JP4594601B2

JP4594601B2 - 結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法及びそれを用いて形成した太陽電池

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Publication number: JP4594601B2
Application number: JP2003139086A
Authority: JP
Inventors: 史人岡; 信一村松; 唯佐々木
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: JP2004342909A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法及びそれを用いて形成した太陽電池に係り、特に、基板上に結晶性シリコン層を有する結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法及びそれを用いて形成した太陽電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非導電性の異種基板、例えばガラス基板等の上に、シリコン結晶薄膜を形成する研究が盛んに行なわれている。このガラス基板上に形成したシリコン結晶薄膜の用途は広く、液晶デバイス用ＴＦＴ（Thin Film Transistor）や薄膜光電変換素子などに用いられている。
【０００３】
薄膜太陽光発電素子は、安価な基板上に、低温プロセスによる良好な結晶性をもつ結晶シリコン薄膜を形成し、これを光電変換素子に用いて、低コスト化と高性能化を図ったものである。この結晶シリコン薄膜を光電変換素子に用いた結晶シリコン光電変換素子は、非晶質シリコン光電変換素子の問題点である光劣化が生じることはなく、また、非晶質シリコン光電変換素子では感度のない（変換不能な）長波長光をも、電気的エネルギーに変換することができる。この技術は、光電変換素子だけではなく、光センサ等の光電変換装置への応用も可能であると期待されている。
【０００４】
この結晶シリコン光電変換素子の一般的な製造方法として、基板上に、プラズマＣＶＤ法により結晶シリコン薄膜を直接堆積させる手法が用いられている。これによって、基板上に、結晶シリコン薄膜を比較的低温で形成することができ、低コストで結晶シリコン薄膜を成膜することができる。プラズマＣＶＤ法による成膜条件は、水素でシラン系原料ガスを約１５倍以上に希釈し、プラズマ反応室内圧力を１．３３〜１．３３×１０³Ｐａ（１０mTorr〜１０Torr）、基板温度を１５０〜５５０℃、望ましくは１５０〜４００℃の範囲内に制御するものであり、これによって、基板上に結晶性のシリコン薄膜を形成することができる。
【０００５】
しかし、このプラズマＣＶＤ法による成膜方法では、結晶粒径の大きなポリシリコンを形成することは困難であった。また、発電機能の根幹を担うｉ層（真性半導体の薄膜）は、素子構造最適化のためにドーピングを行なうと品質が急激に低下するという問題があった。これらのことから、低コスト化に有利なシングルセルで、１０％を大きく上回る高い変換効率を達成することは困難であった。
【０００６】
一方、レーザの照射によって非晶質シリコンを結晶シリコンに結晶化させる試みも種々検討されている。一般的には、エキシマレーザの照射による結晶化が知られており、現在、ＴＦＴの量産レベル等で用いられている。この結晶化方法は、５０〜１００ｎｍ程度の層厚の非晶質シリコンにエキシマレーザを照射し、結晶シリコン層を形成するものである。
【０００７】
ところで、エキシマレーザの照射による結晶化方法においては、以下に示す問題があった。
【０００８】
▲１▼ 太陽電池においては層厚が数μｍ程度の活性層（結晶シリコン層）を必要とするが、エキシマレーザは中心波長が３００ｎｍ程度のレーザであるため、形成可能な非晶質シリコン層の層厚は数十ｎｍ程度である。
【０００９】
▲２▼ エキシマレーザはパルス発振レーザであるため、このレーザを用いて結晶化させた結晶シリコンの粒径は５００ｎｍ〜１μｍ程度となり、多結晶シリコン太陽電池として用いるには小さすぎる。
【００１０】
