JP4660561B2

JP4660561B2 - 光起電力装置

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Publication number: JP4660561B2
Application number: JP2008030373A
Authority: JP
Inventors: 朗寺川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP2008263171A; JP5359404B2; JP2009164625A; KR101371799B1; CN101271930A; KR20080085724A; CN101271930B

Description

この発明は、光起電力装置に関し、特に、第１導電型の結晶シリコンと、第２導電型の第１非結晶シリコン層と、結晶シリコンおよび第１非結晶シリコン層の間に配置された実質的に真性な第２非結晶シリコン層とを備えた光起電力装置に関する。

従来、ｐ型単結晶シリコン基板（結晶シリコン）と、ｎ型非晶質シリコン層（第１非結晶シリコン層）と、ｐ型単結晶シリコン基板およびｎ型非晶質シリコン層の間に配置された実質的に真性なｉ型非晶質シリコン層（第２非結晶シリコン層）とを備えた光起電力装置が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。

上記非特許文献１では、ｐ型単結晶シリコン基板上にｉ型非晶質シリコン層を形成する際に、ｐ型単結晶シリコン基板とｉ型非晶質シリコン層との界面のｐ型単結晶シリコン基板の表面にエピタキシャル成長により凹凸形状のエピタキシャル層が形成されることが開示されている。また、このエピタキシャル層が大きく成長すると、界面特性が劣化するために、光起電力装置の出力特性が低下することが記載されている。上記非特許文献１では、上記のような光起電力装置の出力特性の低下を抑制するために、ｐ型単結晶シリコン基板上にｉ型非晶質シリコン層を形成する際に、基板温度を低温にすることによって、エピタキシャル成長による結晶シリコン（エピタキシャル層）がｐ型単結晶シリコン基板上に形成されるのを抑制することが提案されている。すなわち、上記非特許文献１により提案された構造では、ｐ型単結晶シリコン基板上にエピタキシャル層が形成されることなく、ｉ型非晶質シリコン層が形成されている。

Ｔ．Ｈ．Ｗａｎｇ，Ｅ．Ｉｗａｎｉｃｚｋｏ，Ｍ．Ｒ．Ｐａｇｅ，Ｄ．Ｈ．Ｌｅｖｉ，Ｙ．Ｙａｎ，Ｈ．Ｍ．Ｂｒａｎｚ，Ｑ．Ｗａｎｇ "Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｍｉｔｔｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｓｕｒｆａｃｅｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｉｎｈｏｔ−ｗｉｒｅｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｅｄｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ" ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ５０１（２００６）２８４−２８７

この発明の１つの目的は、出力特性をより向上させることが可能な光起電力装置を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

この発明の一の局面による光起電力装置は、第1導電型の結晶シリコン基板と、結晶シリコン基板の一面上に形成され、第２導電型の第1非結晶シリコン層を含む非結晶シリコン層とを備え、結晶シリコン基板と非結晶シリコン層との間にエピタキシャル層を有し、エピタキシャル層は、表面に２ｎｍ以下の高さを有する凹凸形状を有する光起電力装置であって、結晶シリコン基板は、表面にシリコン（１１１）面が露出した複数のテラス部と、互いに隣接するテラス部を接続するステップとを有するピラミッド状凹凸を有し、エピタキシャル層の表面の凹凸形状は、テラス部及びステップ部の形状を反映せず、その凹凸形状の平均面が、結晶シリコン基板のテラス部のシリコン（１１１）面が露出した表面からステップ部の外表面に向かう回転方向に、シリコン（１１１）面から所定の角度傾斜していることを特徴とする。なお、本発明における非結晶シリコン層は、非晶質シリコン層のみならず、微結晶シリコン層を含む広い概念である。

この一の局面による光起電力装置では、上記のように、結晶シリコン基板と非結晶シリコン層との間のエピタキシャル層が、表面に２ｎｍ以下の高さを有する凹凸形状を有することによって、凹凸形状の高さが２ｎｍより大きい場合、および、凹凸形状が形成されない場合に比べて、光起電力装置の出力特性をより向上させることができる。なお、この効果は後述する実験により検証済みである。

上記構成において、非結晶シリコン層は、第１非結晶シリコン層の結晶シリコン基板側に配置された真性な第２非結晶シリコン層を備えていてもよい。また、第２非結晶シリコン層は、所定量以下の水素を含有してもよい。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による光起電力装置の構造を示す断面図である。図２は、図１に示したｎ型単結晶シリコン基板周辺の詳細構造を示す断面図である。まず、図１および図２を参照して、本実施形態による光起電力装置の構造について説明する。

