JP3984761B2 - Photovoltaic element, manufacturing method thereof, and manufacturing apparatus thereof - Google Patents

Photovoltaic element, manufacturing method thereof, and manufacturing apparatus thereof Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上にシリコン系非単結晶半導体からなるタンデム構造の光起電力素子、その製造方法、およびその製造装置に係り、例えばアモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファス炭化シリコン、微結晶シリコン等からなるタンデム構造の太陽電池等の光起電力素子、その製造方法、およびその製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
アモルファスシリコンは、プラズマCVD法によって大面積の半導体膜を形成することができ、結晶シリコンや多結晶シリコンと比較して大面積の半導体デバイスを比較的容易に形成することができる。そのため、アモルファスシリコン膜は、大きな面積を必要とする半導体デバイス、具体的には、太陽電池、複写機の感光ドラム、ファクシミリのイメージセンサ、液晶ディスプレイ用の薄膜トランジスタ等に多く用いられている。
【0003】
これらのデバイスは、LSIやCCD等の結晶半導体からなるデバイスと比較して、一つのデバイスの面積が大きく、例えば太陽電池の場合、光電変換効率が10%ならば、一般家庭の電力を賄う約3kWの出力を得るには1家庭当り約30平方メートルもの面積が必要とされ、一つの光起電力素子もかなり大きな面積になる。
【0004】
アモルファスシリコン膜を形成するには、一般にはSiH4やSi26等のSiを含有する原料ガスを高周波放電によって分解してプラズマ状態にし、該プラズマ中に置かれた基板上に成膜するプラズマCVD法が用いられている。
【0005】
従来、プラズマCVD法によってアモルファスシリコン膜を成膜する場合、RF周波数(13.56MHz近傍)の高周波が一般的に用いられてきた。
【0006】
しかし、近年、VHF周波数を用いたプラズマCVDが注目されている。例えば、Amorphous Silicon Technology 1992 p15〜p26(Materials Research Society Symposium Proceedings Volume 258)には、放電周波数を13.56MHzのRFからVHF周波数にすることによって、成膜速度を格段に高めることができ、高速で良好な堆積膜を形成可能になると報告されている。
【0007】
また、米国特許4,406,765号明細書には、DC電界を印加した高周波プラズマCVD法が開示されている。プラズマCVD法において高周波による電界とともに適度な直流電界を印加することにより、良質なアモルファス半導体を得ることができるとされている。この場合、印加する直流電圧は堆積膜の種類、放電条件等によって適性値が異なる。
【0008】
また従来、アモルファスシリコン系半導体デバイスの連続製造装置として、米国特許4,400,409号明細書等にロール・ツー・ロール(Roll−to−Roll)方式を採用した連続プラズマCVD装置が開示されている。
【0009】
この装置によれば、複数のグロー放電室を設け、各グロー放電室を所望の幅の十分に長い帯状の基板が順次貫通する経路に沿って配置し、各グロー放電室において必要とされる導電型の半導体膜を堆積形成しつつ、前記基板をその長手方向に連続的に搬送させることによって、半導体接合を有する大面積のデバイスを連続的に形成することができる。このようにロール・ツー・ロール方式の連続プラズマCVD装置を用いれば、製造装置を止めることなく長時間連続してデバイスを製造することができるので、高い生産性を得ることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このロール・ツー・ロール方式のプラズマCVD装置にVHF周波数の成膜方法を導入しようとした場合、特にシングル構造に比較してより広い波長範囲の光を利用可能で高い光電変換効率が得られ、またi型層の膜厚を薄くできるため、光劣化が少ないタンデム構造の光起電力素子のi型層にVHF周波数の成膜方法を導入しようとした場合に、以下のような問題があった。
【0011】
まず、VHF周波数のプラズマCVD法を大面積に堆積膜を形成するロール・ツー・ロール方式の装置に採用しようとする場合に、大面積に均一な放電を生起しようとしてRF周波数で一般的に用いられる大面積の平板の放電電極を用いると、VHF周波数ではインピーダンスがあわずに大面積に均一なプラズマを得ることができないという問題があった。
【0012】
また、棒状の放射状のアンテナを用いればインピーダンスは合うが、平行平板でほぼ1であった放電電極と対向電極の面積比が放電電極側面積が極端に小さくなって面積のバランスが崩れ、小面積の平行平板なら周波数の上昇に伴って小さくなるはずの放電電極のセルフバイアスの絶対値が逆に大きくなり、基板側に正の好ましくないDC電界が形成される。そのため、VHF周波数のプラズマCVD法を大面積に堆積膜を形成するロール・ツー・ロール方式の装置に採用しようとする場合、基板側に正のセルフバイアスによる影響を排除して大面積に良好な膜を得るには、直流電圧を印加するなどしてDC電界を制御する必要があった。
【0013】
しかし、タンデム構造の光起電力素子において、光電変換を行うため比較的厚い膜厚が必要とされるi型層にこのようなVHF周波数のプラズマCVD法を適用しようとした場合、良質な膜を得るには前述のように直流電圧を印加する必要があるが、高い直流電圧を成膜室内に印加すると直流電圧印加電極から成膜室内部にスパーク等の異常放電が生じたり、堆積膜表面がチャージアップして製造途中の半導体膜が絶縁破壊を起こしたりして、製造する光起電力素子が特性不良を起こし易いという問題があった。
【0014】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、大面積に連続的に堆積膜を形成可能なロール・ツー・ロール方式によってタンデム構造の光起電力素子を製造するに際して、高速堆積が可能なVHF周波数のプラズマCVD法をi型層に適用する場合の不具合を解消して、大面積で高効率低劣化のタンデム構造の光起電力素子、その製造方法、およびその製造装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の光起電力素子の製造方法は、複数の成膜室に基板を通過させ、基板上にシリコン系非単結晶半導体からなるタンデム構造の光起電力素子を製造する光起電力素子の製造方法において、タンデム構造の光起電力素子のi型層は、後述の<プラズマCVD法>にて説明する第III族及び/又は第V族の原子を含むガスを導入しないか、又は、フェルミレベルがバンドギャップの中央近傍に位置する程度の微量の第III族及び/又は第V族原子を導入する条件で製膜される。そしてこのi型層のうち、複数のi型層をVHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法によって堆積し、かつVHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法によって堆積する複数のi型層の成膜室内に、基板に対して正の向きの直流電圧を印加するとともに、この直流電圧が、積層順が後の層の成膜室ほど低い電圧に設定されることを特徴とするものである。
【0016】
上記光起電力素子の製造方法において、上記光起電力素子が、nipnipnipまたはpinpinpinの3層タンデム構造の光起電力素子として作成されることが好ましい。
【0017】
また、上記3層タンデム構造の光起電力素子の光入射側から2番目のi型層と3番目のi型層が、VHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法により、非単結晶シリコンゲルマニウムとして堆積されることが好ましい。
【0018】
さらに、上記基板が帯状基板であることが好ましい。
【0019】
そして、複数の成膜室内をロール状基板が連続的に移動するロール・ツー・ロール方式を採用することが好ましい。
【0020】
本発明の光起電力素子は、上記のいずれかの方法によって作製されることを特徴とするものである。
【0021】
本発明の光起電力素子の製造装置は、複数の成膜室に基板を通過させ、基板上にシリコン系非単結晶半導体からなるタンデム構造の光起電力素子を製造する光起電力素子の製造装置において、タンデム構造の光起電力素子のi型層のうち、複数のi型層をVHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法により堆積する成膜室を有し、これら複数のi型層を堆積する成膜室内に、基板に対して正の向きの直流電圧を印加する手段を設けるとともに、この直流電圧を印加する手段が、積層順が後の層の成膜室ほど低い電圧に設定されることを特徴とするものである。
【0022】
上記正の向きのことが好ましい。
【0023】
上記光起電力素子の製造装置において、上記正の向きの直流電圧を印加する手段が、直流バイアス電極と、これに直流電圧を印加する直流電源とによって形成されていることが好ましい。
【0024】
また、上記光起電力素子が、nipnipnipまたはpinpinpinの3層タンデム構造の光起電力素子として作成されることが好ましい。
【0025】
さらに、上記3層タンデム構造の光起電力素子の光入射側から2番目のi型層と3番目のi型層が、VHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法を行う成膜室において、非単結晶シリコンゲルマニウムとして堆積されることが好ましい。
【0026】
そして、上記基板が帯状基板であることが好ましい。
【0027】
加えて、複数の成膜室内をロール状基板が連続的に移動するロール・ツー・ロール装置として形成されることが好ましい。
【0028】
本発明によれば、VHF周波数の高周波電力で堆積膜の形成を行なうi型層の成膜室には、基板に対して正の直流電圧が印加され、基板側が負の直流電界が形成されるため、高速堆積時の堆積膜の膜質の向上が図られる。
【0029】
また、VHF周波数の高周波電力で堆積膜の形成を行うi型層において、積層順が後の層ほど印加する直流電圧が低く設定されるので、比較的高抵抗で堆積膜厚の厚いi型層が堆積され、基板上の堆積膜表面が高抵抗になってきても、印加される直流電圧が堆積膜が積層されるに伴って低く設定されるので、直流電圧印加電極からスパーク等の異常放電を生じたり、堆積膜表面がチャージアップして製造途中の半導体膜が絶縁破壊を起こしたりすることがなく、製造する光起電力素子が特性不良を起こすことがない。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。
【0031】