ここで、▲１▼，▲２▼の問題を解決するための方法として、例えば、絶縁性基板上に、直接、非晶質シリコン層を形成し、この非晶質シリコン層に帯状の連続波光源を走査させながら照射することで、非晶質シリコン層が溶融・結晶化され、走査方向における結晶粒サイズが大きな多結晶シリコン層が得られる（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
また、裏面電極構造を有するシリコン基体として、セラミック基板上に、先ずバッファ層を形成し、そのバッファ層上に導電膜を形成することで、裏面側に電極構造を有するシリコン基体がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開平２００１−３５１８６３号公報（第７頁、図１，図２）
【特許文献２】
特開平１０−４０６１号公報（第３頁段落００２０〜第４頁段落００２４）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載された方法は、主にＴＦＴなどの薄膜を作成するためのものである。このため、絶縁性基板上に、直接、多結晶シリコン層を形成しており、基板と多結晶シリコン層との間に裏面電極構造を有していないことから、高効率な太陽電池を形成するには適していなかった。
【００１４】
また、特許文献２に記載されたシリコン基体は、セラミック基板上に、バッファ層として厚さ１００ｎｍ以上のシリコン窒化物系絶縁層を形成する必要がある。このため、この方法を用いて結晶シリコン薄膜を成膜すると、低コスト化及び高スループットが実用化に向けての重要課題である太陽電池においては、コスト上昇及びスループットの低下を招く原因となってしまう。また、裏面における光反射を有効に利用できないため、１０％を大きく上回る高い変換効率を得ることが困難であった。
【００１５】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、高い変換効率を有し、高スループットの結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法及びそれを用いて形成した太陽電池を提供することにある。
【００１６】
【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に係る結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法は、基板上に結晶性シリコン層を有する結晶シリコン系薄膜太陽電池を製造する際に、上記結晶性シリコン層とは異なる材料からなる異種基板上に、順に、導電性を有する電極層、ＣＶＤ法により多結晶シリコンからなる結晶性シリコン前駆体層を１μｍ以上形成する工程と、複数個の半導体レーザを並べて配置した半導体レーザ発振源から連続的に発振された基本波の中心波長が７５０ｎｍ〜８５０ｎｍの半導体レーザ光を走査し上記前駆体層に照射し、上記前駆体層を溶融・結晶化して上記結晶性シリコン層を形成する結晶化工程とを有し、上記複数個の半導体レーザはそれぞれ楕円状のレーザ光を出射し、上記楕円状の各レーザ光が楕円長軸方向にそれぞれ重複して上記前駆体層に照射されるよう上記複数個の半導体レーザを並べて配置することを特徴とする。
【００１８】
上記多結晶シリコンからなる結晶性シリコン前駆体層は２μｍ以上形成することが好ましい。
【００１９】
また、上記前駆体層に、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ系、又はＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザのレーザ光を照射することが好ましい。
【００２２】
また、上記前駆体層の、上記レーザ光に対する吸収係数が、１〜２４μｍ^-1であることが好ましい。
【００２３】
また、上記結晶性シリコン層の上面の全面又は一部に、結晶性シリコン層とは逆導電型のポリシリコンからなる半導体層を形成し、その半導体層の上面の全面又は一部に、導電性を有する上部電極層を形成してもよい。
【００２５】
また、上記上部電極層の上面の一部に、取出し用電極を形成してもよい。
【００２８】
