JP3978121B2 - Method for manufacturing thin film solar cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は,薄膜太陽電池に関し,本発明は,pin構造を有する微結晶シリコン薄膜太陽電池のi型シリコン層の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜太陽電池として,pin構造を有する微結晶シリコン薄膜太陽電池が知られている。かかる薄膜太陽電池は,p型微結晶シリコン層(多結晶シリコン層)と,i型微結晶シリコン層と,n型微結晶シリコン層とを含んで構成される。これらの層は,p型層,i型層,n型層の順,又は,その逆の順に形成される。i型層は,光電効果によってキャリア(即ち,電子及び正孔)を生成する機能を有し,p型層及びn型層は,i型層に内部電界を印加して電子及び正孔を分離する機能を有している。
【0003】
かかる薄膜太陽電池の形成は,典型的には,以下の手順によって行われる。基板の上に,電極が形成された後,該電極の上に,p型又はn型の第1微結晶シリコン層が形成される。続いて,第1微結晶シリコン層の上に,i型微結晶シリコン層が形成され,更に,第1微結晶シリコン層と反対導電型の第3微結晶シリコン層が形成される。第1,第2及び第3微結晶シリコン層の形成は,シランガス及び水素ガスを原料ガスとして使用するプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によって行われる。
【0004】
薄膜太陽電池の効率の向上のためには,i型微結晶シリコン層の結晶粒の粒径を大きくすることが有効である。大きな結晶粒は,i型微結晶シリコン層におけるキャリアの生成効率を増大し,薄膜太陽電池の効率を有効に向上する。
【0005】
結晶粒の粒径の増大は,原料ガスに占める水素ガスの割合が比較的低い条件の下でシリコン薄膜を形成することによって達成し得る。しかし,かかる条件でi型微結晶シリコン層を形成すると,i型微結晶シリコン層の形成の初期段階において,アモルファスシリコンが形成されやすい。即ち,i型微結晶シリコン層と,その下にある第1微結晶シリコン層との界面においてアモルファスシリコンが形成されやすい。アモルファスシリコンの中ではキャリアは再結合しやすいため,キャリアがp型層又はn型層に到達する効率が低下する。したがって,界面におけるアモルファスシリコンの存在は,薄膜太陽電池の変換効率を低下させる。
【0006】
i型微結晶シリコン層の形成の初期段階におけるアモルファスシリコンの形成を効果的に抑制する技術の提供が望まれる。
【0007】
本願に関連し得る技術として,非特許文献1は,i型アモルファスシリコンの上にp型微結晶シリコン層を形成する前に,i型アモルファスシリコンの表面を,二酸化炭素プラズマ,又は水素プラズマを用いてプラズマ処理する技術を開示している。二酸化炭素プラズマ,又は水素プラズマを用いたプラズマ処理は,p型微結晶シリコン層の核形成を最適化し,良好な特性を有するp型微結晶シリコン層の形成を可能にする。しかし非特許文献1には,i型微結晶シリコン層の形成については何らの記載もない。
【0008】
【非特許文献1】
P. Pernet, M. Goetz, H. Keppner, and A. Shar, Growth of Thin <p> μc-Si:H on Intrinsic a-Si:H for <nip> Solar Cells Application, "Proceedings of the MRS Symposium, Fall Meeting", December 1996, Boston, 1997, vol. 452, p.889-894.
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は,pin構造を有する微結晶シリコン太陽電池のi型微結晶シリコン層の形成の初期段階におけるアモルファスシリコンの形成を効果的に抑制する技術を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
以下に,[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて,課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は,[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し,付加された番号・符号は,[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【0015】
本発明による薄膜太陽電池製造方法は,
基板(1,21)の上面側に,第1導電型の第1シリコン層(3,24)を形成することと,
第1シリコン層(3,24)を,酸素含有雰囲気に曝露して第1シリコン層(3,24)の表面部に酸化処理層(4,25)を形成することと,
水素ガスを含む原料ガスを使用するプラズマCVDによって、酸化処理層(4,25)の上に,真性,且つ,微結晶の第2シリコン層(5,26)を形成することと,
第2シリコン層(5,26)の上に,第1導電型と反対導電型である第2導電型の第3シリコン層(6,27)を形成すること