本実施形態による光起電力装置では、図１に示すように、ｎ型単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）基板１の一面上に、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）層２、約７０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯ（酸化インジウム錫）からなる表面電極３、および、数十μｍの厚みを有する銀からなる集電極４が順次形成されている。非晶質シリコン層２は、ｎ型単結晶シリコン基板１の上面上に形成された約９ｎｍ〜約１３ｎｍの小さい厚みを有する実質的に真性で、かつ、所定量以下の水素を含有するｉ型非晶質シリコン層２ａと、ｉ型非晶質シリコン層２ａ上に形成された約２ｎｍ〜約５ｎｍの厚みを有するボロン（Ｂ）がドープされるとともに水素を含有するｐ型非晶質シリコン層２ｂとによって構成されている。また、ｉ型非晶質シリコン層２ａの厚みは、ｉ型非晶質シリコン層２ａが実質的に発電に寄与しない小さい厚みである。なお、ｎ型単結晶シリコン基板１、ｉ型非晶質シリコン層２ａおよびｐ型非晶質シリコン層２ｂは、それぞれ、本発明の「結晶シリコン」、「第２非結晶シリコン層」および「第１非結晶シリコン層」の一例である。

また、図２に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の一面には、比較的大きなピラミッド状凹凸が形成されており、このピラミッド状凹凸を有する表面上に、ｉ型非晶質シリコン層２ａ、ｐ型非晶質シリコン層２ｂおよび表面電極３が形成されている。このピラミッド状凹凸は、数μｍ〜数１０μｍの幅Ｗと、数μｍ〜数１０μｍの高さＨ１とを有する。このピラミッド状凹凸の表面には、シリコン（１１１）面が露出している。一面側から光を入射させる場合には、このピラミッド状凹凸による光閉じ込め構造によって、ｎ型単結晶シリコン基板１の一面の光の反射率が低減されるので、短絡電流を増加させることが可能である。

また、図１に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の他面上には、ｎ型単結晶シリコン基板１の他面に近い方から順に、非晶質シリコン層５、約７０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面電極６、および、数十μｍの厚みを有する銀からなる集電極７が形成されている。非晶質シリコン層５は、ｎ型単結晶シリコン基板１の他面上に形成された約９ｎｍ〜約１３ｎｍの小さい厚みを有する実質的に真性なｉ型非晶質シリコン層５ａと、ｉ型非晶質シリコン層５ａの他面上に形成された約１０ｎｍ〜約２０ｎｍの厚みを有するリン（Ｐ）がドープされたｎ型非晶質シリコン層５ｂとによって構成されている。ｉ型非晶質シリコン層５ａの厚みは、ｉ型非晶質シリコン層５ａが実質的に発電に寄与しない小さい厚みである。そして、ｉ型非晶質シリコン層５ａ、ｎ型非晶質シリコン層５ｂおよび表面電極６によって、いわゆるＢＳＦ（ＢａｃｋＳｕｒｆａｃｅＦｉｅｌｄ）構造が構成されている。なお、このような構造の光起電力装置は、通常ｎ型単結晶シリコン基板１の一面側を光入射側として用いられるが、ｎ型単結晶シリコン基板１の他面側を光入射面として用いてもよい。

図３は、ｉ型非晶質シリコン層を形成する前のｎ型単結晶シリコン基板を示す断面図である。図４は、ｎ型単結晶シリコン基板とｉ型非晶質シリコン層との界面を示す拡大断面図である。次に、図１〜図４を参照して、上記した実施形態による光起電力装置を実際に作製して出力特性を評価した際の比較実験（実施例および比較例１、２）について説明する。

まず、上記した実施形態に対応する実施例による光起電力装置の製造プロセスについて説明する。

まず、（１００）面を有するｎ型単結晶シリコン基板１の表面を異方性エッチングすることにより、図２に示すように、（１１１）面に起因したピラミッド状凹凸形状を形成した。また、この状態で、図３に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１の表面は、シリコン（１１１）面が露出されたテラス部１ｂと隣接するテラス部１ｂを連結するステップ部１ｃとが形成されている。以下、テラス部１ｂの表面およびステップ部１ｃの表面を、それぞれ、（１１１）面の主面および（１１１）面の副面と呼ぶ。

