JP4256522B2 - Manufacturing method of silicon-based thin film photoelectric conversion device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン形薄膜を光電変換層として用いたシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法に関する。
【0002】
なお、本願明細書において、「多結晶」と「微結晶」の用語は、部分的に非晶質状態を含むものをも意味するものとする。
【0003】
【従来の技術】
近年、結晶質シリコンを含む薄膜、例えば多結晶シリコンや微結晶シリコン薄膜等を用いた光電変換装置の開発が精力的に行われている。これらの開発は、安価な基板上に低温プロセスで良質の結晶質シリコン薄膜を形成することによって光電変換装置の低コスト化と高性能化を両立させるという試みであり、太陽電池だけでなく光センサ等のさまざまな光電変換装置への応用が期待されている。
【0004】
結晶質シリコン薄膜の形成方法としては、例えばCVD法やスパッタリング法にて基飯上に直接堆積させるか、同様のプロセスで一旦非晶質膜を堆積させた後に熱アニールやレーザアニールを行なうことによって結晶化を図るなどの方法が知られている。いずれの方法においても前述した安価な基板を用いるためには低温プロセスにより行なうことが必要がある。
【0005】
前記各成膜プロセスの中でも、プラズマCVD法によって直接結晶質シリコン薄膜を堆積させる手法は、プロセスの低温化や薄膜の大面積化が最も容易であり、しかも比較的簡便なプロセスで高品質な結晶質薄膜が得られるものと期待されている。
【0006】
プラズマCVDの手法により多結晶シリコン薄膜を形成する場合、結晶質を含む高品質シリコン薄膜を予め基板上に形成した後、前記薄膜をシード層または結晶化制御層としてその上にプラズマCVD法により成膜をすることによって、比較的低温で良質の多結晶シリコン薄膜を形成することが可能になる。
【0007】
一方、プラズマCVD法において反応容器に水素でシラン系原料ガスを10倍以上希釈した反応ガスを導入すると共に、反応容器内圧力を10mTorr〜1Torrの範囲に設定して成膜することによって、微結晶シリコン薄膜が得られることはよく知られており、200℃前後の温度でも容易に微結晶化されたシリコン薄膜を形成できる。
【0008】
例えば、Appl, Phys, Lett., Vol. 65, 1994, p.860には微結晶シリコンのpin接合からなる光電変換ユニットを含む光電変換装置が開示されている。この光電変換ユニットは、簡便なプラズマCVD法により順次積層されたp型半導体層、光電変換層であるi型半導体層およびn型半導俸層からなり、これらの半導体層のすべてが微結晶シリコンである。
【0009】
ところで、光電変換装置のようなデバイスに適用し得るシリコン系薄膜の場合にはより高品質であることが要求されている。このような要求に対応して、従来よりシリコン薄膜中の酸素および炭素のような残留不純物原子の量を低減させることが試みられている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記シリコン薄膜中の残留不純物原子の濃度を下げるには限度があり、あらゆる不純物の量をできるだけ低減しようとすればする程、薄膜形成装置をはじめ高価な製造装置や製造ラインを必要とするため、製造コストが高くるという問題があった。他方、薄膜シリコン系光電変換装置におけるシリコン系光電変換層中の前述した酸素および炭素のような不純物原子または導電性を与えるリン、ボロン等の不純物原子の振る舞いに関しては不明な部分が多々あった。
【0011】
本発明は、上述の従来技術の課題に鑑み、低温プラズマCVD法により形成される高品質のシリコン系薄膜、並びにこのシリコン系薄膜からなる光電変換層を有する光電変換ユニットを備えた高性能のシリコン系薄膜光電変換装置を提供しようとするものである。
【0012】
【課題を解決するための手殴】
本発明者らは、上述した課題を解決すべく検討を重ねた結果、光電変換装置に適用するシリコン系薄膜に関して、例えばリン原子のようなV族原子の濃度を特定の範囲に制御することにより高性能のシリコン薄膜系光電変換装置が得られることを見い出した。
【0014】
本発明に係わるシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法は、リンが0.01原子%以上ドープされたn型シリコン層と光電変換層とp型シリコン層とをプラズマCVD法によってそれぞれ形成された光電変換ユニットを備えたシリコン系薄膜光電変換装置を製造するにあたり、