これによって、高いスループットで結晶シリコン系薄膜太陽電池を製造することができ、その結果、非常に低コストで結晶シリコン系薄膜太陽電池を製造することができる。
【００２９】
一方、本発明に係る結晶シリコン系薄膜太陽電池は、上述した製造方法を用いて形成したものである。
【００３０】
これによって、高い変換効率を有する結晶シリコン系薄膜太陽電池を、安価に得ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００３２】
従来の連続波光源を用いた方法で、太陽電池を量産するに際しては、製造コストが安価であることが非常に重要となってくる。ＴＦＴ用の多結晶シリコンの形成に用いる連続波光源として現在検討されているものにＣＷレーザがある。このＣＷレーザとして、Ａｒ⁺レーザ、Ｋｒ⁺レーザ等の気体レーザと、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ等の固体レーザとが知られており、特に固体レーザを、多結晶シリコンの結晶化に利用する試みが現在なされている。ところが、固体レーザは、レーザ発振源の大きさに対して、照射可能な面積が非常に小さく、例えば、波長が５３２ｎｍの光第２高調波を用いる場合、非晶質シリコンを融解することができる強度のレーザ光を出力するためには、照射面積が数百〜数千μｍ²程度と非常に小さくなる。この時、照射面積を大きくするために、複数個のレーザ光源からレーザ光を同時に照射すると共に各レーザ光の一部を重複させる方法が考えられるが、レーザ光源の大きさは数十ｃｍ程度と大きいことから、レーザ光源を複数個並べて配置することは物理的に困難である。
【００３３】
このため、１個のレーザ光源からレーザ光を照射し、かつ、３０〜５０ｃｍ／ｓｅｃという非常に速い速度で走査を行ったとしても、約１ｍ角の太陽電池全面を結晶化するには多大な時間を要してしまい、スループットが良好でなかった。例えば、レーザ光を長軸方向長さが約５００μｍの楕円状に形成すると共に、楕円の短軸方向に向かって移動させ、太陽電池全面の走査を行うと、少なくとも約２０００回の走査が必要となってしまい、太陽電池全面を結晶化するのに少なくとも約１時間かかってしまう。
【００３４】
そこで、本発明者らが鋭意研究した結果、結晶化のためのレーザ光源として半導体レーザを用いるということを見出した。
【００３５】
異種基板上に電極層及び結晶性シリコン前駆体層を形成した状態を示す断面図を図１に示す。
【００３６】
本実施の形態に係る結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法は、図１に示すように、先ず、基板、具体的には目的とする結晶性シリコン層とは異なる材料からなる異種基板１１上に、順に、導電性を有する電極層（金属電極膜１２）、非晶質シリコンからなる結晶性シリコン前駆体層（プレカーサー膜）１４を形成する。金属電極膜１２は、プレカーサー膜１４よりも融点が高い物質で構成されるものであり、例えばＷ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ及びこれらを含む化合物で構成される。金属電極膜１２の基板１１への接合性（付着性）を重視する場合は、金属電極膜１２自体を複層構造とすることも有効である。ここで言うプレカーサー膜１４とは、レーザ照射を行うことで溶融・結晶化する膜のことである。
【００３７】
次に、図２に示すように、その前駆体層１４の表面に、半導体レーザ発振源から連続的に発振されたレーザ光２１を照射する。具体的には、レーザ光２１は、前駆体層１４の表面を走査するように（図２中では左から右に向って）照射される。また、このレーザ光２１による走査を、図２の図面に垂直な方向に順次繰り返し行う。前駆体層１４の表面全面を走査するようにレーザ光２１を照射することで、前駆体層１４におけるレーザ光照射部分が、局部的に溶融（溶融領域２２）すると共に瞬時に冷却されて結晶化し、結晶性シリコン層（第１半導体層）２４が形成される。
【００３８】
次に、図３に示すように、結晶性シリコン層２４の表面全面（又はその一部）に、結晶性シリコン層２４とは逆導電型で、ポリシリコンからなる第２半導体層３１を形成する。この第２半導体層３１は、太陽電池素子における窓層として作用する。この第２半導体層３１により、結晶性シリコンが吸収する波長域の光が、より多く第１半導体層２４に導入されるようになり、その結果、発生電流を大きくすることができる。
