JPH04225282A - 太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

太陽電池およびその製造方法

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JPH04225282A
JPH04225282A JP2413874A JP41387490A JPH04225282A JP H04225282 A JPH04225282 A JP H04225282A JP 2413874 A JP2413874 A JP 2413874A JP 41387490 A JP41387490 A JP 41387490A JP H04225282 A JPH04225282 A JP H04225282A
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彰志 西田
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は太陽電池およびその製造
方法に関し、特にエネルギー変換効率が良好な太陽電池
およびその製造方法に関する。 【0002】 【従来の技術】各種機器において、駆動エネルギー源と
して太陽電池が利用されている。 【0003】太陽電池は機能部分にpn接合を用いてお
り、該pn接合を構成する半導体としては一般にシリコ
ンが用いられている。光エネルギーを起電力に変換する
効率の点からは、単結晶シリコンを用いるのが好ましい
が、大面積化および低コスト化の点からはアモルファス
シリコンが有利とされている。 【0004】近年においては、アモルファスシリコンな
みの低コストと単結晶シリコンなみの高エネルギー変換
効率とを得る目的で多結晶シリコンの使用が検討されて
いる。ところが、従来提案されている方法では塊状の多
結晶をスライスして板状体としこれを用いていたために
厚さを0.3mm 以下にすることは困難であり、従っ
て光量を十分に吸収するのに必要以上の厚さとなり、こ
の点で材料の有効利用が十分ではなかった。即ちコスト
を下げるためには十分な薄型化が必要である。 【0005】そこで、化学的気相成長法(CVD)等の
薄膜形成技術を用いて多結晶シリコンの薄膜を形成する
試みがなされているが、結晶粒径がせいぜい百分の数ミ
クロン程度にしかならず、塊状多結晶シリコンスライス
法の場合に比べてもエネルギー変換効率が低い。 【0006】また、上記CVD法により形成した多結晶
シリコン薄膜にPなどの不純物原子をイオン打ち込みに
より導入して過飽和状態にした後高温でアニールするこ
とにより、結晶粒径を膜厚の10倍以上にも拡大させる
いわゆる異常粒成長技術が報告されている(Yasuo
 Wada and Shigeru Nishima
tsu ,Journal of Electroch
emical Society,Solid Stat
e Science and Technology,
125 (1978)1499)。しかしこの方法では
導入する不純物濃度が高すぎて光電流を発生させる活性
層に用いることが出来ない。 【0007】さらに、多結晶シリコン薄膜にレーザ光を
照射し溶融再結晶化させて結晶粒径を大きくするという
試みもなされているが、低コスト化が十分でなく、また
安定した製造も困難である。 【0008】このような事情はシリコンのみならず、化
合物半導体においても共通な問題となっている。 【0009】これに対し、特開昭63−182872号
公報に開示されている方法、すなわち、太陽電池の製造
方法において、基体表面上に該基体表面の材料よりも核
形成密度が十分に大きく且つ結晶成長後単結晶となる単
一の核だけが成長する程度に十分微細な異種材料(核形
成面を構成する)を設け、次いで堆積により該異種材料
に核を形成させ該核によって結晶を成長させる工程を含
んで上記基体表面上に第1の導電型の半導体の実質的単
結晶層を形成し、該単結晶層の上方に第2の導電型の半
導体の実質的単結晶層を形成することを特徴とする太陽
電池の製造方法により薄型で結晶粒径の十分大きい、良
好なエネルギー変換効率を有する太陽電池が得られるこ
とが示された。 【0010】 【発明が解決しようとしている課題】上述の方法におい
て核形成面となる微細な異種材料から形成される核によ
って成長した単結晶体が互いに接する時に結晶粒界(以
下粒界と略記する)が形成される。 【0011】一般に、多結晶半導体では、様々な結晶方