前記n型シリコン層上にプラズマCVD法により前記n型シリコン層を150〜300℃の温度に設定し、前記n型シリコン層をリンの拡散源として堆積中のシリコン系薄膜にリンを拡散してリン原子の平均濃度が3×10 15 cm -3 以上、5×10 16 cm -3 以下の実質的に真性半導体で、膜厚が1.2〜20μmの結晶質を含むシリコン系薄膜からなる前記光電変換層を形成することを特徴とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明に係わるシリコン系薄膜は、プラズマCVD法を用いて下地温度400℃以下で堆積された結晶質を含むシリコン系薄膜であって、この薄膜中のV族原子の平均濃度が3×1015cm-3以上、5×1016cm-3以下である。
【0016】
前記シリコン薄膜中のV族原子としては、例えばリン、砒素等を挙げることができる。このV族原子の平均濃度は、例えば二次イオン質量分析法(SIMS)により測定される。このようなSIMSによるV族原子濃度の測定においては、前記薄膜表面から0.5μm以下の深さ方向の領域および下地と接する面から0.5μm以下の深さ方向の領域を除く範囲をV族原子の平均濃度測定領域とすることが好ましい。
【0017】
前述したシリコン系薄膜は、例えば図1に示すプラズマCVD装置を用いて以下に示す方法により形成される。
【0018】
図1における矩形状の反応容器1は、対向する両側壁に排気部材である排気管2,2がそれぞれ連結されている。前記排気管2,2は、それら他端が図示しない例えばメカニカルブースターポンプおよびドライポンプのような真空装置に連結されている。基板を出し入れするための図示しないバルブは、前記反応容器1の対向する側壁に設けられている。
【0019】
矩形状の第1電極3は、前記反応容器1内の上部側に支持軸4により支持されて配置されている。前記第1電極3下部には、保持される基板を加熱するための図示しないヒータが内蔵されている。前記第1電極3は、例えばグランドに接続されている。
【0020】
中空状の第2電極5は、前記反応容器1内に前記第1電極3の下面と対向するように配置されている。前記第1電極3と対向する前記第2電極5の面(対向面)6には、反応ガスの吹き出しのための多数のガス吹き出し孔が開口されている。前記第2電極5は、図示しない電源、例えば高周波電源に接続されている。反応ガスの導入手段であるガス導入管7は、反応容器1の外部から前記第2電極5の底部に連結されている。
【0021】
前述した図1に示すプラズマCVD装置により本発明に係わるシリコン系薄膜を形成するには、まず、図示しないバルブを通して基板8を反応容器1内の第1電極3に保持させ、その第1電極3に内蔵した図示しないヒータの発熱により前記基板8の膜堆積部分をガラス等の安価な基板の使用が可能な400℃以下に加熱する。シラン系ガス、水素および所望量のV族元素含有化合物ガスを含む反応ガスを導入管7を通して中空状の第2電極5内に導入し、その対向面6の多数のガス吹き出し孔から反応ガスを第1電極3に保持された基板8に向けて吹き出すと同時に、図示しない排気装置を駆動して前記反応容器1内のガスを排気管2,2を通して排気して前記反応容器1内を所定の真空度に保持する。反応容器1内の真空度が安定した状態で、図示しない電源から前記第2電極5に例えば高周波電力を印加することにより前記第1、第2の電極3,5間の領域にプラズマ9を生成させる。プラズマ9が生成されると、その中で反応ガスが分解されてシリコン等が400℃以下に加熱された前記基板8表面に堆積されて前述した特定のV族原子の平均濃度を有する結晶質のシリコン薄膜が成膜される。
【0022】
このような成膜工程において、反応ガス中のV族元素含有化合物ガス量、放電電力、反応容器内の圧力、基板のシリコン堆積部の温度等を制御することにより前述した特定のV族原子濃度を有するシリコン系薄膜が形成される。
【0023】
特に、後述する光電変換装置で説明するように下地層がV族原子を導電性不純物として含むV族原子ドープ半導体層である基板上に前記シリコン系薄膜を形成する際、前記V族原子ドープ半導体層をV族原子導入源(拡散源)として堆積中のシリコン系薄膜に拡散させることによって、シリコン系薄膜中の微量のV族原子濃度の制御性および再現性を高めることができる。このような下地層を拡散源として利用する場合には、その下地層の温度を150〜300℃に設定することが好ましい。
【0024】
前記成膜工程において、全反応ガス中のシラン系ガスに対する希釈ガスである水素の流量は20倍以上にすることが好ましいが、他の成膜条件(放電電力や反応室内圧力など)との組み合わせによって最適な希釈量が決められる。また、V族元素含有化合物ガスの量は放電電力、反応容器内の圧力、基板の温度等により決められる。
【0025】
前記シラン系ガスとしては、例えばモノシラン、ジシラン等が好ましいが、これらに加えて四フッ化ケイ素、四塩化ケイ素、ジクロルシラン等のハロゲン化ケイ素ガスを用いてもよい。このようなシラン系ガスに加えて水素、窒素、または希ガス等の不活性ガス、好ましくはヘリウム、ネオン、アルゴン等を用いもよい。前記V族元素含有化合物ガスとしては、例えばホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)等を用いることができる。
【0026】
なお、本発明に係わるシリコン系薄膜の形成に使用されるプラズマCVD装置は前述した図1に示す構造に限定されない。例えば基板を保持する第1電極と反応ガスを吹き出す第2電極とを反転して配置した構造、周波数が150MHz以下の高周波からVHF帯、マイクロ波帯を電源として用いた構造のプラズマCVD装置を用いてもよい。