とを備えている。前記第2微結晶シリコン層は、前記第1シリコン層の上に直接形成された場合には形成の初期段階においてアモルファスシリコンが形成される程度に前記原料ガスに占める水素ガスの割合が低い条件で形成される。酸化処理層(4,25)を第1シリコン層(3,24)の表面部に形成することは,微結晶シリコン膜である第2シリコン層(5,26)の形成の初期段階においてアモルファスシリコンが形成されることを効果的に防止する。第2シリコン層(5,26)からのアモルファスシリコンの排除は,当該薄膜太陽電池の変換効率を有効に向上する。
【0016】
製造工程を簡便にする観点から酸化シリコン層(4,25)の形成に使用される酸素雰囲気は,大気であることが好適である。
【0017】
当該薄膜太陽電池製造方法が,酸化シリコン層(4,25)の形成に使用される酸素雰囲気に含まれる水蒸気の量を制御することを含むことは,酸化シリコン層(4,25)の厚さを安定化できるため好適である。より具体的には,該酸素雰囲気として,乾燥空気が使用されることが好適である。
【0018】
該酸素雰囲気として,乾燥空気が使用される場合,当該薄膜太陽電池製造方法は,更に,第1シリコン層(3,24)を酸素雰囲気に曝露する間に,第1シリコン層(3,24)を加熱することを備えることが好適である。乾燥空気による酸化シリコン層(4,25)の形成は,酸化シリコン層(4,25)の厚さを安定化する点で好適である一方,乾燥空気によるシリコンの酸化速度は,水蒸気を含む酸素雰囲気によるシリコンの酸化速度よりも遅い。第1シリコン層(3,24)を加熱することにより,シリコンの酸化速度を補うことができる。
【0019】
薄膜太陽電池の動作を妨げないためには,酸化シリコン層(4,25)は,トンネル電流が流れる程度に薄いことが好適である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下,添付図面を参照しながら,本発明による薄膜太陽電池及びその製造方法の実施の一形態を説明する。
【0021】
(実施の第1形態)
図1は,本発明による薄膜太陽電池の実施の第1形態を示す。透明,且つ絶縁性のガラス基板1の上に,透明,且つ導電性のTCO(Transparent Conductive Oxide)層2が形成されている。TCO層2の上には,p型微結晶シリコン層3が形成されている。p型微結晶シリコン層3の上面(ガラス基板1と反対側の面)には,酸化処理層4が設けられている。酸化処理層4は,p型微結晶シリコン層3の表面部を,酸素を含む酸素雰囲気中で酸化処理することによって形成された,薄い酸化シリコン膜である。酸化処理層4の上には,i型微結晶シリコン層5が形成されている。後述されるように,酸化処理層4は,その上に形成されるi型微結晶シリコン層5の形成初期におけるアモルファスシリコン(非結晶相シリコン)の形成を効果的に防止する役割を果たす。酸化処理層4は極めて薄く,酸化処理層4の厚さはトンネル電流が容易に流れる程度に薄い。i型微結晶シリコン層5の上には,n型微結晶シリコン層6,ZnO層7,及びAg層8が順次に形成されている。
【0022】
発電に使用される太陽光は,ガラス基板1及びTCO層2を介してp型微結晶シリコン3,i型微結晶シリコン層5,及びn型微結晶シリコン層6に入射される。太陽光がこれらの微結晶シリコン層に入射すると,光起電力効果によって電力が発生する。酸化処理層4の厚さは極めて薄いため,酸化処理層4は,薄膜太陽電池の動作に悪影響を及ぼさない。
【0023】
図1の薄膜太陽電池は,下記工程によって形成される。ガラス基板1の上にTCO層2が形成された後,シランガス及び水素ガスを原料ガスとして使用するプラズマCVDによってp型微結晶シリコン層3が形成される。
【0024】
p型微結晶シリコン層3の形成の後,p型微結晶シリコン層3の表面は,酸素を含む酸素含有雰囲気,典型的には大気に曝露される。酸素含有雰囲気への曝露により,p型微結晶シリコン3の表面は酸化され,p型微結晶シリコン3の表面には極めて薄い酸化処理層4が形成される。
【0025】
酸化処理層4の形成の後,シランガス及び水素ガスを原料ガスとして使用するプラズマCVDによってi型微結晶シリコン層5が形成される。i型微結晶シリコン層5の形成は,原料ガスに占める水素ガスの割合が比較的に低い条件で行われる。これにより,大きな結晶粒を有するi型微結晶シリコン層5が形成される。
【0026】
従来の技術に記載されているように,原料ガスに占める水素ガスの割合が比較的に低い条件でシリコン層を成長すると,該シリコン層はアモルファスになりやすい。しかし,本実施の形態では,酸化処理層4が設けられていることによってアモルファスシリコンの形成が抑制され,i型微結晶シリコン層5からアモルファスシリコンが排除される。したがって,本実施の形態の薄膜態様電池の製造方法は、大きな結晶粒を有するi型微結晶シリコン層5を,アモルファスシリコンを排除しながら形成することが可能である。
【0027】
i型微結晶シリコン層5の形成の後,n型微結晶シリコン層6,ZnO層7,及びAg層8が順次に形成され,本実施の形態の薄膜太陽電池の形成が完了する。
【0028】
図2は,薄膜太陽電池の変換効率の,p型微結晶シリコン層3を大気に曝露する時間に対する依存性を示すグラフである。大気の湿度は50%であり,温度は25℃である。図2のグラフは,湿度が50%であり,温度が25℃である場合,12〜36時間の大気曝露によって薄膜太陽電池の変換効率が効果的に向上されることを示している。即ち,酸化処理層4の挿入により,薄膜太陽電池の変換効率が効果的に向上される。