【００３９】
この第２半導体層３１の表面全面（又はその一部）に、上部電極層を形成する。この時、第１半導体層２４に対して第２半導体層３１の横方向抵抗が大きい場合、上部電極層として、第２半導体層３１の表面全面に透明導電膜３２を形成すると共に、その透明導電膜３２の表面の一部に取出し用金属電極部３３を形成する。また、第１半導体層２４に対して第２半導体層３１の横方向抵抗が小さい場合、上部電極層として、バスバー、フィンガーと呼ばれる周知の構造の金属電極部を形成してもよい。
【００４０】
このようにして形成した第１半導体層２４、第２半導体層３１、及び透明導電膜３２の一部（図３中の一点鎖線領域Ａ）を、レーザ加工機などを用いて除去することで、図４に示すように、この部分を裏面側取出し用電極部４３に形成し、これによって、結晶シリコン系薄膜太陽電池４０が得られる。
【００４１】
結晶性シリコン前駆体層１４の照射に用いるレーザ光２１の発振源である半導体レーザの一例として、ＡｌＧａＡｓを活性層に用いた半導体レーザを用いることができる。このレーザは、基本波として、波長８００ｎｍ付近に中心波長を持つレーザ光を発生する。この波長域は、非晶質シリコン中への侵入長が１μｍ前後であり、層厚が数μｍ程度の前駆体層１４を結晶化するのに最適である。また、このレーザは、レーザ強度が高い基本波を結晶化に用いることができ、レーザ強度の高いレーザ光２１を出力する点で有利である。また、半導体レーザは、前駆体層１４の結晶化に好ましい形状、具体的には略長方形形状を呈した楕円状のレーザ光を発振することができることから、レーザ光２１を大きく整形する必要がなく、このため、レーザ光２１を直線的に走査するのに都合がよい。さらに、半導体レーザは、エネルギーの使用効率が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ等の固体レーザの１０倍程度と良好である。
【００４２】
また、半導体レーザとしては、ＡｌＧａＡｓを活性層に用いた半導体レーザに限定するものではなく、全ての半導体レーザが適用可能であるが、好ましくは発振されるレーザ光２１の中心波長が５４０〜１５００ｎｍ、特に好ましくは７５０〜８５０ｎｍの範囲のものであり、例えば、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、又はＩｎＧａＡｓＰを活性層に用いた半導体レーザが挙げられる。ここで、使用するレーザ光の波長が様々であるということは、結晶化が可能な前駆体層１４の吸収係数及び膜厚の自由度が増すということであり、その結果、太陽電池の作製プロセスの自由度（設計の自由度）が増す。
【００４３】
また、結晶化に用いる半導体レーザの数は１個に限定するものではない。半導体レーザはそれ自体の大きさが小さいことから、半導体レーザを複数個並べて配置、例えば、楕円状の各レーザ光が楕円長軸方向にそれぞれ重複するように半導体レーザを複数個並べて配置することが可能である。例えば、１０個の半導体レーザからレーザ光２１を同時照射して前駆体層１４の結晶化を行う場合と、１個のＮｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザからレーザ光を照射して前駆体層１４の結晶化を行う場合とを比較すると、照射面積が同じ場合、単純に、前者のスループットが後者のそれの１０倍となる。ここで、半導体レーザのエネルギーの使用効率は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザのそれの約１０倍であることから、１０個の半導体レーザを用いた結晶化工程に要するエネルギーの総和と、１個の固体レーザを用いた結晶化工程に要するエネルギーとは略同じとなる。
【００４４】
また、半導体レーザを用いた前駆体層１４の結晶化においては、レーザ光２１の状態が結晶化に影響を及ぼす。具体的には、半導体レーザは、活性層の温度が変化すると、出力されるレーザ光２１の波長が僅かに変化する。このため、半導体レーザ装置（図示せず）に温度調節機構（又は冷却機構）を設け、レーザ光２１の照射中、活性層の温度を一定に保持している。これによって、より安定した状態で前駆体層１４の結晶化を行うことができる。