図1は、本発明の光起電力素子の製造方法を実現する装置の一例を示す模式的断面図である。図1に示した装置では、帯状基板を連続的に移動させながら6つの成膜室を通過させ、基板上にシリコン系非単結晶半導体からなる2層タンデム構造の光起電力素子を製造する。シリコン系非単結晶半導体からなる2層タンデム構造の光起電力素子の層構成は一般にnipnipまたはpinpinであり、本装置では2層あるi型半導体層がVHF周波数のプラズマCVD法によって堆積され、積層順が後のi型層ほど低い正の直流電圧が成膜室内に印加される。
【0032】
図1において、長尺の帯状基板101は巻き出し室102でコイル状に巻かれた状態から引き出され、チャンバー103、104、105、106、107、108を順次通過して、不図示の巻き取り機構を備えた巻き取り室109でコイル状に巻き取られる。巻き出し室102、各チャンバー103〜108、巻き取り室109は、各々隣合うチャンバーとガスゲート110によって接続されている。
【0033】
帯状基板101を通過させるガスゲート110には、それぞれその基板搬送方向の中央部近傍にゲートガス導入管111が設けられ、H2,He等のガスが導入されることで、ガスゲート中央から隣合うチャンバーへのガスの流れが形成され、隣合うチャンバーの原料ガスの混入を防ぎ、原料ガスを分離する。
【0034】
各チャンバー103〜108には、原料ガス導入管112、排気管113、平板電極114または棒状電極115、基板加熱ヒータ119が設けられ、移動する帯状基板101の表面にシリコン系非単結晶半導体膜が積層される。
【0035】
図1に示した装置において、チャンバー103〜108のうち、チャンバー104および107の放電周波数はVHF周波数の105MHzで、その他のチャンバー103、105、106、108の放電周波数はRF周波数の13.56MHzである。
【0036】
VHF周波数のチャンバー104および107において、高周波電力はVHF周波数の高周波電源117に接続された棒状電極115から放射される。これに対し、RF周波数のチャンバーでは、高周波電力はRF周波数の高周波電源116に接続された平板電極114から放射される。
【0037】
また、VHF周波数のチャンバー104および107の成膜室内には、棒状電極115とは別に直流バイアス電極118が設けられ、直流電源119から直流電圧が印加される。
【0038】
図1中、基板の移動方向120は左から右であり、VHF周波数の高周波電力でi型半導体層を堆積するチャンバー104および107において、基板上への堆積膜の積層は104、107の順に行われる。
【0039】
本発明において、チャンバー104に印加される直流電圧V1と、チャンバー107に印加される直流電圧V2は、V1>V2>0の関係に設定されるため、VHF周波数の高周波電力で堆積膜の形成を行なうi型層の成膜室には、基板に対して正の直流電圧が印加され、基板側が負の直流電界が形成されるため、高速堆積時の堆積膜の膜質の向上が図られる。
【0040】
また、VHF周波数の高周波電力で堆積膜の形成を行うi型層において、積層順が後の層ほど印加する直流電圧が低く設定されるので、比較的高抵抗で堆積膜厚の厚いi型層が堆積され、基板上の堆積膜表面が高抵抗になってきても、印加される直流電圧が堆積膜が積層されるに伴って低く設定されるので、直流電圧印加電極からスパーク等の異常放電を生じたり、堆積膜表面がチャージアップして製造途中の半導体膜が絶縁破壊を起こしたりすることがなく、製造する光起電力素子が特性不良を起こすことがない。
【0041】
以下、本発明に係る光起電力素子の製造方法についてさらに説明する。
【0042】
<直流バイアス電圧>
本発明において、成膜室に印加する直流電圧は、基板電位に対して正の電圧であり、好ましくは0〜500V、より好ましくは50〜400Vの範囲から、堆積する半導体膜で良好な膜質が得られ、かつスパークやチャージアップの起こらない電圧に設定される。
【0043】
<直流バイアス電圧印加方法>
本発明において、成膜室に直流電圧を印加する方法としては、成膜室内部にVHF放電電極とは別にバイアスを印加するバイアス電極を設ける方法や、VHF放電電極に高周波電力とともに直流電圧を重畳して印加する方法が挙げられる。VHF放電電極に高周波電力とともに直流電圧を重畳して印加する方法は、電極数が少なくてすみ、成膜室の構造が簡素化されるが、直流電圧印加回路に高周波電力が入らないようにチョークコイル等の手段で高周波を遮断し、高周波電源に対しては直流電流が流れ込まないようにコンデンサ等で直流電流を遮断するようにする必要がある。
【0044】
<VHF周波数>
本発明において、プラズマCVD法に用いるVHF周波数とは、30MHz以上500MHz以下の周波数である。その範囲の中でも、プラズマ密度を高めて堆積速度の向上を望む場合には比較的高い周波数領域を、より長い波長を用いて大面積の均一性を望む場合には比較的低い周波数領域を選択して使用する。
【0045】
<帯状基板>
本発明において好適に用いられる帯状基板の材質としては、半導体層形成時に移動が可能で、膜堆積時に必要とされる温度において変形、歪みが少なく、所望の強度を有し、また導電性を有するものが好ましい。具体的には、ステンレス、アルミニウム、鉄等の金属薄膜、あるいはポリイミド、テフロン等の耐熱性樹脂の表面に導電処理を施したもの等が挙げられる。
【0046】
<プラズマCVD法>
本発明において、少なくとも2つの成膜室でVHF周波数の高周波によるプラズマCVD法が行われる。他の成膜室における放電周波数はRF周波数でもマイクロ波周波数でも構わない。
【0047】
成膜室に導入され、半導体膜の原料になる原料ガスとしては、堆積膜が例えばシリコン系非単結晶膜の場合、少なくともシリコン原子を含有したガス化し得る化合物を含むガスであり、ゲルマニウム原子を含有したガス化し得る化合物、炭素原子を含有したガス化し得る化合物等、及び該化合物の混合ガスを含有していても良い。
【0048】
具体的にシリコン原子を含有するガス化し得る化合物としては、鎖状または環状シラン化合物が用いられ、具体的には例えば、SiH4,Si26,SiF4,SiFH3,SiF22,SiF3H,Si38,SiD4,SiHD3,SiH22,SiH3D,SiFD3,SiF22,Si233,(SiF25,(SiF26,(SiF24,Si26,Si38,Si224,Si233,SiCl4,(SiCl25,SiBr4,(SiBr25,Si2Cl6,SiHCl3,SiH2Br2,SiH2Cl2,Si2Cl33などのガス状態のもの、または容易にガス化し得るものが挙げられる。なお、ここで、Dは重水素を表す。
【0049】
堆積膜がアモルファスシリコンゲルマニウムの場合、原料ガスとして具体的にゲルマニウム原子を含有するガス化し得る化合物としては、GeH4,GeD4,GeF4,GeFH3,GeF22,GeF3H,GeHD3,GeH22,GeH3D,Ge26,Ge26などが挙げられる。
【0050】
また、堆積膜がアモルファス炭化シリコンの場合、原料ガスとして具体的に炭素原子を含有するガス化し得る化合物としては、CH4,CD4,Cn2n+2(nは整数),Cn2n(nは整数),C22,C66,CO2,CO等が挙げられる。
【0051】
価電子制御するためにp型層またはn型層に導入される物質としては、周期率表第III族原子及び第V族原子が挙げられる。
【0052】
第III族原子導入用の出発物質として有効に使用されるものとしては、具体的にはホウ素原子導入用として、B26等の水素化ホウ素、BF3等のハロゲン化ホウ素等を挙げることができる。
【0053】
第V族原子導入用の出発物質として有効に使用されるのは、具体的には燐原子導入用としてPH3等の水素化燐、PF5等のハロゲン化燐が挙げられる。このほかにAsH3等も挙げることができる。
【0054】
また、前記ガス化し得る化合物をH2,He,Ne,Ar,Xe,Kr等のガスで適宜希釈して成膜室に導入しても良い。
【0055】
<タンデム構造の光起電力素子>
本発明において、タンデム構造の光起電力素子とは、複数の光起電力素子を複数直列に接続した構造の光起電力素子のことを指す。
【0056】
タンデム構造の光起電力素子では、光吸収波長域の異なる複数の光起電力素子を、光入射方向からバンドギャップが順に狭くなるように積層することで、入射光のより広い波長域を活用できるようになり、光電変換効率が向上する。
【0057】
また、タンデム構造の光起電力素子では、複数の光電変換層で光を吸収するために、光電変換層の1層当りの膜厚を薄くすることができ、ステブラー ロンスキー効果と呼ばれる光劣化現象を抑制することができる。
【0058】
シリコン系非単結晶半導体からなるタンデム構造の光起電力素子の層構成としては、nipnipまたはpinpinの2層タンデム構造や、nipnipnipまたはpinpinpinの3層タンデム構造を挙げることができる。この中でも、より広い光波長域を活用可能である点で3層タンデム構造が優れている。
【0059】
3層タンデム構造の光起電力素子の場合、光入射側から、2番目の光活性層には1番目の光活性層を透過した後の光が、3番目の光活性層には1番目と2番目の光活性層を透過した後の光が入射することになるので、バンドギャップが同じ場合には1番目<2番目<3番目と順に膜厚を厚くする必要がある。また、2番目、3番目の光活性層のバンドギャップを1番目より狭くすれば膜厚が厚くなることを抑制できるが、それでも1番目の光活性層よりも膜厚が厚くなり易いため、連続製造を行なうには高速堆積法の適用が望ましい。
【0060】
前述のように、シリコン系非単結晶からなるタンデム構造の光起電力素子で、光吸収波長域の異なる複数の光起電力素子を、光入射方向からバンドギャップが順に狭くなるように積層する場合、狭バンドギャップの材料としては非単結晶シリコンゲルマニウム、非単結晶シリコンスズ、微結晶シリコン等を挙げることができる。
【0061】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示すが、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。
【0062】
(実施例1)
この実施例では、図1に示した構成の製造装置を用い、本発明の方法により、ステンレス基板上に6層のシリコン系非単結晶膜からなるnipnipの2層タンデム構造の太陽電池を製造した。
【0063】
2層あるi型層はVHF周波数のプラズマCVD法で、成膜室に直流電圧を印加しながら堆積し、印加する直流電圧は堆積順に低くなるように設定した。
【0064】
図1に示した装置において、まず、長さ500m、幅356mm、厚さ0.15mmのステンレス基板101(SUS430−BA)を、巻き出し室102のコイル状に巻かれたボビンからガスゲート110を介してチャンバー103、104、105、106、107、108を通し、巻き取り室109のボビンにコイル状に巻き取られるようにセットし、不図示の張力印加機構により弛みなく張られるようにした。
【0065】
次に、各チャンバー102乃至109内を各室の排気手段により、1Pa以下に一度真空排気した。引き続き排気を行いながら、各チャンバーの不図示のガス供給手段に接続されたガス導入管112からHeガスを各100sccm導入し、排気管113の不図示の排気弁の開度を調整することで各チャンバーの内圧を100Paに維持した。
【0066】
この状態で、巻き取り室109のボビンに接続された不図示の基板搬送機構により、帯状基板が毎分600mmの移動速度で連続的に移動するようにした。
【0067】
次いで、各プラズマ放電室に設けた基板加熱ヒータ119および不図示の基板温度モニタにより、各チャンバー内で移動する帯状基板101が所定の温度になるように加熱制御した。