【0029】
更に,発明者は,酸化処理層4の挿入により,短絡光電流,開放電圧,及び形状因子のすべてを向上することができることを実験によって実証している。
【0030】
図1の構造は,特に,太陽光の短波長成分の変換効率の向上に有効である。本実施の形態では,発電に使用される太陽光はガラス基板1の側から入射されるから,短波長成分は,主にi型微結晶シリコン層5のp型微結晶シリコン層3に近い部分で吸収される。酸化処理層4の挿入により,i型微結晶シリコン層5のp型微結晶シリコン層3に近い部分からアモルファスシリコンが排除され,これにより,短波長の光の変換効率が向上される。
【0031】
酸化処理層4の形成を安定化するためには,p型微結晶シリコン層3が曝露される酸素含有雰囲気に含まれる水蒸気の量がコントロールされていることが好適である。広く知られているように,水蒸気の量はシリコンの酸化反応の速度に対する影響が大きい。
【0032】
例えば,p型微結晶シリコン層3の酸化処理は,乾燥空気中で行われることが好適である。水蒸気が排除された乾燥空気中では,酸化処理層4の厚さを安定に形成可能である。但し,水蒸気が排除されていることにより,シリコンの酸化反応の速度は低下する。乾燥空気中でp型微結晶シリコン層3の酸化処理が行われる場合,低い温度での加熱が行われることが好ましい。典型的には,乾燥空気が使用される場合,p型微結晶シリコン層3の酸化処理は,100℃から200℃で行われることが好適である。
【0033】
以上に説明されているように,本実施の形態の薄膜太陽電池及びその製造方法では,p型微結晶シリコン層3の表面の酸化処理により,p型微結晶シリコン層3の上に酸化処理層4が形成される。この酸化処理層4は,i型微結晶シリコン層5の形成の初期段階におけるアモルファスシリコンの生成を抑制する。これにより,薄膜太陽電池の変換効率,短絡光電流,開放電圧,及び形状因子のすべてを向上することができる。
【0034】
更に変換効率を向上するためには,図3に示されているように,p型アモルファスシリコン層9,i型アモルファスシリコン層10,及びn型アモルファスシリコン層11が,TCO層2とp型微結晶シリコン層3の間に設けられることが好適である。p型アモルファスシリコン層9は,TCO層2の上に形成され,i型アモルファスシリコン層10は,p型アモルファスシリコン層9の上に形成され,n型アモルファスシリコン層11は,i型アモルファスシリコン層10の上に形成される。この場合でも,酸化処理層4の挿入により,600〜650nmの波長範囲における変換効率が向上することが確認されている。
【0035】
(実施の第2形態)
図4は,本発明による薄膜太陽電池の実施の第2形態を示す。透明,且つ絶縁性のガラス基板21の上に,金属電極層22及びZnO層23が順次に形成されている。ZnO層23の上には,n型微結晶シリコン層24が形成されている。n型微結晶シリコン層24の上面(ガラス基板21と反対側の面)には,酸化処理層25が設けられている。酸化処理層25は,n型微結晶シリコン層24の表面部を,酸素を含む雰囲気中で酸化処理することによって形成された,薄い酸化シリコン膜である。酸化処理層25の上には,i型微結晶シリコン層26が形成されている。酸化処理層25は,実施の第1形態の酸化処理層4と同様に,i型微結晶シリコン層26の下面(ガラス基板21と同じ側の面)におけるアモルファスシリコンシリコンの形成を効果的に防止する役割を果たす。酸化処理層25は極めて薄く,酸化処理層25の厚さはトンネル電流が容易に流れる程度に薄い。i型微結晶シリコン層26の上には,p型微結晶シリコン層27,及びZnO層28が順次に形成されている。ZnO層28の上には,Ag層29が形成されている。Ag層29は,ZnO層28の上面の全体を被覆していない。
【0036】
発電に使用される太陽光は,ZnO層28のうち,Ag層29によって被覆されていない部分を介してp型微結晶シリコン層27,i型微結晶シリコン層26,及びn型微結晶シリコン層24に入射される。太陽光がこれらの微結晶シリコン層に入射すると,光起電力効果によって電力が発生する。
【0037】
図4の薄膜太陽電池は,下記工程によって形成される。ガラス基板21の上に金属電極層22とZnO層23が順次に形成された後,シランガス及び水素ガスを原料ガスとして使用するプラズマCVDによってn型微結晶シリコン層24が形成される。
【0038】
n型微結晶シリコン層24の形成の後,n型微結晶シリコン層24の表面は,酸素を含む酸素含有雰囲気,典型的には大気に曝露される。酸素含有雰囲気への曝露により,n型微結晶シリコン層24の表面は酸化され,n型微結晶シリコン層24の表面には極めて薄い酸化処理層25が形成される。
【0039】
酸化処理層25の形成の後,シランガス及び水素ガスを原料ガスとして使用するプラズマCVDによってi型微結晶シリコン層26が形成される。i型微結晶シリコン層26の形成は,原料ガスに占める水素ガスの割合が比較的に低い条件で行われる。これにより,大きな結晶粒を有するi型微結晶シリコン層26が形成される。更に,酸化処理層25が設けられていることにより,i型微結晶シリコン層26の形成初期段階におけるアモルファスシリコンの形成が抑制され,i型微結晶シリコン層26からアモルファス相が排除される。これにより,大きな結晶粒を有するi型微結晶シリコン層26を,アモルファスシリコンを排除しながら形成することが可能である。