【0027】
本発明に係わるシリコン系薄膜は、多結晶シリコンもしくは体積結晶化分率80%以上の微結晶シリコンであり、実質的に真性半導体である。ただし、400℃以下という低温で形成しているので、結晶粒界や粒内における欠陥を終端・不活性化させるための水素原子を多く含み、その膜中水素含有量は1原子%以上20原子%以下にすることが好ましい。
【0028】
本発明に係わるシリコン系薄膜において、V族原子の平均濃度を3×1015cm-3以上、5×1016cm-3以下の範囲にすることによって、高品質化を図ることができる。
【0029】
次に、本発明に係わるシリコン系薄膜光電変換装置を図2を参照して説明する。図2は、本発明の1つの実施形態であるシリコン系薄膜光電変換装置を模式的に示す斜視図である。
【0030】
裏面電極111は、基板101上に形成されている。
【0031】
前記基板101としては、例えばステンレス等の金属、有機フィルム、または低融点の安価なガラス等を用いることができる。
【0032】
前記裏面電極110は、例えばTi,Cr,Al,Ag,Au,CuおよびPtから選択された少なくとも1以上の金属またはこれらの合金からなる層を含む金属薄膜102、103およびITO,SnO2,およびZnOから選択された少なくとも1つ以上の酸化物からなる層を合む透明導電性薄膜104をこの順序で積層することにより形成される。ただし、一層の金属薄膜と透明導電性薄膜、または金属薄膜のみ、もしくは透明導電性薄膜のみで裏面電極111を構成してもよい。これらの薄膜102,103、104は、例えば蒸着法やスパッタリング法によって形成される。
【0033】
前記裏面電極111上には、プラズマCVD法によって一導電型半導体層105、結晶質シリコン系薄膜光電変換層106および逆導電型半導体層107を順次積層して構成された光電変換ユニット112が形成されている。この光電変換ユニット112は、1ユニットに限らず、複数のユニットを前記裏面電極111に形成してもよい。
【0034】
前記一導電型半導体層105、結晶質シリコン系薄膜光電変換層106および逆導電型半導体層107について、以下に詳述する。
【0035】
1)一導電型半導体層105
この一導電型半導体層105は、例えば導電型決定不純物原子であるリンが0.01原子%以上ドープされたn型シリコン層、またはボロンが0.01原子%以上ドーブされたp型シリコン層などを用いることができる。ただし、一導電型半導体層105に関するこれらの条件は限定的なものではなく、不純物原子としては例えばp型シリコン層においてはアルミニウム等でもよく、またシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウムなどの合金材料を用いてもよい。
【0036】
一導電型シリコン系薄膜105は、多結晶、微結晶、または非晶質のいずれでもよく、その膜厚は1〜100nmより好ましくは2〜30nmにすることが望ましい。
【0037】
2)結晶質シリコン系薄膜光電変換層106
この結晶質シリコン系薄膜光電変換層106は、プラズマCVD法を用いて下地温度400℃以下で堆積された例えばリン、砒素のようなV族原子の平均濃度が3×1015cm-3以上、5×1016cm-3以下で実質的に真性半導体である結晶質を含むシリコン系薄膜からなる。この光電変換層106は、膜厚が1.2〜20μmに設定される。
【0038】
前記光電変換層106は、その中に含まれる結晶粒の多くが一導電型半導体層(下地層)105から上方に柱状に延びて成長された組織を有することが好ましい。これらの多くの結晶粒は、膜面に平行に(110)の優先結晶配向面を有し、そのX線回折で求めた(220)回折ピークに対する(111)回折ピークの強度比は1/5以下、より好ましくは1/10以下であることが望ましい。
【0039】
前記光電変換層106は、下地層である一導電型層105の表面形状が実質的に平面である場合でも、前述した成膜後の表面にその膜厚よりも約1桁ほど小さい間隔の微細な凹凸を有する表面テクスチャ構造が形成されることを許容する。
【0040】
3)逆導電型半導体層107
この逆導電型半導体層107としては、例えば導電型決定不純物原子であるボロンが0.01原子%以上ドープされたp型シリコン薄膜、またはリンが0.01原子%以上ドープされたn型シリコン薄膜などが用いられ得る。ただし、逆導電型半導体層107についてのこれらの条件は限定的なものではない。不純物原子としては、例えばp型シリコンにおいてはアルミニウム等でもよく、またシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等の合金材料の膜を用いてもよい。この逆導電極シリコン系薄膜107は、多結晶、微結晶または非晶質のいずれでもよく、その膜厚は3〜100nmの範囲内に設定され、より好ましくは5〜50nmの範囲内に設定される。
【0041】
