JP4780930B2 - Method for manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents

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Description

本発明は、少なくともSi(シリコン)およびH(水素)を含有する非晶質系Siの半導体薄膜を利用した太陽電池等の光電変換装置およびそれを発電手段として用いた光発電装置に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion device such as a solar cell using an amorphous Si semiconductor thin film containing at least Si (silicon) and H (hydrogen), and a photovoltaic device using the photoelectric conversion device.

水素化アモルファスシリコン(以下a−Si:Hとも記す)に代表される非晶質Si系膜を利用したデバイスは、今日では非常に多岐にわたっているが、近年、エネルギー問題や地球環境問題への世間の関心が高まる中で特に注目を集めてきているのが太陽電池である。   Devices using amorphous Si-based films represented by hydrogenated amorphous silicon (hereinafter abbreviated as a-Si: H) are very diverse today, but in recent years the world has been facing energy and global environmental problems. Solar cells have been attracting particular attention as interest in

太陽電池における非晶質Siの特長は、結晶質Si(微結晶Si膜を含む)に比べて光吸収係数が非常に大きいために、光電変換層として必要な膜厚は結晶質Siの場合の数分の1でよく(0.5μm程度以下)、PECVD法(プラズマCVD法)などのCVD法(化学気相堆積法)で膜形成する場合、結晶質Siを用いる場合に比べて生産性に非常に優れているということにある。しかしながら一方で、非晶質Siには一般にStaebler-Wronski効果と呼ばれる光劣化現象があることが古くから知られており、この膜を用いた太陽電池は光照射によって効率が10〜15%程度も低下してしまうという問題を、現在に至るまで抱え続けている。   The feature of amorphous Si in solar cells is that the light absorption coefficient is very large compared to crystalline Si (including microcrystalline Si film), so the film thickness required for the photoelectric conversion layer is the same as that of crystalline Si. It can be a fraction (0.5 μm or less), and when forming a film by a CVD method (chemical vapor deposition method) such as PECVD method (plasma CVD method), it is much more productive than using crystalline Si. It is that it is excellent in. However, on the other hand, it has been known for a long time that amorphous Si generally has a photodegradation phenomenon called Staebler-Wronski effect, and solar cells using this film have an efficiency of about 10-15% by light irradiation. We continue to have the problem of falling.

光劣化現象のメカニズムは未だに明確になっていないが、水素に関係した現象であることはまず間違いないとされており、これまでにいくつかアプローチが試みられている。すなわち、〔1〕膜中Si−H(ダイハイドライド)結合状態を低減する(Si−H(モノハイドライド)結合状態割合を高める)、〔2〕膜中水素濃度を低減する、〔3〕膜中に微細な結晶粒を適度に含有させる、などである。なお、〔1〕と〔2〕には重なり合う部分がある。 Although the mechanism of the photodegradation phenomenon has not yet been clarified, it is believed that the phenomenon is related to hydrogen, and several approaches have been attempted so far. That is, [1] reduce the Si—H 2 (die hydride) bonding state in the film (increase the Si—H (monohydride) bonding state ratio), [2] reduce the hydrogen concentration in the film, [3] film For example, fine crystal grains are appropriately contained therein. [1] and [2] have overlapping portions.

〔1〕は膜中Si−H密度が高い膜では光劣化が大きいという事実に基づいたものである。膜中Si−H密度の具体的低減方法については、様々な仮説のもと多くの機関で研究が行なわれているが、一例を挙げれば、膜中Si−H結合状態の起源を、気相中の高次シラン分子が膜中に取り込まれること、あるいは製膜表面での膜成長反応を乱す立体障害となることにあると考え、この高次シラン分子の生成反応に関わるSiH分子の生成を低減しようというものがある。具体的にはPECVD法においてVHFプラズマに代表されるような低電子温度のプラズマを用い、また水素希釈率を最適化し(電子温度を極小化し)、さらに基板温度をある程度上げて(上限は350℃程度)製膜表面からの水素脱離反応を促進する、といった試みがなされており、製膜速度2nm/sの条件下で、安定化効率8.2%、光劣化率12%といったa−Si:Hシングル素子特性が得られている(非特許文献1参照)。しかしながら該効率および光劣化率では未だ充分なものとはいえない。 [1] is based on the fact that a film having a high Si—H 2 density in the film has a large photodegradation. Regarding a specific method for reducing the Si—H 2 density in the film, research has been conducted by many organizations under various hypotheses. For example, the origin of the Si—H 2 bonding state in the film is considered to be in the high-order silane molecules in the gas phase is sterically hindered disturbing the film growth reaction by incorporated into the film, or film-forming surface, SiH 2 molecules involved in reaction for producing the high-order silane molecules There is something that tries to reduce the generation of. Specifically, in the PECVD method, a low electron temperature plasma such as VHF plasma is used, the hydrogen dilution rate is optimized (minimizing the electron temperature), and the substrate temperature is raised to some extent (the upper limit is 350 ° C. Attempts have been made to promote the hydrogen desorption reaction from the surface of film formation, and a-Si: H with a stabilization efficiency of 8.2% and a photodegradation rate of 12% under the condition of a film formation rate of 2 nm / s. Single element characteristics are obtained (see Non-Patent Document 1). However, the efficiency and the light deterioration rate are still not sufficient.

〔2〕についても一例を挙げれば、PECVD法での膜形成において、膜堆積と水素プラズマ処理を交互に繰り返しながら膜成長表層から過剰な水素を引き抜くという方法が提案されている(特許文献1,2,3を参照)。しかしながら、この方法では結果的には期待されるような膜中水素濃度の充分な低減はみられない上に、膜堆積と水素プラズマ処理を多数回繰り返すために高製膜速度を得るのが困難で生産性に非常に劣るという問題を抱えている。また高効率と低光劣化率を同時に達成するにも至っていない。   As an example of [2], a method of extracting excess hydrogen from a film growth surface layer while alternately repeating film deposition and hydrogen plasma treatment in film formation by PECVD is proposed (Patent Document 1, Patent Document 1). 2 and 3). However, with this method, the hydrogen concentration in the film is not sufficiently reduced as expected, and it is difficult to obtain a high film forming speed because the film deposition and hydrogen plasma treatment are repeated many times. The problem is that it is very inferior in productivity. Moreover, high efficiency and low light deterioration rate have not been achieved at the same time.

〔3〕は非晶質Siと微結晶Siの相境界領域近傍で得られるとされている非晶質系Si膜を用いるもので最近注目を集め始めている。この膜については未だ定まった名称が与えられておらず、研究機関によって「Protocrystalline Si:H(プロトクリスタルSi)」(非特許文献2を参照:Wronskiら)と呼ばれたり「ナノ結晶埋め込み型アモルファスシリコン(アモルファスマトリックス中に微細な粒径の結晶粒が散在したもの)」(非特許文献3を参照:産総研)、あるいは「ナノ構造制御Si膜(結晶シリコンナノクラスタをa−Si:H中に上手く分散させたもの)」(非特許文献4,5を参照:九州大)と呼ばれたりしているが、共通する概念は、「非晶質的な膜特性を有するが、光劣化が大きく低減された(あるいはほとんど光劣化しない)ナノサイズの結晶粒を含む非晶質系のSi膜」というものである。   [3] uses an amorphous Si film which is supposed to be obtained in the vicinity of the phase boundary region between amorphous Si and microcrystalline Si, and has recently begun to attract attention. This film has not yet been given a definitive name and is called “Protocrystalline Si: H” (see Non-Patent Document 2: Wronski et al.) Or “nanocrystal-embedded amorphous” by research institutions. “Silicon (crystals with fine grain size dispersed in an amorphous matrix)” (see Non-Patent Document 3: AIST), or “Nanostructure-controlled Si film (crystalline silicon nanoclusters in a-Si: H Is well-dispersed) ”(see Non-Patent Documents 4 and 5: Kyushu Univ.), But the common concept is“ having amorphous film characteristics, but photodegradation It is an amorphous Si film containing nano-sized crystal grains that is greatly reduced (or hardly photo-degraded).

なお、非晶質系Si膜の中で特にこのナノサイズの結晶粒を含んだ膜を特に指定したい場合は、本明細書中では「ナノ結晶粒含有非晶質系Si膜」と呼ぶことにする。   In the present specification, when it is particularly desired to designate a film containing nano-sized crystal grains among the amorphous Si films, it will be referred to as a “nanocrystal grain-containing amorphous Si film” in this specification. To do.

ところで、該ナノ結晶粒含有非晶質系Si膜が、非常に小さな光劣化率を示す(あるいはほとんど光劣化しない)理由としては少なくとも2つが考えられる。すなわち、(1)膜中にナノサイズの結晶粒が散在分布することによってキャリアの再結合が該結晶粒で優先的に生じ非晶質領域での再結合が減じるため(a−Si:H膜の光劣化はキャリア再結合時に放出されるエネルギーによってアモルファスネットワーク中の弱Si−Siボンドが切断されることによって生ずるとの考え方が有力である)、(2)膜中にナノサイズの結晶粒が散在分布することによって非晶質系Si膜のネットワーク構造自体が光劣化しにくい構造になっているため(歪みの緩和などによる)、とするものであるが、いずれにせよ、膜中に存在するナノサイズの結晶粒が重要な役割を果たしているものと考えられる。   By the way, there are at least two reasons why the nanocrystalline grain-containing amorphous Si film exhibits a very small photodegradation rate (or hardly undergoes photodegradation). (1) Since nano-sized crystal grains are scattered and distributed in the film, carrier recombination occurs preferentially in the crystal grains and recombination in the amorphous region is reduced (a-Si: H film). (2) The nano-sized crystal grains in the film are considered to be caused by the weak Si-Si bond in the amorphous network being cut by the energy released during carrier recombination) This is because the network structure of the amorphous Si film itself is less likely to be optically deteriorated due to the distributed distribution (due to strain relaxation, etc.), but in any case, it exists in the film. Nanosized crystal grains are considered to play an important role.

しかしながら、このナノ結晶粒含有非晶質系Si膜を用いた太陽電池においても、確かに光劣化率の低減は認められるものの、未だ初期効率が低いということが問題となっていた(例えば非特許文献3では、初期効率6.28%,安定化効率6.03%)。
特開平5−166733号公報 特開平6−120152号公報 特開2002−9317号公報 応用物理 第71巻第7号(2002)p.823 トウェンティエイス アイトリプルイー フォトボルタイック スペシャリスツ カンファレンス(28th-IEEE Photovoltaic Specialists Conference)2000年,p.750 第63回秋季応用物理学会予稿集(2002)p.838(25p−ZM−3) 第63回秋季応用物理学会予稿集(2002)p.27(25p−B−4) 第63回秋季応用物理学会予稿集(2002)p.845(24p−ZM−9)
However, even in the solar cell using the nanocrystalline grain-containing amorphous Si film, although the reduction in the photodegradation rate is certainly observed, the initial efficiency is still low (for example, non-patent) (In Reference 3, the initial efficiency is 6.28% and the stabilization efficiency is 6.03%).
JP-A-5-166733 JP-A-6-120152 JP 2002-9317 A Applied Physics Vol.71 No.7 (2002) p.823 Twenty-Ace I Triple E Photovoltaic Specialists Conference 2000, p.750 The 63rd Autumn Meeting of Applied Physics (2002) p.838 (25p-ZM-3) The 63rd Autumn Meeting of Applied Physics (2002) p.27 (25p-B-4) The 63rd Autumn Meeting of Applied Physics (2002) p.845 (24p-ZM-9)

上述したように、上記〔1〕の方法では、安定化効率および光劣化率は未だ充分なものとはいえない。また、上記〔2〕の方法では、結果的には期待されるような膜中水素濃度の充分な低減はみられない上に、膜堆積と水素プラズマ処理を多数回繰り返すために高製膜速度を得るのが困難であり、生産性が著しく悪いという問題を抱えている。また高効率と低光劣化率を同時に達成できない。さらに、〔3〕の方法では、光劣化率の低減は認められるものの、未だ初期効率が低いということが問題になっていた。   As described above, in the method [1], the stabilization efficiency and the light degradation rate are still not sufficient. In the method [2], the hydrogen concentration in the film is not sufficiently reduced as expected, and the film deposition rate and the hydrogen plasma treatment are repeated many times. It is difficult to obtain, and has the problem that productivity is remarkably bad. Also, high efficiency and low light degradation rate cannot be achieved at the same time. Further, in the method [3], although a reduction in the light degradation rate is recognized, the initial efficiency is still low.

そこで、本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高品質で光安定性に優れた非晶質系Si半導体膜を用いた高効率かつ低光劣化率の光電変換装置およびそれを用いた光発電装置を実現することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a high-efficiency and low light deterioration rate photoelectric conversion using an amorphous Si semiconductor film having high quality and excellent light stability. It is to implement | achieve a converter and a photovoltaic device using the same.

上記目的を達成するために、本発明の光電変換装置の製造方法は、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度に対するTAモードの散乱ピーク強度の比が0.35以下、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が64〜65cm −1 以下、Si−H結合状態の存在密度とSi−H 結合状態の存在密度との和に対するSi−H結合状態の存在密度の比が0.95以上、かつ前記ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が30%以下であり、結晶シリコン粒を含む場合、その最大粒径は5nm以下である非晶質系シリコンからなる半導体薄膜を光活性部として含んだ半導体多層膜を備えた光電変換装置の前記半導体多層膜に対して、疑似太陽光を用いた光照射強度100mW/cm 、光照射時間200時間、および40〜50℃の温度Tに対しT±2℃の条件で光照射処理を行うことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the method for producing a photoelectric conversion device of the present invention contains at least silicon and hydrogen, and the ratio of the TA mode scattering peak intensity to the TO mode scattering peak intensity obtained by the Raman scattering spectrum is 0. .35 or less , the half-width of the scattering peak of the TO mode obtained by the Raman scattering spectrum is 64 to 65 cm −1 or less, and the Si— with respect to the sum of the existence density of the Si—H bonding state and the existence density of the Si—H 2 bonding state. When the ratio of the density of H-bonded states is 0.95 or more, the crystallization rate defined by the Raman scattering spectrum is 30% or less, and the crystalline silicon grains are included, the maximum grain size is 5 nm or less. For the semiconductor multilayer film of the photoelectric conversion device including a semiconductor multilayer film including a semiconductor thin film made of crystalline silicon as a photoactive portion, Light irradiation intensity 100 mW / cm 2 using a solar like, and performing light irradiation treatment light irradiation time 200 hours, and with respect to the temperature T of 40 to 50 ° C. under conditions of T ± 2 ° C..

本発明の光電変換装置によれば、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比ITA/ITOが0.35以下の非晶質系シリコンからなる半導体薄膜を含んだ半導体多層膜を備えるとともに、該半導体多層膜に対して疑似太陽光を用いた光照射強度100mW/cm、光照射時間200時間、および40〜50℃の温度Tに対しT±2℃の条件で行なった光照射処理後の開放電圧が前記光照射処理前の開放電圧より高いので、従来の非晶質系Si膜に比べてSROが大幅に改善された高品質かつ高光安定性を有した非晶質系Si膜を有した高効率で光劣化率が大幅に低減された太陽電池に代表される光電変換装置を提供できる。 According to the photoelectric conversion device of the present invention, the ratio I TA / I TO of the TA mode scattering peak intensity I TA to the TO mode scattering peak intensity I TO containing at least silicon and hydrogen and obtained by the Raman scattering spectrum is 0.35. A semiconductor multilayer film including a semiconductor thin film made of the following amorphous silicon is provided, and the semiconductor multilayer film is irradiated with a light irradiation intensity of 100 mW / cm 2 using pseudo sunlight, a light irradiation time of 200 hours, and 40 Since the open-circuit voltage after the light irradiation treatment performed under the condition of T ± 2 ° C. for the temperature T of ˜50 ° C. is higher than the open-circuit voltage before the light irradiation treatment, the SRO is higher than that of the conventional amorphous Si film. It is possible to provide a photoelectric conversion device typified by a solar cell having an amorphous Si film having greatly improved high quality and high light stability and having a high efficiency and a greatly reduced light deterioration rate.

また、本発明の光電変換装置によれば、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下である非晶質系Si半導体薄膜を含んだ半導体多層膜を備えるとともに、該半導体多層膜に対して疑似太陽光を用いた光照射強度100mW/cm、光照射時間200時間、および40〜50℃の温度Tに対しT±2℃の条件で行なった光照射処理後の開放電圧が前記光照射処理前の開放電圧より高いので、従来の非晶質系Si膜に比べてSROが大幅に改善された高品質かつ高光安定性を有した非晶質系Si膜を有した高効率で光劣化率が大幅に低減された太陽電池に代表される光電変換装置を提供できる。 The photoelectric conversion device of the present invention includes an amorphous Si semiconductor thin film containing at least silicon and hydrogen and having a half-value width of a scattering peak of a TO mode obtained by a Raman scattering spectrum of 65 cm −1 or less. The semiconductor multilayer film is provided with a light irradiation intensity of 100 mW / cm 2 using pseudo-sunlight for the semiconductor multilayer film, a light irradiation time of 200 hours, and a temperature T of 40 to 50 ° C. T ± 2 ° C. Since the open-circuit voltage after the light irradiation process performed under the conditions is higher than the open-circuit voltage before the light irradiation process, the SRO is greatly improved compared to the conventional amorphous Si film, and the light quality and the light stability are improved. It is possible to provide a photoelectric conversion device typified by a solar cell having an amorphous Si film and having a high efficiency and a significantly reduced light deterioration rate.

また、本発明の光電変換装置によれば、非晶質系Si半導体薄膜中の、Si−H結合状態の存在密度とSi−H結合状態の存在密度との和に対するSi−H結合状態の存在密度の比が0.95以上であるので、従来の非晶質系Si膜に比べてよりいっそうSROが改善された高品質かつ高光安定性を有した非晶質系Si膜とすることができ、このような非晶質系Si膜を用いた優れた特性の光電変換装置を実現することができる。 Further, according to the photoelectric conversion device of the present invention, the Si—H bonding state relative to the sum of the existence density of the Si—H bonding state and the existence density of the Si—H 2 bonding state in the amorphous Si semiconductor thin film. Since the ratio of abundance density is 0.95 or more, it can be an amorphous Si film having high quality and high photostability with further improved SRO compared to the conventional amorphous Si film, A photoelectric conversion device having excellent characteristics using such an amorphous Si film can be realized.

さらに、本発明の光発電装置によれば、上記光電変換装置を発電手段として用い、発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことより、高効率の光発電装置を提供することができる。   Furthermore, according to the photovoltaic device of the present invention, since the photoelectric conversion device is used as a power generation means and the generated power of the power generation means is supplied to a load, it is possible to provide a highly efficient photovoltaic power generation device. it can.

以下、本発明の光電変換装置およびそれを発電手段として用いた光発電装置の実施形態について詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a photoelectric conversion device of the present invention and a photovoltaic power generation device using the photoelectric conversion device will be described in detail.

本発明の非晶質系Si膜を得るために、PECVD法の一種であるCat−PECVD法(熱触媒体内蔵カソード型プラズマCVD法;特開2001−313272号、特願2001−293031号等を参照)を用いて形成した例について以下説明する。なお、ここでいう非晶質系Si膜とは、後に定義するようにラマン散乱分光法によって結晶化率が0〜60%の範囲に入るものを言うこととし(すなわち非晶質Si膜は非晶質系Si膜に含まれる)、逆に結晶質系Si膜とは結晶化率が60〜100%の範囲に入るものを言うこととする。   In order to obtain the amorphous Si film of the present invention, a Cat-PECVD method (cathode-type plasma CVD method with a built-in thermal catalyst; Japanese Patent Application No. 2001-313272, Japanese Patent Application No. 2001-293031), which is a kind of PECVD method, An example formed using the reference will be described below. As used herein, the term “amorphous Si film” refers to a film whose crystallization rate falls within the range of 0 to 60% by Raman scattering spectroscopy (that is, the amorphous Si film is not non-crystalline). Contrary to that, the crystalline Si film means that the crystallization rate falls within the range of 60 to 100%.

<Cat−PECVD法>
Cat−PECVD法を用いた場合、本発明の非晶質系Si膜は、プラズマ励起周波数としてVHF帯(27MHz以上:通常は40〜80MHz程度)を用い、カソード内部に設けられたTa(タンタル)、W(タングステン)あるいはC(カーボン)等の高融点材料から成る熱触媒体の温度を1400〜2000℃、H/SiHガス流量比を2〜20、基板温度を100〜350℃、ガス圧力を13〜665Pa、VHFプラズマパワー密度を0.01〜0.5W/cmと設定した条件下で得られる。ここで、HとSiHとは製膜空間に放出されるまでは分離された状態でそれぞれ異なったガス導入経路を通して導かれるようにし、Hのガス導入経路にはその経路の一部に前記カソード内に設置された熱触媒体が配設されるが、SiHのガス導入経路には同熱触媒体が配設されないようにする。このようにHのみを熱触媒体で加熱活性化するようにすることで、SiHが熱触媒体によって分解活性化して製膜空間に放出されるまでのガス導入経路中で膜堆積・消費されるのを防ぎつつ、後記する熱触媒体使用効果を得ることができる。
<Cat-PECVD method>
When the Cat-PECVD method is used, the amorphous Si film of the present invention uses a VHF band (27 MHz or higher: usually about 40 to 80 MHz) as a plasma excitation frequency, and Ta (tantalum) provided inside the cathode. The temperature of the thermal catalyst made of a high melting point material such as W (tungsten) or C (carbon) is 1400 to 2000 ° C., the H 2 / SiH 4 gas flow ratio is 2 to 20, the substrate temperature is 100 to 350 ° C., gas It is obtained under conditions where the pressure is set to 13 to 665 Pa and the VHF plasma power density is set to 0.01 to 0.5 W / cm 2 . Here, H 2 and SiH 4 are guided through different gas introduction paths in a separated state until they are released into the film forming space, and the H 2 gas introduction path includes a part of the path. Although the thermal catalyst provided in the cathode is disposed, the thermal catalyst is not disposed in the SiH 4 gas introduction path. In this way, only H 2 is heated and activated by the thermal catalyst, so that film deposition and consumption are performed in the gas introduction path until SiH 4 is decomposed and activated by the thermal catalyst and released into the film forming space. Thus, the effect of using the thermal catalyst described later can be obtained.

Cat−PECVD法では熱触媒体を用いることに起因するガスヒーティング効果によって発熱反応である高次シラン生成反応(Si分子へのSiH挿入反応)が抑制されるので、製膜空間における高次シラン分子の密度を低く抑えることができ、高次シラン分子の膜中への取り込まれや製膜表面での立体障害の発生が低減される。この結果、膜中Si−H結合状態の存在密度が大きく低減された非晶質系Si膜の形成が可能となる。 In the Cat-PECVD method, a high-order silane formation reaction (SiH 2 insertion reaction into Si n H m molecules), which is an exothermic reaction, is suppressed by a gas heating effect resulting from the use of a thermal catalyst, so that the film formation space The density of higher order silane molecules in can be kept low, and the incorporation of higher order silane molecules into the film and the occurrence of steric hindrance on the film forming surface are reduced. As a result, it is possible to form an amorphous Si film in which the existence density of Si—H 2 bonding states in the film is greatly reduced.

また、ガスヒーティング効果はプラズマの電子温度を低下させる効果も有するので、プラズマ空間での原料ガスSiHと電子との1電子衝突反応によるSiH生成(同じく1電子衝突反応によるSiH生成に比べて高い電子温度(衝突エネルギー)を要する)が抑制され、このルートによっても高次シラン生成反応(Si分子へのSiH挿入反応)を抑制することができる。 Further, since the gas heating effect also has an effect of lowering the electron temperature of the plasma, SiH 2 generation by the one-electron collision reaction between the source gas SiH 4 and the electrons in the plasma space (also for the generation of SiH 3 by the one-electron collision reaction). Compared with this route, higher order silane generation reaction (SiH 2 insertion reaction into Si n H m molecule) can be suppressed also by this route.

また、Cat−PECVD法では水素ラジカル生成を促進することもできるので、製膜表面からの水素引き抜き反応を促進し、膜中水素濃度を効果的に低減することができる。   Further, the Cat-PECVD method can promote the generation of hydrogen radicals, so the hydrogen abstraction reaction from the surface of the film can be promoted and the hydrogen concentration in the film can be effectively reduced.

また、水素希釈率(H/SiHガス流量比)を高めたり、熱触媒体温度Tcatを高めたり、VHFパワーを高めたりした製膜条件下では、気相中でSiクラスタ(高次シラン分子がある程度成長したもので通常10nm程度のサイズまでのものを言い、これには非晶質構造を有したものと結晶構造を有したものとがある)の生成が促進されるが、上記ガスヒーティング効果と水素ラジカル生成促進効果等によって、パーティクルや粉体への成長は抑制しつつ、クラスタサイズの制御や密度の制御、さらにはクラスタの結晶化を促進することができる。すなわち、該Siクラスタが膜中に取り込まれた場合、膜中に含まれる結晶粒のサイズや密度が制御された高品質なナノ結晶粒含有非晶質系Si膜を形成することができる。 In addition, Si clusters (higher order silanes) are formed in the gas phase under film forming conditions in which the hydrogen dilution ratio (H 2 / SiH 4 gas flow rate ratio) is increased, the thermal catalyst temperature Tcat is increased, or the VHF power is increased. The growth of molecules is said to be promoted by the generation of the above-mentioned gases, which are molecules grown to some extent and usually have a size of up to about 10 nm, including those having an amorphous structure and those having a crystal structure. With the heating effect and the hydrogen radical generation promoting effect, it is possible to control the cluster size and density, and further promote the crystallization of the cluster while suppressing the growth to particles and powder. That is, when the Si clusters are taken into the film, a high-quality nanocrystal-grain-containing amorphous Si film in which the size and density of the crystal grains contained in the film are controlled can be formed.

以上に述べた効果により本発明に用いられる高品質で光安定性に優れる非晶質系Si膜を得ることができる。   Due to the effects described above, it is possible to obtain a high-quality amorphous Si film excellent in light stability used in the present invention.

なお、Cat−PECVD法では、従来のPECVD法では困難であった製膜条件でも熱触媒体を導入した効果によって結晶化を促進できる作用があるため、以下に述べる結晶化率を制御する点において特に好適である。ここで膜中の結晶化領域の起源としては、(1)製膜表面での結晶化反応に起因するもの、(2)プラズマ空間中で生成されるSi微粒子(ナノメーターサイズの結晶クラスタ)が膜中へ取り込まれることに起因するもの、の少なくとも2種がある。   In Cat-PECVD method, crystallization can be promoted by the effect of introducing a thermal catalyst even under the film forming conditions that were difficult with the conventional PECVD method. Therefore, in terms of controlling the crystallization rate described below. Particularly preferred. Here, the origin of the crystallization region in the film is (1) due to the crystallization reaction on the surface of the film formation, and (2) Si fine particles (nanometer size crystal clusters) generated in the plasma space. There are at least two types of those caused by incorporation into the film.

<基板温度>
基板温度については、100℃〜350℃の範囲とする。なぜなら、基板温度を100℃よりも低くすると水素引き抜き効果が有効に働かなくなり膜中水素濃度を有効に低減できなくなり、また基板温度を350℃よりも高くした場合には、膜成長面からの水素の脱離が顕著となって膜中ダングリングボンド密度が上昇してしまい、高品質な膜が得られなくなるからである。
<Substrate temperature>
The substrate temperature is in the range of 100 ° C to 350 ° C. This is because if the substrate temperature is lower than 100 ° C., the hydrogen extraction effect does not work effectively and the hydrogen concentration in the film cannot be reduced effectively, and if the substrate temperature is higher than 350 ° C., the hydrogen from the film growth surface cannot be reduced. This is because the detachment of the metal becomes remarkable and the dangling bond density in the film increases, and a high-quality film cannot be obtained.

<ラマン散乱特性>
非晶質系Si膜の構造を記述する場合には、秩序度を取り扱う場合が多く、特に短距離秩序(SRO:Short Range Order)は、膜品質や光安定性と非常に密接な関係があるとされている。このSROが反映されるアモルファスネットワークの振動ダイナミクスを評価する代表的手法としては、ラマン散乱分光法が知られている。
<Raman scattering characteristics>
When describing the structure of an amorphous Si film, the degree of order is often handled, and in particular, the short range order (SRO) has a very close relationship with film quality and light stability. It is said that. As a representative method for evaluating the vibration dynamics of an amorphous network reflecting this SRO, Raman scattering spectroscopy is known.

一般に、非晶質系Si膜のラマン散乱スペクトルは、480cm−1付近にピークをもつTO(横型光学振動)帯、385cm−1付近にピークをもつLO(縦型光学振動)帯、305cm−1付近にピークをもつLA(縦型音響振動)帯、および160cm−1付近にピークをもつTA(横型音響振動)帯のエネルギー帯から成る。表1には、本発明素子および比較用の従来素子で使われた膜に対応するSi膜のラマン散乱測定スペクトルをGaussian型+Lorentzian型近似曲線によって前記4つのエネルギー帯(モード)に分離して得たTAモードの散乱ピーク強度(ITA)とTOモードの散乱ピーク強度(ITO)の比であるTA/TO散乱ピーク強度比(ITA/ITO)とTOモードの散乱ピークの半値幅(HWTO)を示してある。ここでラマンスペクトルの測定は、励起光にHe−Neレーザー(波長632.8nm)を用いたRenishaw製Ramanscope System 1000を使用した。 In general, Raman scattering spectrum of amorphous system Si film, TO (horizontal optical vibration) band having a peak near 480 cm -1, LO (longitudinal optical vibrations) having a peak near 385cm -1 band, 305 cm -1 It consists of an energy band of an LA (vertical acoustic vibration) band having a peak in the vicinity and a TA (lateral acoustic vibration) band having a peak in the vicinity of 160 cm −1 . Table 1 shows the Raman scattering measurement spectrum of the Si film corresponding to the film used in the device of the present invention and the comparative conventional device, obtained by separating the four energy bands (modes) by the Gaussian type + Lorentzian type approximate curve. The TA / TO scattering peak intensity ratio (I TA / I TO ), which is the ratio of the TA mode scattering peak intensity (I TA ) to the TO mode scattering peak intensity (I TO ), and the TO mode scattering peak half width ( It is shown HW tO). Here, the Raman spectrum was measured using a Renishaw Ramanscope System 1000 using a He—Ne laser (wavelength 632.8 nm) as excitation light.

Siの結合角θの分布幅Δθは、TA/TO散乱ピーク強度比(以下、ITA/ITO)、またはTO帯半値幅(HWTO)と正の相関関係を有していることが知られている。ここでITA/ITOについてみると、表1に示すように、従来素子1,2に用いた膜ではITA/ITO=0.38である(従来の非晶質Si膜のITA/ITOは0.35よりも大きな値をとる)のに対して、本発明素子1〜4に用いた膜では0.35以下であり、従来値よりも大きく低減していることがわかる。また、HWTOについてみても、従来素子1,2に用いた膜では66cm−1,68cm−1であるのに対して、本発明素子に用いた膜ではこれよりも狭幅化して65cm−1以下になっていることがわかる。

Figure 0004780930
It is known that the distribution width Δθ of the Si bond angle θ has a positive correlation with the TA / TO scattering peak intensity ratio (hereinafter, I TA / I TO ) or the TO band half width (HW TO ). It has been. Here, regarding I TA / I TO , as shown in Table 1, in the films used for the conventional elements 1 and 2, I TA / I TO = 0.38 (I TA / I of the conventional amorphous Si film) It can be seen that TO takes a value larger than 0.35), whereas the film used in the present invention elements 1 to 4 has a value of 0.35 or less, which is greatly reduced from the conventional value. Also, look at the HW TO, 66cm in film used in the conventional elements 1 -1, whereas a 68cm -1, the film used in the present invention device with narrowed than this 65cm -1 It turns out that it is the following.
Figure 0004780930

以上のことは、本発明素子に用いた膜のSi結合角のばらつきΔθが、従来のものよりも小さくなっていること、即ちSROが改善されていることを示すものである。このSROに関する構造変化(改善)が、本発明の光劣化率が大幅に低減された高光安定性の光電変換素子を実現している主要な原因となっているものと考えられる。   The above shows that the variation Δθ in the Si bond angle of the film used in the element of the present invention is smaller than that of the conventional one, that is, the SRO is improved. This structural change (improvement) related to SRO is considered to be the main cause of realizing a highly photostable photoelectric conversion element in which the light deterioration rate of the present invention is greatly reduced.

なお、上記のSRO改善効果は、ITA/ITOが0.35以下の場合において認められるようになるが、より好ましくは0.25以下とする。 Incidentally, SRO improving the above effect, although I TA / I TO is as observed in the case of 0.35 or less, more preferably 0.25 or less.

<ESRスピン密度>
また、本発明素子に用いた非晶質系Si膜では、電子スピン共鳴法によって計測されるESRスピン密度であるSiダングリングボンド密度が光照射前(初期)において約3×1015cm−3であり、従来素子に用いた膜では5.0×1015cm−3を超える値であった。ダングリングボンド密度が5.0×1015cm−3を超える膜では、活性層に適用した場合に同層での再結合電流が増大し、高い素子特性が得られない。なお、ESRスピン密度測定には、日本電子製JES−RE3Xを用いた。
<ESR spin density>
In the amorphous Si film used in the element of the present invention, the Si dangling bond density, which is the ESR spin density measured by the electron spin resonance method, is about 3 × 10 15 cm −3 before light irradiation (initial stage). The film used for the conventional device had a value exceeding 5.0 × 10 15 cm −3 . When the film has a dangling bond density exceeding 5.0 × 10 15 cm −3 , the recombination current in the same layer increases when applied to the active layer, and high device characteristics cannot be obtained. JES-RE3X manufactured by JEOL Ltd. was used for ESR spin density measurement.

<FT−IR特性(Si−H結合状態の存在割合)>
また、本発明素子に用いた非晶質系Si膜では、FT−IR(フーリエ変換赤外分光)分析によって評価されるSi−H結合状態の存在密度σS−HのSi−H結合状態の存在密度σS−HおよびSi−H結合状態の存在密度σSi−H2の総和(σS−H+σSi−H2)に対する比(σS−H/(σS−H+σSi−H2);以下、Si−H結合状態存在割合という)が、0.97以上であった。このSi−H結合状態存在割合は、従来技術の説明で既に述べたように光劣化と大きな相関を有しており、この割合が高いほど(Si−H結合が支配的であるほど)光劣化が小さくなることが報告されている。本発明素子に用いたSi膜においては、従来のプラズマCVD法で得られているSi−H結合状態存在割合の0.90程度を大きく上回り、光劣化抑制効果が顕著に現れてくるとされる0.95以上の値が得られている。ここで、表2に具体的な結果を示す。表2はCat−PECVD法にて触媒体温度をパラメーターにして得た結果を示したものである。同表より、Si−H結合状態存在割合が0.95以上(この例では、本発明膜1の0.967、本発明膜2の0.997の2例しかないが、従来膜2の0.934と本発明膜1の0.967の中間(0.951)に変曲点があるものと思われる。)となる場合に、特に光劣化率が低減されることが確認された。なお、FT−IR特性の測定には、島津製作所製FTIR−8300を用いた。また同表によれば、Cat−PECVD法がこの制御に非常に好適な手法であることも示している。

Figure 0004780930
<FT-IR characteristics (abundance ratio of Si-H bonded state)>
Further, in the amorphous Si film used in the element of the present invention, the Si—H bond state of the Si—H bond state existence density σ S—H evaluated by FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) analysis. the sum of the density sigma S-H and the density of Si-H 2 bonds state σ Si-H2 (σ S- H + σ Si-H2) for the ratio (σ S-H / (σ S-H + σ Si-H2) Hereinafter referred to as Si-H bond state existence ratio) was 0.97 or more. As already described in the description of the prior art, this Si—H bond state existence ratio has a large correlation with light deterioration, and the higher this ratio (the more dominant the Si—H bond), the light deterioration. Has been reported to be smaller. In the Si film used for the element of the present invention, the Si-H bonding state existence ratio obtained by the conventional plasma CVD method is significantly higher than about 0.90, and the effect of suppressing the photodegradation appears to be remarkable 0.95 or more The value of is obtained. Here, specific results are shown in Table 2. Table 2 shows the results obtained by the Cat-PECVD method with the catalyst body temperature as a parameter. From the table, the Si-H bond state existence ratio is 0.95 or more (in this example, there are only two examples, 0.967 of the present invention film 1 and 0.997 of the present invention film 2, but 0.934 of the conventional film 2 and the present invention film 1) In the middle of 0.967 (0.951), it seems that there is an inflection point. Note that FTIR-8300 manufactured by Shimadzu Corporation was used for the measurement of FT-IR characteristics. The table also shows that the Cat-PECVD method is a very suitable method for this control.
Figure 0004780930

<膜中水素濃度>
また、本発明素子に用いた非晶質系Si膜中の水素濃度については、FT−IR分析により約5at%と評価算出され、従来膜は10%程度と評価算出された。このとき、膜中水素濃度の算出は630cm−1付近の吸収ピーク面積とA value=1.6×1019cm−2を用いて行なった。このように本発明素子に用いたSi膜は7at%以下の低水素濃度となっており、これも本発明素子が高光安定性を示すことに大きく寄与しているものと思われる。膜中水素濃度が7%より大きい場合には膜中Si−H結合状態の存在密度の増大を招き、光劣化率は大きくなる。
<Hydrogen concentration in membrane>
Further, the hydrogen concentration in the amorphous Si film used in the element of the present invention was evaluated and calculated to be about 5 at% by FT-IR analysis, and the conventional film was evaluated and calculated to be about 10%. At this time, the hydrogen concentration in the film was calculated using an absorption peak area in the vicinity of 630 cm −1 and A value = 1.6 × 10 19 cm −2 . As described above, the Si film used in the element of the present invention has a low hydrogen concentration of 7 at% or less, which is considered to contribute greatly to the high light stability of the element of the present invention. When the hydrogen concentration in the film is larger than 7%, the existence density of the Si—H 2 bonded state in the film is increased, and the photodegradation rate is increased.

<光学的バンドギャップ>
また、本発明素子に用いた非晶質系Si膜の光学的バンドギャップエネルギーEg.optは、いわゆる3乗根プロットにて、1.6eV前後と評価され、従来膜は1.8eV程度であった。このように本発明素子に用いたSi膜の光学的バンドギャップエネルギーEg.optは1.7eV以下に狭ギャップ化しており、長波長感度特性に優れる非晶質系Si膜となっていることが確認された。光学的バンドギャップエネルギーEg.optが1.7eVよりも大きい場合には、該膜を光活性層に用いた場合に長波長光を充分に吸収・光電変換できずに光電流が低下し、素子特性の低下を招来する。
<Optical band gap>
Further, the optical band gap energy Eg.opt of the amorphous Si film used in the element of the present invention was evaluated to be around 1.6 eV by a so-called cube root plot, and the conventional film was about 1.8 eV. As described above, the optical band gap energy Eg.opt of the Si film used in the element of the present invention is narrowed to 1.7 eV or less, and it is confirmed that the Si film is an amorphous Si film excellent in long wavelength sensitivity characteristics. It was done. When the optical band gap energy Eg.opt is larger than 1.7 eV, when the film is used for the photoactive layer, long-wavelength light cannot be sufficiently absorbed and photoelectrically converted, resulting in a decrease in photocurrent, and device characteristics. Invite the decline.

<バンドギャップ調整元素>
なお、非晶質系Si膜のバンドギャップエネルギーEgは膜中水素濃度によってある程度調節することができるが、膜中水素濃度を低く保ったままEgを調節したい場合には、Eg調整元素を添加すればよい。具体的には、ナローギャップ化に対してはGeまたはSn等、ワイドギャップ化に対してはC、NまたはO等を分子式に含んだガスを製膜空間に導入すればよい。即ち、Geを含有させる場合にはGeH(Hは重水素Dを含む)、Ge2n+2(nは正の整数、以下同様)、GeX(Xはハロゲン元素)等を、Snを含有させる場合にはSnH(Hは重水素Dを含む)、Sn2n+2、SnX(Xはハロゲン元素)、SnR(Rはアルキル基)等を、Cを含有させる場合にはCH(Hは重水素Dを含む)、C、C2n+2、C2n、CX(Xはハロゲン元素)等を、Nを含有させる場合にはN、NO、NO、NH等を、Oを含有させる場合にはO、CO、CO、NO、NO、HO等を導入すればよい。
<Band gap adjusting element>
The band gap energy Eg of the amorphous Si film can be adjusted to some extent by the hydrogen concentration in the film. However, if it is desired to adjust Eg while keeping the hydrogen concentration in the film low, an Eg adjusting element is added. That's fine. Specifically, a gas containing molecular formula such as Ge or Sn for narrow gap and C, N or O for wide gap may be introduced into the film forming space. That is, when Ge is contained, GeH 4 (H includes deuterium D), Ge n H 2n + 2 (n is a positive integer, the same shall apply hereinafter), GeX 4 (X is a halogen element), etc. contain Sn. SnH 4 in the case of (H contains deuterium D), Sn n H 2n + 2, SnX 4 (X is halogen), SnR 4 (R is an alkyl group) and the like, CH 4 in the case of incorporating the C (H includes deuterium D), C 2 H 2 , C n H 2n + 2 , C n H 2n , CX 4 (X is a halogen element), etc., and N 2 , NO n , N When 2 O, NH 3 or the like is contained, O 2 , CO, CO 2 , NO n , N 2 O, H 2 O or the like may be introduced.

<結晶粒径>
ここで、本発明に用いられる非晶質系Si膜がナノサイズの結晶Si粒を含むナノ結晶粒含有非晶質系Si膜である場合は、該非晶質系Si膜中に含有されるナノ結晶粒の最大粒径は1nm以上5nm以下、より好ましくは1.5nm以上3nm以下とする。最大粒径が1nmより小さいと、これを構成するSi原子数が少なすぎて非晶質Si膜に対する有意なバンドギャップエネルギーの低下を実現できず、実質的に非晶質Si膜と同じ膜特性となってしまう。また最大粒径が5nmを超えるようになると、非晶質Si膜中に適度な距離間隔で散在分布させることが困難となり、キャリアの再結合を結晶粒で優先的に生じさせる効果や、非晶質マトリックスのネットワーク構造(後に述べるSROなど)を改善する効果が低減する。
<Crystal grain size>
Here, when the amorphous Si film used in the present invention is a nanocrystal grain-containing amorphous Si film containing nano-sized crystalline Si grains, the nano-size contained in the amorphous Si film The maximum grain size of the crystal grains is 1 nm to 5 nm, more preferably 1.5 nm to 3 nm. If the maximum particle size is smaller than 1 nm, the number of Si atoms constituting the film is too small to realize a significant reduction in band gap energy relative to the amorphous Si film, and substantially the same film characteristics as the amorphous Si film. End up. Further, when the maximum particle size exceeds 5 nm, it becomes difficult to disperse and distribute in the amorphous Si film at an appropriate distance interval. The effect of improving the quality matrix network structure (such as SRO described later) is reduced.

<結晶化率>
また、非晶質系Si膜がナノ結晶粒含有非晶質系Si膜である場合、該膜中でナノ結晶粒が占める体積分率として表現される結晶化率の制御は、水素希釈率(H/SiHガス流量比)、熱触媒体温度(Tcat)、VHFパワー密度、製膜ガス圧力、および基板温度の組み合わせによって0〜100%の範囲で自由に行なうことができるが、結晶化率は30%以下の範囲で調節し、より好適には10%以下の範囲で調節するのが望ましい。結晶化率が30%を超えると非晶質系としての特性が充分に発揮されにくくなり、特性低下を無視できなくなる。
<Crystalization rate>
When the amorphous Si film is a nanocrystal grain-containing amorphous Si film, the control of the crystallization rate expressed as the volume fraction occupied by the nanocrystal grains in the film is controlled by the hydrogen dilution rate ( H 2 / SiH 4 gas flow ratio), thermal catalyst temperature (Tcat), VHF power density, film forming gas pressure, and substrate temperature can be freely performed in the range of 0 to 100%, but crystallization The rate is adjusted within a range of 30% or less, and more preferably within a range of 10% or less. When the crystallization rate exceeds 30%, the characteristics as an amorphous system are not sufficiently exhibited, and the deterioration of the characteristics cannot be ignored.

このとき、結晶化率を膜厚方向に向かって傾斜分布または階段状分布、あるいは周期分布させることによって、光電変換素子の効率をさらに向上させることも可能である(不図示)。すなわち、傾斜分布または階段状分布とする場合は、光入射側(表面側)から裏面側に向かって結晶化率が上昇するようにする。このようにすることで光学的バンドギャップエネルギーが表面側から裏面側に向かって減少するバンドプロファイルを得ることができ、光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べてより効率的な光電変換(すなわち高効率化)が可能となる。また、周期分布とする場合は、1周期の長さを100nm以下とし、好ましくは10nm以下とする。このようにすることで光学的バンドギャップエネルギーが周期的に変調したバンドプロファイルを得ることでき、光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べてより効率的な光電変換(すなわち高効率化)が可能となる。特に周期長を10nm以下とすると量子サイズ効果(量子井戸構造の形成)が現れ始め、より高効率化することができる。ここで結晶化率の制御(すなわち製膜表面での結晶化反応や気相中のナノクラスタのサイズや密度を制御することに還元される)は、熱触媒体の温度制御で行なうのが望ましい。すなわち、熱触媒体の温度制御は非常に高速かつ精度よく行なうことができるので、製膜中に結晶化率を高速かつ精度よく制御したい場合に非常に好適である。   At this time, it is possible to further improve the efficiency of the photoelectric conversion element (not shown) by causing the crystallization rate to be inclined, stepped, or periodic in the film thickness direction. That is, in the case of a gradient distribution or a stepped distribution, the crystallization rate is increased from the light incident side (front surface side) toward the back surface side. By doing so, it is possible to obtain a band profile in which the optical band gap energy decreases from the front side to the back side, and more efficient than when the optical band gap energy is constant in the film thickness direction. Photoelectric conversion (that is, higher efficiency) becomes possible. In the case of a periodic distribution, the length of one cycle is 100 nm or less, preferably 10 nm or less. In this way, a band profile in which the optical bandgap energy is periodically modulated can be obtained, and more efficient photoelectric conversion (that is, compared to the case where the optical bandgap energy is constant in the film thickness direction) High efficiency). In particular, when the period length is 10 nm or less, a quantum size effect (formation of a quantum well structure) starts to appear, and higher efficiency can be achieved. Here, the control of the crystallization rate (that is, the reduction of the crystallization reaction on the film forming surface and the control of the size and density of the nanoclusters in the gas phase) is preferably performed by controlling the temperature of the thermal catalyst. . That is, the temperature control of the thermal catalyst can be performed very quickly and with high accuracy, which is very suitable for controlling the crystallization rate at high speed and with high accuracy during film formation.

なお、本明細書中でいう結晶化率は、ラマン散乱分光法によって得られたスペクトルにおける結晶相ピーク強度/(結晶相ピーク強度+非晶質相ピーク強度)で定義されるものとし、ピーク強度は、結晶相ピーク強度=500〜510cm−1でのピーク強度+520cm−1でのピーク強度、また、非晶質相ピーク強度=480cm−1でのピーク強度、で定義するものとする。表1に示した結晶化率は、該ラマン散乱分光法によって評価されたものである。 The crystallization rate in the present specification is defined as crystal phase peak intensity / (crystal phase peak intensity + amorphous phase peak intensity) in the spectrum obtained by Raman scattering spectroscopy. a peak intensity at a peak intensity + 520 cm -1 in crystalline phase peak intensity = 500~510cm -1, also intended to peak intensity in the definition of an amorphous phase peak intensity = 480 cm -1. The crystallization ratios shown in Table 1 were evaluated by the Raman scattering spectroscopy.

<光電変換装置>
次に、本発明の光電変換装置である太陽電池等の光電変換素子について詳細に説明する。本発明の光電変換素子は、上述したように、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比が0.35以下の非晶質系シリコンからなる半導体薄膜を光活性部として少なくとも1層含んだ半導体多層膜を備え、この半導体多層膜に対して、疑似太陽光を用いた光照射強度100mW/cm、光照射時間200時間、および40〜50℃の温度Tに対しT±2℃の条件で行なった光照射処理により、この光照射処理前後における光電変換の変換効率の劣化率が7%以下であり、かつ前記光照射処理後の開放電圧が前記光照射処理前の開放電圧より高いものである。または、上述したように、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下である非晶質系Si半導体薄膜を光活性部として少なくとも1層含んだ半導体多層膜を備え、この半導体多層膜に対して、疑似太陽光を用いた光照射強度100mW/cm、光照射時間200時間、および40〜50℃の温度Tに対しT±2℃の条件で行なった光照射処理により、この光照射処理前後における光電変換の変換効率の劣化率が7%以下であり、かつ前記光照射処理後の開放電圧が前記光照射処理前の開放電圧より高いものである。なお上述したように、これら光電変換素子において、前記非晶質系Si半導体薄膜中の、Si−H結合状態の存在密度とSi−H結合状態の存在密度との和に対するSi−H結合状態の存在密度の比が0.95以上とするとより望ましい。
<Photoelectric conversion device>
Next, a photoelectric conversion element such as a solar cell which is the photoelectric conversion device of the present invention will be described in detail. As described above, the photoelectric conversion device of the present invention contains at least silicon and hydrogen, and the ratio of the TA mode scattering peak intensity I TA to the TO mode scattering peak intensity I TO obtained by the Raman scattering spectrum is 0.35 or less. A semiconductor multilayer film including at least one semiconductor thin film made of amorphous silicon as a photoactive portion is provided. The semiconductor multilayer film has a light irradiation intensity of 100 mW / cm 2 using pseudo-sunlight, a light irradiation time. The deterioration rate of the conversion efficiency of photoelectric conversion before and after the light irradiation treatment is 7% or less by the light irradiation treatment performed under the condition of T ± 2 ° C. for 200 hours and the temperature T of 40 to 50 ° C., and The open circuit voltage after the light irradiation process is higher than the open voltage before the light irradiation process. Alternatively, as described above, an amorphous Si semiconductor thin film containing at least silicon and hydrogen and having a half-value width of a scattering peak of TO mode obtained by a Raman scattering spectrum of 65 cm −1 or less is used as a photoactive portion. A semiconductor multilayer film including a layer is provided. The semiconductor multilayer film has a light irradiation intensity of 100 mW / cm 2 using pseudo sunlight, a light irradiation time of 200 hours, and a temperature T of 40 to 50 ° C. T ± 2 The deterioration rate of the conversion efficiency of photoelectric conversion before and after the light irradiation treatment is 7% or less due to the light irradiation treatment performed under the condition of ° C, and the open voltage after the light irradiation treatment is the open voltage before the light irradiation treatment. Higher. As described above, in these photoelectric conversion elements, the Si—H bond state relative to the sum of the density of Si—H bond state and the density of Si—H 2 bond state in the amorphous Si semiconductor thin film. It is more desirable that the ratio of the existence density of the carbon atom be 0.95 or more.

図1は、本発明の光電変換素子をスーパーストレート型タンデム型の薄膜Si(シリコン)太陽電池素子を例にとって示したものである。図中の1は透光性の基板、2は表電極たる第1の電極、3は半導体多層膜、31は第1の半導体接合層、32は第2の半導体接合層、31aは第1の半導体接合層中のp型半導体層、31bは第1の半導体接合層中の光活性層、31cは第1の半導体接合層中のn型半導体層、32aは第2の半導体接合層中のp型半導体層、32bは第2の半導体接合層中の光活性層、32cは第2の半導体接合層中のn型半導体層、4は裏電極たる第2の電極である。なお、太い矢印は光(hν)の入射方向を示す。   FIG. 1 shows an example of a super straight type tandem thin film Si (silicon) solar cell element as a photoelectric conversion element of the present invention. In the figure, 1 is a translucent substrate, 2 is a first electrode as a surface electrode, 3 is a semiconductor multilayer film, 31 is a first semiconductor junction layer, 32 is a second semiconductor junction layer, and 31a is a first semiconductor junction layer. A p-type semiconductor layer in the semiconductor junction layer, 31b is a photoactive layer in the first semiconductor junction layer, 31c is an n-type semiconductor layer in the first semiconductor junction layer, and 32a is p in the second semiconductor junction layer. 32b is a photoactive layer in the second semiconductor junction layer, 32c is an n-type semiconductor layer in the second semiconductor junction layer, and 4 is a second electrode as a back electrode. A thick arrow indicates the incident direction of light (hν).

ここで、半導体層31cおよび半導体層32aとの間に透明導電膜や薄い金属層あるいはシリサイドからなる中間層を挿入してもよい(不図示)。   Here, an intermediate layer made of a transparent conductive film, a thin metal layer, or silicide may be inserted between the semiconductor layer 31c and the semiconductor layer 32a (not shown).

このような光電変換素子を作製するには、まず透光性基板1を用意する。ここで透光性基板1としては、ガラス、プラスチック、樹脂などを材料とした板材あるいはフィルム材を用いることができる。   In order to manufacture such a photoelectric conversion element, first, a translucent substrate 1 is prepared. Here, as the translucent substrate 1, a plate material or a film material made of glass, plastic, resin, or the like can be used.

次に、透光性基板1上に表電極たる第1の電極2を形成する。第1の電極2としては、公知の酸化物透明導電膜を用いることができる。具体的には、スズ酸化物であるSnO、インジウム−スズ酸化物であるITO、亜鉛酸化物であるZnOなど材料を用いることができる。該透明導電膜の膜厚は、反射防止効果と低抵抗化を考慮して60〜600nm程度の範囲で調節する。低抵抗化の目安としてはシート抵抗を約10Ω/□程度以下とするのが望ましい。なお、該透明導電膜は、後に該膜上にSi膜を形成するときに、SiHとHを使用することに起因した活性水素ガス雰囲気に曝されることになるので、耐還元性に優れるZnO膜を少なくとも最終表面として形成するのが望ましい。このとき該ZnO膜の膜厚は10〜100nmの範囲とする。該透明導電膜の製膜方法としては、熱CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、スプレー熱分解法、およびゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。 Next, the 1st electrode 2 which is a surface electrode is formed on the translucent board | substrate 1. FIG. A known oxide transparent conductive film can be used as the first electrode 2. Specifically, materials such as SnO 2 that is tin oxide, ITO that is indium-tin oxide, and ZnO that is zinc oxide can be used. The film thickness of the transparent conductive film is adjusted in the range of about 60 to 600 nm in consideration of the antireflection effect and low resistance. As a guide for lowering the resistance, it is desirable that the sheet resistance is about 10Ω / □ or less. The transparent conductive film is exposed to an active hydrogen gas atmosphere due to the use of SiH 4 and H 2 when a Si film is subsequently formed on the film. It is desirable to form an excellent ZnO film at least as the final surface. At this time, the thickness of the ZnO film is in the range of 10 to 100 nm. As a method for forming the transparent conductive film, known techniques such as a thermal CVD method, a vapor deposition method, an ion plating method, a sputtering method, a spray pyrolysis method, and a sol-gel method can be used.

なお、透明電極形成前にRIE処理またはブラスト処理等の方法によりガラス基板表面に凹凸構造を形成し、その後該凹凸構造面に前記透明電極を形成すると光散乱効果が高まって光閉じ込め効果が促進されて効率向上に好適である。   In addition, if a concavo-convex structure is formed on the surface of the glass substrate by a method such as RIE treatment or blasting before forming the transparent electrode, and then the transparent electrode is formed on the concavo-convex structure surface, the light scattering effect is enhanced and the light confinement effect is promoted. It is suitable for improving efficiency.

次に、半導体多層膜3を形成する。半導体多層膜3は第1の半導体接合層31と第2の半導体接合層32からなる。製法としては公知のPECVD法やCat−CVD法の他に、本発明者らが既に特願2000−130858号、特願2001−293031号、および特願2002−38686号などにおいて開示しているCat−PECVD法を用いることができる。   Next, the semiconductor multilayer film 3 is formed. The semiconductor multilayer film 3 includes a first semiconductor junction layer 31 and a second semiconductor junction layer 32. As a manufacturing method, in addition to the known PECVD method and Cat-CVD method, the present inventors have already disclosed a Cat disclosed in Japanese Patent Application Nos. 2000-130858, 2001-293031, and 2002-38686. -PECVD method can be used.

まず、前記第1の電極2上に第1の半導体接合層31を形成する。該半導体接合層31は、p型半導体層31a、光活性層31b(実質的にi型層)、n型半導体層31cが順次積層されたpin接合からなる。   First, a first semiconductor junction layer 31 is formed on the first electrode 2. The semiconductor junction layer 31 is a pin junction in which a p-type semiconductor layer 31a, a photoactive layer 31b (substantially i-type layer), and an n-type semiconductor layer 31c are sequentially stacked.

p型半導体層31aについては、非晶質系Si膜や結晶質系Si膜を用いることができる。膜厚は前記材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1×1021/cm程度として、実質的にはp型とする。なお製膜時に用いるSiH、Hおよびドーピング用ガスであるBなどのガスに加えてCHなどのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSi1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 As the p-type semiconductor layer 31a, an amorphous Si film or a crystalline Si film can be used. The film thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. The doping element concentration is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 and is substantially p + type. If an appropriate amount of a gas containing C (carbon) such as CH 4 in addition to a gas such as SiH 4 and H 2 used for film formation and B 2 H 6 as a doping gas is mixed, the Si x C 1-x film is formed. It is obtained and is very effective for forming a window layer with little light absorption loss, and is also effective for reducing a dark current component for improving an open circuit voltage. In addition to C, the same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen).

また、光活性層31bである実質的にi型の半導体層については、Cat−PECVD法で製膜した既述の高品質・高光安定性の非晶質系Si膜を用い、膜厚は0.1〜0.5μm程度の範囲で調節する。このとき製膜条件は、プラズマ励起周波数を60MHz、触媒体温度を1600〜2000℃、H/SiH流量比を5〜10、基板温度を200〜250℃、ガス圧力を133〜200Pa、VHFパワー密度を0.1〜0.3W/cmとする。このような製膜条件とすることで、既述の高品質・高光安定性の非晶質系Si膜を2nm/secという高製膜速度で形成することができる。ここで、ノンドープ膜は、実際にはわずかにn型特性を示すのが通例であるので、この場合はp型化ドープ元素をわずかに含ませて実質的にi型となるように調整することができる。なお、内部電界強度分布の微調整を目的に、n型あるいはp型とする場合もある。 For the substantially i-type semiconductor layer that is the photoactive layer 31b, the above-described high-quality, high-light-stable amorphous Si film formed by the Cat-PECVD method is used, and the film thickness is 0.1. Adjust within the range of ~ 0.5μm. At this time, the film formation conditions are: plasma excitation frequency 60 MHz, thermal catalyst temperature 1600-2000 ° C., H 2 / SiH 4 flow rate ratio 5-10, substrate temperature 200-250 ° C., gas pressure 133-200 Pa, The VHF power density is set to 0.1 to 0.3 W / cm 2 . By adopting such film forming conditions, the above-described high-quality and light-stable amorphous Si film can be formed at a high film-forming speed of 2 nm / sec. Here, since the non-doped film usually shows a slight n-type characteristic, in this case, the non-doped film is adjusted so as to be substantially i-type by slightly containing the p-type doped element. Can do. In some cases, n - type or p - type may be used for the purpose of fine adjustment of the internal electric field strength distribution.

また、n型半導体層31cについては、非晶質系Si膜や結晶質系Si膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1×1021/cm程度として、実質的にはn型とする。なお製膜時に用いるSiH、H、およびドーピング用ガスであるPHなどのガスに加えてCHなどのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSi1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 For the n-type semiconductor layer 31c, an amorphous Si film or a crystalline Si film can be used. The film thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. The doping element concentration is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 and is substantially n + type. A Si x C 1-x film can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing C (carbon) such as CH 4 in addition to gases such as SiH 4 and H 2 used for film formation and PH 3 as a doping gas. Therefore, it is possible to form a film with little light absorption loss and to reduce dark current components for improving the open circuit voltage. In addition to C, the same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen).

なお、接合特性をより改善するために、前記p型半導体層31aと光活性層31bとの間や光活性層31bとn型半導体層31cとの間に実質的にi型の非単結晶Si層や非単結晶Si1−x層をバッファー層として挿入してもよい(不図示)。このときの挿入層の厚さは0.5〜50nm程度とする。 In order to further improve the junction characteristics, a substantially i-type non-single crystal Si is formed between the p-type semiconductor layer 31a and the photoactive layer 31b or between the photoactive layer 31b and the n-type semiconductor layer 31c. A layer or a non-single-crystal Si x C 1-x layer may be inserted as a buffer layer (not shown). At this time, the thickness of the insertion layer is about 0.5 to 50 nm.

ここで、第1の半導体接合層31と次に述べる第2の半導体接合層32との接合部において良好な再結合特性を実現するためには(つまりオーミックコンタクト的な電気的接続特性を実現するためには)、前記第1の半導体接合層31に含まれるn型半導体層31cと後記第2の半導体接合層32に含まれるp型半導体層32aにおいて、少なくとも両者が接する部分では結晶化率を高めておくことが望ましい。このとき結晶化率を60%以上とするとトンネル接合特性が得られ、良好な逆接合再結合特性を実現することができる。なお、該結晶質逆接合は、n型半導体層31cに続いて同一導電型の微結晶Si層を5〜30nm程度形成し、続いて逆導電型の微結晶Si層を5〜30nm程度形成し、続いてp型半導体層32aを形成するというように、n型半導体層31cとp型半導体層32aとは独立に専用の結晶質Si層を挿入して形成するようにしてもよい(不図示)。   Here, in order to realize good recombination characteristics at the junction between the first semiconductor junction layer 31 and the second semiconductor junction layer 32 described below (that is, to achieve electrical connection characteristics like ohmic contact). Therefore, in the n-type semiconductor layer 31c included in the first semiconductor junction layer 31 and the p-type semiconductor layer 32a included in the second semiconductor junction layer 32 to be described later, at least a portion where they are in contact has a crystallization ratio. It is desirable to keep it high. At this time, when the crystallization rate is 60% or more, tunnel junction characteristics can be obtained, and good reverse junction recombination characteristics can be realized. In the reverse crystalline junction, a microcrystalline Si layer of the same conductivity type is formed about 5 to 30 nm following the n-type semiconductor layer 31c, and then a microcrystalline Si layer of reverse conductivity type is formed about 5 to 30 nm. Subsequently, the p-type semiconductor layer 32a is formed, and the n-type semiconductor layer 31c and the p-type semiconductor layer 32a may be formed by inserting a dedicated crystalline Si layer (not shown). ).

また、第1の半導体接合層31と第2の半導体接合層32の間のオーミックコンタクト的な電気的接続特性を実現させるためには、透明導電膜や薄い金属層あるいは薄いシリサイド層(シリコンと金属の合金層)を導電性中間層として挿入する方法も用いることができる(不図示)。ここで透明導電膜としては、スズ酸化物であるSnO、インジウム−スズ酸化物であるITO、亜鉛酸化物であるZnOなどを用いることができる。ここで透明導電膜を用いる場合は、該透明導電膜の存在によって光学的効果(反射および透過特性)をも導入することができるので高効率化の点で非常に優れている。すなわち、該透明導電膜厚を調整することによって、短波長光は該透明導電膜で反射させて第1の半導体接合層31に優先的に再入射させ、また長波長光は反射防止効果と同じ原理によって第2の半導体接合層32に優先的に閉じ込めることができ、光エネルギーのより効率的な光電変換が可能となるのである。また薄い金属層やシリサイド層を用いる場合は、第1の半導体接合層31と第2の半導体接合層32の間のオーミックコンタクトをより確実かつ簡便に歩留まりよく実現できる効果を期待できる。 In addition, in order to realize the ohmic contact electrical connection characteristics between the first semiconductor junction layer 31 and the second semiconductor junction layer 32, a transparent conductive film, a thin metal layer, or a thin silicide layer (silicon and metal (Alloy layer) can be used as a conductive intermediate layer (not shown). Here, as the transparent conductive film, SnO 2 that is tin oxide, ITO that is indium-tin oxide, ZnO that is zinc oxide, or the like can be used. When a transparent conductive film is used here, an optical effect (reflection and transmission characteristics) can also be introduced by the presence of the transparent conductive film, which is very excellent in terms of high efficiency. That is, by adjusting the transparent conductive film thickness, the short wavelength light is reflected by the transparent conductive film and preferentially reenters the first semiconductor bonding layer 31, and the long wavelength light has the same antireflection effect. According to the principle, it can be preferentially confined in the second semiconductor junction layer 32, and more efficient photoelectric conversion of light energy becomes possible. Further, when a thin metal layer or silicide layer is used, it is possible to expect an effect that the ohmic contact between the first semiconductor junction layer 31 and the second semiconductor junction layer 32 can be realized more reliably and simply with a high yield.

次に、前記第1の半導体接合層31上に、第2の半導体接合層32を形成する。該第2の半導体接合層32は、p型半導体層32a、光活性層(実質的にi型の半導体層)32b、n型半導体層32cが順次積層されたpin接合からなる。   Next, a second semiconductor junction layer 32 is formed on the first semiconductor junction layer 31. The second semiconductor junction layer 32 comprises a pin junction in which a p-type semiconductor layer 32a, a photoactive layer (substantially i-type semiconductor layer) 32b, and an n-type semiconductor layer 32c are sequentially stacked.

ここで、p型半導体層32aについては、非晶質系Si膜や結晶質系Si膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1×1021/cm程度として、実質的にはp型とする。なお、製膜時に用いるSiH、H、およびドーピング用ガスであるBなどのガスに加えてCHなどのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSi1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 Here, for the p-type semiconductor layer 32a, an amorphous Si film or a crystalline Si film can be used. The film thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. The doping element concentration is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 and is substantially p + type. Note that Si x C 1-x can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing C (carbon) such as CH 4 in addition to gases such as SiH 4 and H 2 used for film formation and B 2 H 6 which is a doping gas. A film is obtained, which is very effective for forming a window layer with little light absorption loss, and also effective for reducing dark current components for improving the open circuit voltage. In addition to C, the same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen).

また、光活性層32bである実質的にi型の半導体層については、Cat−PECVD法を用いて形成された既述の高品質・高光安定性の非晶質系Si膜を用いる場合は膜厚を0.5〜1μm程度の範囲で調節し、微結晶Si膜に代表される結晶質系Si膜を用いる場合は膜厚を1〜3μm程度の範囲で調節する。このとき既述の高品質・高光安定性の非晶質系Si膜を用いる場合は、製膜条件を、プラズマ励起周波数を60MHz、触媒体温度を1600〜2000℃、H/SiH流量比を5〜10、基板温度を200〜250℃、ガス圧力を133〜200Pa、VHFパワー密度を0.1〜0.3W/cmとし、結晶質系Si膜を用いる場合は、前記条件に対して、H/SiH流量比を5〜20、ガス圧力を200〜665Pa、VHFパワー密度を0.2〜0.5W/cmとする。このような製膜条件とすることで、既述の高品質・高光安定性の非晶質系Si膜、あるいは結晶質系Si膜を2nm/secという高製膜速度で形成することができる。ここで、ノンドープ膜は実際にはわずかにn型特性を示すのが通例であるので、この場合はp型化ドープ元素をわずかに含ませて実質的にi型となるように調整することができる。なお、内部電界強度分布の微調整を目的に、n型あるいはp型とする場合もある。また、該光活性層32bに前記結晶質Si膜を用いる場合は、膜構造として、(110)面配向の柱状結晶粒の集合体として製膜後の表面形状が光閉じ込めに適した自生的な凹凸構造となるようにするのが望ましい。 In addition, for the substantially i-type semiconductor layer that is the photoactive layer 32b, the above-described high-quality, high-light-stable amorphous Si film formed using the Cat-PECVD method is used. The thickness is adjusted in a range of about 0.5 to 1 μm, and when a crystalline Si film typified by a microcrystalline Si film is used, the thickness is adjusted in a range of about 1 to 3 μm. At this time, in the case of using the above-described high quality and high photostable amorphous Si film, the film forming conditions are as follows: the plasma excitation frequency is 60 MHz, the thermal catalyst temperature is 1600 to 2000 ° C., and the H 2 / SiH 4 flow rate. When the ratio is 5 to 10, the substrate temperature is 200 to 250 ° C., the gas pressure is 133 to 200 Pa, the VHF power density is 0.1 to 0.3 W / cm 2 , and a crystalline Si film is used, The H 2 / SiH 4 flow rate ratio is 5 to 20, the gas pressure is 200 to 665 Pa, and the VHF power density is 0.2 to 0.5 W / cm 2 . By using such film forming conditions, the above-described high-quality and high-light-stable amorphous Si film or crystalline Si film can be formed at a high film forming speed of 2 nm / sec. Here, since the non-doped film usually shows a slight n-type characteristic, in this case, the non-doped film may be adjusted so as to be substantially i-type by slightly containing a p-type doping element. it can. In some cases, n - type or p - type may be used for the purpose of fine adjustment of the internal electric field strength distribution. Further, when the crystalline Si film is used for the photoactive layer 32b, the surface shape after the film formation as an aggregate of (110) -oriented columnar crystal grains is a spontaneous structure suitable for light confinement. It is desirable to have an uneven structure.

また、n型半導体層32cについては、非晶質系Si膜や結晶質系Si膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1×1021/cm程度として、実質的にはn型とする。なお製膜時に用いるSiH、H、およびドーピング用ガスであるPHなどのガスに加えてCHなどのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSi1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 For the n-type semiconductor layer 32c, an amorphous Si film or a crystalline Si film can be used. The film thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. The doping element concentration is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 and is substantially n + type. A Si x C 1-x film can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing C (carbon) such as CH 4 in addition to gases such as SiH 4 and H 2 used for film formation and PH 3 as a doping gas. Therefore, it is possible to form a film with little light absorption loss and to reduce dark current components for improving the open circuit voltage. In addition to C, the same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen).

なお、接合特性をより改善するために前記p型半導体層32aと光活性層32bの間や光活性層32bとn型半導体層32cの間に実質的にi型の非単結晶Si層をバッファー層として挿入してもよい(不図示)。このときの挿入層の厚さは0.5〜50nm程度とする。   In order to further improve the junction characteristics, a substantially i-type non-single-crystal Si layer is buffered between the p-type semiconductor layer 32a and the photoactive layer 32b or between the photoactive layer 32b and the n-type semiconductor layer 32c. It may be inserted as a layer (not shown). At this time, the thickness of the insertion layer is about 0.5 to 50 nm.

次に、裏電極たる第2の電極4として、金属膜を形成する。この金属膜材料としては、導電特性およびSi媒質中での光反射特性に優れるAg(銀)を用いることが望ましいが、それに準じた特性を期待でき、より安価な材料であるAl(アルミニウム)を用いることも可能である。もちろんAgとAlの積層体や、AgとAlを含んだ合金材料を用いてもよい。また、該第2の電極を2層構造として、半導体層側の第1層は前記AgあるいはAlを含んだ金属膜とし、該第1層上に積層される第2層は、Agよりも安価な金属材料層としてもよい。製膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スクリーン印刷法、メッキ法などの公知の技術を使用できる。このとき膜厚は、0.1μm程度以上とする。 Next, a metal film is formed as the second electrode 4 serving as the back electrode. As this metal film material, it is desirable to use Ag (silver) which is excellent in conductive characteristics and light reflection characteristics in the Si medium. However, Al (aluminum) which is a cheaper material can be expected, and characteristics equivalent thereto can be expected. It is also possible to use it. Of course, a laminate of Ag and Al or an alloy material containing Ag and Al may be used. Further, the second electrode 4 has a two-layer structure, the first layer on the semiconductor layer side is a metal film containing Ag or Al, and the second layer stacked on the first layer is more than Ag. An inexpensive metal material layer may be used. As the film forming method, known techniques such as vapor deposition, sputtering, ion plating, screen printing, and plating can be used. At this time, the film thickness is about 0.1 μm or more.

なお、該第2の電極4は、半導体層に接する面側から透明導電膜/金属膜の順に積層された構造(不図示)とすることがより好ましい。このように半導体層と金属膜の間に透明導電膜を挿入することによって、金属膜成分が半導体層中に拡散して素子特性を劣化させる現象を抑えることができる。また該透明導電膜形成表面に適当な凹凸構造をもたせれば光が有効に散乱されるようになるので太陽電池の効率向上に有効な光閉じ込め効果を増進させることができる。ここで該透明導電膜材料としては、上述したようにSnO、ITO、ZnOなどを用いることができ、製膜方法としては、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、スプレー法、およびゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。 It is more preferable that the second electrode 4 has a structure (not shown) in which a transparent conductive film / a metal film are stacked in this order from the side in contact with the semiconductor layer. Thus, by inserting the transparent conductive film between the semiconductor layer and the metal film, it is possible to suppress the phenomenon that the metal film component diffuses into the semiconductor layer and deteriorates the device characteristics. In addition, if an appropriate uneven structure is provided on the transparent conductive film forming surface, light is effectively scattered, so that the light confinement effect effective for improving the efficiency of the solar cell can be enhanced. Here, as the transparent conductive film material, SnO 2 , ITO, ZnO or the like can be used as described above, and as a film forming method, a CVD method, a vapor deposition method, an ion plating method, a sputtering method, a spray method, In addition, a known technique such as a sol-gel method can be used.

<素子特性>
以上によって作製された素子の特性(初期特性および光照射試験後の特性あるいは変化率)を表1および表2に従来例と比較して示す。ここで、光照射試験は、温度48±2℃のもとで、AM1.5の擬似太陽光(ソーラーシミュレーター光)を、100mW/cmの光照射強度にて連続200時間照射する条件で行なうものとする。また、光照射前の初期状態については、国際標準IEC1646に示されているアニーリング方法に従って実現することとする。また、表1における安定化効率とは、該光照射試験後に測定した効率のことであり、また、表2におけるJscは短絡電流密度、Vocは開放電圧、FFは曲線因子を示し、その変化率は{光照射試験後の値(安定化値)−光照射試験前の値(初期値)}/初期値で定義する。なお、本表に示した素子は、第2の半導体接合層32の光活性層32bを微結晶Si膜で形成した場合のものである。

Figure 0004780930
<Element characteristics>
The characteristics (initial characteristics and characteristics or rate of change after the light irradiation test) of the device manufactured as described above are shown in Tables 1 and 2 in comparison with the conventional example. Here, the light irradiation test is performed under the condition of irradiating AM1.5 simulated sunlight (solar simulator light) continuously for 200 hours at a light irradiation intensity of 100 mW / cm 2 at a temperature of 48 ± 2 ° C. Shall. Further, the initial state before light irradiation is realized according to the annealing method shown in the international standard IEC1646. The stabilization efficiency in Table 1 is the efficiency measured after the light irradiation test. In Table 2, Jsc is the short-circuit current density, Voc is the open circuit voltage, FF is the fill factor, and the rate of change thereof. Is defined as {value after light irradiation test (stabilized value) −value before light irradiation test (initial value)} / initial value. Note that the elements shown in this table are those in the case where the photoactive layer 32b of the second semiconductor junction layer 32 is formed of a microcrystalline Si film.
Figure 0004780930

表1〜表3からわかるように、本発明素子1〜4では、既述の高品質・高光安定性の非晶質Si膜を用いたので、高製膜速度で光活性層31bを形成したにもかかわらず高い初期変換効率を有しており、特に光劣化率については従来素子1,2よりも極めて低く、7.0%以下の値にまで大幅に低減された特性を示している。   As can be seen from Tables 1 to 3, in the present invention elements 1 to 4, since the above-described high-quality and high-light-stable amorphous Si film was used, the photoactive layer 31b was formed at a high film-forming speed. Nevertheless, it has a high initial conversion efficiency, and in particular, the light deterioration rate is extremely lower than those of the conventional elements 1 and 2, and the characteristic is greatly reduced to a value of 7.0% or less.

また開放電圧Vocについては、従来素子が光照射試験による初期Vocからの変化率がマイナスの値(劣化)を示しているのに対して、本発明素子では特徴的なことにその変化率はプラスの値を示している。このVoc特性は本発明素子が極めて低い光劣化率特性を示すことの重要な構成要素のひとつとなっており、物理的な理由は未だ明らかではないが、既述の高品質・高光安定性特性を示す非晶質系Si膜の膜物性に何らかの原因が求められるものと推測される。   As for the open circuit voltage Voc, the change rate from the initial Voc in the light irradiation test of the conventional element shows a negative value (deterioration), whereas the change rate of the present invention element is positive. The value of is shown. This Voc characteristic is one of the important components that the element of the present invention exhibits an extremely low light deterioration rate characteristic, and the physical reason is not yet clear, but the above-described high quality / high light stability characteristic. It is presumed that some cause is required for the film physical properties of the amorphous Si film.

また、曲線因子F.F.についても従来素子が初期F.F.からの変化率が−8%(劣化率8%)であるのに対して、本発明素子ではその変化率は−6%以下(劣化率6%以下)であり、従来素子に比べて大幅に低減した特性を示している。   Also, the fill factor F.I. F. As for the conventional element, the initial F. F. The change rate from -8% is -8% (deterioration rate 8%), whereas the change rate is -6% or less (deterioration rate 6% or less) in the element of the present invention. It shows reduced characteristics.

また同表より、ラマン散乱スペクトルのTOピーク強度に対するTAピーク強度の強度比が0.35以下、あるいはTOモードの半値幅が65cm−1以下である場合に、特に光劣化率が低減できていることがわかる。 In addition, from the same table, it can be seen that when the intensity ratio of the TA peak intensity to the TO peak intensity of the Raman scattering spectrum is 0.35 or less, or the half width of the TO mode is 65 cm −1 or less, the light deterioration rate can be reduced. Recognize.

なお、本実施形態例ではタンデム素子についての結果を示しているが、同じ製膜条件で形成した非晶質系Si膜を光活性層に用いたシングル接合型素子においても同様の光照射試験前後の特性動向を示すことを確認している。   Although the results of the tandem element are shown in the present embodiment, the same light irradiation test is performed before and after a single junction element using an amorphous Si film formed under the same film forming conditions as a photoactive layer. It is confirmed that it shows the trend of characteristics.

<光発電装置>
上述した光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段からの発電電力を負荷へ供給するように成した光発電装置とすることができる。すなわち、上述した光電変換装置を1以上(複数の光電変換装置の場合、これらを直列、並列または直並列に)接続したものを発電手段として用い(複数の光電変換装置の場合、これらを直列、並列または直並列に接続したものを発電手段として用い)、この発電手段から直接、直流負荷へ発電電力を供給するようにしてもよい。
<Photovoltaic generator>
The photoelectric conversion device described above can be used as a power generation unit, and a photovoltaic power generation device configured to supply the generated power from the power generation unit to a load can be obtained. That is, one or more of the above-described photoelectric conversion devices (in the case of a plurality of photoelectric conversion devices, these are connected in series, parallel or series-parallel) are used as power generation means (in the case of a plurality of photoelectric conversion devices, these are connected in series, A generator connected in parallel or in series and parallel may be used as the power generation means), and the generated power may be supplied directly from the power generation means to the DC load.

また、上述した発電手段の直流の発電電力をインバータなどの電力変換手段により発電電力を適当な交流電力に変換させるようにして、この変換した電力を商用電源系統や各種の電気機器などの交流負荷に供給することが可能な光発電装置を構成してもよい。   In addition, the DC power generated by the power generation means described above is converted into appropriate AC power by power conversion means such as an inverter, and the converted power is converted into an AC load such as a commercial power system or various electric devices. You may comprise the photovoltaic device which can be supplied to.

さらに、このような発電装置を日当たりのよい建物の屋根や壁等に設置するなどして、各種態様の太陽光発電システム等の光発電装置として利用することも可能である。   Furthermore, it is also possible to use such a power generation device as a photovoltaic power generation device such as a solar power generation system of various aspects by installing it on a roof or wall of a building with good sunlight.

<一般化>
以上の実施形態説明では、本発明の非晶質系Si膜を、半導体多層膜中に半導体接合が2つあるタンデム型の太陽電池に対して適用した例について説明したが、本発明の非晶質系Si膜は、半導体接合が1つであるシングル接合型の太陽電池(不図示)や、半導体接合が3つあるトリプル接合型の太陽電池(不図示)、さらにはそれ以上の数の半導体接合を有する多接合型の太陽電池(不図示)においても適用することができ、同様の効果を得ることができる。
<Generalization>
In the above description of the embodiment, an example in which the amorphous Si film of the present invention is applied to a tandem solar cell having two semiconductor junctions in a semiconductor multilayer film has been described. The crystalline Si film is a single-junction solar cell (not shown) having one semiconductor junction, a triple-junction solar cell (not shown) having three semiconductor junctions, or a larger number of semiconductors. The present invention can also be applied to a multi-junction solar cell (not shown) having a junction, and the same effect can be obtained.

また、半導体接合層pinが受光面側からpinの順で形成した太陽電池について説明したが、受光面側からnipの順で形成した太陽電池についても同様の効果が得られる。   Further, although the solar cell in which the semiconductor junction layer pin is formed in the order of pin from the light receiving surface side has been described, the same effect can be obtained also in the solar cell formed in the order of nip from the light receiving surface side.

また、光が基板側から入射するスーパーストレート型太陽電池について説明したが、光が半導体膜側から入射するサブストレート型太陽電池(不図示)に対しても同様の効果が得られる。なお、サブストレート型とした場合は、基板は透光性基板に限定されるものではなくステンレスなどの不透光性基板を用いてもよく、また第1の電極は金属材料とし、第2の電極は透光性材料とする。   Moreover, although the super straight type solar cell in which light is incident from the substrate side has been described, the same effect can be obtained for a substrate type solar cell (not shown) in which light is incident from the semiconductor film side. In the case of the substrate type, the substrate is not limited to the light-transmitting substrate, and a light-impermeable substrate such as stainless steel may be used, and the first electrode is made of a metal material, and the second electrode The electrode is made of a translucent material.

また、本発明の非晶質系Si膜を、PECVD法の一種であるCat−PECVD法を用いて形成した場合について述べたが、製法はこれに限るものではなく、製膜条件を調節することによる従来のPECVD法での形成可能性を排除するものではない。また同じく製膜条件を調節することによるCat−CVD法(触媒CVD法)等に代表されるPECVD法以外のCVD法での形成可能性を排除するものではない。   Moreover, although the case where the amorphous Si film of the present invention was formed using the Cat-PECVD method which is a kind of PECVD method has been described, the manufacturing method is not limited to this, and the film forming conditions are adjusted. This does not exclude the possibility of formation by the conventional PECVD method. Similarly, the possibility of formation by a CVD method other than the PECVD method represented by the Cat-CVD method (catalytic CVD method) by adjusting the film forming conditions is not excluded.

さらに、本発明の非晶質系Si膜は、太陽電池以外にも、フォトダイオード、フォトトランジスタ、光センサ等の光電変換装置一般に適用可能である。   Furthermore, the amorphous Si film of the present invention can be applied to general photoelectric conversion devices such as photodiodes, phototransistors, and optical sensors in addition to solar cells.

<まとめ>
以上説明したように、本発明の光電変換装置の製造方法によれば、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比ITA/ITOが0.35以下、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が64〜65cm −1 以下、Si−H結合状態の存在密度とSi−H 結合状態の存在密度との和に対するSi−
H結合状態の存在密度の比が0.95以上、かつ前記ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が30%以下であり、結晶シリコン粒を含む場合、その最大粒径は5nm以下である非晶質系シリコンからなる半導体薄膜を光活性部として含んだ半導体多層膜を備えた光電変換装置の前記半導体多層膜に対して、疑似太陽光を用いた光照射強度100mW/cm、光照射時間200時間、および40〜50℃の温度Tに対しT±2℃の条件で行なった光照射処理により、この光照射処理前後における光電変換効率の劣化率が7%以下であり、かつ前記光照射処理後の開放電圧が前記光照射処理前の開放電圧より高いので、従来の非晶質系Si膜に比べてSROが大幅に改善された高品質かつ高光安定性を有した非晶質系Si膜を有した高効率で光劣化率が大幅に低減された太陽電池に代表される光電変換装置を提供できる。
<Summary>
As described above, according to the manufacturing method of a photoelectric conversion device of the present invention, at least silicon and containing hydrogen, scattering peak intensity of TA mode for scattering peak intensity I TO the TO mode obtained by Raman scattering spectrum I TA ratio I TA / I TO is 0.35 or less, half-width of scattering peak of TO mode obtained by Raman scattering spectrum is 64 to 65 cm −1 or less, existence density of Si—H bonded state and Si—H 2 bonded state Si- for the sum of abundance density
When the ratio of the density of H-bonded states is 0.95 or more, the crystallization rate defined by the Raman scattering spectrum is 30% or less, and the crystalline silicon grains are included, the maximum grain size is 5 nm or less. For the semiconductor multilayer film of the photoelectric conversion device provided with the semiconductor multilayer film including a semiconductor thin film made of crystalline silicon as a photoactive part, the light irradiation intensity using pseudo sunlight is 100 mW / cm 2 , the light irradiation time The light irradiation treatment performed under the condition of T ± 2 ° C. for 200 hours and a temperature T of 40 to 50 ° C. has a deterioration rate of photoelectric conversion efficiency of 7% or less before and after the light irradiation treatment, and the light irradiation Since the open-circuit voltage after the treatment is higher than the open-circuit voltage before the light irradiation treatment, the amorphous Si having a high quality and high light stability in which the SRO is greatly improved as compared with the conventional amorphous Si film. High efficiency light with film Rate can be provided a photoelectric conversion equipment typified by significantly reduced solar cells.

また、本発明の光電変換装置によれば、非晶質系Si半導体薄膜中の、Si−H結合状態の存在密度とSi−H結合状態の存在密度との和に対するSi−H結合状態の存在密度の比が0.95以上であるので、従来の非晶質系Si膜に比べてよりいっそうSROが改善された高品質かつ高光安定性を有した非晶質系Si膜とすることができ、このような非晶質系Si膜を用いた優れた特性の光電変換装置を実現することができる。 Further, according to the photoelectric conversion device of the present invention, the Si—H bonding state relative to the sum of the existence density of the Si—H bonding state and the existence density of the Si—H 2 bonding state in the amorphous Si semiconductor thin film. Since the ratio of abundance density is 0.95 or more, it can be an amorphous Si film having high quality and high photostability with further improved SRO compared to the conventional amorphous Si film, A photoelectric conversion device having excellent characteristics using such an amorphous Si film can be realized.

さらに、本発明の光発電装置によれば、上記光電変換装置を発電手段として用い、発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことより、高効率の光発電装置を提供することができる。   Furthermore, according to the photovoltaic device of the present invention, since the photoelectric conversion device is used as a power generation means and the generated power of the power generation means is supplied to a load, it is possible to provide a highly efficient photovoltaic power generation device. it can.

本発明の光電変換装置の実施形態を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining embodiment of the photoelectric conversion apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:基板
2:第1の電極
3:半導体多層膜
31:第1の半導体接合層
31a:p型半導体層
31b:光活性層
31c:n型半導体層
32:第2の半導体接合層
32a:p型半導体層
32b:光活性層
32c:n型半導体層
4:第2の電極
1: Substrate 2: First electrode 3: Semiconductor multilayer film
31: First semiconductor junction layer
31a: p-type semiconductor layer
31b: Photoactive layer
31c: n-type semiconductor layer
32: Second semiconductor junction layer
32a: p-type semiconductor layer
32b: Photoactive layer
32c: n-type semiconductor layer 4: second electrode

Claims (1)

少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度に対するTAモードの散乱ピーク強度の比が0.35以下、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が64〜65cm −1 以下、Si−H結合状態の存在密度とSi−H 結合状態の存在密度との和に対するSi−H結合状態の存在密度の比が0.95以上、かつ前記ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が30%以下であり、結晶シリコン粒を含む場合、その最大粒径は5nm以下である非晶質系シリコンからなる半導体薄膜を光活性部として含んだ半導体多層膜を備えた光電変換装置の前記半導体多層膜に対して、疑似太陽光を用いた光照射強度100mW/cm、光照射時間200時間、および40〜50℃の温度Tに対しT±2℃の条件で光照射処理を行うことを特徴とする光電変換装置の製造方法。 The ratio of the TA mode scattering peak intensity to the TO mode scattering peak intensity obtained by the Raman scattering spectrum is 0.35 or less , and the half width of the TO mode scattering peak obtained by the Raman scattering spectrum is at least 0.35. 64 to 65 cm −1 or less, the ratio of the existence density of the Si—H bond state to the sum of the existence density of the Si—H bond state and the existence density of the Si—H 2 bond state is 0.95 or more, and the Raman scattering spectrum When the crystallinity defined by is 30% or less and includes crystalline silicon grains, a semiconductor multilayer film including a semiconductor thin film made of amorphous silicon having a maximum grain size of 5 nm or less as a photoactive portion is provided. A light irradiation intensity of 100 mW / cm 2 using pseudo sunlight and a light irradiation time of 2 for the semiconductor multilayer film of the photoelectric conversion device provided 00 hours, and a manufacturing method of a photoelectric conversion device comprising a TURMERIC line light irradiation treatment with T ± 2 ° C. conditions with temperature T of 40 to 50 ° C..
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