【0068】
各チャンバー内で基板101が均一に加熱されたら、引き続き加熱しつつ、Heガスの導入を停止し、ガス導入管112へのガスをSiH4を含む原料ガスに切り替えた。
【0069】
また、各ガスゲート110には、不図示のガス供給手段に接続されたゲートガス導入管111から原料ガス分離用のガスとしてH2を各1000sccm導入した。
【0070】
次に、各チャンバーの放電電極114および115に高周波電源からRF周波数およびVHF周波数の高周波電力を供給し、各チャンバーに放電を発生させ、原料ガスをプラズマ分解して、移動する帯状基板101上にシリコン系非単結晶膜の積層膜を堆積させ、シリコン系非単結晶半導体からなる2層タンデム構造の太陽電池の半導体膜を形成した。
【0071】
なお、チャンバー104、107の放電周波数は105MHzで放電電極は棒状、チャンバー103、105、106、108の放電周波数は13.56MHzで放電電極は平板状であった。
【0072】
更に、基板が先に通過するVHF周波数のチャンバー104のバイアス電極にはアース電位の帯状基板に対し正の向きに直流電圧300Vを印加し、基板が後に通過するVHF周波数のチャンバー107のバイアス電極にはアース電位の帯状基板に対し正の向きに直流電圧100Vを印加した。
【0073】
各チャンバーの成膜条件を表1に示す。
【0074】
【表1】

Figure 0003984761
【0075】
このような膜堆積を帯状基板の長さ400mにわたって連続的に行った後、各チャンバーへの放電電力の供給と、原料ガスの導入と、帯状基板の加熱とを停止し、各室内を十分にパージし、帯状基板と装置内部を充分冷却した後、装置を大気開放し、半導体積層膜が形成されて巻き取り室のボビンに巻き取られた帯状基板を取り出した。
【0076】
更に、取り出した帯状基板を連続モジュール化装置によって連続的に加工し、本発明の装置で形成した半導体積層膜の上に、透明電極として全面に60nmのITO薄膜を形成し、集電電極として一定間隙に細線状のAg電極を形成し、35cm角のnipnip構造の2層タンデム構造の太陽電池モジュールを連続的に作成した。
【0077】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、AM1.5(100mW/cm2)の疑似太陽光照射下にて、25℃の温度で特性評価を行なった。
【0078】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの平均光電変換効率は、チャンバー104、107にバイアス電圧を印加しなかった場合の太陽電池モジュールの平均光電変換効率を1とした比較で、1.4倍になっていた。
【0079】
また、作成した太陽電池モジュールの短絡による特性不良発生率をみたところ、チャンバー104、107に直流電圧を印加しなかった時の良品率を100とした比較で、チャンバー104に300V、チャンバー107に100Vを印加した時の良品率95、チャンバー104に100V、チャンバー107に300Vを印加した時の良品率は35であった。
【0080】
直流電圧の組み合わせを変えて太陽電池モジュールを製造した場合の変換効率と良品率の変化を表2に示す。
【0081】
【表2】
Figure 0003984761
【0082】
これから、本発明の方法によって、タンデム構造の光起電力素子の変換効率と良品率の両立が図れることが確認された。
【0083】
(実施例2)
図2は、本実施例で用いた本発明の方法を実現する装置を示す模式図である。図2に示した装置は、図1の装置に更にRF周波数のチャンバーが3室追加されており、i型層が、基板側からVHF周波数、VHF周波数、RF周波数の高周波プラズマCVD法で堆積されたnipnipnip、またはpinpinpinの3層タンデム構造の光起電力素子の半導体積層膜を製造できる。
【0084】
図2において、201は帯状基板、202は巻き出し室、203、204、205、206、207、208はチャンバー、220、221、222は13.56MHzのRF周波数のプラズマCVDのチャンバー、209は巻き取り室、210はガスゲートである。
【0085】
本実施例では、図2に示す装置を用い、本発明の方法により、ステンレス基板上に9層のシリコン系非単結晶膜からなるnipnip構造の3層タンデム構造の太陽電池を製造した。
【0086】
3層あるi型層は、基板側からVHF周波数、VHF周波数、RF周波数の高周波プラズマCVD法で堆積し、VHF周波数のチャンバー204、207の成膜室には正の直流電圧を印加した。また、印加する直流電圧は堆積順に低くなるように設定した。
【0087】
具体的には、基板が先に通過するVHF周波数のチャンバー204のバイアス電極にはアース電位の帯状基板に対し正の向きに直流電圧200Vを印加し、基板が後に通過するVHF周波数のチャンバー207のバイアス電極にはアース電位の帯状基板に対し正の向きに直流電圧100Vを印加した。
【0088】
各チャンバーの成膜条件を表1に示す。
【0089】
【表3】
Figure 0003984761
【0090】
以下、実施例1と同様にして、本発明の方法により、ステンレス基板上に9層のシリコン系非単結晶膜からなるnipnipnip構造の3層タンデム構造の太陽電池モジュールを製造した。
【0091】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、Am1.5(100mW/cm2)の疑似太陽光照射下にて、25℃の温度で特性評価を行った。
【0092】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの平均光電変換効率は、チャンバー204、207に直流電圧を印加しなかった場合の太陽電池モジュールの平均光電変換効率を1とした比較で、1.4倍になっていた。
【0093】
また、作成した太陽電池モジュールの短絡による特性不良発生率をみたところ、チャンバー204、207に直流電圧を印加しなかった時の良品率を100とした比較で、チャンバー204に200V、チャンバー207に100Vを印加した時の良品率は98と殆ど変化なく良好だった。
【0094】
これから、本発明の方法によって、タンデム構造の光起電力素子の変換効率と良品率の両立が図られることが確認された。
【0095】
(実施例3)
放電室204、207における放電周波数を、20MHzに変えた以外は実施例2と同様にして、35cm角のnipnipnip構造の3層タンデム構造の太陽電池モジュールを連続的に製造した。
【0096】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、Am1.5(100mW/cm2)の疑似太陽光照射下にて、25℃の温度で特性評価を行った。
【0097】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの平均光電変換効率は、チャンバー204、207に直流電圧を印加しなかった場合の太陽電池モジュールの平均光電変換効率を1とした比較で1.25倍になっていた。
【0098】
また、作成した太陽電池モジュールの短絡による特性不良発生率をみたところ、チャンバー204、207に直流電圧を印加しなかった時の良品率を100とした比較で、チャンバー204に200V、チャンバー207に100Vを印加した時の良品率100と変化なく良好であった。
【0099】
これから、本発明の方法によって、タンデム構造の光起電力素子の変換効率と良品率の両立が図られることが確認された。
【0100】
(実施例4)
放電室204、207における放電周波数を、500MHzに変えた以外は実施例2と同様にして、35cm角のnipnipnip構造の3層タンデム構造の太陽電池モジュールを連続的に製造した。
【0101】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、Am1.5(100mW/cm2)の疑似太陽光照射下にて、25℃の温度で特性評価を行った。
【0102】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの平均光電変換効率は、チャンバー204、207に直流電圧を印加しなかった場合の太陽電池モジュールの平均光電変換効率を1とした比較で、1.45倍になっていた。
【0103】
また、作成した太陽電池モジュールの短絡による特性不良発生率をみたところ、チャンバー204、207に直流電圧を印加しなかった時の良品率を100とした比較で、チャンバー204に200V、チャンバー207に100Vを印加した時の良品率は95と殆ど変化なく良好であった。
【0104】
これから、本発明の方法によって、タンデム構造の光起電力素子の変換効率と良品率の両立が図られることが確認された。
【0105】
(実施例5)
放電室204、207に印加する直流電圧をそれぞれ、200V、150Vに変えた以外は実施例2と同様にして、35cm角のnipnipnip構造の3層タンデム構造の太陽電池モジュールを連続的に製造した。
【0106】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、Am1.5(100mW/cm2)の疑似太陽光照射下にて、25℃の温度で特性評価を行った。
【0107】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの平均光電変換効率は、チャンバー204、207に直流電圧を印加しなかった場合の太陽電池モジュールの平均光電変換効率を1とした比較で1.43倍になっていた。
【0108】
また、作成した太陽電池モジュールの短絡による特性不良発生率をみたところ、チャンバー204、207に直流電圧を印加しなかった時の良品率を100とした比較で、チャンバー204に200V、チャンバー207に150Vを印加した時の良品率は93と殆ど変化なく良好であった。
【0109】
これから、本発明の方法によって、タンデム構造の光起電力素子の変換効率と良品率の両立が図られることが確認された。
【0110】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、VHF周波数の高周波電力で堆積膜の形成を行なうi型層の成膜室には、基板に対して正の直流電圧が印加され、基板側が負の直流電界が形成されるため、高速堆積時の堆積膜の膜質の向上を図ることができる。
【0111】
また、VHF周波数の高周波電力で堆積膜の形成を行うi型層において、積層順が後の層ほど印加する直流電圧が低く設定されるので、比較的高抵抗で堆積膜厚の厚いi型層が堆積され、基板上の堆積膜表面が高抵抗になってきても、印加される直流電圧が堆積膜が積層されるに伴って低く設定されるので、直流電圧印加電極からスパーク等の異常放電を生じたり、堆積膜表面がチャージアップして製造途中の半導体膜が絶縁破壊を起こしたりすることがなく、製造する光起電力素子が特性不良を起こすことがないので、大面積で高効率低劣化のタンデム構造の光起電力素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光起電力素子の製造方法を実現する装置の構成の一例を示す模式的断面図である。
【図2】本発明の光起電力素子の製造方法を実現する装置の構成の一例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