【0040】
i型微結晶シリコン層26の形成の後,n型微結晶シリコン層27,ZnO層28,及びAg層29が順次に形成され,本実施の形態の薄膜太陽電池の形成が完了する。
【0041】
図5は,薄膜太陽電池の変換効率の,n型微結晶シリコン層24を大気に曝露する時間に対する依存性を示すグラフである。大気の湿度は50%であり,温度は25℃である。図5のグラフは,湿度が50%であり,温度が25℃である場合,12〜36時間の大気曝露によって薄膜太陽電池の変換効率が効果的に向上されることを示している。即ち,酸化処理層25の挿入により,薄膜太陽電池の変換効率が効果的に向上される
【0042】
図5の構造は,特に,太陽光の長波長成分の変換効率の向上に有効である。本実施の形態では,発電に使用される太陽光はZnO層28の側から入射されるから,短波長成分は,主にi型微結晶シリコン層26のp型微結晶シリコン層27に近い部分で吸収される。酸化処理層25が設けられている部分の近傍では,主として長波長成分が発電に利用される。n型微結晶シリコン層24の上に酸化処理層25を設けることにより,長波長成分から電力を発生する部分からアモルファスシリコンが排除され,長波長成分の変換効率が効果的に向上される。
【0043】
実施の第1形態と同様に,酸化処理層25の形成を安定化するためには,n型微結晶シリコン層24が曝露される酸素含有雰囲気に含まれる水蒸気の量がコントロールされていることが好適である。特に,n型微結晶シリコン層24の酸化処理が乾燥空気中で行われることは,酸化処理層4の厚さを安定に形成可能である点で好適である。乾燥空気中でn型微結晶シリコン層24の酸化処理が行われる場合,低い温度での加熱が行われることが好ましい。典型的には,乾燥空気が使用される場合,n型微結晶シリコン層24の酸化処理は,100℃から200℃で行われることが好適である。
【0044】
以上に説明されているように,本実施の形態の薄膜太陽電池及びその製造方法では,n型微結晶シリコン層24の表面の酸化処理により,n型微結晶シリコン層24の上に酸化処理層25が形成される。この酸化処理層25は,i型微結晶シリコン層26の形成の初期段階におけるアモルファスシリコンの生成を抑制する。これにより,薄膜太陽電池の変換効率,短絡光電流,開放電圧,及び形状因子のすべてを向上することができる。
【0045】
更に変換効率を向上するためには,図6に示されているように,n型アモルファスシリコン層30,i型アモルファスシリコン層31,及びp型アモルファスシリコン層32が,p型微結晶シリコン層27とZnO層28の間に設けられることが好適である。n型アモルファスシリコン層30は,p型微結晶シリコン層27の上に形成され,i型アモルファスシリコン層31は,n型アモルファスシリコン層30の上に形成され,p型アモルファスシリコン層32は,i型アモルファスシリコン層31の上に形成される。図6の構造は,短波長成分を発電により有効に活用することが可能であり,薄膜太陽電池の効率を効果的に向上する。
【0046】
【発明の効果】
本発明により,pin構造を有する微結晶シリコン太陽電池のi型微結晶シリコン層の形成の初期段階におけるアモルファスシリコンの形成を効果的に抑制する技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は,本発明による薄膜太陽電池の実施の第1形態を示す断面図である。
【図2】図2は,実施の第1形態の薄膜太陽電池の変換効率の,大気曝露時間に対する依存性を示すグラフである。
【図3】図3は,実施の第1形態の薄膜太陽電池の変形例を示す断面図である。
【図4】図4は,本発明による薄膜太陽電池の実施の第2形態を示す断面図である。
【図5】図5は,実施の第2形態の薄膜太陽電池の変換効率の,大気曝露時間に対する依存性を示すグラフである。
【図6】図6は,実施の第2形態の薄膜太陽電池の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
1:ガラス基板
2:TCO層
3:p型微結晶シリコン層
4:酸化処理層
5:i型微結晶シリコン層
6:n型微結晶シリコン層
7:ZnO層
8:Ag層
9:p型アモルファスシリコン層
10:i型アモルファスシリコン層
11:n型微結晶シリコン層
21:ガラス基板
22:金属電極層
23:ZnO層
24:n型微結晶シリコン層
25:酸化処理層
26:i型微結晶シリコン層
27:p型微結晶シリコン層
28:ZnO層
29:Ag層
30:n型微結晶シリコン層
31:i型アモルファスシリコン層
32:p型アモルファスシリコン層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film solar cell, and the present invention relates to an improvement of an i-type silicon layer of a microcrystalline silicon thin film solar cell having a pin structure.