この後、以下の表１の条件下で、ｎ型単結晶シリコン基板１の一面および他面に各層を形成した。

具体的には、表１に示すように、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて、基板温度：１３０℃〜１８０℃、Ｈ_２ガス流量：０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ、シラン（ＳｉＨ_４）ガス流量：４０ｓｃｃｍ、圧力：４０Ｐａ〜１２０Ｐａ、ＲＦパワー密度：５ｍＷ／ｃｍ^２〜１５ｍＷ／ｃｍ^２の条件下で、ｎ型単結晶シリコン基板１の一面上に、１０ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層２ａを形成した。この際、使用ガス（Ｈ_２）の流量をシラン（ＳｉＨ_４）ガスの水素希釈率が５倍以下となるように、０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍで制御した。これにより、図３のステップ部１ｃを起点としてエピタキシャル層１ａを形成するとともに、エピタキシャル層１ａ上にｉ型非晶質シリコン層２ａを形成した。また、エピタキシャル層１ａは、ステップ部１ｃとテラス部１ｂとの平均面（ｎ型単結晶シリコン基板１の表面）に積層されるので、エピタキシャル層１ａの非周期的な凹凸形状部分の平均面は、テラス部１ｂに露出したシリコン（１１１）面に対して所定の角度傾斜された。このようにして、図４に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ａとの界面に、非周期的な凹凸形状部分を形成するとともに、その凹凸形状部分上にｉ型非晶質シリコン層２ａを形成した。

続いて、表１に示すように、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて、基板温度：１５０℃〜１８０℃、水素（Ｈ_２）ガス流量：０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ、シラン（ＳｉＨ_４）ガス流量：４０ｓｃｃｍ、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）／Ｈ_２（Ｈ_２に対するＢ_２Ｈ_６ガスの濃度：２％）ガス流量：４０ｓｃｃｍ、圧力：４０Ｐａ〜１２０Ｐａ、および、ＲＦパワー密度：５ｍＷ／ｃｍ^２〜１５ｍＷ／ｃｍ^２の条件下で、ｉ型非晶質シリコン層２ａ上に、６ｎｍの厚みを有するボロン（Ｂ）がドープされたｐ型非晶質シリコン層２ｂを形成した。

次に、表１に示すように、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて、基板温度：１７０℃、シラン（ＳｉＨ_４）ガス流量：４０ｓｃｃｍ、圧力：４０Ｐａ、および、ＲＦパワー密度：８．３３ｍＷ／ｃｍ^２の条件下で、ｎ型単結晶シリコン基板１の他面上に、１０ｎｍの厚みを有するｉ型非晶質シリコン層５ａを形成した。

続いて、表１に示すように、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用いて、基板温度：１７０℃、水素（Ｈ_２）ガス流量：０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ、シラン（ＳｉＨ_４）ガス流量：４０ｓｃｃｍ、ホスフィン（ＰＨ_３）／Ｈ_２（Ｈ_２に対するＰＨ_３の濃度：１％）ガス流量：４０ｓｃｃｍ、圧力：４０Ｐａ、および、ＲＦパワー密度：８．３３ｍＷ／ｃｍ^２の条件下で、ｉ型非晶質シリコン層５ａの他面上に、１５ｎｍの厚みを有するリン（Ｐ）がドープされたｎ型非晶質シリコン層５ｂを形成した。

最後に、スパッタリング法を用いて、ｐ型非晶質シリコン層２ｂの表面上およびｎ型非晶質シリコン層５ｂの表面上に、それぞれ、８５ｎｍの厚みを有するＩＴＯからなる表面電極３および表面電極６を形成した後、表面電極３および表面電極６上の所定領域に、数十μｍの厚みを有する銀からなる集電極４、７を形成した。このようにして、実施例による光起電力装置を形成した。

また、従来の一例に対応する比較例１による光起電力装置は、ｉ型非晶質シリコン層を形成する際の形成条件として、シラン（ＳｉＨ_４）ガスの水素希釈率が５倍よりも大きくなるように、Ｈ_２ガス流量が１００ｓｃｃｍに近い高い目の値で一定に保持しながら形成した。また、従来の他の例に対応する比較例２による光起電力装置は、ｉ型非晶質シリコン層を形成する際の形成条件として、Ｈ_２ガス流量が０ｓｃｃｍに近い低い目の値で一定に保持しながら形成した。これ以外の部分の製造プロセスは、上記実施例による光起電力装置と同様である。