位をもった多数の単結晶粒子同士が多数の粒界を形成し
ており、粒界には未結合手を持つ原子が有る。このため
に禁制帯中に欠陥準位が形成されている。半導体デバイ
スの特性は作製される半導体層の欠陥密度と密接に関係
しているが粒界には前述した様に欠陥準位が多数形成さ
れているとともに不純物等が析出しやすくなっているた
め、これらによりデバイス特性の低下をもたらしてしま
う。よって多結晶半導体では粒界の制御によりデバイス
特性が大きく左右されると考えられている。即ち、多結
晶を半導体層に用いた半導体デバイスの特性を向上させ
るには半導体層中に存在する粒界の量を低減させること
が効果的である。上述の方法は粒径を拡大させることで
粒界の量を減らすことを目的としている。しかしながら
、上述の方法ではコストの低減を目的として基体として
金属を用いた場合、この基体金属原子が成長中に結晶の
中や粒界に取り込まれてしまい、デバイス特性および再
現性に悪影響を及ぼしてしまうといった解決すべき課題
があった。 【0012】 【発明の目的】本発明は、上記従来技術の持つ課題を解
決し、粒径が大きくかつ良質な多結晶太陽電池およびそ
の製造方法を提供するものである。 【0013】本発明の目的は金属基体を用い、しかも大
粒径の多結晶半導体層を成長させることにより安価な太
陽電池を提供することにある。また本発明の他の目的は
小粒径多結晶半導体層を種結晶としてその上に大粒径多
結晶半導体層を形成することにより、粒界での欠陥準位
密度を減らして、高品質な太陽電池を提供することにあ
る。 【0014】 【課題を解決するための手段】本発明は、上述の従来技
術における課題を解決し、上記の目的を達成すべく本発
明者らによる鋭意研究の結果完成に至ったものであり、
特性の良好な薄型多結晶太陽電池およびその製造方法に
係わるものである。 【0015】すなわち、本発明の太陽電池は、金属基体
上に該金属基体との電気的接触を保つ第1の半導体層と
、光電流を発生し第1の半導体層より大きな結晶粒を有
す第2の半導体層と、を備え、前記第1の半導体層と前
記第2の半導体層との間に絶縁層を有すとともに、前記
金属基体と前記第1の半導体層との間に金属−半導体の
中間層を有することを特徴とする太陽電池である。 【0016】また本発明の太陽電池の製造方法は、金属
基体上に多結晶半導体層を堆積させる工程と、前記多結
晶半導体層に高濃度の不純物原子を導入して過飽和状態
にする工程と、前記多結晶半導体層の表面に絶縁層を形
成する工程と、アニールすることにより前記多結晶半導
体層内に異常粒成長を生じさせかつ前記金属基体と多結
晶半導体層との間に金属−半導体の中間層を形成する工
程と、 前記絶縁層に微小の開口部を設けて多結晶半導
体表面を露出させる工程と、選択的エピタキシャル成長
法および横方向成長法により前記微小開口部から結晶成
長を行う工程と、を含むことを特徴とする太陽電池の製
造方法である。 【0017】なお、以下の説明においては、本発明に用
いる半導体材料として、シリコンを取り上げて説明する
が、本発明はシリコンに限定されるものではない。 【0018】本発明の主要な技術は■  図2,3に示
されるように金属基板201上に堆積された多結晶シリ
コン202に対しPなどの不純物原子をイオン打ち込み
または熱拡散等により導入して過飽和状態にし、アニー
ルすることでオーミックコンタクト層となる金属−シリ
コンの中間層を形成するとともに、多結晶シリコン中の
結晶粒径を異常粒成長を行なわせて小粒径である第1の
多結晶シリコン層とすること(ただし図2においては結
晶粒界を省略している。)、■  次に図4,5,6に
示すように異常粒成長させた小粒径多結晶シリコン層の
表面に酸化膜(SiO2)などの絶縁層304を形成し
、絶縁層304の表面に周期的に微小な開口部を設けて
シリコン表面を露出し、それぞれ絶縁層304を非核形
成面とし、シリコン部を核形成面とすること、■  こ
れらの非核形成面と核形成面とに対して選択的エピタキ
シャル成長および横方向成長を行い、大きさ(粒径)の
揃った単結晶体を成長し大粒径である第2の多結晶シリ
コン薄膜層を形成することである。  【0019】ここで選択的エピタキシャル成長法の一般
的な原理について簡単に説明する。選択的エピタキシャ
ル成長法とは、気相成長法を用いてエピタキシャル成長
を行う場合に、図7,8に示されるように、シリコンウ
エハ401上に形成された酸化膜などの絶縁層上では核