【００４５】
このように、前駆体層１４の結晶化に、半導体レーザから連続発振するレーザ光２１を用いることで、高いスループットで結晶性シリコン層２４を形成することができ、その結果、非常に低コストで太陽電池４０を作製することができる。つまり、これまで太陽電池の量産化・普及化の上で大きな障害となっていた低コスト化及び高いスループットの両者を達成することができる。
【００４６】
ここで、本実施の形態においては、金属電極膜１２上に形成する結晶性シリコン前駆体層１４として、非晶質シリコン層を用いた場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではなく、他の非単結晶シリコンを用いてもよい。ここで言う非単結晶シリコンとは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、結晶成分を含んだ非晶質系シリコン、非晶質シリコンと結晶シリコンとの混合物質など、単結晶シリコンではないシリコン系物質を示している。非単結晶シリコンは、その組成を制御することにより、レーザ光２１に対する吸収係数を制御することができる。この場合においても、本実施の形態と同様（又は略同様）の効果が得られる。
【００４７】
異種基板１１としては、薄膜太陽電池４０を保持できるものであれば、既存の基板が全て適用可能であるが、太陽電池のコストを考慮すると、安価なガラス基板を用いることが好ましい。また、石英基板等を用いることで、より高品質な太陽電池を作製することが可能である。また、フレキシブルなフィルム状基板を用いることで、曲面にも取り付け可能なフレキシブル太陽電池を作製することができる。さらに、異種基板１１を導電性を有する材料で形成してもよい。
【００４８】
結晶性シリコン前駆体層１４であるプレカーサー膜は、レーザ光２１を照射することによって、結晶性シリコン層２４となり、太陽電池４０の活性層として作用する。このため、発生電流を多くするには、少なくとも１μｍ以上、好ましくは２μｍ以上の膜厚に形成する。このプレカーサー膜の構成材料としては、非晶質シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、結晶成分を含んだ非晶質系シリコン、非晶質シリコンと結晶シリコンとの混合物質などの非単結晶シリコンが挙げられ、プレカーサー膜の膜厚や、レーザ光２１の強度などの条件に応じて、適宜選択される。例えば、膜厚が３μｍ程度の厚いプレカーサー膜をレーザ光２１によって結晶化する場合は、結晶成分を膜中に構成したりする等により、レーザ光２１に対する吸収係数を小さくすることで、成膜のコントロール性を向上させることができる。具体的には、レーザ光２１に対する前駆体層１４の吸収係数は、１〜２４μｍ^-1であることが好ましい。
【００４９】
プレカーサー膜の成膜方法としては、スパッタリング法、ｃａｔ-ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などが望ましいが、特にこれに限定するものではなく、熱ＣＶＤ法やＭＢＥ法など、求める膜質の結晶性シリコン層２４を形成できるものであれば、どの様な方法であってもよい。
【００５０】
また、一般的に、太陽電池においては、ｐ＋ｎ、ｎ＋ｐ等のｐｎ接合構造が採用されている。ｐ＋ｎ構造の場合はｎ層を、ｎ＋ｐ構造の場合はｐ層を活性層として用いるが、ｎ型又はｐ型のドーパントを混入させて導電性を持たせたプレカーサー膜に、半導体レーザのレーザ光２１の照射を行なうことで、ｎ型又はｐ型の結晶性シリコン層２４を溶融・結晶化することができる。また、その他にｐｉｎ接合構造も採用されている。
【００５１】
太陽電池４０の特性を向上させるためには、ｐ⁺ｎ型ではｐ⁺ｎｎ⁺、ｎ⁺ｐ型ではｎ⁺ｐｐ⁺のＢＳＦ構造とすることが効果的である。具体的には、図４に示した太陽電池４０の金属電極膜１２の全体（又はその一部）に、第１半導体層２４がｎ型の場合はＶ族の元素（例えば、Ｐ（燐））を、第１半導体層２４がｐ型の場合はIII族の元素（例えば、Ｂ（ボロン））を、イオン注入法により混入（注入）させる。また、金属電極膜１２の表面全面（又は表面の一部）に、第１半導体層２４がｎ型の場合は燐ガラス層などを、第１半導体層２４がｐ型の場合はボロンガラス層などを極薄く形成する。太陽電池４０をＢＳＦ構造とすることによって、第１半導体層２４の裏面側の再結合速度を大きく低減させることができる。
