JP4057741B2

JP4057741B2 - 光電変換装置の製造方法

Info

Publication number: JP4057741B2
Application number: JP12037899A
Authority: JP
Inventors: 英樹白間; 浩一郎新楽; 学古茂田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: JP2000312015A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜太陽電池などに好適に用いることができる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
近年になり、低コスト且つ高効率な次世代太陽電池の研究開発は、国内外で活発に進められてきているが、このうち、特にＳｉを主材料とした薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池は、コスト、変換効率、資源問題、環境問題などを総合的に考慮すると、次世代太陽電池として最も有力であると考えられている。
【０００３】
一般に、高効率な薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池を形成するには、主に光吸収を行う光活性層を充分高品質に形成することが最も重要な要件であるが、この光活性層の品質を最大限活かしてより高い変換効率を得るには、光活性層の品質以外にも例えばｐｎ接合の品質、ＢＳＦ機能、裏電極、ライトトラッピングなど様々な要件についてその品質を向上させる必要がある。
【０００４】
上記光活性層の品質以外に求められる要件のうち、特に光活性層のｐｎ接合が形成される側とは反対側にＢＳＦ層を形成する方法は、高変換効率を得るための最も効果的かつ一般的な方法として太陽電池全般に広く用いられている。薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池においても、当然、このＢＳＦ機能を用いることが高変換効率化のために有効であるが、このＢＳＦ機能は、高品質な光活性層形成のために用いられる下地層にその機能を担わせることが一般的であり、様々な手法でその形成方法の研究開発がなされている。
【０００５】
一例として、基板上に予め形成した非晶質または微結晶質Ｓｉに、レーザーまたはエネルギービームを照射してこれを溶融再結晶化する方法が知られている（例えば特開平９一３１２２５８公報などを参照）。この方式の特長としては、レーザーアニールによって下地層となる結晶Ｓｉを比較的大粒径化できること、また薄膜多結晶Ｓｉを比較的低温下で形成できることなどが挙げられるが、一方、レーザーアニール工程に長時間を要するため、太陽電池素子として実用的な大面積基板を用いる際には、スループットに問題がある。
【０００６】
また、ＳＵＳ基板上にプラズマＣＶＤ法で形成された非晶質ＳｉをＳＰＣ（固相結晶化）法を用いて多結晶化する方式が知られている（例えば、Proc.1st.WCPEC(994)p.1315-1318、特開平２−２８３１５号公報、特開平６−２０４５３９号公報、特開平７−１３５３３２号公報、特開平７−３３５６６０号公報などを参照）。この方式の特長としては、基板として安価なＳＵＳ基板を用いること、また、ＳＰＣ工程が６００℃程度の比較的低温プロセスであることが挙げられるが、一方、ＳＰＣ工程に約１０時間という長時間を要し、また得られる結晶についても充分大粒径化するのが難しいという問題がある。
【０００７】
他には、カーボン基板上に、プラズマ溶射法によりＳｉ粒を溶融、射出して多結晶Ｓｉ層を形成する方式が知られている（例えば、特開平５−３１５２５８号公報、特開平５−３１５２５９号公報、特開平５−３１５２６０号公報、特開平５−３２６４１４号公報、特開平６−２０８９６０号公報、特開平６−２０８９６１号公報などを参照）。この方式の特長としては、基板として安価なカーボン基板を用いること、多結晶Ｓｉの製膜を非常に高速に行え、また、多結晶Ｓｉ粒を大粒径化できることが挙げられるが、製膜温度をＳｉの融点近傍の高温度とする必要があるため、多大な熱エネルギーを要するという問題がある。
【０００８】