101 帯状基板
102 巻き出し室
103、104、105、106、107、108 チャンバー
109 巻き取り室
110 ガスゲート
111 ゲートガス導入管
112 原料ガス導入管
113 排気管
114 平板電極
115 棒状電極
116 RF周波数の高周波電源
117 VHF周波数の高周波電源
118 直流バイアス電極
119 直流電源
201 帯状基板
202 巻き出し室
203、204、205、206、207、208、220、221、222 チャンバー
209 巻き取り室
210 ガスゲート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photovoltaic element having a tandem structure made of a silicon-based non-single-crystal semiconductor on a substrate, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus thereof. For example, amorphous silicon, amorphous silicon germanium, amorphous silicon carbide, microcrystalline silicon, etc. The present invention relates to a photovoltaic device such as a tandem solar cell, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus thereof.
[0002]
[Prior art]
With amorphous silicon, a semiconductor film having a large area can be formed by a plasma CVD method, and a semiconductor device having a large area can be formed relatively easily as compared with crystalline silicon or polycrystalline silicon. For this reason, amorphous silicon films are often used in semiconductor devices that require a large area, specifically, solar cells, photoconductor drums for copying machines, image sensors for facsimiles, thin film transistors for liquid crystal displays, and the like.
[0003]
These devices have a larger area than a device made of a crystalline semiconductor such as an LSI or CCD. For example, in the case of a solar cell, if the photoelectric conversion efficiency is 10%, the power for ordinary households can be covered. In order to obtain an output of 3 kW, an area of about 30 square meters is required per household, and one photovoltaic device is also a considerably large area.
[0004]
In order to form an amorphous silicon film, SiH is generally used. Four And Si 2 H 6 A plasma CVD method is used in which a raw material gas containing Si or the like is decomposed into a plasma state by high-frequency discharge to form a film on a substrate placed in the plasma.
[0005]
Conventionally, when an amorphous silicon film is formed by plasma CVD, a high frequency of RF frequency (around 13.56 MHz) has been generally used.
[0006]
However, in recent years, plasma CVD using a VHF frequency has attracted attention. For example, Amorphous Silicon Technology 1992 p15-p26 (Materials Research Society Symposium Processing Volumes 258) can increase the discharge frequency from 13.56 MHz RF to VHF frequency. It has been reported that a good deposited film can be formed.
[0007]
US Pat. No. 4,406,765 discloses a high-frequency plasma CVD method in which a DC electric field is applied. It is said that a high-quality amorphous semiconductor can be obtained by applying an appropriate DC electric field together with an electric field due to a high frequency in the plasma CVD method. In this case, the DC voltage to be applied varies in suitability depending on the type of deposited film, discharge conditions, and the like.
[0008]
Conventionally, a continuous plasma CVD apparatus employing a roll-to-roll method has been disclosed in US Pat. No. 4,400,409 as a continuous production apparatus for amorphous silicon semiconductor devices. Yes.
[0009]
According to this apparatus, a plurality of glow discharge chambers are provided, and each glow discharge chamber is arranged along a path through which a sufficiently long strip-shaped substrate having a desired width is sequentially penetrated, so that the electrical conductivity required in each glow discharge chamber is obtained. A large-area device having a semiconductor junction can be continuously formed by continuously transporting the substrate in the longitudinal direction while depositing and forming a mold type semiconductor film. If a roll-to-roll type continuous plasma CVD apparatus is used in this way, devices can be manufactured continuously for a long time without stopping the manufacturing apparatus, so that high productivity can be obtained.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, when trying to introduce a film formation method of VHF frequency into this roll-to-roll type plasma CVD apparatus, it is possible to use light in a wider wavelength range and obtain a high photoelectric conversion efficiency, especially compared to a single structure. In addition, since the film thickness of the i-type layer can be reduced, the following problems occur when an attempt is made to introduce a VHF frequency film formation method into the i-type layer of a photovoltaic element having a tandem structure with little light degradation. there were.
[0011]
First, when using a VHF frequency plasma CVD method for a roll-to-roll system for forming a deposited film over a large area, it is generally used at an RF frequency to generate a uniform discharge over a large area. When a flat discharge electrode having a large area is used, there is a problem that a uniform plasma cannot be obtained in a large area without impedance at the VHF frequency.