[0002]
[Prior art]
As a thin film solar cell, a microcrystalline silicon thin film solar cell having a pin structure is known. Such a thin film solar cell includes a p-type microcrystalline silicon layer (polycrystalline silicon layer), an i-type microcrystalline silicon layer, and an n-type microcrystalline silicon layer. These layers are formed in the order of p-type layer, i-type layer, and n-type layer, or vice versa. The i-type layer has a function of generating carriers (that is, electrons and holes) by the photoelectric effect, and the p-type layer and the n-type layer separate the electrons and holes by applying an internal electric field to the i-type layer. It has a function to do.
[0003]
Such a thin film solar cell is typically formed by the following procedure. After an electrode is formed on the substrate, a p-type or n-type first microcrystalline silicon layer is formed on the electrode. Subsequently, an i-type microcrystalline silicon layer is formed on the first microcrystalline silicon layer, and further, a third microcrystalline silicon layer having a conductivity type opposite to that of the first microcrystalline silicon layer is formed. The first, second and third microcrystalline silicon layers are formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) using silane gas and hydrogen gas as source gases.
[0004]
In order to improve the efficiency of the thin film solar cell, it is effective to increase the grain size of the i-type microcrystalline silicon layer. Large crystal grains increase the efficiency of carrier generation in the i-type microcrystalline silicon layer and effectively improve the efficiency of the thin-film solar cell.
[0005]
The increase in the grain size of the crystal grains can be achieved by forming a silicon thin film under conditions where the proportion of hydrogen gas in the source gas is relatively low. However, if the i-type microcrystalline silicon layer is formed under such conditions, amorphous silicon is likely to be formed in the initial stage of forming the i-type microcrystalline silicon layer. That is, amorphous silicon is easily formed at the interface between the i-type microcrystalline silicon layer and the first microcrystalline silicon layer therebelow. Since carriers easily recombine in amorphous silicon, the efficiency with which carriers reach the p-type layer or the n-type layer decreases. Therefore, the presence of amorphous silicon at the interface reduces the conversion efficiency of the thin film solar cell.
[0006]
It is desired to provide a technique for effectively suppressing the formation of amorphous silicon in the initial stage of forming the i-type microcrystalline silicon layer.
[0007]
As a technology that can be related to the present application, Non-Patent Document 1 uses carbon dioxide plasma or hydrogen plasma on the surface of i-type amorphous silicon before forming a p-type microcrystalline silicon layer on i-type amorphous silicon. Discloses a technique for plasma processing. Plasma treatment using carbon dioxide plasma or hydrogen plasma optimizes the nucleation of the p-type microcrystalline silicon layer and enables the formation of a p-type microcrystalline silicon layer having good characteristics. However, Non-Patent Document 1 has no description about the formation of the i-type microcrystalline silicon layer.
[0008]
[Non-Patent Document 1]
P. Pernet, M. Goetz, H. Keppner, and A. Shar, Growth of Thin <p> μc-Si: H on Intrinsic a-Si: H for <nip> Solar Cells Application, "Proceedings of the MRS Symposium, Fall Meeting ", December 1996, Boston, 1997, vol. 452, p.889-894.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a technique for effectively suppressing the formation of amorphous silicon in the initial stage of forming an i-type microcrystalline silicon layer of a microcrystalline silicon solar cell having a pin structure.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the [Embodiments of the Invention]. These numbers and symbols are added to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Embodiments of the Invention]. However, the added numbers and symbols shall not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
[0015]
A method for producing a thin-film solar cell according to the present invention includes:
Forming a first conductivity type first silicon layer (3, 24) on the upper surface side of the substrate (1, 21);
And forming the first silicon layer (3, 24), oxidized layer on the surface portion of the first silicon layer is exposed to an oxygen-containing atmosphere (3, 24) and (4, 25),
By plasma CVD using a material gas containing hydrogen gas, on the oxidized layer (4, 25), the intrinsic and, forming a second silicon layer of the microcrystalline (5,26),
Forming a third silicon layer (6, 27) of a second conductivity type opposite to the first conductivity type on the second silicon layer (5, 26). When the second microcrystalline silicon layer is formed directly on the first silicon layer, the ratio of hydrogen gas to the source gas is low enough to form amorphous silicon in the initial stage of formation. It is formed. Forming on the surface of the oxidized layer (4, 25) a first silicon layer (3, 24) is amorphous silicon in the initial stage of the formation of the second silicon layer is a microcrystalline silicon film (5,26) Is effectively prevented from forming. Exclusion of amorphous silicon from the second silicon layer (5, 26) effectively improves the conversion efficiency of the thin film solar cell.