本発明は、以上の諸方法の問題を解消し、例えば、薄膜結晶Ｓｉ太陽電池の高効率化に好適なＢＳＦ機能を有した下地層を低コストで形成することによって、高効率で低コストな薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池の製造が可能な光電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電変換装置の製造方法は、基板上に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌのうちの少なくとも１種から成る金属膜、その窒化膜、或いはそのシリサイド膜からなる電極層と、金属薄膜層と、を順に積層する工程と、前記基板を、前記金属薄膜層を構成する金属元素とＳｉとが反応するＳｉ成膜温度に昇温させた状態で、前記金属薄膜層上に薄膜形成技術によって前記Ｓｉを成膜して前記Ｓｉと前記金属元素とを多結晶Ｓｉ層とし、前記金属薄膜層を完全に除去する工程と、を順次経ることを特徴とする。
【００１０】
また、上記発明では、前記金属元素は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｇ、またはＢｉのうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、上記発明では、前記多結晶Ｓｉ層上に、Ｓｉ光活性層となる多結晶Ｓｉ層あるいは微結晶Ｓｉ層を積層形成する工程をさらに含むことを特徴とする。
【００１２】
また、上記発明では、前記電極層上で前記金属薄膜層が形成されていない領域に裏取り出し電極を形成する工程をさらに含むことを特徴とする。
さらに、上記発明では、前記電極層の膜厚は、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
以上の構成によって、下地層のＳｉと電極との界面でのキャリア再結合を充分低く抑えることができ、同時に、Ｓｉ−電極間で良好なオーミック特性が得られ、また、Ｓｉから成る下地層が大粒径、高品質なＳｉ光活性層を形成するための下地層として機能することから、高効率化が望めるＢＳＦ機能を有した下地層が得られ、低コストかつ高効率な薄膜結晶Ｓｉ太陽電池を得ることができる半導体装置となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１に示す光電変換装置Ｓ１は、基板１上に、金属膜、その窒化膜、またはそのシリサイド膜からなる電極層２、Ｓｉと共融系を成す１種以上の金属元素を含む（１１１）面または（１００）面配向の多結晶Ｓｉ層３、Ｓｉ光活性層４、Ｓｉ光活性層４とは反対の導電型を持つＳｉ層５、および受光面電極層を兼ねた導電性反射防止膜である反射防止層７を順次積層して成る。同図中８は反射防止膜７の上面に接続して形成された表取り出し電極であり、９は金属膜、その窒化膜、またはそのシリサイド膜から成る電極層２に接続して形成された裏取り出し電極である。
【００１５】
基板１としては、ガラス、ステンレス、カーボンなどの安価で安定な材料の選択が可能である。
【００１６】
光電変換装置の製造にあたっては、図２に示すように、まず、基板１上に、Ｔｉ、Ｎｉなどの金属膜またはその窒化膜またはそのシリサイド膜からなる電極層２をスパッタリング法、イオンプレーティング法などの真空製膜法により製膜する（図２（ａ）参照）。
【００１７】
この電極層２はＴｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌのうちの少なくとも１種から成る金属層、その窒化膜、またはそのシリサイド膜から成る。これらは、シリコンと良好なオーミック特性が得られること、また、高い反射率を有することから、この電極層２に到達した光が効率的に反射され、太陽電池の高効率化に適した裏電極とすることができる。
【００１８】
また、電極層２の膜厚は１０ｎｍ〜１０μｍの膜厚、望ましくは３００ｎｍ〜２μｍの範囲に設定する。つまり電極層２の膜厚が１０ｎｍ以下の場合、裏電極として機能させるには抵抗が高すぎ、また、電極層２側に到達した光が電極層２で反射されず基板１側に抜けてしまうからである。一方、電極層２の膜厚が１０μｍ以上の場合、電極層２の製膜に長時間を要し、またコストもかかる。
【００１９】
さらに、電極層２の表面構造が微細かつランダムな凹凸構造としてもよい。これによって、電極層２側に到達した光の反射が散乱されて、層内部での光閉じ込めが促進されるので、光利用効率が向上する。
【００２０】
次に、電極層２上に、Ｓｉと共融系を成す金属元素を含んだ金属薄膜層３ａを電子ビーム蒸着法、スパッタリング法などの真空製膜法により、膜厚５μｍ以下、好ましくは２００ｎｍ程度に成膜する（図２（ｂ）参照）。なお、Ｓｉと共融系を成す金属元素としては、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｇ、またはＢｉのうちの少なくとも１種を用いることができる。
【００２１】
次いで、この金属薄膜層３ａを形成した基板１を４５０℃以上、好ましくは５００℃程度の温度に昇温した後、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法などの薄膜形成技術にてＳｉを供給する。これにより、上記金属元素とＳｉとの反応現象により、基板１面に平行な方向において１μｍ以上の結晶粒径を持つ多結晶Ｓｉ層３を５００℃程度という比較的低温において形成することができる（図２（ｃ）参照）。