透明導電性酸化膜108は、前記光電変換ユニット112上に形成されている。櫛形状の金属電極109は、前記透明導電性酸化膜108に形成されている。
【0042】
前記透明導電性酸化膜108は、例えばITO,SnO2,ZnO等から選択された少なくとも1以上の層から形成される。
【0043】
前記櫛形状の金属電極109(グリッド電極)は、例えばAl,Ag,Au,Cu,Pt等から選択された少なくとも1以上の金属またはこれらの合金の層をパターニングすることにより形成される。これらの金属もしくは合金の層は、例えばスパッタリング法または蒸着法によって成膜される。
【0044】
このような構造の光電変換装置において、光110は前記透明導電性酸化膜108に入射されて光電変換がなされ、前記裏面電極111の例えば金属薄膜103および前記金属電極109の端子間から出力される。
【0045】
なお、図2ではシリコン系薄膜光電変換装置の1つを例示しているだけであって、本発明は図2に示すシリコン結晶質光電変換層を含む少なくとも1つの結晶系薄膜光電変換ユニットに加えて、周知の方法で形成される非晶質光電変換層を含む少なくとももう1つの非晶質系薄膜光電変換ユニットをも合むタンデム型光電変換装置にも適用することが可能である。
【0046】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を比較例と対比して詳細に説明する。
【0047】
(実施例1)
前述した図2の実施の形態に類似して、実施例1としての結晶質シリコン薄膜太陽電池を製造した。
【0048】
ガラス基板101の上に、まず裏面下地電極111としてTi膜102を50nm、Ag膜103を300nm、ZnO膜104を100nm、それぞれスパッタ法にて形成した。次いでリンドープのn型シリコン層105を10nm、実質的に真性半導体である光電変換層106を4μm、p型シリコン層107を10nm、それぞれRFプラズマCVD法により成膜してnip接合の結晶質を含むシリコン系光電変換ユニット112を形成した。さらに上部電極として厚さ80nmの透明導電膜ITO108と電流取り出しのための櫛形Ag電極109を形成した。
【0049】
ここで多結晶シリコン薄膜光電変換層106は、前述した図1に示す反応容器1の第1電極3にリンドープのn型シリコン層を成膜した後のガラス基板を保持させ、以下の条件で第1、第2の電極3,5間の領域にプラズマを生成するRFプラズマCVD法により堆積した。
【0050】
・成膜開始前の背圧;2×10-3Torr
・第2電極5から吹き出される反応ガス;シランと水素の流量比1:90、フォスフィン0.5ppm、
・反応容器内の圧力;5.0Torr、
・第2電極5に印可される電力;13.56MHzの高周波電力、
・放電電力密度;100mW/cm2、
・基板の下地層温度;200℃。
【0051】
得られた多結晶シリコン薄膜光電変換層106は、堆積結晶化分率が92%、水素量が7.5原子%であった。また、この多結晶シリコン薄膜光電変換層106はX線回折スペクトルで求めた(220)回折ピークに対する(111)回折ピークの比が0.14であった。
【0052】
さらに、前記多結晶シリコン薄膜光電変換層106中のリン原子の濃度を、二次イオン質量分析法(SIMS)により求めた。その結果を図3に示す。図3は、光電変換層中のリン濃度の深さ方向分布を示し、縦軸がリン原子の濃度、横軸中のdは光電変換層の深さを示す。この図3から、前記光電変換層のリン原子の平均濃度は5×1015cm-3であることがわかる。なお、図3において表面層および裏面層(n型シリコン層105側)にリン濃度の高い領域が現れるのは、SIMSの測定上の問題に起因するものである。
【0053】
(実施例2)
光電変換層106のプラズマCVD条件を一部変更した以外、実施例1と同じ条件の下で太陽電池を製造した。
【0054】
すなわち、実施例2においては、基板の下地層温度を150℃に変更した。このように一部変更した条件の下で成膜された光電変換層106は、堆積結晶化分率が80%、水素量が12原子%であった。また、この多結晶シリコン薄膜光電変換層106はX線回折スペクトルで求めた(220)回折ピークに対する(111)回折ピークの比が0.2であった。さらに、二次イオン質量分析法(SIMS)により求めた多結晶シリコン薄膜光電変換層106のリン原子の平均濃度は3×1015cm-3であった。
【0055】
(実施例3)
光電変換層106のプラズマCVD条件を一部変更した以外、実施例1と同じ条件の下で太陽電池を製造した。
【0056】
すなわち、実施例3においては、基板の下地層温度を300℃に変更した。このように一部変更した条件の下で成膜された光電変換層106は、堆積結晶化分率が96%、水素量が4.5原子%であった。また、この多結晶シリコン薄膜光電変換層106はX線回折スペクトルで求めた(220)回折ピークに対する(111)回折ピークの比が0.09であった。さらに、二次イオン質量分析法(SIMS)により求めた多結晶シリコン薄膜光電変換層106のリン原子の平均濃度は5×1016cm-3であった。
【0057】
(比較例1)
光電変換層106のプラズマCVD条件を一部変更した以外、実施例1と同じ条件の下で太陽電池を製造した。
