer made of non-single crystal, an i-type semiconductor layer, and a second conductive semiconductor layer are sequentially stacked on a conductive belt-like member that moves continuously. In the photovoltaic device forming apparatus,
The discharge vessel used for forming the i-type semiconductor layer has a discharge space of the whole anode electrode in which the surface area in the discharge space of a high-frequency power application electrode (hereinafter referred to as a cathode electrode) installed in the discharge space includes the surface area of the strip-shaped member. The surface potential of the cathode electrode when glow discharge occurs (hereinafter referred to as self-bias) can be maintained at a positive potential of +30 V or more with respect to the grounded anode electrode including the belt-shaped member, and A plurality of the fin-shaped cathode electrodes (hereinafter referred to as “threshold electrodes”) are provided in a plurality perpendicular to the conveying direction of the strip-shaped member, and the spacing between the respective thru-shaped electrodes is between the adjacent thru-shaped electrodes. The cathode structure having a sufficient interval for maintaining discharge in the substrate and the material gas used for forming the i-type semiconductor layer are adjacent to each other. Is introduced into each discharge space partitioned by the partition-like electrodes from the surface of the cathode electrode between Jo electrodes, flows in a direction perpendicular (the width direction of the belt-shaped member) to the moving direction of the belt-shaped member along said partition-like electrodes A device for forming a photovoltaic device, comprising: a mechanism for applying high-frequency power to the cathode electrode to decompose the material gas by plasma discharge.
前記しきり状電極間の放電空間に複数種の材料ガスを導入する際、前記複数種の材料ガスをそれぞれ独立して前記放電空間に導くガス供給手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光起電力素子の形成装置。2. The gas supply device according to claim 1 , further comprising gas supply means for independently introducing the plurality of types of material gases into the discharge space when the plurality of types of material gases are introduced into the discharge space between the threshold electrodes. The photovoltaic device formation apparatus as described. 連続的に移動する導電性の帯状部材上に、非単結晶からなる第1の導電型半導体層、i型半導体層、及び第2の導電型半導体層を順次積層した構造体を1組以上有する光起電力素子の形成方法において、
前記i型半導体層の形成に用いる放電容器として、放電空間に設置された高周波電力印加電極(以下カソード電極と呼ぶ)の放電空間における表面積が、前記帯状部材の表面積を含むアノード電極全体の放電空間における表面積よりも大きな構造を有し、グロー放電生起時におけるカソード電極の電位(以下自己バイアスと呼ぶ)が前記帯状部材を含む接地されたアノード電極に対して+30V以上の正電位を維持することができ、なおかつ、フィン状の形状をした前記カソード電極の一部(以下しきり状電極と呼ぶ)は前記帯状部材の搬送方向に垂直に複数設置され、前記しきり状電極各々の間隔は隣り合う前記しきり状電極の間における放電が生起維持するに充分な間隔を有するカソード構造を有する放電容器を備えた光起電力素子の形成装置を用い、前記i型半導体層の形成に用いる材料ガスを隣り合うしきり状電極の間のカソード電極表面からしきり状電極によって仕切られた放電空間それぞれへ導入するとともに、前記しきり状電極に沿って帯状部材の移動方向とは直交する方向(帯状部材の幅方向)に流しながら、前記カソード電極に高周波電力を印加して前記材料ガスをプラズマ放電によって分解することによって前記i型半導体層を形成することを特徴とする光起電力素子の形成方法。
One or more sets of structures in which a first conductive semiconductor layer made of non-single crystal, an i-type semiconductor layer, and a second conductive semiconductor layer are sequentially stacked on a conductive belt-like member that moves continuously. In the method of forming a photovoltaic device,
As a discharge vessel used for forming the i-type semiconductor layer, the surface area of the discharge space of a high-frequency power application electrode (hereinafter referred to as a cathode electrode) installed in the discharge space is the discharge space of the entire anode electrode including the surface area of the strip-shaped member. The cathode electrode potential (hereinafter referred to as self-bias) when glow discharge occurs is maintained at a positive potential of +30 V or more with respect to the grounded anode electrode including the belt-like member. In addition, a plurality of fin-shaped cathode electrodes (hereinafter referred to as “threshold electrodes”) are provided in a plurality perpendicular to the transport direction of the belt-like member, and the intervals between the respective threshold electrodes are adjacent to each other. Of a photovoltaic device with a discharge vessel having a cathode structure with sufficient spacing to cause and maintain a discharge between the electrode-like electrodes The apparatus is used to introduce a material gas used for forming the i-type semiconductor layer from the cathode electrode surface between adjacent threshold electrodes into each discharge space partitioned by the threshold electrodes, and along the threshold electrodes. The i-type semiconductor layer is formed by applying high-frequency power to the cathode electrode and decomposing the material gas by plasma discharge while flowing in a direction perpendicular to the moving direction of the band-shaped member (width direction of the band-shaped member). A method for forming a photovoltaic element, comprising:
前記しきり状電極間の放電空間に導入する材料ガスを複数種設け、それぞれ独立して前記放電空間に導くことで、帯状部材の移動方向に沿って導入される材料ガスの組成比(混合比)を変えて前記i型半導体層を形成することを特徴とする請求項3に記載の光起電力素子の形成方法。  A composition ratio (mixing ratio) of the material gases introduced along the moving direction of the belt-shaped member by providing a plurality of kinds of material gases to be introduced into the discharge space between the threshold electrodes and independently introducing them into the discharge space. The method of forming a photovoltaic element according to claim 3, wherein the i-type semiconductor layer is formed by changing the thickness of the photovoltaic element.
JP30677397A 1997-11-10 1997-11-10 Photovoltaic element forming apparatus and forming method Expired - Fee Related JP3690772B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP30677397A JP3690772B2 (en) 1997-11-10 1997-11-10 Photovoltaic element forming apparatus and forming method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP30677397A JP3690772B2 (en) 1997-11-10 1997-11-10 Photovoltaic element forming apparatus and forming method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH11145492A JPH11145492A (en) 1999-05-28
JP3690772B2 true JP3690772B2 (en) 2005-08-31