【００２２】
このとき、図３および表１に示すように、多結晶Ｓｉ層３の結晶方位の選択配向性がＸ線回折強度比で（１１１）面に対し（１００）面を除く他の面が０．０６以下または（１００）面に対し（１１１）面を除く他の面が１．００以下となっている。
【００２３】
【表１】

【００２４】
この配向特性を有することによって、多結晶Ｓｉ層３を下地層として、この上に順次積層される結晶Ｓｉ膜４にも同じ結晶方位の情報が伝達しやすくなり、後述する結晶Ｓｉ表面への微細かつランダムな凹凸構造の形成など、太陽電池素子作製にあたっての各プロセスで行う各種処理の基板面内均一性を容易に確保することができる。また、１μｍ以上の結晶粒径のものを含んでいることから、より大きな結晶粒径の光活性層４の積層形成を促進でき、結晶粒界密度が低減することで結晶欠陥が少なくなり、高品質な光活性層を形成できる。
【００２５】
また、多結晶Ｓｉ層３はＳｉと共融系を成す金属元素を１×１０¹⁶〜１×１０²²ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度含有している。さらに、Ｓｉ供給時にＢなどのドーピング元素を含有させることにより、キャリア濃度を１×１０¹⁸〜１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲に制御し、ＢＳＦ効果を最適化することが可能である。
【００２６】
次に、前記多結晶Ｓｉ層３上に同一導電型のＳｉ光活性層４となる多結晶あるいは微結晶Ｓｉ層４を厚さ２μｍ〜３０μｍ程度に形成する（図２（ｄ）参照）。なお、光活性層４の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法や触媒ＣＶＤ法などの真空製膜法を用いることができ、特に後者においては比較的低温下で高品質且つ高速に多結晶Ｓｉを形成できるので、より短時間に製造することができる。
【００２７】
次に、Ｓｉ光活性層４上に同層とは反対導電型の非晶質、多結晶もしくは微結晶を含む非単結晶Ｓｉ層５をプラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などの真空製膜法により厚さ数１００ｎｍ以下に形成する（図２（ｅ）参照）。
【００２８】
ここで、Ｓｉ光活性層４とＳｉ層５とで形成されるｐｎ接合の品質によっては、図４に示す光電変換装置Ｓ２のように、Ｓｉ光活性層４とＳｉ層５の間に、真性型（ｉ型）の非単結晶Ｓｉ層６を介在させてもよい。特に同層を水素化アモルファスＳｉで形成する場合は、その膜厚を２〜４０ｎｍ程度にする。非単結晶Ｓｉ層６を結晶質Ｓｉで形成する場合にはその膜厚を１μｍ以下とする。さらに、Ｓｉ層５およびＳｉ層６を特に水素を含んだ雰囲気下で形成すると、各層の界面およびその近傍の欠陥単位を水素で終端、不活性化することができ、より品質の高いｐｎ接合またはｐｉｎ接合を得ることができる。
【００２９】
さらに、Ｓｉ層５上に、窒化Ｓｉ膜や酸化Ｓｉ膜などの絶縁性反射防止膜７、あるいは、ＩＴＯやＳｎＯ₂などの導電性反射防止膜７をプラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などの真空製膜法を用いて６０〜８０ｎｍ程度の膜厚に製膜する（図１参照）。
【００３０】
ところで、素子表面の反射率低減の方法としては、素子表面を適当な凹凸形状にしてライトトラッピング構造を形成し、表面反射率を低減することができる。この方法としては，ドライエッチング技術であるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法が有力であることが知られている（Technical Digest of the International PVSEC-9 (1996) 93-96、109-110 ）。この方法を用いれば、結晶Ｓｉ表面をＳｉの結晶方位に依存しないランダム且つ微細な凹凸形状とすることができ、各種ウエットエッチング法に比べて格段に優れた低反射率特性を実現できる。すなわちｐｎ接合を形成する前に、光活性層４に対してＲＩＥ法を適用し、光活性層４の表面をＳｉの結晶方位に依存しない微細かつランダムな凹凸形状（粗面状）とし、続いてＳｉ層５を形成する。これによって光波長４００〜１０００ｎｍの範囲で表面反射率を１０％以下に抑えることができる。実際の素子化にあたっては、さらに反射防止膜７を形成するために、実際の表面反射率はさらに低減することができる。以上によって光利用効率が格段に向上したライトトラッピング構造を実現することができ、素子変換効率を飛躍的に向上させることができる。