[0012]
In addition, if a rod-shaped radial antenna is used, the impedance matches, but the area ratio between the discharge electrode and the counter electrode, which was approximately 1 on the parallel plate, becomes extremely small in the area on the discharge electrode side, and the area balance is lost, resulting in a small area. In the case of the parallel plate, the absolute value of the self-bias of the discharge electrode, which should become smaller as the frequency increases, is increased conversely, and a positive and undesirable DC electric field is formed on the substrate side. Therefore, when the VHF frequency plasma CVD method is to be adopted in a roll-to-roll system apparatus that forms a deposited film in a large area, the influence of positive self-bias on the substrate side is eliminated and the large area is good. In order to obtain a film, it was necessary to control the DC electric field by applying a DC voltage or the like.
[0013]
However, in a tandem photovoltaic device, when applying such a VHF frequency plasma CVD method to an i-type layer that requires a relatively thick film for photoelectric conversion, a high-quality film is formed. In order to obtain this, it is necessary to apply a DC voltage as described above. However, if a high DC voltage is applied to the film forming chamber, abnormal discharge such as sparks may occur from the DC voltage applying electrode to the film forming chamber, or the surface of the deposited film may There has been a problem that the photovoltaic device to be manufactured is liable to cause a characteristic failure because the semiconductor film in the process of being charged up causes dielectric breakdown.
[0014]
In view of the above problems, the object of the present invention is to manufacture a photovoltaic device having a tandem structure by a roll-to-roll method capable of continuously forming a deposited film over a large area. An object of the present invention is to provide a photovoltaic device having a large area, high efficiency and low degradation, a tandem structure photovoltaic device, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus therefor, by solving the problems in applying the plasma CVD method to an i-type layer.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the photovoltaic device manufacturing method of the present invention manufactures a photovoltaic device having a tandem structure made of a silicon-based non-single crystal semiconductor on a substrate by passing the substrate through a plurality of deposition chambers. In the method of manufacturing a photovoltaic device, the i-type layer of the photovoltaic device having a tandem structure introduces a gas containing Group III and / or Group V atoms, which will be described later in <Plasma CVD>. Or a film is formed under the condition of introducing a small amount of Group III and / or Group V atoms such that the Fermi level is located near the center of the band gap. Among the i-type layers, a plurality of i-type layers are deposited by a plasma CVD method using high-frequency power at a VHF frequency, and a plurality of i-type layers deposited by a plasma CVD method using high-frequency power at a VHF frequency. In the film forming chamber, a DC voltage having a positive direction with respect to the substrate is applied, and the DC voltage is set to a lower voltage in the film forming chamber of the later layer in the stacking order. .
[0016]
In the method for manufacturing a photovoltaic element, the photovoltaic element is preferably produced as a photovoltaic element having a three-layer tandem structure of nipnipnip or pinpinpin.
[0017]
In addition, the second i-type layer and the third i-type layer from the light incident side of the photovoltaic element having the three-layer tandem structure are made of non-single-crystal silicon germanium by plasma CVD using high-frequency power of VHF frequency. Is preferably deposited as.
[0018]
Furthermore, the substrate is preferably a strip substrate.
[0019]
In addition, it is preferable to adopt a roll-to-roll method in which a roll-shaped substrate continuously moves in a plurality of film formation chambers.
[0020]
The photovoltaic element of the present invention is manufactured by any one of the methods described above.
[0021]
The photovoltaic device manufacturing apparatus of the present invention manufactures a photovoltaic device that passes a substrate through a plurality of film forming chambers and manufactures a photovoltaic device having a tandem structure made of a silicon-based non-single crystal semiconductor on the substrate. The apparatus has a film formation chamber in which a plurality of i-type layers among the i-type layers of photovoltaic elements having a tandem structure are deposited by a plasma CVD method using high-frequency power of a VHF frequency, and the plurality of i-type layers In the film formation chamber for depositing, a means for applying a DC voltage in the positive direction with respect to the substrate is provided, and the means for applying this DC voltage is set to a lower voltage in the film formation chamber of the later layer in the stacking order. It is characterized by that.
[0022]
The positive orientation is preferred.
[0023]
In the photovoltaic device manufacturing apparatus, the means for applying the positive DC voltage is preferably formed by a DC bias electrode and a DC power source for applying a DC voltage thereto.
[0024]
Moreover, it is preferable that the photovoltaic element is formed as a photovoltaic element having a three-layer tandem structure of nipnipnip or pinpinpin.
[0025]
Furthermore, in the film formation chamber in which the second i-type layer and the third i-type layer from the light incident side of the photovoltaic device having the three-layer tandem structure perform a plasma CVD method using high-frequency power of the VHF frequency, It is preferably deposited as non-single crystal silicon germanium.
[0026]
And it is preferable that the said board | substrate is a strip | belt-shaped board | substrate.
[0027]
In addition, it is preferably formed as a roll-to-roll apparatus in which a rolled substrate continuously moves in a plurality of film forming chambers.
[0028]
According to the present invention, a positive DC voltage is applied to the substrate and a negative DC electric field is formed on the substrate side in the i-type film forming chamber in which the deposited film is formed with the high frequency power of the VHF frequency. Therefore, the film quality of the deposited film during high-speed deposition can be improved.
[0029]
In addition, in an i-type layer that forms a deposited film with high-frequency power of VHF frequency, the DC voltage applied is set lower as the layer is stacked later, so that the i-type layer having a relatively high resistance and a thick deposited film thickness. Even if the surface of the deposited film on the substrate becomes high resistance, the applied DC voltage is set lower as the deposited film is stacked, so abnormal discharge such as sparks from the DC voltage application electrode. And the surface of the deposited film is not charged up, and the semiconductor film being manufactured does not cause dielectric breakdown, and the photovoltaic element to be manufactured does not cause characteristic failure.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
[0031]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an apparatus for realizing the method for producing a photovoltaic element of the present invention. In the apparatus shown in FIG. 1, a photovoltaic device having a two-layer tandem structure made of a silicon-based non-single-crystal semiconductor is manufactured on a substrate by passing it through six film forming chambers while continuously moving the belt-like substrate. The layer structure of a photovoltaic device having a two-layer tandem structure made of a silicon-based non-single-crystal semiconductor is generally nipnip or pinpin. In this apparatus, two i-type semiconductor layers are deposited by a plasma CVD method at a VHF frequency and stacked. A lower positive DC voltage is applied to the i-type layer in the later order in the deposition chamber.
[0032]
In FIG. 1, a long belt-like substrate 101 is pulled out from a coiled state in an unwinding chamber 102, and sequentially passes through chambers 103, 104, 105, 106, 107, and 108, and is wound up (not shown). The coil is wound up in a winding chamber 109 having a mechanism. The unwinding chamber 102, the chambers 103 to 108, and the winding chamber 109 are connected to adjacent chambers by gas gates 110.
[0033]
Each of the gas gates 110 through which the belt-like substrate 101 passes is provided with a gate gas introduction pipe 111 in the vicinity of the central portion in the substrate transfer direction. 2 The gas flow from the center of the gas gate to the adjacent chamber is formed by introducing a gas such as He, He, etc., preventing the mixing of the source gas in the adjacent chamber and separating the source gas.
[0034]
Each chamber 103 to 108 is provided with a source gas introduction pipe 112, an exhaust pipe 113, a plate electrode 114 or a rod-like electrode 115, and a substrate heater 119, and a silicon-based non-single-crystal semiconductor film is formed on the surface of the moving belt-like substrate 101. Laminated.
[0035]
In the apparatus shown in FIG. 1, among the chambers 103 to 108, the discharge frequency of the chambers 104 and 107 is 105 MHz of the VHF frequency, and the discharge frequency of the other chambers 103, 105, 106, and 108 is 13.56 MHz of the RF frequency. is there.
[0036]
In the chambers 104 and 107 having the VHF frequency, the high frequency power is radiated from the rod-like electrode 115 connected to the high frequency power source 117 having the VHF frequency. On the other hand, in the RF frequency chamber, the high frequency power is radiated from the plate electrode 114 connected to the RF frequency high frequency power source 116.
[0037]
In addition, a DC bias electrode 118 is provided in the film forming chambers of the VHF frequency chambers 104 and 107 in addition to the rod-shaped electrode 115, and a DC voltage is applied from a DC power source 119.
[0038]
In FIG. 1, the moving direction 120 of the substrate is from left to right, and in the chambers 104 and 107 in which the i-type semiconductor layer is deposited with the high frequency power of the VHF frequency, the deposited films are stacked on the substrate in the order of 104 and 107. Is called.
[0039]
In the present invention, the direct-current voltage V1 applied to the chamber 104 and the direct-current voltage V2 applied to the chamber 107 are set to have a relationship of V1>V2> 0, so that the deposited film is formed with high-frequency power of the VHF frequency. In the i-type layer deposition chamber, a positive DC voltage is applied to the substrate and a negative DC electric field is formed on the substrate side, so that the quality of the deposited film during high-speed deposition is improved.