【0058】
すなわち、比較例1においては、基板の下地層温度を100℃に変更した。このように一部変更した条件の下で成膜された光電変換層106は、堆積結晶化分率が65%、水素量が21原子%であった。また、この多結晶シリコン薄膜光電変換層106はX線回折スペクトルで求めた(220)回折ピークに対する(111)回折ピークの比が0.46であった。さらに、二次イオン質量分析法(SIMS)により求めた多結晶シリコン薄膜光電変換層106のリン原子の平均濃度は2×1015cm-3であった。
【0059】
(比較例2)
光電変換層106のプラズマCVD条件を一部変更した以外、実施例1と同じ条件の下で太陽電池を製造した。
【0060】
すなわち、比較例2においては、基板の下地層温度を400℃に変更した。このように一部変更した条件の下で成膜された光電変換層106は、堆積結晶化分率が98%、水素量が0.98原子%であった。また、この多結晶シリコン薄膜光電変換層106はX線回折スペクトルで求めた(220)回折ピークに対する(111)回折ピークの比が0.16であった。さらに、二次イオン質量分析法(SIMS)により求めた多結晶シリコン薄膜光電変換層106のリン原子の平均濃度は1.5×10 17 cm-3であった。
【0061】
得られた実施例1〜3および比較例1,2の薄膜多結晶シリコン太陽電池に入射光110としてAM1.5、100mW/cm2の光量を用いた時の変換効率を調べた。その結果を下記表1に示す。
【0062】
【表1】
【0063】
前記表1から明らかなようにリン原子の平均濃度が3×1015cm-3以上、5×1016cm-3以下である多結晶シリコン薄膜光電変換層を有する光電変換ユニットを備えた実施例1〜3の薄膜多結晶シリコン太陽電池は、リン原子の平均濃度が前記範囲を外れる多結晶シリコン薄膜光電変換層を有する光電変換ユニットを備えた比較例1,2の薄膜多結晶シリコン太陽電池に比べて優れた変換効率を有することがわかる。
【0064】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば低温プラズマCVD法により形成される高品質のシリコン系薄膜、並びにこのシリコン系薄膜からなる光電変換層を有する光電変換ユニットを備えた光電変換効率等の性能が向上されたシリコン系薄膜光電変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のシリコン系薄膜の成膜に用いられるプラズマCVD装置を示す概略図。
【図2】本発明に係わるシリコン系薄膜光電変換装置を模式的に示す斜視図。
【図3】二次イオン質量分析法により測定した、実施例1における多結晶シリコン薄膜光電変換層中のリン原子の深さ方向プロファイル。
【符号の説明】
1…反応容器、
2…排気管、
3…第1電極、
5…第2電極、
8,101…基板、
9…プラズマ、
102…Ti等の薄膜、
103…Ag等の薄膜、
104…ZnO等の薄膜
105…一導電型半導体層、
106…結晶質シリコン系光電変換層、
107…逆導電型半導体層、
108…ITO等の透明導電膜、
111…裏面電極、
112…結晶質シリコン系光電変換ユニット。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon-based thin film photoelectric conversion device using a silicon thin film as a photoelectric conversion layer.
[0002]
In the specification of the present application, the terms “polycrystal” and “microcrystal” also mean those partially including an amorphous state.
[0003]
[Prior art]
In recent years, photoelectric conversion devices using thin films containing crystalline silicon, such as polycrystalline silicon and microcrystalline silicon thin films, have been vigorously developed. These developments are attempts to achieve both low cost and high performance of the photoelectric conversion device by forming a high-quality crystalline silicon thin film on an inexpensive substrate by a low-temperature process. Application to various photoelectric conversion devices such as is expected.