【００３１】
光利用効率が格段に向上すると、光活性層４の膜厚をより薄くすることを可能とし、膜形成時間をより短時間とすることができるので、より一層の低コスト化にも寄与する。
【００３２】
次に、反射防止膜７上に表取り出し電極８を、真空製膜技術、プリントおよび焼成技術、さらにメッキ技術などで形成する。なお、絶縁性の反射防止膜７をＳｉ層５上にコートする場合は、表取り出し電極８を形成する領域をバッファードフッ酸などの適当な薬液によるエッチング技術などで除去してＳｉ層５の表面を露出させ、ここに表取り出し電極８を接続するように形成すればよい。また、裏取り出し電極９は、電極層２上に同様の技術で形成すればよい。
【００３３】
以上によって、低コストでしかも高変換効率な薄膜結晶Ｓｉ太陽電池である光電変換装置Ｓ１、Ｓ２を得ることができる。また、光電変換装置として太陽電池を例にとって説明したが、これに限定されるものではなく、例えば位置検知センサ、輝度センサ、カラーセンサなどの光センサなどにも適用が可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の光電変換装置の製造方法によれば、基板と多結晶Ｓｉ層との間に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌのうちの少なくとも１種から成る金属膜、その窒化膜、或いはそのシリサイド膜を設けることから、多結晶Ｓｉとの良好なオーミック特性が得られ、また、高い反射率を有することから、裏面電極層に到達した光を効率的に反射させることができ、高効率な薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池を得ることができる。
【００３５】
さらに、前記多結晶Ｓｉ層の結晶方位の選択配向性がＸ線回折強度比で（１１１）面に対し（１００）面を除く他の面が０．０６以下または（１００）面に対し（１１１）面を除く他の面が１．００以下であり、且つ、前記多結晶Ｓｉ層中にＳｉとの共融温度が８５０℃以下の金属元素を含有することから、この多結晶Ｓｉ層を下地層としてこの上に積層される結晶Ｓｉ膜の高品質化に寄与することができ、また太陽電池のＢＳＦ層としても好適なキャリア濃度を持たせることができ、高効率な薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る半導体装置の製造方法を示す図である。
【図３】多結晶Ｓｉ層の結晶方位の選択配向性をＸ線回折強度比で示した図である。
【図４】本発明に係る半導体装置の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１‥‥‥基板、２‥‥‥電極層、３‥‥‥多結晶Ｓｉ層、４‥‥‥Ｓｉ光活性層、５‥‥‥Ｓｉ光活性層とは反対の導電型を持つＳｉ層、７‥‥‥反射防止層、８‥‥‥表取り出し電極、９‥‥‥裏取り出し電極

Claims

基板上に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌのうちの少なくとも１種から成る金属膜、その窒化膜、或いはそのシリサイド膜からなる電極層と、金属薄膜層と、を順に積層する工程と、
前記基板を、前記金属薄膜層を構成する金属元素とＳｉとが反応するＳｉ成膜温度に昇温させた状態で、前記金属薄膜層上に薄膜形成技術によって前記Ｓｉを成膜して前記Ｓｉと前記金属元素とを多結晶Ｓｉ層とし、前記金属薄膜層を完全に除去する工程と、
を順次経ることを特徴とする光電変換装置の製造方法。
前記多結晶Ｓｉ層の結晶方位の選択配向性がＸ線回折強度比で（１１１）面に対し（１００）面を除く他の面が０．０６以下または（１００）面に対し（１１１）面を除く他の面が１．００以下としたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置の製造方法。
前記金属元素は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｇ、またはＢｉのうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した光電変換装置の製造方法。
前記多結晶Ｓｉ層上に、Ｓｉ光活性層となる多結晶Ｓｉ層あるいは微結晶Ｓｉ層を積層形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
前記電極層上で前記金属薄膜層が形成されていない領域に裏取り出し電極を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。
前記電極層の膜厚は、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載した光電変換装置の製造方法。