[0040]
In addition, in an i-type layer that forms a deposited film with high-frequency power of VHF frequency, the DC voltage applied is set lower as the layer is stacked later, so that the i-type layer having a relatively high resistance and a thick deposited film thickness. Even if the surface of the deposited film on the substrate becomes high resistance, the applied DC voltage is set lower as the deposited film is stacked, so abnormal discharge such as sparks from the DC voltage application electrode. And the surface of the deposited film is not charged up, and the semiconductor film being manufactured does not cause dielectric breakdown, and the photovoltaic element to be manufactured does not cause characteristic failure.
[0041]
Hereinafter, the manufacturing method of the photovoltaic device according to the present invention will be further described.
[0042]
<DC bias voltage>
In the present invention, the direct current voltage applied to the film formation chamber is a positive voltage with respect to the substrate potential, and preferably has a good film quality in the deposited semiconductor film from the range of 0 to 500 V, more preferably 50 to 400 V. The voltage is set so that sparks and charge-up do not occur.
[0043]
<DC bias voltage application method>
In the present invention, as a method of applying a DC voltage to the film forming chamber, a method of providing a bias electrode for applying a bias separately from the VHF discharge electrode in the film forming chamber, or a method of superimposing a DC voltage together with high frequency power on the VHF discharge electrode. And applying it. The method of superimposing and applying a DC voltage together with the high frequency power to the VHF discharge electrode requires a small number of electrodes and simplifies the structure of the film forming chamber. However, the choke is prevented from entering the DC voltage application circuit. It is necessary to cut off the high frequency by means such as a coil and cut off the direct current with a capacitor or the like so that no direct current flows into the high frequency power supply.
[0044]
<VHF frequency>
In the present invention, the VHF frequency used for the plasma CVD method is a frequency of 30 MHz to 500 MHz. Within that range, select a relatively high frequency region if you want to increase the deposition rate by increasing the plasma density, and select a relatively low frequency region if you want a longer area uniformity using longer wavelengths. To use.
[0045]
<Striped substrate>
As a material of the belt-like substrate suitably used in the present invention, it can be moved when forming a semiconductor layer, has little deformation and distortion at a temperature required for film deposition, has a desired strength, and has conductivity. Those are preferred. Specific examples include a metal thin film such as stainless steel, aluminum, and iron, or a surface of a heat resistant resin such as polyimide and Teflon that has been subjected to a conductive treatment.
[0046]
<Plasma CVD method>
In the present invention, a plasma CVD method using a high frequency of the VHF frequency is performed in at least two film forming chambers. The discharge frequency in the other film forming chamber may be an RF frequency or a microwave frequency.
[0047]
The source gas introduced into the film formation chamber and used as the raw material for the semiconductor film is a gas containing a gasatable compound containing at least silicon atoms when the deposited film is, for example, a silicon-based non-single-crystal film. It may contain a compound that can be gasified, a compound that can be gasified containing carbon atoms, and a mixed gas of the compound.
[0048]
Specifically, as a gasifiable compound containing a silicon atom, a chain or cyclic silane compound is used. Specifically, for example, SiH Four , Si 2 H 6 , SiF Four , SiFH Three , SiF 2 H 2 , SiF Three H, Si Three H 8 , SiD Four , SiHD Three , SiH 2 D 2 , SiH Three D, SiFD Three , SiF 2 D 2 , Si 2 D Three H Three , (SiF 2 ) Five , (SiF 2 ) 6 , (SiF 2 ) Four , Si 2 F 6 , Si Three F 8 , Si 2 H 2 F Four , Si 2 H Three F Three , SiCl Four , (SiCl 2 ) Five , SiBr Four , (SiBr 2 ) Five , Si 2 Cl 6 , SiHCl Three , SiH 2 Br 2 , SiH 2 Cl 2 , Si 2 Cl Three F Three And those that can be easily gasified. Here, D represents deuterium.
[0049]
When the deposited film is amorphous silicon germanium, a gasifiable compound containing germanium atoms as a raw material gas is specifically GeH. Four , GeD Four , GeF Four , GeFH Three , GeF 2 H 2 , GeF Three H, GeHD Three , GeH 2 D 2 , GeH Three D, Ge 2 H 6 , Ge 2 D 6 Etc.
[0050]
In addition, when the deposited film is amorphous silicon carbide, as a gasification compound that specifically contains carbon atoms as a source gas, CH Four , CD Four , C n H 2n + 2 (N is an integer), C n H 2n (N is an integer), C 2 H 2 , C 6 H 6 , CO 2 , CO and the like.
[0051]
Examples of the substance introduced into the p-type layer or the n-type layer for valence electron control include Group III atoms and Group V atoms in the periodic table.
[0052]
As a material effectively used as a starting material for introducing a group III atom, specifically, for introducing a boron atom, B 2 H 6 Boron hydride such as BF Three And boron halides.
[0053]
Specifically, as a starting material for introducing a group V atom, specifically, PH for introducing a phosphorus atom can be used. Three Phosphorus hydrides such as PF Five And the like. In addition to AsH Three Etc. can also be mentioned.
[0054]
Further, the gasifiable compound is H. 2 , He, Ne, Ar, Xe, Kr or the like may be appropriately diluted with a gas such as He, Ne, Ar, Xe, or Kr.
[0055]
<Tandem structure photovoltaic device>
In the present invention, a tandem photovoltaic element refers to a photovoltaic element having a structure in which a plurality of photovoltaic elements are connected in series.
[0056]
In a tandem photovoltaic device, a plurality of photovoltaic devices with different light absorption wavelength ranges can be stacked so that the band gap becomes narrower in order from the light incident direction, so that a wider wavelength range of incident light can be utilized. As a result, the photoelectric conversion efficiency is improved.
[0057]
Moreover, in a photovoltaic device having a tandem structure, since the light is absorbed by a plurality of photoelectric conversion layers, the film thickness of each photoelectric conversion layer can be reduced, and a photodegradation phenomenon called the Stebler-Lonsky effect is caused. Can be suppressed.
[0058]
Examples of the layer structure of a photovoltaic element having a tandem structure made of a silicon-based non-single-crystal semiconductor include a nipnip or pinpin two-layer tandem structure and a nipnipnip or pinpinpin three-layer tandem structure. Among these, the three-layer tandem structure is excellent in that a wider light wavelength range can be utilized.
[0059]
In the case of a photovoltaic element having a three-layer tandem structure, the light after passing through the first photoactive layer is transmitted to the second photoactive layer from the light incident side. Since the light after passing through the second photoactive layer is incident, it is necessary to increase the film thickness in the order of first <second <third. Further, if the band gaps of the second and third photoactive layers are made narrower than the first, it is possible to suppress the film thickness from increasing. However, since the film thickness tends to be thicker than that of the first photoactive layer, it is continuously increased. Application of high speed deposition is desirable for manufacturing.
[0060]
As described above, when photovoltaic elements with tandem structure made of silicon-based non-single crystal are stacked with a plurality of photovoltaic elements having different light absorption wavelength ranges so that the band gap is narrowed in order from the light incident direction. Examples of the material having a narrow band gap include non-single-crystal silicon germanium, non-single-crystal silicon tin, and microcrystalline silicon.
[0061]
【Example】
Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
[0062]
Example 1
In this example, a solar cell having a nipnip two-layer tandem structure composed of six layers of silicon-based non-single crystal film on a stainless steel substrate was manufactured by the method of the present invention using the manufacturing apparatus having the configuration shown in FIG. .
[0063]
The two i-type layers were deposited by applying a DC voltage to the film formation chamber by a plasma CVD method with a VHF frequency, and the applied DC voltage was set to be lower in the order of deposition.
[0064]
In the apparatus shown in FIG. 1, first, a stainless steel substrate 101 (SUS430-BA) having a length of 500 m, a width of 356 mm, and a thickness of 0.15 mm is passed through a gas gate 110 from a bobbin wound in a coil shape of the unwind chamber 102. Then, the chambers 103, 104, 105, 106, 107, 108 were passed through the bobbin of the winding chamber 109 so as to be wound in a coil shape, and the tension was applied without tension by a tension applying mechanism (not shown).
[0065]
Next, the chambers 102 to 109 were evacuated once to 1 Pa or less by the exhaust means of each chamber. While continuously evacuating, 100 sccm of He gas was introduced from the gas introduction pipe 112 connected to the gas supply means (not shown) of each chamber, and the opening degree of the exhaust valve (not shown) of the exhaust pipe 113 was adjusted. The internal pressure of the chamber was maintained at 100 Pa.
[0066]
In this state, the belt-like substrate was continuously moved at a moving speed of 600 mm per minute by a substrate transfer mechanism (not shown) connected to the bobbin of the winding chamber 109.