[0004]
As a method of forming a crystalline silicon thin film, for example, it is directly deposited on a substrate by a CVD method or a sputtering method, or an amorphous film is once deposited by a similar process, and then thermal annealing or laser annealing is performed. Methods such as crystallization are known. In any method, in order to use the above-described inexpensive substrate, it is necessary to carry out by a low temperature process.
[0005]
Among the above-mentioned film forming processes, the technique of directly depositing a crystalline silicon thin film by plasma CVD is the easiest to reduce the process temperature and increase the area of the thin film, and is a relatively simple process with high quality crystals. A thin film is expected to be obtained.
[0006]
When a polycrystalline silicon thin film is formed by plasma CVD, a high quality silicon thin film containing crystalline material is formed on a substrate in advance, and then the thin film is formed as a seed layer or a crystallization control layer on the substrate by plasma CVD. By forming a film, it is possible to form a high-quality polycrystalline silicon thin film at a relatively low temperature.
[0007]
On the other hand, in the plasma CVD method, a reaction gas obtained by diluting a silane-based source gas 10 times or more with hydrogen is introduced into a reaction vessel, and the inner pressure of the reaction vessel is set in a range of 10 mTorr to 1 Torr to form a film. It is well known that a silicon thin film can be obtained, and a microcrystalline silicon thin film can be easily formed even at a temperature of about 200 ° C.
[0008]
For example, Appl, Phys, Lett., Vol. 65, 1994, p.860 discloses a photoelectric conversion device including a photoelectric conversion unit made of a microcrystalline silicon pin junction. This photoelectric conversion unit is composed of a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer that is a photoelectric conversion layer, and an n-type semiconductor layer, which are sequentially stacked by a simple plasma CVD method. All of these semiconductor layers are microcrystalline silicon. It is.
[0009]
By the way, in the case of a silicon-based thin film that can be applied to a device such as a photoelectric conversion device, higher quality is required. In response to such demands, attempts have been made to reduce the amount of residual impurity atoms such as oxygen and carbon in the silicon thin film.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a limit to reducing the concentration of residual impurity atoms in the silicon thin film, and the more the amount of any impurity that can be reduced, the more expensive the manufacturing apparatus and manufacturing line including the thin film forming apparatus are required. Therefore, there is a problem that the manufacturing cost is high. On the other hand, there are many unclear parts regarding the behavior of the above-described impurity atoms such as oxygen and carbon or impurity atoms such as phosphorus and boron which impart conductivity in the silicon-based photoelectric conversion layer in the thin-film silicon-based photoelectric conversion device.
[0011]
In view of the above-described problems of the prior art, the present invention provides a high-performance silicon provided with a high-quality silicon-based thin film formed by a low-temperature plasma CVD method and a photoelectric conversion unit having a photoelectric conversion layer made of this silicon-based thin film. An organic thin film photoelectric conversion device is to be provided.
[0012]
[Procedure for solving the problem]
As a result of repeated studies to solve the above-described problems, the present inventors have controlled the concentration of group V atoms such as phosphorus atoms within a specific range with respect to a silicon-based thin film applied to a photoelectric conversion device. It has been found that a high-performance silicon thin film photoelectric conversion device can be obtained.
[0014]
The method for producing a silicon-based thin film photoelectric conversion device according to the present invention includes an n-type silicon layer doped with 0.01 atomic% or more of phosphorus, a photoelectric conversion layer, and a p-type silicon layer formed by plasma CVD. In manufacturing a silicon-based thin film photoelectric conversion device equipped with a conversion unit,
The n-type silicon layer is set to a temperature of 150 to 300 ° C. by plasma CVD on the n-type silicon layer, and phosphorus is diffused into the silicon-based thin film being deposited using the n-type silicon layer as a phosphorus diffusion source. The above-mentioned silicon-based thin film comprising a substantially intrinsic semiconductor having an average phosphorus atom concentration of 3 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 16 cm −3 or less and containing a crystalline material having a film thickness of 1.2 to 20 μm. A photoelectric conversion layer is formed .
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The silicon-based thin film according to the present invention is a silicon-based thin film containing a crystal deposited using a plasma CVD method at a base temperature of 400 ° C. or less, and the average concentration of group V atoms in the thin film is 3 × 10 15. cm −3 or more and 5 × 10 16 cm −3 or less.
[0016]
Examples of group V atoms in the silicon thin film include phosphorus and arsenic. The average concentration of the group V atoms is measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS). In measurement of the group V atom concentration by SIMS, the range excluding the region in the depth direction of 0.5 μm or less from the surface of the thin film and the region in the depth direction of 0.5 μm or less from the surface in contact with the base is defined as the group V. It is preferable to use an average concentration measurement region of atoms.