実施例による光起電力装置では、図４に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ａとの界面に、非周期的な微小な凹凸形状が形成された。また、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ａとの界面近傍の凹凸形状を含む部分（エピタキシャル層１ａ）は、ｉ型非晶質シリコン層２ａを形成する際に、エピタキシャル成長により形成されたものである。このエピタキシャル層１ａの微小な凹凸の高さＨ２は、１ｎｍよりも小さかった。

また、図４に示すように、非周期的な凹凸形状を有するｎ型単結晶シリコン基板１のｉ型非晶質シリコン層２ａとの界面の平均面は、ｎ型単結晶シリコン基板１の（１１１）面の主面（（１１１）面が露出したテラス部１ｂの表面）から副面（ステップ部１ｃの外表面）に向かう回転方向に所定の角度α（約３±１度）傾斜していた。

また、比較例１による光起電力装置は、上記の形成条件により製造されることにより、エピタキシャル成長が促進されて、エピタキシャル成長により形成された非周期的な凹凸を含む部分（エピタキシャル層）の高さが２ｎｍよりも大きくなった。また、比較例２による光起電力装置は、上記の形成条件により製造されることにより、ｎ型単結晶シリコン基板とｉ型非晶質シリコン層との界面にエピタキシャル成長により非周期的な凹凸部分が形成されることなく、図３に示したテラス部１ｂおよびステップ部１ｃを有するｎ型単結晶シリコン基板の表面上に直接ｉ型非晶質シリコン層が形成された。

次に、上記のように作製した実施例、比較例１および比較例２による光起電力装置の出力特性を測定した。測定データは、Ｖｏｃ（開放電圧）、Ｉｓｃ（短絡電流）、Ｆ．Ｆ（曲線因子）およびＰｍａｘ（セル出力）である。この測定結果を以下の表２に示す。

上記表２に示すように、ｎ型単結晶シリコン基板とｉ型非晶質シリコン層との界面に２ｎｍより大きい高さを有するエピタキシャル層が形成された比較例１に対して、エピタキシャル層が形成されていない比較例２は、出力特性が向上している。具体的には、比較例１の開放電圧Ｖｏｃが０．６８０Ｖであるのに対して、比較例２の開放電圧Ｖｏｃは、０．７０９Ｖである。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、比較例１では２ｎｍより大きい高さを有するエピタキシャル層が形成されているため、エピタキシャル層が形成されていない比較例２よりも比較例１の方がｎ型単結晶シリコン基板とｉ型非晶質シリコン層との界面における特性が劣化する。この界面特性の劣化に起因して、比較例１よりも比較例２の方が開放電圧Ｖｏｃが高くなったと考えられる。

また、比較例２に対して、１ｎｍよりも小さい高さを有するエピタキシャル層１ａが形成された実施例では、出力特性がさらに向上することが判明した。具体的には、比較例２の開放電圧Ｖｏｃが０．７０９Ｖであるのに対して、実施例の開放電圧Ｖｏｃは、０．７２５Ｖである。

また、短絡電流Ｉｓｃは、比較例１よりも比較例２の方が大きい。また、実施例の短絡電流は、比較例１よりも大きく、比較例２よりも小さい。具体的には、比較例１、比較例２および実施例の短絡電流Ｉｓｃは、それぞれ、３．８２０Ａ、３．８８０Ａおよび３．８５０Ａであった。すなわち、エピタキシャル層の高さが低いほど、短絡電流が増加することがわかる。

また、曲線因子Ｆ．Ｆは、比較例１よりも比較例２の方が大きく、実施例の曲線因子Ｆ．Ｆは、比較例２よりもさらに大きくなることが判明した。具体的には、比較例１、比較例２および実施例の曲線因子Ｆ．Ｆは、それぞれ、０．７５２、０．７６２および０．７６９であった。

また、セル出力Ｐ_ｍａｘについては、比較例１よりも比較例２の方が大きく、実施例は、比較例２よりもさらに大きいことが判明した。具体的には、比較例１、比較例２および実施例のセル出力Ｐ_ｍａｘは、それぞれ、１．９５３Ｗ、２．０９６Ｗおよび２．１４７Ｗであった。このように実施例のセル出力は、比較例１および２と比較して大きく改善されている。