形成が起きないような条件で絶縁層402に設けられた
開口部403内の露出したシリコン表面を種結晶として
この開口部内のみでエピタキシャル成長を行う選択的結
晶成長法である。開口部403を埋めたエピタキシャル
層がさらに成長を続けた場合には結晶層は縦方向の成長
を続けながら絶縁層の表面に沿って横方向にも成長して
いく。これが横方向成長法(EpitaxialLat
eral Overgrowth)と呼ばれるもので、
この時の縦方向対横方向の成長比やファセットの出現は
一般に形成条件や絶縁層の厚さに依存する。 【0020】本発明者らは幾多の実験を重ねることによ
り、開口部の大きさを数μm以下の微小な領域とするこ
とにより、絶縁層の厚さに関係なく縦方向対横方向の成
長比がほぼ1で三次元的に絶縁層上で結晶成長していく
こと、明瞭なファセットが現れて山型の単結晶体404
が得られることを見い出した(図9,10)。 【0021】また本発明者らはさらに実験を重ねること
により、シリコンウエハの代わりに多結晶シリコンを用
いても結晶粒径(平均結晶粒径)がある大きさ以上であ
れば上述と同様な方法により山型の単結晶体が得られる
ことを見い出した。 【0022】また本発明者らはさらに実験を行い、金属
基板上に堆積した第1の多結晶シリコン層の膜厚を適当
に選ぶことで第1の多結晶シリコン上に成長させた第2
の多結晶シリコン層に基板からの金属原子が混入するこ
とが阻止できること、アニールにより異常粒成長を行う
過程で同時に金属基板−第1の多結晶シリコン層界面で
シリサイド等の中間層が形成され良好なオーミック接触
が得られることおよび第1の多結晶シリコンとその上に
成長させた第2の多結晶との間に絶縁層が介在すること
により第1の多結晶シリコン中に高濃度にドーピングさ
れた不純物原子が成長している第2の多結晶層中への拡
散が抑えられることを見い出し、本発明の完成に至った
。以下に本発明者らの行った実験について詳述する。 【0023】(実験1)  選択結晶成長図7に示すよ
うに、500μm厚の(100)シリコンウエハ401
の表面に絶縁層402として熱酸化膜1000Å形成し
、フォトリソグラフィーを用いてエッチングを行い、図
11に示すような配置で一辺がaであるような正方形の
開口部403をb=50μmの間隔で設けた。 ここでaの値として1.2 μm、2μm、4μmの3
種類の開口部を設けた。次に図20に示すような通常の
減圧CVD装置(LPCVD 装置)を用いて選択的結
晶成長を行った。 【0024】図20において、701はガス供給系、7
02はヒーター、703は石英反応管、704は基板、
705はサセプタである。原料ガスにはSiH2Cl2
 を用い、キャリアガスとしてH2 を、さらに絶縁層
402の酸化膜上での核の発生を抑制するためにHCl
を添加した。この時の成長条件を表1に示す。 【0025】表  1   成長終了後、ウエハ表面の様子を光学顕微鏡で観察
したところ、図9あるいは図12に示すように、どのa
の値に対しても粒径が約20μmの山型ファセットを有
する単結晶体404が50μm間隔で格子点上に規則正
しく配列しており、図11で決められた開口部403の
パターンに従って選択結晶成長が行われていることが確
かめられた。このとき、開口部に対して成長した結晶が
占める割合はどのaの値に対しても100%であった。 また、成長した単結晶体の中で表面のファセットがくず
れないで明確に出ているものの割合(ファセット率)は
aの値に依存し、表2に示すようにaが小さい程くずれ
ている割合は少ない。 【0026】表  2   得られた単結晶体は全て互いに方位が揃っており、
基板であるシリコンウエハの結晶方位を正確に受け継い
でいることがわかった。 【0027】(実験2)  金属基板上の多結晶シリコ
ン中の異常粒成長 基体として厚さ0.8mm のクロム基板上にタングス
テン(W)を1000Å真空蒸着しその上に通常のLP
CVD 装置によりSiH4を630℃で熱分解して0
.4 μm多結晶シリコンを堆積させた。このときの多
結晶シリコンの結晶粒径はX線回折で調べたところ約8
0Åであった。 【0028】次にこの多結晶シリコンの表面にイオン打
ち込みによりPを加速電圧50KV、ドーズ量3.2 
×1016cm−2の条件で打ち込み不純物濃度を8×
1020cm−3とした。 【0029】このような金属基板上の多結晶シリコン膜
に対してアニール温度を変えたときの結晶粒径の変化を