Family

ID=17961115

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP30677397A Expired - Fee Related JP3690772B2 (en) 1997-11-10 1997-11-10 Photovoltaic element forming apparatus and forming method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3690772B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10060002B4 (en) * 1999-12-07 2016-01-28 Komatsu Ltd. Device for surface treatment

Also Published As

Publication number Publication date
JPH11145492A (en) 1999-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4208281B2 (en) Multilayer photovoltaic device
EP0661760B1 (en) Method and apparatus for forming deposited film
US6530341B1 (en) Deposition apparatus for manufacturing thin film
US6159763A (en) Method and device for forming semiconductor thin film, and method and device for forming photovoltaic element
US6482668B2 (en) Process for producing photovoltaic device
KR19980024365A (en) Photovoltaic element, manufacturing method and apparatus thereof
US6495392B2 (en) Process for producing a semiconductor device
JP3684013B2 (en) Semiconductor thin film and photovoltaic device manufacturing apparatus
JP3690772B2 (en) Photovoltaic element forming apparatus and forming method
JP3068963B2 (en) Deposition film production equipment
JP3684012B2 (en) Method for producing photovoltaic element
JP3181121B2 (en) Deposition film formation method
JP3679494B2 (en) Non-single crystal semiconductor thin film forming apparatus and method
JP3554314B2 (en) Deposition film formation method
JP3683999B2 (en) Method and apparatus for forming non-single crystal semiconductor thin film
JP2000192245A (en) Formation of deposition film by microwave plasma cvd method
JP2001098382A (en) Method of depositing deposition film
JP3403039B2 (en) Apparatus and method for manufacturing thin film semiconductor by plasma CVD method
JP2007189266A (en) Stacked photovoltaic element
JP3406930B2 (en) Deposition film formation method
JP3483549B2 (en) Deposited film forming method and deposited film forming apparatus
JP3403001B2 (en) Apparatus and method for manufacturing thin film semiconductor by plasma CVD method
JPH0878705A (en) Photoelectromotive element
JP3403038B2 (en) Apparatus and method for manufacturing thin film semiconductor by plasma CVD method
JP2002009319A (en) Deposition film-forming apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20041208

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050204

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050330

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050513

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050608

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20050613

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080624

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090624

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090624

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100624

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110624

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120624

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees