JP4756820B2 - Solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、高効率の太陽電池に関し、より詳細には、光電変換部に結晶質シリコン中間層を用いた薄膜太陽電池に関する。 The present invention relates to a high-efficiency solar cell, and more particularly, to a thin-film solar cell using a crystalline silicon intermediate layer for a photoelectric conversion portion.
石油等の化石燃料は、将来における需給が懸念され、かつ地球温暖化現象の原因となる二酸化炭素排出の問題があるので、当該化石燃料の代替エネルギー源として太陽電池が注目されている。 Since fossil fuels such as oil are concerned about future supply and demand, and there is a problem of carbon dioxide emission that causes a global warming phenomenon, solar cells are attracting attention as an alternative energy source for the fossil fuels.
この太陽電池は光エネルギーを電力に変換する光電変換部にpn接合を有する半導体を用いており、このpn接合を構成する半導体として一般的にはシリコンが最もよく用いられている。光電変換効率の点からは単結晶シリコンを用いることが好ましいが、シリコン原料を供給するに際し、また大面積の単結晶を得るために、多くのコストがかかってしまい問題である。 This solar cell uses a semiconductor having a pn junction in a photoelectric conversion portion that converts light energy into electric power, and silicon is most commonly used as a semiconductor constituting the pn junction. From the viewpoint of photoelectric conversion efficiency, it is preferable to use single crystal silicon. However, when supplying the silicon raw material and obtaining a single crystal having a large area, a large cost is required.
一方、大面積化および低コスト化を実現するのに有用な材料としてアモルファスシリコンを用いて光電変換部を形成した薄膜太陽電池がある。さらには、単結晶シリコン太陽電池が有するレベルである高くて安定な光電変換効率と、アモルファスシリコン太陽電池が有するレベルの大面積化および低コスト化との両者を備えた太陽電池を実現するために、結晶質シリコンの光電変換部への使用が検討されている。特にアモルファスシリコンの場合と同様の化学的気相成長法(以下、CVD法とする)による薄膜形成技術を用いて、結晶質シリコン薄膜を形成した薄膜太陽電池(以下、結晶質シリコン薄膜太陽電池とする)が注目されている。 On the other hand, there is a thin-film solar cell in which a photoelectric conversion portion is formed using amorphous silicon as a material useful for realizing a large area and cost reduction. Furthermore, in order to realize a solar cell having both high and stable photoelectric conversion efficiency, which is a level of a single crystal silicon solar cell, and a large area and a low cost of an amorphous silicon solar cell. The use of crystalline silicon for photoelectric conversion parts has been studied. In particular, a thin film solar cell (hereinafter referred to as a crystalline silicon thin film solar cell) in which a crystalline silicon thin film is formed using a thin film formation technique by chemical vapor deposition (hereinafter referred to as a CVD method) similar to the case of amorphous silicon. Is attracting attention.
なお、本明細書において、他に言及しない限り、用語「結晶質」とは、単結晶および多結晶などの実質的に結晶のみからなる状態だけでなく、微結晶またはマイクロクリスタルと呼ばれる結晶成分と非晶質成分が混在した状態のものも含むことを意味する。 In the present specification, unless otherwise specified, the term “crystalline” means not only a state consisting essentially of crystals such as single crystals and polycrystals, but also a crystal component called microcrystal or microcrystal. It also means that an amorphous component is included.
高効率な結晶質シリコン薄膜太陽電池を達成する上で重要な技術の1つに光閉込がある。光閉込とは、光電変換部に接する透明導電性膜または金属層の表面を凹凸化して、その界面で光を散乱させることで光路長を延長させ、光電変換部での光吸収量を増大させるものである。例えば、下記特許文献1には、ガラス基板上に作製した透明導電性膜の凹凸大きさと、その傾斜角を規定した太陽電池用基板の例が開示されている。
One of the important technologies for achieving a highly efficient crystalline silicon thin film solar cell is light confinement. Light confinement means that the surface of a transparent conductive film or metal layer in contact with the photoelectric conversion part is made uneven, and light is scattered at the interface, thereby extending the optical path length and increasing the amount of light absorbed by the photoelectric conversion part. It is something to be made. For example,
この光閉込によって光電変換効率を向上させることにより、光電変換部の膜厚を薄くすることができる。特に、アモルファスシリコン太陽電池の場合にはStaebler−Wronski効果に起因する光劣化による光電変換効率の低下を抑制することができる。さらに、結晶質シリコン太陽電池の場合においては、通常、光吸収特性のためにアモルファスシリコンと比較して数倍から十数倍となる数μmオーダーもの膜厚を必要とされるが、平坦な基板を用いた場合より膜厚を低減することができ大幅な製膜時間の短縮をもたらすことができる。すなわち、光閉込は結晶質シリコン薄膜太陽電池の実用化への大きな課題である高効率化、安定化、低コスト化の全てを解決する手段として必須の技術である。 By improving the photoelectric conversion efficiency by this light confinement, the film thickness of the photoelectric conversion part can be reduced. In particular, in the case of an amorphous silicon solar cell, it is possible to suppress a decrease in photoelectric conversion efficiency due to light degradation caused by the Staebler-Wronski effect. Furthermore, in the case of a crystalline silicon solar cell, a film thickness of several μm order, which is several to ten times as large as that of amorphous silicon, is usually required for light absorption characteristics. The film thickness can be reduced as compared with the case of using, and the film forming time can be greatly shortened. That is, light confinement is an indispensable technique as a means for solving all of high efficiency, stabilization, and cost reduction, which are major issues for practical use of crystalline silicon thin film solar cells.
ところで、高効率な結晶質シリコン薄膜太陽電池を実現するためには、光電変換部の膜質をも良好にする必要がある。下記特許文献2によれば、i型結晶質シリコン層の(110)結晶配向性を高めることが高効率に必要であると示唆されている。(110)に配向した結晶は粒界が少なく、光照射によって生成されたキャリアを効率よく集電することができるためである。
By the way, in order to realize a highly efficient crystalline silicon thin film solar cell, it is necessary to improve the film quality of the photoelectric conversion portion. According to the following
しかしながら、i層の製膜において、たとえ高品質なi型結晶質シリコン層を製膜できる条件を適用したとしても、結晶成長初期から高品質な膜を製膜することはできない。理由としては、欠陥が多い結晶成長初期膜がまず形成されるからである。これが開放電圧やフィルファクターを低下させる原因となるため、これを極力排除しなければならない。 However, even if the conditions for forming a high-quality i-type crystalline silicon layer are applied in the formation of the i-layer, it is not possible to form a high-quality film from the beginning of crystal growth. This is because a crystal growth initial film having many defects is formed first. Since this causes a reduction in the open circuit voltage and fill factor, this must be eliminated as much as possible.
これに対して、下記特許文献2にはまた、成長初期から高品質なi型結晶質シリコン層を得る方法として、導電層を製膜した後に非晶質のシリコンを薄く製膜することにより、これをシード層または結晶化制御層として用い、i型結晶質シリコン層の(110)面配向性を高めることが開示されている。
On the other hand, in
しかし、非晶質のシリコン膜は電子の移動度が結晶性シリコンに比較して低く、たとえi型結晶質シリコン層の膜質を向上させることができたとしても、このうすい非晶質シリコン膜によって変換効率が低下する。また、挿入しようとする非晶質シリコン膜の望ましい膜厚は10〜50Åであり、この範囲より薄くても厚くても望ましい結果を得ることができない。したがって、微妙な膜厚の制御を行わないといけない点は技術的な困難さとなる。 However, the amorphous silicon film has lower electron mobility than crystalline silicon, and even if the film quality of the i-type crystalline silicon layer can be improved, the thin amorphous silicon film Conversion efficiency decreases. The desired film thickness of the amorphous silicon film to be inserted is 10 to 50 mm, and a desired result cannot be obtained even if it is thinner or thicker than this range. Therefore, it is technically difficult to control the film thickness delicately.
また、下記特許文献3には、i型結晶質シリコン層、i型の微結晶中間層、導電型結晶質シリコン層が順次積層されたシリコン系薄膜光電変換装置が開示されている。しかしながら、上記文献に記載された発明は、窓層としての導電型結晶質シリコン層の結晶化率を小さくすることによってバンドギャップを大きくすることを目的としている。つまり、この技術は高品質なi型結晶質シリコン層を得ることを目的としたものではない。i型結晶質シリコン層を製膜した後に中間層を製膜していることを考慮すると、現実的に高品質なi型結晶質シリコン層を得ることはできない。
本発明は、上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、光電変換部としてのi型結晶質シリコン層を製膜するにあたり、その初期に形成される品質の悪い初期膜を低減し、結晶質シリコン中間層およびi型結晶質シリコン層の結晶化率を調整することによって、高い光電変換効率を有する結晶質シリコン薄膜太陽電池を提供することである。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the purpose of the present invention is to improve the quality of the initial formation of the i-type crystalline silicon layer as a photoelectric conversion part. It is to provide a crystalline silicon thin film solar cell having high photoelectric conversion efficiency by reducing the bad initial film and adjusting the crystallization rate of the crystalline silicon intermediate layer and the i-type crystalline silicon layer.
本発明は、基板と該基板上に形成された光電変換部とを含む太陽電池において、前記光電変換部は、第一の導電型シリコン層と、結晶質シリコン中間膜と、i型結晶質シリコン層とが該順番で積層されており、前記結晶質シリコン中間層の膜厚は5〜100nmの範囲内であり、かつ前記結晶質シリコン中間層の結晶化率Xcaは0.6〜3の範囲内であり、前記i型結晶質シリコン層の膜厚は1〜5μmの範囲内であり、かつ前記i型結晶質シリコン層の結晶化率Xcbは2〜8の範囲内であることを特徴とする、太陽電池を提供する。 The present invention relates to a solar cell including a substrate and a photoelectric conversion unit formed on the substrate, wherein the photoelectric conversion unit includes a first conductive silicon layer, a crystalline silicon intermediate film, and an i-type crystalline silicon. The crystalline silicon intermediate layer has a thickness in the range of 5 to 100 nm, and the crystalline silicon intermediate layer has a crystallization ratio Xca in the range of 0.6 to 3. The i-type crystalline silicon layer has a thickness in the range of 1 to 5 μm, and the i-type crystalline silicon layer has a crystallization ratio Xcb in the range of 2 to 8. A solar cell is provided.
これによれば、第一の導電型シリコン層とi型結晶質シリコン層との間に結晶質シリコン中間層を挿入することにより、低品質なi型結晶質シリコン層の成長初期膜を低減させ、変換効率を向上することができる。また、i型シリコン結晶質層の結晶化率Xcbおよび膜厚を好適な範囲内にすることにより高効率な太陽電池を作製することができる。 According to this, the initial growth film of the low-quality i-type crystalline silicon layer is reduced by inserting the crystalline silicon intermediate layer between the first conductive silicon layer and the i-type crystalline silicon layer. , Conversion efficiency can be improved. Moreover, a highly efficient solar cell can be produced by setting the crystallization ratio Xcb and the film thickness of the i-type silicon crystalline layer within suitable ranges.
好ましくは、前記基板の一主面上に存在する凹凸高さの二乗平均値RMSは25〜600nmの範囲内であり、かつ前記基板表面の凹凸の平均線に対する凹凸表面の傾斜角をθとしたときのtanθが0.07〜0.20の範囲内にある。 Preferably, the root mean square value RMS of the unevenness on one main surface of the substrate is in the range of 25 to 600 nm, and the inclination angle of the uneven surface with respect to the average line of unevenness on the substrate surface is θ. Tan θ is in the range of 0.07 to 0.20.
また好ましくは、前記基板の凹凸を有する一主面は透明導電性膜が被覆された面であり、前記基板の凹凸は、前記透明導電性膜をエッチングすることにより形成される。 Preferably, the main surface having the unevenness of the substrate is a surface coated with a transparent conductive film, and the unevenness of the substrate is formed by etching the transparent conductive film.
また好ましくは、前記基板の凹凸の少なくとも一部は概略球面状または円錐状のホールであり、該ホールの直径は200〜2000nmの範囲内であり、前記透明導電性膜は主として酸化亜鉛から形成されている。 Preferably, at least a part of the irregularities of the substrate is a substantially spherical or conical hole, the diameter of the hole is in the range of 200 to 2000 nm, and the transparent conductive film is mainly formed of zinc oxide. ing.
結晶質シリコン中間層13aを、膜厚5〜100nmの範囲でかつ結晶化率Xcaを0.6〜3の範囲内として、第一の導電型シリコン層12とi型結晶質シリコン層13bの間に挿入することにより、低品質なi型結晶質シリコン層の成長初期膜を低減させ、変換効率を向上することができる。その際、i型シリコン結晶質層の結晶化率Xcbを2〜8の範囲内で、膜厚を1〜5μmとしたときに高効率な太陽電池を作製することができる。また、この発明は、凹凸が設けられた基板を用いて作製した太陽電池に対しても有効であり、その際には光閉じ込めによりさらに高効率な太陽電池の作製が可能となる。有効な凹凸の範囲は、凹凸高さの二乗平均値RMSが25〜600nmで、凹凸の傾斜角をθとしたときのtanθが0.07〜0.20の範囲内である。
Between the first
以下に本発明を、図1を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIG.
(太陽電池構造)
図1は、本発明の太陽電池の構造を示す概略断面図である。図1において、本発明の太陽電池20は、基板11上に、少なくとも第一の導電型シリコン層12と、結晶質シリコン中間膜13aと、i型結晶質シリコン層13bとがこの順番で積層されて、光電変換部21を形成する。さらに、基板11は、基底基板11aおよび凹凸表面層11bからなる。また、好ましくは、i型結晶質シリコン層13b上に、第二の導電型シリコン層14および裏面電極がこの順番で積層形成されている。第二の導電型シリコン層14と裏面電極16との間には裏面反射層15を形成していてもよい。ここで、第二の導電型シリコン層14は、第一の導電型シリコン層12とは異なる材質で形成されている。
(Solar cell structure)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the solar cell of the present invention. In FIG. 1, a
本発明において、前記結晶質シリコン中間層13aの結晶化率をXcaとすると、Xcaは0.6〜3の範囲内であり、かつ、前記i型結晶質シリコン層の結晶化率をXcbとすると、Xcbは2〜8の範囲内にある。なお、i型結晶質シリコン層には、p−型またはn−型の実質的に真正な半導体も含まれる。
In the present invention, when the crystallization rate of the crystalline silicon
ここで、結晶化率とは、太陽電池作製時と同じ製膜条件でガラス基板上に製膜した単層の膜のラマンスペクトルにおいて、520cm−1にある結晶シリコンのピーク高さをIc、480cm−1にあるアモルファスシリコンのピーク高さをIaとしたとき、IcとIaの比の値すなわちIc/Iaを本明細書中において結晶化率と定義する。この値は結晶体積分率の絶対値を表す値ではない。しかしその比の値は結晶体積分率と正の相関があるため、傾向を評価する指標としては使用できる。 Here, the crystallization rate refers to the peak height of crystalline silicon at 520 cm −1 in the Raman spectrum of a single layer film formed on a glass substrate under the same film forming conditions as those for solar cell production, Ic, 480 cm. When the peak height of amorphous silicon at −1 is Ia, the value of the ratio of Ic to Ia, that is, Ic / Ia is defined as the crystallization rate in this specification. This value is not a value representing the absolute value of the crystal volume fraction. However, since the ratio value has a positive correlation with the crystal volume fraction, it can be used as an index for evaluating the tendency.
上記の如く構成の本発明の太陽電池20は、第一の導電型シリコン層12とi型結晶質シリコン層13bの間に、膜厚と結晶化率が制御された結晶質シリコン中間層13aを設けることで、i型結晶質シリコン層の成長初期段階における膜が非晶質でありかつ欠陥が多いことを低減し、高品質なi型結晶質シリコン層を堆積するための下地層として機能するものである。以下、本発明の太陽電池の構成についてより詳細に説明する。
The
(基板)
本発明において、基板11は、基底基板11a上に凹凸表面層11bが形成された構造である。基底基板11aは、ガラスなどの透明の基板、ポリイミドおよびポリビニルなどの200℃程度の耐熱性を有する樹脂、ならびにこれらが積層されたものなどを用いることができる。さらに、これらの基板表面に、透明導電性膜または絶縁膜などを被覆していてもよい。また、基底基板11aの厚さは、特に限定されるものではないが、太陽電池20を支持し得る程度の強度を有するように、たとえば、1〜30mmとすることができる。
(substrate)
In the present invention, the
凹凸表面層11bは、透明導電性膜からなることが好ましい。凹凸表面層11bとしての透明性導電膜は当該分野で公知の材料を用いることができ、具体的には、酸化錫、酸化インジウムまたはITOなどが挙げられるが、特に酸化亜鉛またはこれを主成分とするものが、耐プラズマ性が高く変質しにくいという点で好ましい。当該透明導電性膜には不純物が含まれる場合がある。たとえば、酸化亜鉛を主成分とする場合、ガリウムやアルミニウムなどの第III族元素、または銅などのIB元素を、5×1020〜5×1021cm−3程度の範囲内で含有してもよい。これらの元素が混入することにより、透明導電性膜の抵抗率が低下するので電極として好ましく用いられ得る。
The
本発明において、凹凸表面層11bにおける凹凸をエッチングによって形成することができる。エッチングを用いて凹凸表面層11bの透明導電性膜における凹凸を形成するに際し、エッチャントの種類、濃度またはエッチング時間を適宜調整することにより、当該凹凸表面層の表面形状を容易に制御可能である。当該エッチャントとしては、酸またはアルカリ溶液を用いることができ、具体的には、使用可能な酸溶液としては塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸、酢酸、蟻酸および過塩素酸等の1種または2種以上の混合物が挙げられるが、この中でも、塩酸および/または酢酸を用いることが好ましい。これらの酸溶液は、例えば0.05〜5質量%程度の濃度で使用できるが、特に酢酸のような比較的弱い酸の場合には、0.1〜5質量%程度の濃度で使用するとよい。また、アルカリ溶液としては、水酸化ナトリウム、アンモニア、水酸化カリウム、水酸化カルシウムおよび水酸化アルミニウム等の1種または2種以上の混合物が挙げられる。なかでも水酸化ナトリウムが好ましい。これらのアルカリ溶液は1〜10質量%程度の濃度で使用するとよい。
In the present invention, the unevenness in the
本発明において、凹凸表面層11bの形状をAFM(原子間力顕微鏡)を用いて測定し、その結果から凹凸構造の高さの二乗平均値RMSを凹凸高さの指標とした。また、AFM像のフーリエ変換スペクトルに現れる正弦波曲線の際頻出波長λを横方向の平均のサイズとした。これらを用いて、平均の角度θを、次式:
tanθ=4×RMS/λ
により定義した。
In the present invention, the shape of the concavo-
tan θ = 4 × RMS / λ
Defined by
上式により得られたtanθは、凹凸の傾きを評価するための数値であり、上式を用いて求めたθが凹凸の傾きを直接表わしているわけではない。この数値は相対評価のための指標として用いられ得るものである。しかしながら、これは一つのAFM像から数学的処理により一義的に決定される数値であるため、客観性が高く、相対評価の指標としては有用である。 Tan θ obtained by the above equation is a numerical value for evaluating the inclination of the unevenness, and θ obtained using the above equation does not directly represent the inclination of the unevenness. This numerical value can be used as an index for relative evaluation. However, since this is a numerical value uniquely determined from one AFM image by mathematical processing, it is highly objective and useful as an index for relative evaluation.
本発明において、RMSは25〜600nmの範囲内であり、かつ、tanθが0.07〜0.20の範囲内であることが好ましい。RMSが25nmよりも小さいかまたはtanθが0.07よりも小さい場合は、透明導電性膜の凹凸が小さく緩やかであるので光散乱効果が小さく、光電変換部における有効な光閉込効果を得ることが難しい。また、RMSが600nmより大きいかまたはtanθが0.20より大きい場合は、透明導電性膜の凹凸が大きく傾斜が急崚であるので、透明導電性膜の凹凸に相対する傾斜面からそれぞれ成長する結晶がぶつかりあうことで結晶粒界が生じ、発生する欠陥が多くなってしまうので変換効率を低下させることになる。上記の範囲のRMSおよびtanθは、上述したような、透明性導電膜をエッチングすることにより容易に達成することができる。 In the present invention, RMS is preferably in the range of 25 to 600 nm, and tan θ is preferably in the range of 0.07 to 0.20. When RMS is smaller than 25 nm or tan θ is smaller than 0.07, the unevenness of the transparent conductive film is small and gentle, so that the light scattering effect is small and an effective light confinement effect in the photoelectric conversion unit is obtained. Is difficult. Further, when RMS is larger than 600 nm or tan θ is larger than 0.20, the unevenness of the transparent conductive film is large and the inclination is steep, so that it grows from the inclined surface opposite to the unevenness of the transparent conductive film. When the crystals collide with each other, a crystal grain boundary is generated and defects generated are increased, so that the conversion efficiency is lowered. RMS and tan θ in the above range can be easily achieved by etching the transparent conductive film as described above.
本発明において、凹凸表面層11bとしての透明導電性膜の厚さは、0.1〜2μm程度の範囲内が好ましい。透明導電性膜の厚さが薄すぎると特性の均一性に問題が生じ、厚すぎると透過率の減少による光電変換効率の低下や製膜時間の増長によるコストの増大をもたらす。本発明における透明導電性膜の製造方法としては、スパッタリング法、常圧CVD法、減圧CVD法、電子ビーム蒸着法、ゾルゲル法および電析法などの公知が挙げられる。特に、スパッタリング法は、透明導電性膜の透過率や低効率を薄膜太陽電池に適したものに制御することが容易である点で好ましい。
In the present invention, the thickness of the transparent conductive film as the
なお、基板の表面に凹凸を設ける手段としては、例えば、平滑な表面を有する基板上に、堆積すると同時に表面に凹凸が形成されるような膜を形成してもよい。該表面に凹凸が形成される膜は基板と同じ材料であっても、または異なる材料であってもよい。また、基板表面に対してサンドブラストのような機械加工により、凹凸を形成することも可能である。 In addition, as a means for providing unevenness on the surface of the substrate, for example, a film that forms unevenness on the surface at the same time as deposition may be formed on a substrate having a smooth surface. The film on which the unevenness is formed on the surface may be the same material as the substrate or a different material. It is also possible to form irregularities on the substrate surface by machining such as sandblasting.
エッチングにより基板表面に設けられる凹凸の少なくとも一部は概略球面状あるいは円錐状のホールである。高さの二乗平均値RMSおよび傾斜角をθとしたときのtanθについて上述した好適な範囲が凹凸の再現性が良好であるので、上記ホールの直径は200〜2000nmの範囲内にすることが好ましい。より好ましくは、該ホールの直径は、400〜1200nm程度の範囲内である。 At least a part of the unevenness provided on the substrate surface by etching is a substantially spherical or conical hole. Since the preferred range described above for the mean square RMS of the height and the tan θ when the inclination angle is θ has good reproducibility of the unevenness, the diameter of the hole is preferably in the range of 200 to 2000 nm. . More preferably, the diameter of the hole is in the range of about 400 to 1200 nm.
本発明において、基板11の表面には、電極に用いるための導電性膜が被覆されていてもよい。また、当該導電性膜は、透明であることが好ましい。このように、基板11の表面に導電性膜が形成されることにより、光閉込効果を向上させることが可能であり、さらに、基板11中に含まれる不純物が、シリコン層からなる光電変換部を形成する際に、当該光電変換部へ取り込まれることを防止することができる。
In the present invention, the surface of the
(光電変換部)
本発明において、図1を用いて上述したとおり、基板11の上には、光電変換部21が設けられる。当該光電変換部21は、第一の導電型シリコン層12と、この上に積層された結晶質シリコン中間層13aと、この上に積層されたi型結晶質シリコン層13bと、この上に積層された第二の導電型シリコン層14とからなる。ここで、第一の導電型シリコン層12と第二の導電型シリコン層14とは同一ではない。すなわち、一方はn型の半導体であり、他方はp型の半導体であるという点で異なる場合もあり、半導体を形成する材料が異なる場合もある。
(Photoelectric converter)
In the present invention, as described above with reference to FIG. 1, the
本発明において、結晶質シリコン中間層13aの膜厚は5〜100nmの範囲内が好ましい。5nm未満の膜厚では高品質なi型結晶質シリコン層を堆積するための下地層として十分な効果が得られない。100nmより大きな膜厚になると、膜の結晶化率は膜厚と共に増大するため、第一の導電型シリコン層12近傍にある結晶質シリコン中間層13aの結晶化率と、結晶質シリコン中間層13a表面の結晶化率とが異なってしまう。したがって、たとえ結晶質シリコン中間層13aが後述する範囲の結晶化率を有していたとしても、結晶質シリコン中間層13a自身の成長初期層に付随する欠陥などが変換効率に及ぼす影響が無視できなくなる。
In the present invention, the thickness of the crystalline silicon
結晶質シリコン中間層13aの結晶化率Xcaは、0.6〜3の範囲内が好ましい。この範囲内であると、上述の高品質なi型結晶質シリコン層13bを堆積するための下地層としての効果が得られる。結晶化率Xcaが0.6未満では、ほぼ非晶質の膜であり、この部分での電子の移動度の低下や、結晶質部に比べ非晶質部の抵抗が高いために電界がこの非晶質部に集中し、発電に寄与するi型結晶質シリコン層13bに十分な電界が印加されにくくなってしまうので変換効率の低下を引き起こす。一方、結晶化率Xcaが3より大きいと膜中の結晶体積分率が高く、すなわち結晶粒が多くなり、それに伴い欠陥となり得る結晶粒界が増加することで開放電圧およびフィルファクターの低下に伴う変換効率の低下を引き起こす。
The crystallization ratio Xca of the crystalline silicon
i型結晶質シリコン層13bは、その光吸収特性を考慮すると数μmの膜厚が必要であるが、生産性を考慮するとできるだけ薄い方が望ましく、本発明の太陽電池ではi型結晶質シリコン層の結晶化率Xcbを2〜8の範囲内に制御し、かつi型結晶質シリコン層13bの膜厚を1〜5μmの範囲内にすることにより良好な変換効率が得られる。結晶化率Xcbが2未満では結晶質シリコンに起因する短絡電流が低下し、一方、Xcbが8より大きい場合は膜中の結晶体積分率が高く、すなわち結晶粒が多くなり、それに伴い欠陥となり得る結晶粒界が増加することで開放電圧およびフィルファクターの低下に伴う変換効率の低下を引き起こす。
The i-type
結晶質シリコン中間層13aおよびi型結晶質シリコン層13bにおいて、前述の結晶化率の範囲を満たすように製膜する手段としては、例えばプラズマCVD法を用いて、SiH4またはSi2H6などのシラン系原料ガスの水素希釈率を変化させる方法、プラズマ発生用の電源出力を変化させる方法、基板温度を変化させる方法、製膜室内圧力を変化させる方法等を1つまたは2つ以上を組み合わせて実行することができるが、中でもシラン系原料ガスの水素希釈率を変化させる方法とプラズマ発生用の電源出力を変化させる方法を併用することが好ましい。
In the crystalline silicon
上述したようにして得られた結晶質シリコン中間層13aにより、製膜初期から欠陥の少ないi型結晶質シリコン層13bが得られ、光電変換効率が向上する。
By the crystalline silicon
本発明において、第一および第二の導電型シリコン層はどのような方法で形成されてもよく、シリコン層を形成する一般的な方法としてはCVD法がある。ここで、このCVD法は、常圧CVD、減圧CVD、プラズマCVD、ECRプラズマCVD、高温CVD、低温CVD等の何れであってもよいが、RFからVHFの周波数帯の高周波によるもの、ECRプラズマCVD法、これらの組み合わせによる方法で形成することが好ましい。例えば、プラズマCVD法を用いる場合には、その条件は、周波数10〜200MHz程度、パワー数W〜数kW程度、チャンバー内圧力13.3〜2660Pa(0.1〜20Torr)程度、基板温度は室温〜600℃程度であればよい。 In the present invention, the first and second conductive silicon layers may be formed by any method, and a general method for forming the silicon layer is a CVD method. Here, this CVD method may be any of atmospheric pressure CVD, low pressure CVD, plasma CVD, ECR plasma CVD, high temperature CVD, low temperature CVD, etc., but is based on a high frequency in the frequency band from RF to VHF, ECR plasma. It is preferable to form the film by a CVD method or a combination thereof. For example, when using the plasma CVD method, the conditions are a frequency of about 10 to 200 MHz, a power of several W to several kW, a chamber internal pressure of about 13.3 to 2660 Pa (0.1 to 20 Torr), and the substrate temperature is room temperature. It should just be about -600 degreeC.
図12は、プラズマCVD法を用いて結晶質シリコン薄膜を形成したときのシラン濃度[SiH4/(SiH4+H2)]と結晶化率との関係を、グラフを用いて示す概念図である。図12によれば、水素流量が大きくなり、シラン濃度が低くなるにつれて結晶化率は高くなっている。但し、その傾向には膜厚依存性があり、膜厚が厚くなるほど結晶化しやすくなっている。 FIG. 12 is a conceptual diagram showing the relationship between the silane concentration [SiH 4 / (SiH 4 + H 2 )] and the crystallization rate when a crystalline silicon thin film is formed by plasma CVD, using a graph. . According to FIG. 12, the crystallization rate increases as the hydrogen flow rate increases and the silane concentration decreases. However, the tendency depends on the film thickness, and the crystallization becomes easier as the film thickness increases.
本発明においては、図1に示される前記光電変換部21のうち、少なくとも1つのi型結晶質シリコン層は結晶質シリコンまたはシリコン合金から成ることが、特に好ましい。また、裏面反射層15は、マグネトロンスパッタリング法によって形成された、厚さ約40〜60nmの酸化亜鉛からなる薄膜電極である。
In the present invention, it is particularly preferable that at least one i-type crystalline silicon layer in the
また、本発明において、前述のスーパーストレート型太陽電池に加えて、光が、光電変換部から入射するサブストレート型太陽電池についても、図2を用いて説明する。 Further, in the present invention, a substrate type solar cell in which light is incident from a photoelectric conversion unit in addition to the above-described super straight type solar cell will be described with reference to FIG.
基底基板11aにはガラスなどの透明な基板、ポリイミドおよびポリビニルなどの200℃程度の耐熱性を有する樹脂、またはステンレスなどの金属、ならびにこれらが積層されたものなどを用いることができる。
As the
また、凹凸表面層11bは、前述のスーパーストレート型の太陽電池の場合と同様に、当該分野で公知の材料を用いて透明性導電膜を形成し、酸またはアルカリ溶液によりエッチングを行い凹凸を形成する。なお、凹凸を設ける手段としては、前述のように堆積すると同時に凹凸が形成されるような膜を形成することや、サンドブラストのような機械加工を用いることも可能であることはいうまでもない。
In addition, as in the case of the above-described superstrate type solar cell, the
基板11の表面もしくは凹凸表面層11bの表面には、裏面反射電極膜としてAg,Al、TiおよびPdなどの可視光反射率の高い金属膜ならびにこれらの合金などを用いて、蒸着法などの当該分野で公知の手段により形成される。
On the surface of the
このようにして構成された基板11上に、前述の光電変換部21を形成することにより、サブストレート型の太陽電池とすることができる。なお、サブストレート型の太陽電池では、光電変換部21上に光入射側電極として透明導電膜17が形成される。また、集電のための電極として櫛型電極18が形成される。
A substrate type solar cell can be obtained by forming the above-described
(電極)
裏面電極16は、銀を電子ビーム蒸着法により、約400〜600nmの厚さに形成したものであり、この裏面電極16と、凹凸表面層11bとから、電極17をそれぞれ引き出して、スーパーストレート型の薄膜太陽電池20が構成されている。
(electrode)
The
以上の構成により、欠陥の少ない高品質な光電変換部21を基板11に形成することで高効率な薄膜太陽電池20を得ることができる。
With the above configuration, the high-efficiency thin-film
なお、本実施形態では、光電変換部21は、1つの結晶質シリコン薄膜太陽電池セルからなる例について説明した。しかし、光電変換部21は、順次積層することで互いに直列接続された複数の結晶質シリコン薄膜太陽電池セルから形成されていてもよく、そのうち、少なくとも1つの光電変換素子におけるi型結晶質シリコン層と第一の導電性結晶質シリコン層の間に、結晶質シリコン中間層が形成され、i型結晶質シリコン層は結晶質シリコンまたはシリコン合金で形成されていればよい。
In addition, in this embodiment, the
光電変換部のうち、少なくとも1つの結晶質シリコン薄膜太陽電池セルのi型結晶質シリコン層を結晶質シリコンまたはシリコン合金からなる材料とすることにより、アモルファスシリコンでは光電変換に利用できない波長700nm以上の長波長光を十分に利用することができる。なお上記シリコン合金とは、例えばシリコンに錫が添加されたSixSn1−x、およびゲルマニウムが添加されたSixGe1−x等の材料である。 Among the photoelectric conversion parts, by using an i-type crystalline silicon layer of at least one crystalline silicon thin film solar cell as a material made of crystalline silicon or a silicon alloy, amorphous silicon cannot be used for photoelectric conversion and has a wavelength of 700 nm or more. Long wavelength light can be fully utilized. The silicon alloy is a material such as Si x Sn 1-x in which tin is added to silicon and Si x Ge 1-x in which germanium is added.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
(実施例1)
図1に示される太陽電池20の作製手順を説明する。なお、説明の便宜上、前記実施の形態において説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。なお、本実施例では、表1に示されるような、異なる結晶化率および膜厚を有する結晶質シリコン中間層13aを有する薄膜のシリコン太陽電池20について特に説明する。
Example 1
A procedure for manufacturing the
結晶質シリコン中間層13aおよびi型結晶質シリコン層13bの結晶化率(xca,Xcb)を測定するために、ガラス基板上におのおの単層で堆積させたものをラマン分光法で測定することにより結晶化率を決定した。測定に使用したレーザー光の波長は514.5nmである。一般にラマンスペクトルには、結晶シリコンのピークが520cm−1に、アモルファスシリコンのピークが480cm−1に現れる。520cm−1のピーク高さをIcとし、480cm−1のピーク高さをIaとして、同じ製膜条件を用いてガラス上に単層で製膜した膜のラマンスペクトルから得られたIcとIaの比の値(Ic/Ia)を、上述したように本明細書中において結晶化率と定義する。この値は結晶体積分率の絶対値を表す値ではない。しかしその比の値は結晶体積分率と正の相関があるため、傾向を評価する指標としては使用できる。
In order to measure the crystallization ratios (xca, Xcb) of the crystalline silicon
表面が平滑なガラス板11aの一主面上に、マグネトロンスパッタリング法により基板温度150℃で凹凸表面層11bとしての透明導電性膜として酸化亜鉛を厚さ500nmとなるように形成した。この酸化亜鉛には1×1021cm−3程度のガリウムが添加されている。この結果、得られた凹凸表面層11bのシート抵抗は10Ω/□であり、波長800nmの光に対する透過率は80%であった。この凹凸表面層11bの表面形状を詳細に調べるため、原子間力顕微鏡により表面形状を測定した。前記ホールの深さ方向形状から、ホールの形状は概略球面状または円錐状であることが分かった。そして、表面形状の特徴を数値で表現するために、表面粗さの二乗平均値RMSを凹凸高さの指標とした。さらに、表面形状を表す曲線をフーリエ変換した際に得られる正弦型曲線の最頻出波長λを凹凸ピッチの指標とし、表面凹凸の平均線に対する凹凸表面の傾きをθとすると、上述のように、tanθ=4×RMS/λの関係があり、この式から、RMS=4nm、tanθ=0.005を得た。
On one main surface of the
こうして得た基板11上に、13.56MHzの高周波を用いたプラズマCVD法により第一の導電型シリコン層12としてp型結晶質シリコン層、結晶質シリコン中間層13a、i型結晶質シリコン層13b、第二の導電型シリコン層14としてn型非晶質シリコン層を順に積層し、表1に示す試料No.1−1−1〜1−5−5の太陽電池セルを得た。
On the
上記p型結晶質シリコン層は、SiH4ガス2sccm、H2ガス300sccm、H2ガスにより5000ppmに調整されたB2H6ガス流量6sccm、製膜室圧力668Pa、放電電力30W、基板温度140℃の条件で製膜し、30nmの厚さとした。結晶質シリコン中間層13aは、SiH4ガス8sccm、H2ガス流量については結晶化率を制御すべく図11の関係を考慮して各サンプルにおいて適宜変化させ、製膜室圧力668Pa、放電電力20W、基板温度170℃の条件で製膜し、製膜時間の調整により、表1に示す膜厚とした。i型結晶質シリコン層13bは、SiH4ガス9sccm、H2ガス流量400sccm、製膜室圧力668Pa、放電電力35W、基板温度170℃の条件で製膜し、1μmの厚さとした。上記n型非晶質シリコン層は、SiH4ガス8sccm、H2ガス40sccm、H2ガスにより1000ppmに希釈されたPH3ガス50sccm、製膜室圧力113Pa、放電電力10W、基板温度180℃の条件で製膜し、30nmの厚さとした。
The p-type crystalline silicon layer is composed of SiH 4 gas 2 sccm, H 2 gas 300 sccm, B 2 H 6 gas flow rate 6 sccm adjusted to 5000 ppm with H 2 gas, film forming chamber pressure 668 Pa, discharge power 30 W, substrate temperature 140 ° C. The film was formed under the conditions of 30 nm. In the crystalline silicon
なお、上記と同一の製膜条件にてガラス基板上にi型結晶質シリコン層単層を堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=2.0であった。 In addition, when the i-type crystalline silicon layer single layer was deposited on the glass substrate on the same film forming conditions as the above and the crystallization rate Xcb was calculated | required by the Raman spectroscopy, it was Xcb = 2.0.
その後、マグネトロンスパッタリング法により裏面反射層15として酸化亜鉛を厚さ50nm、電子ビーム蒸着法により裏面電極16として銀を厚さ500nmで形成し、ガラス板11a側から光を入射するスーパーストレート型の結晶質シリコン薄膜太陽電池20とした。
Thereafter, a super straight type crystal in which zinc oxide is formed as a
このようにして得られた結晶質シリコン薄膜太陽電池20について、光電変換効率を測定した。測定は、スペクトルAM1.5、光強度100mW/cm2の光を照射できるソーラーシミュレーターを用い、試料の温度を25℃に保持して行った。この結晶質シリコン薄膜太陽電池20のAM1.5(100mW/cm2)照射条件下における電流−電圧特性を測定した。結果を表1および図3に示した。図3は、実施例にしたがう太陽電池において、結晶質シリコン中間層膜厚を変化させたときの変換効率を、グラフを用いて表わした図である。なお、図3において、横軸は結晶質シリコン中間膜厚(nm)であり、縦軸は変換効率(%)であり、グラフ中の記号は図中に示すとおりを意味する。
The photoelectric conversion efficiency of the crystalline silicon thin film
(実施例2)
i型結晶質シリコン層13bの製膜条件のうち、水素流量を450sccmにした以外はすべて実施例1と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。実施例1に記載の条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=4.0であった。得られた結果を表2及び図4に示す。図4は、本実施例にしたがう太陽電池において、結晶質シリコン中間層膜厚を変化させたときの変換効率を、グラフを用いて表わした図である。なお、図4において、横軸は結晶質シリコン中間膜厚(nm)であり、縦軸は変換効率(%)であり、グラフ中の記号は図中に示すとおりを意味する。
(Example 2)
A crystalline silicon
(実施例3)
i型結晶質シリコン層13bの製膜条件のうち、水素流量を500sccmにした以外はすべて実施例1と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。前記条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=8.0であった。得られた結果を表3及び図5に示す。図5は、本実施例にしたがう太陽電池において、結晶質シリコン中間層膜厚を変化させたときの変換効率を、グラフを用いて表わした図である。なお、図5において、横軸は結晶質シリコン中間膜厚(nm)であり、縦軸は変換効率(%)であり、グラフ中の記号は図中に示すとおりを意味する。
(Example 3)
A crystalline silicon
(実施例4)
i型結晶質シリコン層13bの膜厚を3μmにした以外はすべて実施例1と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。実施例1の記載と同条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=2.0であった。得られた結果を表4及び図6に示す。図6は、本実施例にしたがう太陽電池において、結晶質シリコン中間層膜厚を変化させたときの変換効率を、グラフを用いて表わした図である。なお、図6において、横軸は結晶質シリコン中間膜厚(nm)であり、縦軸は変換効率(%)であり、グラフ中の記号は図中に示すとおりを意味する。
Example 4
A crystalline silicon
(実施例5)
i型結晶質シリコン層13bの製膜条件のうち、水素流量を450sccmにした以外はすべて実施例4と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。前記条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=4.0であった。得られた結果を表5及び図7に示す。図7は、本実施例にしたがう太陽電池において、結晶質シリコン中間層膜厚を変化させたときの変換効率を、グラフを用いて表わした図である。なお、図7において、横軸は結晶質シリコン中間膜厚(nm)であり、縦軸は変換効率(%)であり、グラフ中の記号は図中に示すとおりを意味する。
(Example 5)
A crystalline silicon
(実施例6)
i型結晶質シリコン層13bの製膜条件のうち、水素流量を500sccmにした以外はすべて実施例4と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。前記条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=8.0であった。得られた結果を表6及び図8に示す。図8は、本実施例にしたがう太陽電池において、結晶質シリコン中間層膜厚を変化させたときの変換効率を、グラフを用いて表わした図である。なお、図8において、横軸は結晶質シリコン中間膜厚(nm)であり、縦軸は変換効率(%)であり、グラフ中の記号は図中に示すとおりを意味する。
(Example 6)
A crystalline silicon
(実施例7)
i型結晶質シリコン層13bの膜厚を5μmにした以外はすべて実施例1と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。本実施例と同条件を用いてi型結晶質シリコン層単層を堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=2.0であった。得られた結果を表7及び図9に示す。図9は、本実施例にしたがう太陽電池において、結晶質シリコン中間層膜厚を変化させたときの変換効率を、グラフを用いて表わした図である。なお、図9において、横軸は結晶質シリコン中間膜厚(nm)であり、縦軸は変換効率(%)であり、グラフ中の記号は図中に示すとおりを意味する。
(Example 7)
A crystalline silicon
(実施例8)
i型結晶質シリコン層13bの製膜条件のうち、水素流量を450sccmにした以外はすべて実施例7と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。前記条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=4.0であった。得られた結果を表8及び図10に示す。図10は、本実施例にしたがう太陽電池において、結晶質シリコン中間層膜厚を変化させたときの変換効率を、グラフを用いて表わした図である。なお、図10において、横軸は結晶質シリコン中間膜厚(nm)であり、縦軸は変換効率(%)であり、グラフ中の記号は図中に示すとおりを意味する。
(Example 8)
A crystalline silicon
(実施例9)
i型結晶質シリコン層13bの製膜条件のうち、水素流量を500sccmにした以外はすべて実施例7と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。前記条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=8.0であった。得られた結果を表9及び図11に示す。図11は、本実施例にしたがう太陽電池において、結晶質シリコン中間層膜厚を変化させたときの変換効率を、グラフを用いて表わした図である。なお、図11において、横軸は結晶質シリコン中間膜厚(nm)であり、縦軸は変換効率(%)であり、グラフ中の記号は図中に示すとおりを意味する。
Example 9
A crystalline silicon
(実施例1〜9についての考察)
上記実施例1〜9の試料No.n−1−1〜n−1−5(n=1、2・・・9)のように結晶化率が低い結晶質シリコン中間層を挿入した場合では、変換効率は低い値となった。また、その膜厚の増加につれて変換効率は低下の一途をたどった。これは結晶化率の低い結晶質シリコン中間層に多いアモルファス成分中で、電子の移動度が低いことや、アモルファス成分が直列抵抗成分となることによると考えられる。その影響は膜厚の増加とともに大きく現れた。
(Consideration about Examples 1-9)
Sample No. of Examples 1-9 above. When a crystalline silicon intermediate layer having a low crystallization rate was inserted as in n-1-1-1 to n-1-5 (n = 1, 2,..., 9), the conversion efficiency was low. Moreover, the conversion efficiency continued to decrease as the film thickness increased. This is thought to be due to the low mobility of electrons in the amorphous component often present in the crystalline silicon intermediate layer having a low crystallization rate, and the fact that the amorphous component becomes a series resistance component. The effect appeared with increasing film thickness.
また、試料No.n−5−1〜n−5−5のように、結晶化率が高い結晶質シリコン中間層を挿入した場合でも、変換効率は比較的低い値となった。これは、結晶化率の大きい結晶質シリコン中間層内では膜中の結晶体積分率が高く、すなわち結晶粒が多くなり、それに伴い欠陥となり得る結晶粒界が増加することで開放電圧及びフィルファクターの低下に伴う変換効率の低下が引き起こされるからであると考えられる。 Sample No. Even when a crystalline silicon intermediate layer having a high crystallization rate was inserted as in n-5-1 to n-5-5, the conversion efficiency was a relatively low value. This is because the crystal volume fraction in the film is high in the crystalline silicon intermediate layer having a high crystallization rate, that is, the number of crystal grains increases, and the grain boundaries that can become defects increase accordingly, thereby increasing the open-circuit voltage and the fill factor. This is thought to be due to a decrease in conversion efficiency that accompanies this decrease.
また、上記実施例1〜9の、試料No.n−1−1〜n−5−1のように、膜厚が1nmの結晶質シリコン中間層を挿入した場合では、変換効率は低い値となった。これは、5nm未満の膜厚では、基板及び第一の導電型シリコン層自身による微細な凹凸を有する第一の導電型シリコン層表面の凹凸を十分に被覆しきれないために、高品質なi型結晶質シリコン層を堆積するための下地層として十分な効果が得られないからであると考えられる。 Moreover, the sample No. of the said Examples 1-9. When a crystalline silicon intermediate layer having a thickness of 1 nm was inserted as in n-1-1-1 to n-5-1, the conversion efficiency was low. This is because the film thickness of less than 5 nm cannot sufficiently cover the unevenness of the surface of the first conductive type silicon layer having fine unevenness due to the substrate and the first conductive type silicon layer itself. This is presumably because a sufficient effect cannot be obtained as an underlayer for depositing the type crystalline silicon layer.
また、上記実施例1〜9の、試料No.n−1−5〜n−5−5のように、膜厚が500nmの結晶質シリコン中間層を挿入した場合では、変換効率は低い値となった。これは、膜の結晶化率は膜厚と共に増大するために、100nm以上の膜厚では、たとえ結晶質シリコン中間層が後述する範囲の結晶化率を有していたとしても、結晶質シリコン中間層自身の成長初期層による影響が無視できなくなるからであると考えられる。 Moreover, the sample No. of the said Examples 1-9. When a crystalline silicon intermediate layer having a film thickness of 500 nm was inserted as in n-1-5 to n-5-5, the conversion efficiency was low. This is because the crystallization rate of the film increases with the film thickness, and even if the film thickness is 100 nm or more, even if the crystalline silicon intermediate layer has a crystallization ratio in the range described later, This is thought to be because the influence of the initial growth layer of the layer cannot be ignored.
以上のことから、結晶質シリコン中間層による、低品質な初期膜を低減する効果が良くはたらき、また、結晶質シリコン中間層を挿入したことに付随する悪影響が現れない結晶化率Xcaの範囲は、実施例n−2−2〜n−4−4に示すように、0.6〜3.0で且つその膜厚が5〜100nmのときである。 From the above, the range of the crystallization ratio Xca in which the effect of reducing the low-quality initial film by the crystalline silicon intermediate layer works well and the adverse effect accompanying the insertion of the crystalline silicon intermediate layer does not appear As shown in Examples n-2-2 to n-4-4, it is 0.6 to 3.0 and the film thickness is 5 to 100 nm.
(実施例10)
実施例1において、凹凸表面膜11bとしての、酸化亜鉛を用いた透明導電性膜を製膜した後、続いて、当該酸化亜鉛表面のエッチングを行った基板11を用いて、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。基板の作製方法について以下に示す。
(Example 10)
In Example 1, after forming a transparent conductive film using zinc oxide as the concavo-
前記酸化亜鉛が被覆されたガラス板を、液温25℃の0.5質量%塩酸水溶液に45秒間浸した後、表面を純水で十分に洗浄し、凹凸表面層11bとして、凹凸形状をした表面の透明導電性膜を有する太陽電池用基板11を得た。この凹凸表面層11bとしての透明導電性膜における表面形状を走査型電子顕微鏡で観察したところ、表面での直径が200〜1400nm程度の概略円形のホールが多数形成されていた。
The glass plate coated with zinc oxide was immersed in a 0.5 mass% hydrochloric acid aqueous solution at a liquid temperature of 25 ° C. for 45 seconds, and then the surface was sufficiently washed with pure water to form an
凹凸表面層11bとしての透明導電性膜の表面形状を詳細に調べるため、原子間力顕微鏡により表面形状を測定した。前記ホールの深さ方向形状から、前記ホールの形状は概略球面状または円錐状であることが分かった。そして、表面形状の特徴を数値で表現するために、表面粗さの二乗平均値RMSを凹凸高さの指標とした。さらに、表面形状を表す曲線をフーリエ変換した際に得られる正弦型曲線の最頻出波長λを凹凸ピッチの指標とし、表面凹凸の平均線に対する凹凸表面の傾きをθとすると、tanθ=4×RMS/λであり、RMS=26nm、tanθ=0.09であった。
In order to examine the surface shape of the transparent conductive film as the
次いで、このようにして得られた基板を用いた以外は実施例5の5−3−3とすべて同様にして結晶質シリコン太陽電池20を作製した。この結晶質シリコン太陽電池20の変換効率は11.9%であった。このように、基板に凹凸を形成することで、入射した光を多重反射により閉じ込めて有効に利用でき、変換効率が向上する。
Next, a crystalline silicon
(比較例1)
i型結晶質シリコン層13bの膜厚を0.5μmとした以外は実施例2の試料No.2−3−3とすべて同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。前記条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=4.0であった。この結晶質シリコン太陽電池の変換効率は6.55%であった。
(Comparative Example 1)
Sample No. 2 in Example 2 was used except that the film thickness of the i-type
(比較例2)
i型結晶質シリコン層13bの膜厚を6μmとした以外はすべて実施例2の試料No.2−3−3と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。前記条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=4.0であった。この結晶質シリコン太陽電池20の変換効率は6.28%であった。
(Comparative Example 2)
Except for the film thickness of the i-type
(実施例2と比較例1および2とについての考察)
前記実施例2と比較例1および2とからわかるように、i型シリコン結晶質層13bの膜厚には最適な範囲が存在し、それは1〜5μmである。i型シリコン結晶質層13bの膜厚が1μmよりも小さいと、i型シリコン結晶質層13bにかかる電界は大きくなるが、薄い膜では入射光を十分吸収できないことによる短絡電流値の減少が大きく影響し、変換効率が低い値となったと考えられる。また、膜厚が5μmよりも大きくなると、入射光を十分吸収できるが、光により発生したキャリアが走行しなければならない電極間距離が大きく、電極に至るまでにキャリアが再結合により失活する。このことにより、変換効率は低い値となったと考えられる。以上のことから、たとえi型シリコン結晶質層の成長初期膜を減じたとしても、i型シリコン結晶質層の膜厚が適正な範囲にない場合には、実用性のある太陽電池となり得ない。よって、高効率な結晶質シリコン太陽電池20を得るには、i型シリコン結晶質層13bの膜厚は、1〜5μmが好ましい。
(Consideration about Example 2 and Comparative Examples 1 and 2)
As can be seen from Example 2 and Comparative Examples 1 and 2, there is an optimum range for the film thickness of the i-type
(比較例3)
i型結晶質シリコン層13bの製膜条件のうち、H2ガス流量を350sccmとした以外はすべて実施例4の試料No.4−3−3と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。前記条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=0.5であった。この結晶質シリコン太陽電池20の変換効率は5.85%であった。
(Comparative Example 3)
Of the film forming conditions for the i-type
(比較例4)
i型結晶質シリコン層13bの製膜条件のうち、H2ガス流量を600sccmとした以外はすべて実施例4の試料No.4−3−3と同様にして、結晶質シリコン太陽電池20を作製した。前記条件を用いてi型結晶質シリコン層単層をガラス基板上に堆積させてラマン分光法によって結晶化率Xcbを求めたところ、Xcb=10.0であった。この結晶質シリコン太陽電池の変換効率は6.13%であった。
(Comparative Example 4)
Of the film forming conditions for the i-type
(実施例4と比較例3および4とについての考察)
また、前記実施例4と比較例3および4とが示すように、i型シリコン結晶質層13bの結晶化率Xcbには最適な範囲が存在し、それは2〜8である。i型シリコン結晶質層13bの結晶化率が2よりも小さいと、結晶成分による長波長光の吸収が不十分となるため、短絡電流値が低下し、変換効率が低下すると考えられる。また、結晶化率が8よりも大きくなると、膜中の結晶体積分率が高く、すなわち結晶粒が多くなり、それに伴い欠陥となり得る結晶粒界が増加することで開放電圧及びフィルファクターの低下に伴う変換効率の低下を引き起こすと考えられる。以上のことから、たとえi型シリコン結晶質層の成長初期膜を減じたとしても、i型シリコン結晶質層結晶化率が適正な範囲にない場合には、実用性のある太陽電池となり得ない。よって、高効率な結晶質シリコン太陽電池20を得るには、i型シリコン結晶質層13bの結晶化率Xcbは、2〜8が好ましい。
(Consideration about Example 4 and Comparative Examples 3 and 4)
Further, as shown in Example 4 and Comparative Examples 3 and 4, there is an optimum range for the crystallization ratio Xcb of the i-type
今回開示された実施の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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
11 基板、11a 基底基板、11b 透明、12 第一の導電型シリコン層、13a 結晶質シリコン中間膜、13b i型結晶質シリコン層、14 第二の導電型シリコン層、15 裏面反射層、16 裏面電極、18 櫛型電極、20 太陽電池、21 光電変換部。 11 substrate, 11a base substrate, 11b transparent, 12 first conductive silicon layer, 13a crystalline silicon intermediate film, 13b i-type crystalline silicon layer, 14 second conductive silicon layer, 15 back reflective layer, 16 back surface Electrode, 18 comb-shaped electrode, 20 solar cell, 21 photoelectric conversion part.
Claims (5)
前記光電変換部は、第一の導電型シリコン層と、結晶質シリコン中間層と、i型結晶質シリコン層とが該順番で積層されており、
前記結晶質シリコン中間層の膜厚は10〜100nmの範囲内であり、
前記結晶質シリコン中間層は、ラマン分光法で測定した結晶化率Xcaが1.5〜3の範囲内となる単一層のシリコン層をガラス基板上に成膜する条件と同一の条件で成膜したものであり、
前記i型結晶質シリコン層の膜厚は1〜5μmの範囲内であり、
前記i型結晶質シリコン層は、ラマン分光法で測定した結晶化率Xcbが4〜8の範囲内となる単一層のシリコン層をガラス基板上に成膜する条件と同一の条件で成膜したものであり、
前記基板の一主面上に存在する凹凸高さの二乗平均値RMSは25〜600nmの範囲内であり、かつ前記基板表面の凹凸の平均線に対する凹凸表面の傾斜角をθとしたときのtanθが0.07〜0.20の範囲内にあることを特徴とする、太陽電池。 In a solar cell including a substrate and a photoelectric conversion part formed on the substrate,
In the photoelectric conversion unit, a first conductive silicon layer, a crystalline silicon intermediate layer, and an i-type crystalline silicon layer are laminated in this order,
The film thickness of the crystalline silicon intermediate layer is in the range of 10 to 100 nm,
The crystalline silicon intermediate layer is formed under the same conditions as those for forming a single silicon layer on the glass substrate with a crystallization ratio Xca measured by Raman spectroscopy in the range of 1.5 to 3. And
The i-type crystalline silicon layer has a thickness in the range of 1 to 5 μm,
The i-type crystalline silicon layer was formed under the same conditions as those for forming a single-layer silicon layer on the glass substrate with a crystallization rate Xcb measured by Raman spectroscopy in the range of 4 to 8. Is,
The root mean square value RMS of the concavo-convex height existing on one principal surface of the substrate is in the range of 25 to 600 nm, and tan θ when the inclination angle of the concavo-convex surface with respect to the average line of the concavo-convex surface of the substrate surface is θ. Is in the range of 0.07 to 0.20.
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