[0016]
From the viewpoint of simplifying the manufacturing process, the oxygen atmosphere used for forming the silicon oxide layer (4, 25) is preferably air.
[0017]
The thin film solar cell manufacturing method includes controlling the amount of water vapor contained in the oxygen atmosphere used to form the silicon oxide layer (4, 25). Can be stabilized. More specifically, dry air is preferably used as the oxygen atmosphere.
[0018]
When dry air is used as the oxygen atmosphere, the thin-film solar cell manufacturing method further includes the step of exposing the first silicon layer (3, 24) while exposing the first silicon layer (3, 24) to the oxygen atmosphere. It is preferable to comprise heating. The formation of the silicon oxide layer (4, 25) by dry air is preferable in terms of stabilizing the thickness of the silicon oxide layer (4, 25), while the oxidation rate of silicon by the dry air is determined by oxygen containing water vapor. Slower than the rate of silicon oxidation by the atmosphere. By heating the first silicon layer (3, 24), the oxidation rate of silicon can be compensated.
[0019]
In order not to hinder the operation of the thin film solar cell, the silicon oxide layer (4, 25) is preferably thin enough to allow a tunnel current to flow.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a thin film solar cell and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0021]
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of a thin film solar cell according to the present invention. A transparent and conductive TCO (Transparent Conductive Oxide)
[0022]
Sunlight used for power generation is incident on the p-type microcrystalline silicon 3, the i-type
[0023]
The thin film solar cell of FIG. 1 is formed by the following process. After the
[0024]
After the formation of the p-type microcrystalline silicon layer 3, the surface of the p-type microcrystalline silicon layer 3 is exposed to an oxygen-containing atmosphere containing oxygen, typically air. By exposure to the oxygen-containing atmosphere, the surface of the p-type microcrystalline silicon 3 is oxidized, and an extremely thin oxidized layer 4 is formed on the surface of the p-type microcrystalline silicon 3.
[0025]
After the formation of the oxidized layer 4, the i-type
[0026]
As described in the prior art, when a silicon layer is grown under a condition where the proportion of hydrogen gas in the source gas is relatively low, the silicon layer tends to be amorphous. However, in this embodiment, the formation of the amorphous silicon is suppressed by providing the oxidation treatment layer 4, and the amorphous silicon is excluded from the i-type
[0027]
After the formation of the i-type
[0028]
FIG. 2 is a graph showing the dependence of the conversion efficiency of the thin film solar cell on the time during which the p-type microcrystalline silicon layer 3 is exposed to the atmosphere. The atmospheric humidity is 50% and the temperature is 25 ° C. The graph of FIG. 2 shows that when the humidity is 50% and the temperature is 25 ° C., the conversion efficiency of the thin-film solar cell is effectively improved by exposure to the atmosphere for 12 to 36 hours. That is, the conversion efficiency of the thin-film solar cell is effectively improved by inserting the oxidation treatment layer 4.
[0029]
Furthermore, the inventor has demonstrated through experiments that the short-circuit photocurrent, open-circuit voltage, and form factor can all be improved by inserting the oxidation treatment layer 4.
[0030]
The structure of FIG. 1 is particularly effective for improving the conversion efficiency of the short wavelength component of sunlight. In the present embodiment, since sunlight used for power generation is incident from the glass substrate 1 side, the short wavelength component is mainly a portion of the i-type
[0031]
In order to stabilize the formation of the oxidation treatment layer 4, it is preferable that the amount of water vapor contained in the oxygen-containing atmosphere to which the p-type microcrystalline silicon layer 3 is exposed is controlled. As is widely known, the amount of water vapor has a great influence on the rate of the oxidation reaction of silicon.
[0032]
For example, the oxidation treatment of the p-type microcrystalline silicon layer 3 is preferably performed in dry air. In dry air from which water vapor is excluded, the thickness of the oxidation treatment layer 4 can be stably formed. However, since the water vapor is excluded, the speed of the oxidation reaction of silicon decreases. When the oxidation treatment of the p-type microcrystalline silicon layer 3 is performed in dry air, heating at a low temperature is preferably performed. Typically, when dry air is used, the oxidation treatment of the p-type microcrystalline silicon layer 3 is preferably performed at 100 ° C. to 200 ° C.