【００５２】
ポリシリコンからなる第２半導体層３１の形成方法は、プラズマＣＶＤ法、ｃａｔ-ＣＶＤ法などが挙げられる。また、熱ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いて、第１半導体層２４上に、第２半導体層３１をエピタキシャル成長させてもよい。さらに、プラズマＣＶＤ法やｃａｔ-ＣＶＤ法を用いて形成した非晶質シリコンを用いてもよい。また、この第２半導体層３１中にＣ（炭素）を導入することも有効である。第２半導体層３１中にＣを導入することによって、第２半導体層３１の吸収係数を低下させることができる。
【００５３】
透明導電膜３２の構成材は、第１半導体層２４が吸収する波長域の光に対して透明性を有し、かつ、導電性を有するものであれば特に限定するものではない。例えば、ドーピングを施して導電性を持たせた酸化亜鉛、酸化錫、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、又はこれらの化合物などが挙げられる。また、第１半導体層２４に対して第２半導体層３１の横方向抵抗が小さい場合の上部電極層である金属電極部は、例えば、Ａｌ、Ａｇ等の十分に低抵抗な金属材で構成される。
【００５４】
取出し用金属電極部３３の構成材は、特に限定するものではなく、金属電極膜１２と同じものを用いてもよい。
【００５５】
以上、本実施の形態に係る結晶シリコン系薄膜太陽電池４０の製造方法によれば、異種基板１１上に、結晶性シリコン前駆体層１４よりも高融点の材料で構成される金属電極膜１２、結晶性シリコン前駆体層１４を形成している。これによって、その前駆体層１４の表面に、半導体レーザから発振されたレーザ光２１を走査するように照射することで、金属電極膜１２は融解させることなく、短時間で前駆体層１４のみを溶融・結晶化することができ、結晶性シリコン層２４を形成することができる。その結果、電極膜１２の耐熱性が良好で、高品質な結晶シリコン系薄膜を有する太陽電池（縦方向デバイス）を、高スループットで、かつ、安価に得ることができる。
【００５６】
また、異種基板１１と結晶性シリコン層２４との間に裏面電極構造を形成すると共に、その裏面電極構造の構成材を適宜選択することで、光反射を有効に利用することができ、高い変換効率を有する太陽電池を得ることができる。さらに、裏面電極構造を複層構造に形成することで、裏面反射をより有効に利用することができるため、１０％を大きく上回る高い変換効率を有する太陽電池を得ることができる。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００５８】
【実施例】
次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５９】
（参考例１）
先ず、石英基板上に、金属電極膜として膜厚が２００ｎｍのＷ電極膜を形成した。
【００６０】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、これらの裏面電極（Ｗ電極膜）上に、膜厚が１μｍで、ｎ型のドーパントを含んだ非晶質シリコン膜を形成した。このプラズマＣＶＤ法による形成条件は、原料ガスとして１０ｃｃｍのＳｉＨ₄と０．０１ｃｃｍのＰＨ₄との混合ガスを用い、基板温度は５００℃とした。また、プラズマ電源としてＲＦ周波数を用いた。
【００６１】
次に、非晶質シリコン膜（プレカーサー膜）に連続的に発振する半導体レーザのレーザ光を照射して、非晶質シリコンを溶融すると共に、短時間で結晶化し、結晶性シリコン膜を形成する。半導体レーザとしては、基本発振波長が７９５ｎｍで、ＡｌＧａＡｓを活性層に用いたＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを、５個並べて配置したものを用いた。また、これらの半導体レーザは、それぞれ水冷系の温度調節機構を有しており、レーザ光の中心波長の変動なく、安定して結晶化を行うことができた。