調べた。なおアニール時間は3時間一定とした。 【0030】アニール後に高分解能走査型電子顕微鏡お
よびECC (Electron Channelin
g Contrast)法により多結晶シリコン膜中の
結晶粒径を調べたところ、図28に示すようにアニール
温度の増加とともに結晶粒径の大幅な増大が見られ、1
000℃で平均約3μmの結晶粒径が得られた。さらに
ECP (Electron Channeling 
Pattern )法で各々の結晶方位を調べたところ
、主に(110)方向に配向していることが分かった。 【0031】また、アニール後の金属基板/多結晶シリ
コン界面付近の組成分析を行なったところ、界面ではW
とSiが反応してシリサイドが形成されていることが分
かった。このときのシリサイドの組成は大部分がWSi
2であった。 【0032】(実験3)  金属基板/多結晶シリコン
層上への選択的結晶成長 金属基板上に、実験2と同様な方法で多結晶シリコン層
を形成し、その多結晶シリコン層を用いて選択的結晶成
長の実験を行なった。 【0033】形成した第1の多結晶シリコン層の表面に
実験1と同様の方法で絶縁層としての熱酸化膜を約10
00Å形成し、フォトリソグラフィーを用いてエッチン
グを行い、一辺がa=1.2 μmであるような正方形
の開口部をb=50μmの間隔で格子点状に設け、第1
の多結晶シリコンの表面を露出させた。 【0034】次いで、図20に示す様な通常のLPCV
D 装置を用いて表1に示す成長条件で選択的結晶成長
を行なった。成長終了後、第1の多結晶シリコン層/酸
化膜表面の様子を光学顕微鏡で観察したところ、実験1
と同様に粒径が約20μmの山型ファセットを有する単
結晶体あるいは一部多結晶体が50μm間隔で格子点上
に規則正しく配列している様子が見られ、選択的結晶成
長が行なわれていることが確認された。このとき、開口
部に対して成長した結晶が占める割合は100%であっ
た。また、成長で得られた全結晶中に対して単結晶が占
める割合は約89%であった。 【0035】得られた単結晶体について微小X線回折に
より配向の様子を調べたところ、ほとんど(110)方
向に配向していた。これは各単結晶体は開口部を通して
それぞれの種結晶である第1の多結晶シリコン層の結晶
粒の方位を正確に受け継いでおり、これらの結晶粒の方
位は実験3で示したように主に(110)であるためで
ある。 【0036】(実験4)  連続膜の形成実験3に引き
続いて、さらに成長時間を90minと長くして選択的
結晶成長を行なった。成長終了後実験3と同様に多結晶
シリコン層/酸化膜表面を光学顕微鏡で観察したところ
、結晶体は隣接するもの同士が完全に接触しており、基
板上方から見てほぼマス目状に整然と並んだ単結晶体あ
るいは一部多結晶体の集合からなる第1の多結晶層の結
晶より大粒径(約50μm)の第2の多結晶層(連続膜
)が得られていることが確かめられた。このときの連続
膜の高さは酸化膜上から約40μmであった。 【0037】また、連続膜形成後に膜の表面を研磨によ
り酸化層から数μmのところまで削り、その後2次質量
イオン分析により表面から酸化層までのPの濃度プロフ
ァイルを測定し、高濃度にドープされた多結晶シリコン
層からの不純物原子の成長結晶層への拡散の様子を調べ
た。 【0038】その結果、酸化層が介在するためにPは第
2の多結晶層へはほとんど拡散しておらず、遷移領域は
わずか2000Å程度であった。さらに、基板側からの
金属原子の成長層への混入についてもドープされた第1
の多結晶シリコン層が間に有るために第2の多結晶シリ
コン層内では金属原子は検出されなかった。 【0039】(実験5)  太陽電池の形成実験4で得
られた大粒径である第2の多結晶シリコンの表面にイオ
ン打ち込みによりBを20KeV,1×1015cm−
2の条件で打ち込み、800℃,30minでアニール
してp+ 層を形成した。このようにして作製したp+
 /大粒径である第2の多結晶シリコン/SiO2 /
小粒径である第1の多結晶シリコン(n+ )/Cr構
造の太陽電池についてAM1.5 (100mW/cm
2)光照射下でのI−V特性について測定を行ったとこ
ろ、セル面積0.16cm2 で開放電圧0.40V、
短絡光電流25mA/cm2 、曲線因子0.68とな
り、変換効率6.8 %を得た。このように、金属基板
上に形成した大粒径である第2の多結晶シリコン薄膜を
用いて良好な太陽電池が形成可能であることが示された