[0033]
As described above, in the thin film solar cell and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, the oxidation treatment layer is formed on the p-type microcrystalline silicon layer 3 by the oxidation treatment of the surface of the p-type microcrystalline silicon layer 3. 4 is formed. This oxidation treatment layer 4 suppresses the generation of amorphous silicon in the initial stage of forming the i-type
[0034]
In order to further improve the conversion efficiency, as shown in FIG. 3, the p-type amorphous silicon layer 9, the i-type amorphous silicon layer 10, and the n-type amorphous silicon layer 11 are connected to the
[0035]
(Second embodiment)
FIG. 4 shows a second embodiment of the thin film solar cell according to the present invention. A metal electrode layer 22 and a ZnO layer 23 are sequentially formed on a transparent and insulating glass substrate 21. On the ZnO layer 23, an n-type
[0036]
Sunlight used for power generation is converted into a p-type microcrystalline silicon layer 27, an i-type microcrystalline silicon layer 26, and an n-type microcrystalline silicon layer through a portion of the ZnO layer 28 that is not covered with the
[0037]
The thin film solar cell of FIG. 4 is formed by the following process. After the metal electrode layer 22 and the ZnO layer 23 are sequentially formed on the glass substrate 21, the n-type
[0038]
After the formation of the n-type
[0039]
After the formation of the oxidation treatment layer 25, the i-type microcrystalline silicon layer 26 is formed by plasma CVD using silane gas and hydrogen gas as source gases. The i-type microcrystalline silicon layer 26 is formed under the condition that the ratio of hydrogen gas in the raw material gas is relatively low. Thereby, the i-type microcrystalline silicon layer 26 having large crystal grains is formed. Furthermore, by providing the oxidation treatment layer 25, the formation of amorphous silicon in the initial stage of formation of the i-type microcrystalline silicon layer 26 is suppressed, and the amorphous phase is excluded from the i-type microcrystalline silicon layer 26. Thereby, the i-type microcrystalline silicon layer 26 having large crystal grains can be formed while removing amorphous silicon.
[0040]
After the formation of the i-type microcrystalline silicon layer 26, an n-type microcrystalline silicon layer 27, a ZnO layer 28, and an
[0041]
FIG. 5 is a graph showing the dependence of the conversion efficiency of the thin-film solar cell on the time during which the n-type
The structure of FIG. 5 is particularly effective in improving the conversion efficiency of the long wavelength component of sunlight. In the present embodiment, since sunlight used for power generation is incident from the ZnO layer 28 side, the short wavelength component is mainly a portion of the i-type microcrystalline silicon layer 26 close to the p-type microcrystalline silicon layer 27. Absorbed in. In the vicinity of the portion where the oxidation treatment layer 25 is provided, a long wavelength component is mainly used for power generation. By providing the oxidation treatment layer 25 on the n-type
[0043]
As in the first embodiment, in order to stabilize the formation of the oxidation treatment layer 25, the amount of water vapor contained in the oxygen-containing atmosphere to which the n-type
[0044]
As described above, in the thin film solar cell and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, the oxidation treatment layer is formed on the n-type
[0045]
In order to further improve the conversion efficiency, as shown in FIG. 6, the n-type amorphous silicon layer 30, the i-type amorphous silicon layer 31, and the p-type amorphous silicon layer 32 are replaced with a p-type microcrystalline silicon layer 27. And ZnO layer 28 are preferably provided. The n-type amorphous silicon layer 30 is formed on the p-type microcrystalline silicon layer 27, the i-type amorphous silicon layer 31 is formed on the n-type amorphous silicon layer 30, and the p-type amorphous silicon layer 32 is i. It is formed on the type amorphous silicon layer 31. The structure of FIG. 6 can effectively use short wavelength components by power generation, and effectively improves the efficiency of the thin film solar cell.
[0046]
【The invention's effect】
The present invention provides a technique for effectively suppressing the formation of amorphous silicon in the initial stage of forming an i-type microcrystalline silicon layer of a microcrystalline silicon solar cell having a pin structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a thin-film solar cell according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the dependence of the conversion efficiency of the thin film solar cell of the first embodiment on the exposure time to the atmosphere.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a modification of the thin film solar cell of the first embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the thin-film solar cell according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the dependence of the conversion efficiency of the thin film solar cell of the second embodiment on the exposure time to the atmosphere.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modification of the thin film solar cell of the second embodiment.