【００６２】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、この結晶性シリコン膜上に、ｐ型の導電型を有したポリシリコン膜（ｐ型微結晶シリコン膜（第２半導体層））を形成した。つまり、結晶性シリコン膜とポリシリコン膜とはｐｎ接合となる。このプラズマＣＶＤ法による形成条件は、原料ガスとして１ｃｃｍのＳｉＨ₄、５０ｃｃｍのＨ₂、及び１ｃｃｍのＢ₂Ｈ₆の混合ガスを用いた。
【００６３】
次に、このポリシリコン膜上に、透明導電膜としてＩＴＯ透明導電膜を形成し、そのＩＴＯ透明導電膜の表面の一部に、エミッタ側取出し用電極としてＡｌ電極を形成した。
【００６４】
最後に、ＩＴＯ透明導電膜、ポリシリコン膜、及び結晶性シリコン膜の一部を、レーザ加工機を用いて除去することでＷ電極膜を露出させ、裏面側の取り出し用電極部を形成し、薄膜太陽電池を作製した。
【００６５】
この太陽電池を、２５℃、１ｓｕｎの模擬太陽光下においてＩ−Ｖ測定を行った結果、単結晶シリコン基板太陽電池に匹敵する０．６０Ｖの開放電圧を示した。
【００６６】
一方、異種基板を安価なガラス基板で形成した太陽電池においても、同様の結果が得られた。また、ＡｌＧａＡｓを活性層に用いた半導体レーザの代わりに、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、又はＩｎＧａＡｓＰを活性層に用いた半導体レーザを用いて形成した太陽電池においても、同様の結果が得られた。
【００６７】
（参考例２）
本例は、構造は参考例１と同じであるが、参考例１とは異なる方法でプレカーサー膜及び／又は第２半導体層を形成した。
【００６８】
スパッタリング法を用いて、膜厚が１μｍで、ｎ型のドーパントを含んだ非晶質シリコン膜（プレカーサー膜）を形成する以外は、参考例１と同様にして薄膜太陽電池を作製した。
【００６９】
この太陽電池を、２５℃、１ｓｕｎの模擬太陽光下においてＩ−Ｖ測定を行った結果、開放電圧が０．６１Ｖを示した。
【００７０】
一方、非晶質シリコン膜をｃａｔ-ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いて形成した太陽電池においても、同様の結果が得られた。
【００７１】
また、熱ＣＶＤ法を用いて、結晶シリコン膜（第１半導体層）上に、結晶シリコン膜とは逆導電型のポリシリコン膜（第２半導体層）をエピタキシャル成長させてなる太陽電池を作製した。この太陽電池についても、２５℃、１ｓｕｎの模擬太陽光下においてＩ−Ｖ測定を行った結果、開放電圧が０．６０１Ｖを示し、高品質な太陽電池が得られることが確認できた。
【００７２】
また、プラズマＣＶＤ法を用いて、結晶シリコン膜（第１半導体層）上に、非晶質ｐ型のＳｉＣ膜を形成し、太陽電池を作製した。この太陽電池においても、良好な特性が得られ、第２半導体層をポリシリコン膜で形成した太陽電池に比べて、短絡電流密度が１．１〜１．５倍となった。
【００７３】
（参考例３）
本例は、構造は参考例１と同じであるが、プレカーサー膜の膜厚を厚く形成した。
【００７４】
プラズマＣＶＤ法を用いて、膜厚が１．５μｍで、ｎ型のドーパントを含んだ非晶質系シリコン膜（プレカーサー膜）を形成する以外は、参考例１と同様にして薄膜太陽電池を作製した。この非晶質系シリコン膜には、プラズマＣＶＤ法による成膜中、水素希釈によって微細な結晶成分を混入させている。
【００７５】
この太陽電池を、２５℃、１ｓｕｎの模擬太陽光下においてＩ−Ｖ測定を行った結果、開放電圧が０．６１Ｖを示し、高品質な太陽電池が得られることが確認できた。
【００７６】
（実施例１）
本実施例は、参考例３よりも更にプレカーサー膜の膜厚を厚く形成した。
【００７７】
プラズマＣＶＤ法を用いて、膜厚が４μｍで、ｎ型のドーパントを含んだポリシリコン膜（プレカーサー膜）を形成する以外は、参考例１と同様にして薄膜太陽電池を作製した。このポリシリコンは、プラズマＣＶＤ法による結晶条件にて形成した。これによって、ポリシリコン膜の吸収係数が減少し、透過率測定の結果、波長７９５ｎｍのレーザ光に対する吸収係数は１．４μｍ^-1となり、光学的には結晶シリコンと考えられる薄膜であった。
【００７８】