。 【0040】以上述べた実験結果に基づいて完成に至っ
た本発明は前述した様に、金属基板上に光電流を発生す
る第2の多結晶シリコン層と該金属基板との電気的接触
を保つ第1の多結晶シリコン層とを備え、該第2のシリ
コン層と該第1のシリコン層との間には絶縁層を、かつ
該金属基板と小粒シリコン層との間には金属−シリコン
の中間層を有することを特徴とするシリコン多結晶太陽
電池およびその製造方法に係わるものである。 【0041】図1に本発明の太陽電池の構成について示
す。金属基板101上に金属−シリコン中間層102、
高濃度にドープされた小粒径である第1の多結晶シリコ
ン層(n+ またはp+ 層)103、絶縁層104、
第1の多結晶シリコン層の結晶粒径より大粒径である第
2の多結晶シリコン層105が積層されており、第2の
多結晶シリコン層105の表面にはp+ またはn+ 
層106が形成されている。 【0042】p+ またはn+ 層106の上には反射
防止膜を兼ねた透明電極107と集電電極108が備え
られている。本発明の太陽電池に使用される金属基板材
料としては導電性が良好でシリコンとシリサイド等の化
合物を形成する任意の金属が用いられ、代表的なものと
してW,Mo,Cr等が挙げられる。もちろん、それ以
外であっても表面に上述の性質を有する金属が付着して
いるものであれば何でもよく、従って金属以外の安価な
基板も使用可能である。小粒径である第1の多結晶シリ
コン層103の粒径としては絶縁層104に設けられる
微小開口部の寸法(a=1〜5μm)との兼ね合いから
1〜20μmとするのが適当であり、1.5 〜10μ
mとするのが好ましい。絶縁層104の厚さについては
特に規定はないが、200Å〜1μmの範囲とするのが
適当である。また大粒径である第2の多結晶シリコン層
105の粒径および膜厚については太陽電池の特性上の
要求とプロセスの制約から、それぞれ20〜500μm
が適当であり、好ましくはそれぞれ30〜500μmが
望ましい。尚ここでいう大粒径、小粒径の結晶とは第1
の多結晶層と第2の多結晶層とを比較した結晶粒の大き
さのことを示している。また、p+ またはn+ 層1
06の厚さとしては導入される不純物の量にもよるが0
.05〜1μmの範囲とするのが適当であり、好ましく
は0.1 〜0.5 μmとするのが望ましい。 【0043】次に図1に示す本発明の太陽電池の製造方
法について図21〜図27の製造工程図のプロセスに従
って述べる。まず、金属基板801上にLPCVD 装
置等で多結晶シリコン層802(但し図中では粒界を略
して示している。)を堆積させる。このとき堆積時にド
ーピングするか、または堆積後にイオン打ち込みあるい
は熱拡散により高濃度の不純物原子(例えばn型ならば
P,P型ならばB)を導入して過飽和状態にする(図2
1)。 【0044】次に第1の多結晶シリコン層802の表面
に絶縁層(例えば熱酸化あるいは常圧CVD法による酸
化膜)803を形成する(図22)。800〜1100
℃でアニールして多結晶シリコン層802内に異常粒成
長を生じさせ第1の多結晶シリコン層802とし、また
金属基板801と第1の多結晶シリコン層802との間
に金属−シリコンの中間層(シリサイドあるいは化合物
)804を形成する(図23)。絶縁層803に周期的
に微小の開口部805を設けて第1の多結晶シリコン層
表面を露出させ(図24)、選択的エピタキシャル成長
法および横方向成長法により微小開口部805から結晶
成長を行って大粒径シリコンを成長させ連続膜である第
2の多結晶シリコン層806を得る(図25)。イオン
打ち込み、あるいは不純物拡散等により成長結晶表面に
p+ またはn+ 層807を形成し(図26)、最後
に透明導電膜808/集電電極809を設ける(図27
)。 【0045】金属基板上に多結晶シリコンを堆積させる
方法としては、LPCVD 法、プラズマCVD法、蒸
着法、スパッタ法等何でもよいが一般的にはLPCVD
 法が用いられる。第1の多結晶シリコン層の厚さは、
成長させる異常粒の大きさや基板からの金属原子の拡散
の抑制等の要因によって決められるが、概ね0.1 〜
1.0 μmの範囲が適当である。 【0046】また、基板上に形成する多結晶シリコンは
これに替えてアモルファスシリコン(a−Si)、微結
晶シリコン(μc−Si)等の非晶質相を含むシリコン
層を用いてもよく、この層に不純物を導入して過飽和状