[0067]
Next, heating was controlled by the substrate heater 119 provided in each plasma discharge chamber and a substrate temperature monitor (not shown) so that the belt-like substrate 101 moving in each chamber had a predetermined temperature.
[0068]
When the substrate 101 is uniformly heated in each chamber, the introduction of the He gas is stopped while continuing the heating, and the gas to the gas introduction pipe 112 is changed to SiH. Four Switched to source gas containing.
[0069]
Further, each gas gate 110 is supplied with H as a gas for separating a source gas from a gate gas introduction pipe 111 connected to a gas supply means (not shown). 2 1000 sccm of each was introduced.
[0070]
Next, high frequency power of RF frequency and VHF frequency is supplied from a high frequency power source to the discharge electrodes 114 and 115 of each chamber, discharge is generated in each chamber, the source gas is plasma-decomposed, and the moving strip substrate 101 is moved over A stacked film of a silicon-based non-single crystal film was deposited to form a semiconductor film of a solar battery having a two-layer tandem structure made of a silicon-based non-single crystal semiconductor.
[0071]
The discharge frequencies of the chambers 104 and 107 were 105 MHz and the discharge electrodes were rod-shaped, the discharge frequencies of the chambers 103, 105, 106 and 108 were 13.56 MHz and the discharge electrodes were flat.
[0072]
Furthermore, a DC voltage of 300 V is applied to the bias electrode of the VHF frequency chamber 104 through which the substrate passes first in a positive direction with respect to the belt substrate at the ground potential, and the bias electrode of the chamber 107 at VHF frequency through which the substrate passes later is applied. Applied a DC voltage of 100 V in a positive direction with respect to the belt-like substrate at the ground potential.
[0073]
Table 1 shows the film forming conditions of each chamber.
[0074]
[Table 1]
Figure 0003984761
[0075]
After such film deposition is continuously performed over the length of the strip-shaped substrate of 400 m, the supply of discharge power to each chamber, introduction of the source gas, and heating of the strip-shaped substrate are stopped, After purging and sufficiently cooling the band-shaped substrate and the inside of the apparatus, the apparatus was opened to the atmosphere, and the band-shaped substrate having the semiconductor laminated film formed thereon and taken up on the bobbin in the winding chamber was taken out.
[0076]
Furthermore, the strip-shaped substrate taken out is continuously processed by a continuous modularization apparatus, and a 60 nm ITO thin film is formed on the entire surface as a transparent electrode on the semiconductor laminated film formed by the apparatus of the present invention. A thin-line Ag electrode was formed in the gap, and a solar cell module having a 35 cm square nipnip structure and a two-layer tandem structure was continuously formed.
[0077]
And about the created solar cell module, AM1.5 (100 mW / cm 2 ) Was evaluated at 25 ° C. under simulated sunlight irradiation.
[0078]
As a result of the characteristic evaluation, the average photoelectric conversion efficiency of the produced solar cell module is 1.4 times compared with the average photoelectric conversion efficiency of the solar cell module when the bias voltage is not applied to the chambers 104 and 107 as 1. It was.
[0079]
Further, when the occurrence rate of characteristic defects due to short-circuiting of the created solar cell module was observed, the non-defective product rate when the DC voltage was not applied to the chambers 104 and 107 was compared with 100, and the chamber 104 was 300 V and the chamber 107 was 100 V. The non-defective rate was 95 when the voltage was applied, the non-defective rate was 35 when 100 V was applied to the chamber 104 and 300 V was applied to the chamber 107.
[0080]
Table 2 shows changes in conversion efficiency and yield rate when solar cell modules are manufactured by changing the combination of DC voltages.
[0081]
[Table 2]
Figure 0003984761
[0082]
From this, it was confirmed that the conversion efficiency and the yield rate of the photovoltaic element having the tandem structure can be achieved by the method of the present invention.
[0083]
(Example 2)
FIG. 2 is a schematic diagram showing an apparatus for realizing the method of the present invention used in this embodiment. The apparatus shown in FIG. 2 has three RF frequency chambers added to the apparatus shown in FIG. 1, and the i-type layer is deposited from the substrate side by the high-frequency plasma CVD method with VHF frequency, VHF frequency, and RF frequency. Further, a semiconductor laminated film of a photovoltaic element having a three-layer tandem structure of nipnipnip or pinpinpin can be manufactured.
[0084]
In FIG. 2, 201 is a belt-like substrate, 202 is an unwinding chamber, 203, 204, 205, 206, 207 and 208 are chambers, 220, 221, and 222 are plasma CVD chambers with an RF frequency of 13.56 MHz, and 209 is a winding. The take-up chamber 210 is a gas gate.
[0085]
In this example, a solar cell having a three-layer tandem structure having a nipnip structure composed of nine silicon non-single crystal films on a stainless steel substrate was manufactured by the method of the present invention using the apparatus shown in FIG.
[0086]
Three i-type layers were deposited from the substrate side by a high-frequency plasma CVD method with VHF frequency, VHF frequency, and RF frequency, and a positive DC voltage was applied to the film forming chambers of the chambers 204 and 207 with VHF frequency. Further, the DC voltage to be applied was set to be lower in the order of deposition.
[0087]
Specifically, a DC voltage of 200 V is applied to the bias electrode of the VHF frequency chamber 204 through which the substrate passes first in a positive direction with respect to the belt substrate at the ground potential, and the VHF frequency chamber 207 through which the substrate passes later. A DC voltage of 100 V was applied to the bias electrode in a positive direction with respect to the belt-like substrate having the ground potential.
[0088]
Table 1 shows the film forming conditions of each chamber.
[0089]
[Table 3]
Figure 0003984761
[0090]
Hereinafter, in the same manner as in Example 1, a solar cell module having a three-layer tandem structure having a nipnipnip structure composed of nine layers of silicon-based non-single-crystal films on a stainless steel substrate was manufactured by the method of the present invention.
[0091]
And about the created solar cell module, Am1.5 (100 mW / cm 2 ) Was evaluated at a temperature of 25 ° C. under simulated sunlight irradiation.
[0092]
As a result of the characteristic evaluation, the average photoelectric conversion efficiency of the produced solar cell module is 1.4 times compared with the average photoelectric conversion efficiency of the solar cell module when the DC voltage is not applied to the chambers 204 and 207 as 1. It was.
[0093]
Further, when the occurrence rate of characteristic failure due to short circuit of the created solar cell module was observed, the non-defective product rate when the DC voltage was not applied to the chambers 204 and 207 was set to 100, and the chamber 204 was 200 V and the chamber 207 was 100 V. The non-defective rate was 98, which was almost unchanged.
[0094]
From this, it was confirmed that the conversion efficiency and the yield rate of the photovoltaic device having the tandem structure can be achieved by the method of the present invention.
[0095]
(Example 3)
A 35-cm square nipnipnip structure three-layer tandem solar cell module was continuously manufactured in the same manner as in Example 2 except that the discharge frequency in the discharge chambers 204 and 207 was changed to 20 MHz.
[0096]
And about the created solar cell module, Am1.5 (100 mW / cm 2 ) Was evaluated at a temperature of 25 ° C. under simulated sunlight irradiation.
[0097]
As a result of the characteristic evaluation, the average photoelectric conversion efficiency of the created solar cell module is 1.25 times higher than the average photoelectric conversion efficiency of the solar cell module when the DC voltage is not applied to the chambers 204 and 207. It was.
[0098]
Further, when the occurrence rate of characteristic failure due to short circuit of the created solar cell module was observed, the non-defective product rate when the DC voltage was not applied to the chambers 204 and 207 was set to 100, and the chamber 204 was 200 V and the chamber 207 was 100 V. The non-defective product rate was 100 and no change when applied.
[0099]
From this, it was confirmed that the conversion efficiency and the yield rate of the photovoltaic device having the tandem structure can be achieved by the method of the present invention.
[0100]
(Example 4)
A 35 cm square nipnipnip structure three-layer tandem solar cell module was continuously manufactured in the same manner as in Example 2 except that the discharge frequency in the discharge chambers 204 and 207 was changed to 500 MHz.
[0101]
And about the created solar cell module, Am1.5 (100 mW / cm 2 ) Was evaluated at a temperature of 25 ° C. under simulated sunlight irradiation.
[0102]
As a result of the characteristic evaluation, the average photoelectric conversion efficiency of the produced solar cell module is 1.45 times in comparison with the average photoelectric conversion efficiency of the solar cell module when the DC voltage is not applied to the chambers 204 and 207 as 1. It was.
[0103]
Further, when the occurrence rate of characteristic failure due to short-circuiting of the created solar cell module was observed, the non-defective product rate when a DC voltage was not applied to the chambers 204 and 207 was set to 100, and the chamber 204 was 200 V and the chamber 207 was 100 V. The non-defective rate when 95 was applied was as good as 95 with almost no change.