[Explanation of symbols]
1: Glass substrate 2: TCO layer 3: p-type microcrystalline silicon layer 4: oxidation treatment layer 5: i-type microcrystalline silicon layer 6: n-type microcrystalline silicon layer 7: ZnO layer 8: Ag layer 9: p-type amorphous Silicon layer 10: i-type amorphous silicon layer 11: n-type microcrystalline silicon layer 21: glass substrate 22: metal electrode layer 23: ZnO layer 24: n-type microcrystalline silicon layer 25: oxidized layer 26: i-type microcrystalline silicon Layer 27: p-type microcrystalline silicon layer 28: ZnO layer 29: Ag layer 30: n-type microcrystalline silicon layer 31: i-type amorphous silicon layer 32: p-type amorphous silicon layer
Claims (9)
前記第1シリコン層を,酸素含有雰囲気に曝露して前記第1シリコン層の表面部に酸化処理層を形成することと,
水素ガスを含む原料ガスを使用するプラズマCVDによって,前記酸化処理層の上に,真性,且つ,微結晶の第2シリコン層を形成することと,
前記第2シリコン層の上に,前記第1導電型と反対導電型である第2導電型の第3シリコン層を形成すること
とを備え、
前記第2シリコン層は、前記第1シリコン層の上に直接形成された場合には形成の初期段階においてアモルファスシリコンが形成される程度に前記原料ガスに占める水素ガスの割合が低い条件で,且つ,前記第2シリコン層にアモルファスシリコンが形成されないように形成される
薄膜太陽電池製造方法。Forming a first conductivity type first silicon layer on the upper surface side of the substrate;
Exposing the first silicon layer to an oxygen-containing atmosphere to form an oxidation treatment layer on a surface portion of the first silicon layer;
Forming an intrinsic and microcrystalline second silicon layer on the oxidized layer by plasma CVD using a source gas containing hydrogen gas;
Forming a third silicon layer of a second conductivity type opposite to the first conductivity type on the second silicon layer,
When the second silicon layer is formed directly on the first silicon layer, the ratio of hydrogen gas in the source gas is low enough to form amorphous silicon in the initial stage of formation , and , A method of manufacturing a thin film solar cell , wherein amorphous silicon is not formed on the second silicon layer .
前記酸素含有雰囲気は,大気である
薄膜太陽電池製造方法。In the thin-film solar cell manufacturing method according to claim 1,
The method for producing a thin film solar cell, wherein the oxygen-containing atmosphere is air.
更に,
前記酸素含有雰囲気に含まれる水蒸気の量を制御すること
を備えた
薄膜太陽電池製造方法。In the thin-film solar cell manufacturing method according to claim 1,
In addition,
A method for producing a thin-film solar cell, comprising controlling the amount of water vapor contained in the oxygen-containing atmosphere.
前記酸素含有雰囲気は,乾燥空気である
薄膜太陽電池製造方法。In the thin-film solar cell manufacturing method according to claim 1,
The oxygen-containing atmosphere is dry air.
更に,
前記第1シリコン層を酸素含有雰囲気に曝露する間に,前記第1シリコン層が形成された前記基板を加熱すること
を備えた
薄膜太陽電池製造方法。In the thin-film solar cell manufacturing method according to claim 4,
In addition,
A method of manufacturing a thin-film solar cell, comprising: heating the substrate on which the first silicon layer is formed while exposing the first silicon layer to an oxygen-containing atmosphere.
前記基板が加熱される温度は,100℃以上200℃以下である
薄膜太陽電池製造方法。In the thin-film solar cell manufacturing method according to claim 5,
The temperature at which the substrate is heated is 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
前記酸化処理層は,トンネル電流が流れる程度に薄い
薄膜太陽電池製造方法。In the thin-film solar cell manufacturing method according to claim 1,
The method for manufacturing a thin-film solar cell, wherein the oxidation treatment layer is thin enough to allow a tunnel current to flow.
前記酸素含有雰囲気が,湿度が50%,温度が25℃である大気であり,
前記第1シリコン層が,12〜36時間の間,前記大気に暴露される
薄膜太陽電池製造方法。In the thin-film solar cell manufacturing method according to claim 1,
The oxygen-containing atmosphere is an atmosphere having a humidity of 50% and a temperature of 25 ° C .;
The method of manufacturing a thin film solar cell, wherein the first silicon layer is exposed to the atmosphere for 12 to 36 hours.
更に,
前記基板の上面側に,第3導電型の第4シリコン層を形成することと,
前記第4シリコン層に接合する,真性,且つ,アモルファスの第5シリコン層を形成することと,
前記第5シリコン層に接合する,前記第3導電型と反対導電型である第4導電型の第6シリコン層を形成すること
を備える
薄膜太陽電池製造方法。In the thin-film solar cell manufacturing method according to claim 1,
In addition,
Forming a third conductivity type fourth silicon layer on the upper surface side of the substrate;
Forming an intrinsic and amorphous fifth silicon layer bonded to the fourth silicon layer;
Forming a sixth silicon layer of a fourth conductivity type that is opposite to the third conductivity type and is bonded to the fifth silicon layer.
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