この太陽電池を、２５℃、１ｓｕｎの模擬太陽光下においてＩ−Ｖ測定を行った結果、開放電圧が０．６１Ｖを示し、高品質な太陽電池が得られることが確認できた。
【００７９】
一方、プレカーサー膜をｐ型、微結晶シリコン膜（第２半導体層）をｎ型として形成した太陽電池においても、同様の結果が得られた。
【００８０】
【発明の効果】
以上要するに、本発明に係る結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法によれば、基板上に結晶性シリコン層を有する結晶シリコン系薄膜太陽電池を製造する際に、結晶性シリコン層とは異なる材料からなる異種基板上に、結晶性シリコン前駆体層よりも高融点の材料で構成される金属電極膜、結晶性シリコン前駆体層を形成し、その前駆体層に半導体レーザのレーザ光を照射することで、前駆体層を溶融・結晶化して結晶性シリコン層を形成することができ、高いスループットで結晶シリコン系薄膜太陽電池を製造することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】異種基板上に電極層及び結晶性シリコン前駆体層を形成した状態を示す断面図である。
【図２】結晶性シリコン前駆体層にレーザ光を走査させながら照射している状態を示す断面図である。
【図３】裏面側取出し用電極部を形成する前の状態を示す結晶シリコン系薄膜太陽電池の断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る結晶シリコン系薄膜太陽電池の断面図である。
【符号の説明】
１１異種基板
１２金属電極膜（電極層）
１４結晶性シリコン前駆体層（プレカーサー膜）
２１レーザ光
２４結晶性シリコン層（第１半導体層）
３１第２半導体層
３２透明導電膜（上部電極層）
３３取出し用金属電極部（取出し用電極）
４０結晶シリコン系薄膜太陽電池

Claims

基板上に結晶性シリコン層を有する結晶シリコン系薄膜太陽電池を製造する際に、上記結晶性シリコン層とは異なる材料からなる異種基板上に、順に、導電性を有する電極層、ＣＶＤ法により多結晶シリコンからなる結晶性シリコン前駆体層を１μｍ以上形成する工程と、複数個の半導体レーザを並べて配置した半導体レーザ発振源から連続的に発振された基本波の中心波長が７５０ｎｍ〜８５０ｎｍの半導体レーザ光を走査し上記前駆体層に照射し、上記前駆体層を溶融・結晶化して上記結晶性シリコン層を形成する結晶化工程とを有し、上記複数個の半導体レーザはそれぞれ楕円状のレーザ光を出射し、上記楕円状の各レーザ光が楕円長軸方向にそれぞれ重複して上記前駆体層に照射されるよう上記複数個の半導体レーザを並べて配置することを特徴とする結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法。
上記結晶性シリコン前駆体層を２μｍ以上形成する請求項１記載の結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法。
上記前駆体層に、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＰ系、又はＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザのレーザ光を照射する請求項１又は２に記載の結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法。
上記前駆体層の、上記レーザ光に対する吸収係数が、１〜２４μｍ ^-1 である請求項１から３いずれかに記載の結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法。
上記結晶性シリコン層の上面の全面又は一部に、結晶性シリコン層とは逆導電型のポリシリコンからなる半導体層を形成し、その半導体層の上面の全面又は一部に、導電性を有する上部電極層を形成する請求項１から４いずれかに記載の結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法。
上記上部電極層の上面の一部に、取出し用電極を形成する請求項５に記載の結晶シリコン系薄膜太陽電池の製造方法。
請求項１から６いずれかに記載の製造方法を用いて形成したことを特徴とする結晶シリコン系薄膜太陽電池。