本実施形態および実施例では、上記のように、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ａとの界面に、１ｎｍより小さい高さを有する非周期的な凹凸形状を形成することによって、非周期的な凹凸形状の高さが２ｎｍより大きい場合、および、非周期的な凹凸形状が形成されない場合に比べて、光起電力装置の特性を向上させることができる。

なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態および実施例では、ｎ型単結晶シリコン基板１の一面上に、実質的に真性なｉ型非晶質シリコン層２ａを介してｐ型非晶質シリコン層２ｂを形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ｐ型単結晶シリコン基板の一面上に、実質的に真性なｉ型非晶質シリコン層を介してｎ型非晶質シリコン層を形成するようにしてもよい。この場合、ｐ型単結晶シリコン基板の他面上に、実質的に真性なｉ型非晶質シリコン層を介してｐ型非晶質シリコン層を形成してもよい。

また、上記実施例では、エピタキシャル層１ａの非周期的な凹凸の高さを１ｎｍより小さく形成した例を示したが、本発明ではこれに限らず、２ｎｍ以下となるように形成してもよい。このように非周期的な凹凸の高さが２ｎｍ以下にすることにより、上記した実施例と同様、光起電力装置の出力特性を向上させることができる。

また、上記実施形態および実施例では、ＲＦプラズマＣＶＤ法により非晶質シリコン層２（ｉ型非晶質シリコン層２ａおよびｐ型非晶質シリコン層２ｂ）を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法およびスパッタリング法などの他の薄膜形成法により非晶質シリコン層２を形成してもよい。

また、上記実施形態および実施例では、ｎ型単結晶シリコン基板１の他面上に、非晶質シリコン層２（ｉ型非晶質シリコン層２ａおよびｎ型非晶質シリコン層２ｂ）が形成されたＢＳＦ構造を有するようにしたが、本発明はこれに限らず、ｎ型単結晶シリコン基板の他面上に、ｎ側（裏側）の非晶質シリコン層を形成せずに、表面電極を形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態および実施例では、非周期的な凹凸形状を有するｎ型単結晶シリコン基板１のｉ型非晶質シリコン層２ａとの界面の平均面は、ｎ型単結晶シリコン基板１の（１１１）面の主面から副面に向かう方向に所定の角度α（約３±１度）傾斜している例を示したが、本発明はこれに限らず、所定の角度α（約３±１度）以外の角度分傾斜していてもよい。

また、上記実施形態および実施例では、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層２ａとの界面に非周期的な凹凸形状を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型単結晶シリコン基板１とｉ型非晶質シリコン層５ａとの界面に非周期的な凹凸形状を形成してもよい。

本発明の一実施形態による光起電力装置の構造を示した断面図である。図１に示したｎ型単結晶シリコン基板周辺の詳細構造を示す断面図である。ｉ型非晶質シリコン層を形成する前のｎ型単結晶シリコン基板を示す断面図である。実施例によるｎ型単結晶シリコン基板とｉ型非晶質シリコン層との界面を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ｎ型単結晶シリコン基板（結晶シリコン）
１ａエピタキシャル層
２ａｉ型非晶質シリコン層（第２非結晶シリコン層）
２ｂｐ型非晶質シリコン層（第１非結晶シリコン層）

Claims

第1導電型の結晶シリコン基板と、
前記結晶シリコン基板の一面上に形成され、第２導電型の第1非結晶シリコン層を含む非結晶シリコン層とを備え、
前記結晶シリコン基板と非結晶シリコン層との間にエピタキシャル層を有し、
前記エピタキシャル層は、表面に２ｎｍ以下の高さを有する凹凸形状を有する光起電力装置であって、
前記結晶シリコン基板は、表面にシリコン（１１１）面が露出した複数のテラス部と、互いに隣接する前記テラス部を接続するステップとを有するピラミッド状凹凸を有し、
前記エピタキシャル層の表面の凹凸形状は、前記テラス部及びステップ部の形状を反映せず、その凹凸形状の平均面が、前記結晶シリコン基板のテラス部のシリコン（１１１）面が露出した表面から前記ステップ部の外表面に向かう回転方向に、前記シリコン（１１１）面から所定の角度傾斜していることを特徴とする光起電力装置。
前記非結晶シリコン層は、前記第1非結晶シリコン層の前記結晶シリコン基板側に配置された真性な第２非結晶シリコン層を備える、請求項１記載の光起電力装置。
前記第２非結晶シリコン層は、所定量以下の水素を含有する、請求項２に記載の光起電力装置。