[0104]
From this, it was confirmed that the conversion efficiency and the yield rate of the photovoltaic device having the tandem structure can be achieved by the method of the present invention.
[0105]
(Example 5)
A 35 cm square nipnipnip structure three-layer tandem solar cell module was continuously manufactured in the same manner as in Example 2 except that the DC voltages applied to the discharge chambers 204 and 207 were changed to 200 V and 150 V, respectively.
[0106]
And about the created solar cell module, Am1.5 (100 mW / cm 2 ) Was evaluated at a temperature of 25 ° C. under simulated sunlight irradiation.
[0107]
As a result of the characteristic evaluation, the average photoelectric conversion efficiency of the created solar cell module is 1.43 times compared with the average photoelectric conversion efficiency of the solar cell module when the DC voltage is not applied to the chambers 204 and 207 as 1. It was.
[0108]
Further, when the occurrence rate of characteristic failure due to short circuit of the created solar cell module was observed, the non-defective product rate when a DC voltage was not applied to the chambers 204 and 207 was set to 100, and the chamber 204 was 200 V and the chamber 207 was 150 V. The non-defective rate was 93, with almost no change.
[0109]
From this, it was confirmed that the conversion efficiency and the yield rate of the photovoltaic device having the tandem structure can be achieved by the method of the present invention.
[0110]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a positive DC voltage is applied to the substrate and the substrate side is negative in the i-type film forming chamber for forming the deposited film with high-frequency power of the VHF frequency. Since a direct current electric field is formed, the film quality of the deposited film during high-speed deposition can be improved.
[0111]
In addition, in an i-type layer that forms a deposited film with high-frequency power of VHF frequency, the DC voltage applied is set lower as the layer is stacked later, so that the i-type layer having a relatively high resistance and a thick deposited film thickness. Even if the deposited film surface on the substrate becomes high resistance, the applied DC voltage is set lower as the deposited film is stacked, so abnormal discharge such as spark from the DC voltage application electrode. And the surface of the deposited film does not charge up and the semiconductor film in the process of causing breakdown does not cause a failure of the characteristics of the photovoltaic device to be manufactured. A photovoltaic device having a degraded tandem structure can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of an apparatus for realizing a method for producing a photovoltaic element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of an apparatus for realizing the method for manufacturing a photovoltaic element of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 Strip board
102 Unwinding room
103, 104, 105, 106, 107, 108 Chamber
109 Winding room
110 Gas Gate
111 Gate gas introduction pipe
112 Raw material gas introduction pipe
113 Exhaust pipe
114 Plate electrode
115 Rod electrode
116 RF power supply with RF frequency
117 High frequency power supply with VHF frequency
118 DC bias electrode
119 DC power supply
201 Strip substrate
202 Unwinding room
203, 204, 205, 206, 207, 208, 220, 221, 222 Chamber
209 Winding room
210 gas gate

Claims (12)

複数の成膜室に基板を通過させ、基板上にシリコン系非単結晶半導体からなるタンデム構造の光起電力素子を製造する光起電力素子の製造方法において、
タンデム構造の光起電力素子のi型層のうち、複数のi型層をVHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法によって堆積し、
かつVHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法によって堆積する複数のi型層の成膜室内に、基板に対して正の向きの直流電圧を印加するとともに、該直流電圧を、積層順が後の層の成膜室ほど低い電圧に設定することを特徴とする光起電力素子の製造方法。
In the method for manufacturing a photovoltaic device, the substrate is passed through a plurality of film formation chambers, and a photovoltaic device having a tandem structure made of a silicon-based non-single crystal semiconductor is manufactured on the substrate.
Among the i-type layers of the tandem structure photovoltaic element, a plurality of i-type layers are deposited by a plasma CVD method using high-frequency power of a VHF frequency,
In addition, a DC voltage in a positive direction with respect to the substrate is applied to a plurality of i-type layer deposition chambers deposited by a plasma CVD method using high-frequency power at a VHF frequency, and the DC voltage is applied later in the stacking order. A method for manufacturing a photovoltaic device, characterized in that the voltage is set to be lower in a film forming chamber of the layer.
前記光起電力素子が、nipnipnipまたはpinpinpinの3層タンデム構造の光起電力素子として作成されることを特徴とする請求項1に記載の光起電力素子の製造方法。The method for manufacturing a photovoltaic device according to claim 1, wherein the photovoltaic device is produced as a photovoltaic device having a three-layer tandem structure of nipnipnip or pinpinpin. 前記3層タンデム構造の光起電力素子の光入射側から2番目のi型層と3番目のi型層が、VHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法により、非単結晶シリコンゲルマニウムとして堆積されることを特徴とする請求項2に記載の光起電力素子の製造方法。The second i-type layer and the third i-type layer from the light incident side of the photovoltaic device having the three-layer tandem structure are deposited as non-single-crystal silicon germanium by plasma CVD using high-frequency power at the VHF frequency. The method of manufacturing a photovoltaic element according to claim 2, wherein 前記基板が帯状基板であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光起電力素子の製造方法。The method for manufacturing a photovoltaic element according to claim 1, wherein the substrate is a belt-like substrate. 複数の成膜室内をロール状基板が連続的に移動するロール・ツー・ロール方式を採用することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光起電力素子の製造方法。The method for manufacturing a photovoltaic device according to any one of claims 1 to 4, wherein a roll-to-roll method is employed in which a roll-shaped substrate continuously moves in a plurality of film forming chambers. 請求項1〜5のいずれかの方法により製造されることを特徴とする光起電力素子。A photovoltaic element manufactured by the method according to claim 1. 複数の成膜室に基板を通過させ、基板上にシリコン系非単結晶半導体からなるタンデム構造の光起電力素子を製造する光起電力素子の製造装置において、
タンデム構造の光起電力素子のi型層のうち、複数のi型層をVHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法により堆積する成膜室を有し、
該複数のi型層を堆積する成膜室内に、基板に対して正の向きの直流電圧を印加する手段を設けるとともに、該直流電圧を印加する手段が、積層順が後の層の成膜室ほど低い電圧に設定されることを特徴とする光起電力素子の製造装置。
In a photovoltaic device manufacturing apparatus for manufacturing a photovoltaic device having a tandem structure made of a silicon-based non-single crystal semiconductor on a substrate through a plurality of film formation chambers,
A film forming chamber for depositing a plurality of i-type layers among the i-type layers of the tandem photovoltaic element by a plasma CVD method using high-frequency power of a VHF frequency;
In the film formation chamber for depositing the plurality of i-type layers, a means for applying a DC voltage in the positive direction with respect to the substrate is provided, and the means for applying the DC voltage is used to form a layer whose order is later. The photovoltaic device manufacturing apparatus is characterized in that the voltage is set to be lower in the chamber.
前記正の向きの直流電圧を印加する手段が、直流バイアス電極と、これに直流電圧を印加する直流電源とによって形成されていることを特徴とする請求項7に記載の光起電力素子の製造装置。8. A photovoltaic element manufacturing apparatus according to claim 7, wherein said means for applying a positive direct current voltage is formed by a direct current bias electrode and a direct current power source for applying a direct current voltage thereto. apparatus. 前記光起電力素子が、nipnipnipまたはpinpinpinの3層タンデム構造の光起電力素子として作成されることを特徴とする請求項7又は8に記載の光起電力素子の製造装置。9. The photovoltaic device manufacturing apparatus according to claim 7, wherein the photovoltaic device is formed as a photovoltaic device having a three-layer tandem structure of nipnipnip or pinpinpin. 前記3層タンデム構造の光起電力素子の光入射側から2番目のi型層と3番目のi型層が、VHF周波数の高周波電力を用いたプラズマCVD法を行う成膜室において、非単結晶シリコンゲルマニウムとして堆積されることを特徴とする請求項9に記載の光起電力素子の製造装置。In the film formation chamber in which the second i-type layer and the third i-type layer from the light incident side of the photovoltaic element having the three-layer tandem structure perform plasma CVD using high-frequency power of the VHF frequency. The photovoltaic device manufacturing apparatus according to claim 9, wherein the photovoltaic element is deposited as crystalline silicon germanium. 前記基板が帯状基板であることを特徴とする請求項7〜10のいずれかに記載の光起電力素子の製造装置。The photovoltaic device manufacturing apparatus according to claim 7, wherein the substrate is a belt-like substrate. 複数の成膜室内をロール状基板が連続的に移動するロール・ツー・ロール装置として形成されることを特徴とする請求項7〜11のいずれかに記載の光起電力素子の製造装置。The apparatus for manufacturing a photovoltaic element according to any one of claims 7 to 11, wherein the apparatus is formed as a roll-to-roll apparatus in which a rolled substrate continuously moves in a plurality of film forming chambers.
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