[0017]
The aforementioned silicon-based thin film is formed by the following method using, for example, the plasma CVD apparatus shown in FIG.
[0018]
The rectangular reaction container 1 in FIG. 1 has
[0019]
The rectangular
[0020]
The hollow
[0021]
In order to form a silicon-based thin film according to the present invention using the plasma CVD apparatus shown in FIG. 1, the
[0022]
In such a film forming step, the specific group V atom concentration described above is controlled by controlling the amount of the group V element-containing compound gas in the reaction gas, the discharge power, the pressure in the reaction vessel, the temperature of the silicon deposition portion of the substrate, and the like. A silicon-based thin film is formed.
[0023]
In particular, when the silicon-based thin film is formed on a substrate whose underlying layer is a group V atom-doped semiconductor layer containing a group V atom as a conductive impurity, as described in a photoelectric conversion device described later, the group V atom-doped semiconductor is formed. By diffusing the layer as a group V atom introduction source (diffusion source) into the silicon-based thin film being deposited, the controllability and reproducibility of a small amount of group V atom concentration in the silicon-based thin film can be improved. When such an underlayer is used as a diffusion source, the temperature of the underlayer is preferably set to 150 to 300 ° C.
[0024]
In the film forming step, the flow rate of hydrogen, which is a dilution gas with respect to the silane-based gas in the total reaction gas, is preferably 20 times or more, but in combination with other film forming conditions (discharge power, reaction chamber pressure, etc.) The optimal dilution amount is determined by The amount of the group V element-containing compound gas is determined by the discharge power, the pressure in the reaction vessel, the temperature of the substrate, and the like.
[0025]
As the silane-based gas, for example, monosilane, disilane and the like are preferable, but in addition to these, a halogenated silicon gas such as silicon tetrafluoride, silicon tetrachloride, dichlorosilane may be used. In addition to such a silane-based gas, an inert gas such as hydrogen, nitrogen, or a rare gas, preferably helium, neon, argon, or the like may be used. As the group V element-containing compound gas, for example, phosphine (PH 3 ), arsine (AsH 3 ), or the like can be used.
[0026]
The plasma CVD apparatus used for forming the silicon-based thin film according to the present invention is not limited to the structure shown in FIG. For example, a plasma CVD apparatus having a structure in which the first electrode for holding the substrate and the second electrode for blowing out the reactive gas are reversed and the frequency is from 150 MHz or less to the VHF band and the microwave band is used as a power source is used. May be.
[0027]
The silicon-based thin film according to the present invention is polycrystalline silicon or microcrystalline silicon having a volume crystallization fraction of 80% or more, and is substantially an intrinsic semiconductor. However, since it is formed at a low temperature of 400 ° C. or less, it contains a large amount of hydrogen atoms for terminating and inactivating defects in the grain boundaries and grains, and the hydrogen content in the film is 1 atom% or more and 20 atoms. % Or less is preferable.
[0028]
In the silicon-based thin film according to the present invention, high quality can be achieved by setting the average concentration of group V atoms in the range of 3 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 16 cm −3 or less.
[0029]
Next, a silicon-based thin film photoelectric conversion device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a perspective view schematically showing a silicon-based thin film photoelectric conversion device according to one embodiment of the present invention.
[0030]
The back electrode 111 is formed on the
[0031]
As the
[0032]
The
[0033]
On the back electrode 111, a
[0034]
The one-conductivity-
[0035]
1) One conductivity
The one-conductivity-
[0036]
The one-conductivity-type silicon-based
[0037]
2) Crystalline silicon-based thin film
This crystalline silicon-based thin film
[0038]
The
[0039]
Even when the surface shape of the one
[0040]
3) Reverse conductivity
As the reverse conductivity
[0041]
The transparent
[0042]
The transparent
[0043]
The comb-shaped metal electrode 109 (grid electrode) is formed by patterning a layer of at least one metal selected from Al, Ag, Au, Cu, Pt, or the like, or an alloy thereof. These metal or alloy layers are formed by sputtering or vapor deposition, for example.
[0044]
In the photoelectric conversion device having such a structure, the light 110 is incident on the transparent
[0045]
FIG. 2 only illustrates one of the silicon-based thin film photoelectric conversion devices, and the present invention is added to at least one crystal-based thin film photoelectric conversion unit including the silicon crystalline photoelectric conversion layer shown in FIG. Thus, the present invention can also be applied to a tandem photoelectric conversion device including at least one other amorphous thin film photoelectric conversion unit including an amorphous photoelectric conversion layer formed by a known method.
[0046]
【Example】
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail in comparison with comparative examples.
[0047]
Example 1
Similar to the embodiment of FIG. 2 described above, a crystalline silicon thin film solar cell as Example 1 was manufactured.
[0048]
On the
[0049]
Here, the polycrystalline silicon thin film
[0050]
・ Back pressure before film formation: 2 × 10 −3 Torr
-Reactive gas blown out from the
-Pressure in the reaction vessel; 5.0 Torr,
Power applied to the
-Discharge power density: 100 mW / cm 2
-Substrate underlayer temperature: 200 ° C.
[0051]
The obtained polycrystalline silicon thin film
[0052]
Further, the phosphorus atom concentration in the polycrystalline silicon thin film
[0053]
(Example 2)
A solar cell was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the plasma CVD conditions for the
[0054]
That is, in Example 2, the substrate underlayer temperature was changed to 150 ° C. The
[0055]
(Example 3)
A solar cell was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the plasma CVD conditions for the
[0056]
That is, in Example 3, the substrate underlayer temperature was changed to 300 ° C. The
[0057]
(Comparative Example 1)
A solar cell was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the plasma CVD conditions for the
[0058]
That is, in Comparative Example 1, the substrate underlayer temperature was changed to 100 ° C. The
[0059]
(Comparative Example 2)
A solar cell was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the plasma CVD conditions for the
[0060]
That is, in Comparative Example 2, the substrate underlayer temperature was changed to 400 ° C. The
[0061]
The conversion efficiencies when the light amounts of AM 1.5 and 100 mW / cm 2 were used as the incident light 110 in the thin film polycrystalline silicon solar cells of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 obtained were examined. The results are shown in Table 1 below.
[0062]
[Table 1]
[0063]
As is apparent from Table 1, an embodiment provided with a photoelectric conversion unit having a polycrystalline silicon thin film photoelectric conversion layer having an average concentration of phosphorus atoms of 3 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 16 cm −3 or less. The thin film polycrystalline silicon solar cells 1 to 3 are the thin film polycrystalline silicon solar cells of Comparative Examples 1 and 2 including a photoelectric conversion unit having a polycrystalline silicon thin film photoelectric conversion layer in which the average concentration of phosphorus atoms is outside the above range. It turns out that it has the conversion efficiency outstanding compared with.
[0064]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a high-quality silicon-based thin film formed by a low-temperature plasma CVD method, and a photoelectric conversion efficiency including a photoelectric conversion unit having a photoelectric conversion layer made of this silicon-based thin film A silicon-based thin film photoelectric conversion device with improved performance can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a plasma CVD apparatus used for forming a silicon-based thin film of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a silicon-based thin film photoelectric conversion device according to the present invention.
FIG. 3 is a profile in the depth direction of phosphorus atoms in the polycrystalline silicon thin film photoelectric conversion layer in Example 1 measured by secondary ion mass spectrometry.
[Explanation of symbols]
1 ... reaction vessel,
2 ... exhaust pipe,
3 ... 1st electrode,
5 ... second electrode,
8, 101 ... substrate,
9 ... Plasma,
102 ... a thin film such as Ti,
103 ... A thin film such as Ag,
104 ...
106 ... crystalline silicon photoelectric conversion layer,
107 ... reverse conductivity type semiconductor layer,
108 ... Transparent conductive film such as ITO,
111 ... back electrode,
112 ... A crystalline silicon photoelectric conversion unit.
Claims (2)
前記n型シリコン層上にプラズマCVD法により前記n型シリコン層を150〜300℃の温度に設定し、前記n型シリコン層をリンの拡散源として堆積中のシリコン系薄膜にリンを拡散してリン原子の平均濃度が3×10 15 cm -3 以上、5×10 16 cm -3 以下の実質的に真性半導体で、膜厚が1.2〜20μmの結晶質を含むシリコン系薄膜からなる前記光電変換層を形成することを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法。 In manufacturing a silicon-based thin film photoelectric conversion device including a photoelectric conversion unit in which an n-type silicon layer doped with 0.01 atomic% or more of phosphorus, a photoelectric conversion layer, and a p-type silicon layer are formed by plasma CVD. ,
The n-type silicon layer is set to a temperature of 150 to 300 ° C. by plasma CVD on the n-type silicon layer, and phosphorus is diffused into the silicon-based thin film being deposited using the n-type silicon layer as a phosphorus diffusion source. The above-mentioned silicon-based thin film comprising a substantially intrinsic semiconductor having an average phosphorus atom concentration of 3 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 16 cm −3 or less and containing a crystalline material having a film thickness of 1.2 to 20 μm. A method for producing a silicon-based thin film photoelectric conversion device, comprising forming a photoelectric conversion layer .
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