態とすることにより同様に異常粒を成長させ第1の多結
晶シリコン層とすることができる。 【0047】また上記の第1の多結晶シリコンまたはa
−Si,μc−Si等のシリコンに対して異常粒成長を
行なわせる目的で導入される不純物としてはn型ではP
,As,Sn等が、p型ではB,Al等が選ばれる。 導入される不純物量としては所望の異常粒の大きさおよ
びアニール処理条件によって適宜決められるが概ね4×
1020cm−3以上である。 【0048】金属基板と多結晶シリコン層との間のオー
ミックコンタクトを形成する金属−シリコンの中間層を
形成するためのアニール温度は、異常粒を形成するため
のアニール温度よりも低いため、前述したように異常粒
を形成するためのアニールと同時に形成することによっ
て工程の簡略化が図れるが別の工程として行ってもよい
ことは言うまでもない。 【0049】本発明の太陽電池において、多結晶シリコ
ンまたはa−Si,μc−Si等のシリコン層の上に形
成される絶縁層としては、選択結晶成長中に核発生を抑
制する点からその表面での核形成密度がシリコンのそれ
に比べてかなり小さいような材質が用いられる。例えば
、SiO2,Si3N4 等が代表的なものとして使用
される。 本発明において上述の異常粒成長させた多結晶シリコン
を種結晶として大粒径シリコン層を成長させる目的で用
いられる選択的結晶成長を行なう手法としてはLPCV
D 法、プラズマCVD法、光CVD法等があるが一般
的にはLPCVD 法が用いられる。 【0050】本発明に使用される選択的結晶成長用の原
料ガスとしてはSiH2Cl2 ,SiCl4 ,Si
HCl3,SiH4,Si2H6 ,SiH2F2,S
i2F6 等のシラン類およびハロゲン化シラン類が代
表的なものとして挙げられる。またキャリアガスとして
、あるいは結晶成長を促進させる還元雰囲気を得る目的
で前記の原料ガスに加えてH2 が添加される。 前記原料ガスと水素との導入量の割合は形成方法および
原料ガスの種類や絶縁層の材質、さらに形成条件により
適宜所望に従って決められるが、好ましくは1:10以
上、1:1000以下が適当であり、より好ましくは1
:20以上、1:800以下とするのが望ましい。 【0051】本発明において、絶縁層上での核の発生を
抑制する目的でHClが用いられるが、原料ガスに対す
るHClの添加量は形成方法および原料ガスの種類や絶
縁層の材質、さらに形成条件により適宜所望に従って決
められるが、概ね1:0.1 以上、1:100以下が
適当であり、より好ましくは1:0.2 以上、1:8
0以下とされるのが望ましい。 【0052】本発明において選択的結晶成長が行われる
温度および圧力としては、形成方法および使用する原料
ガスの種類、原料ガスとH2 およびHClとの流量比
等の形成条件によって異なるが、温度については例えば
通常のLPCVD 法では概ね600℃以上1250℃
以下が適当であり、より好ましくは650℃以上120
0℃以下に制御されるのが望ましい。またプラズマCV
D法等の低温プロセスでは概ね200℃以上600℃以
下が適当であり、より好ましくは200℃以上500℃
以下に制御されるのが望ましい。 【0053】同様に圧力については概ね10−2Tor
r〜760Torrが適当であり、より好ましくは10
−1Torr〜760Torrの範囲が望ましい。 【0054】選択的結晶成長法としてプラズマCVD法
等の低温プロセスを用いる場合には基板に付与される熱
エネルギー以外に原料ガスの分解または基板表面での結
晶成長促進の目的で補助エネルギーが付与される。例え
ばプラズマCVD法の場合には一般に高周波エネルギー
が用いられ、光CVD法の場合には紫外光エネルギーが
用いられる。補助エネルギーの強度としては形成方法お
よび形成条件によって異なるが、高周波エネルギーにつ
いては高周波放電パワー20〜100W、紫外光エネル
ギーにおいてはエネルギー密度20〜500mW/cm
2 といった値が適当であり、より好ましくは高周波放
電パワー30〜100W、紫外光エネルギー密度20〜
400mW/cm2 とするのが望ましい。 【0055】また本発明の方法により形成される多結晶
薄膜は結晶成長中、あるいは成長後に不純物元素でドー
ピングして接合を形成することが可能である。使用する
不純物元素としては、p型不純物として、周期律表第I
II 族Aの元素、例えばB,Al,Ga,In等が好
適なものとして挙げられ、n型不純物としては、周期律
表第V族Aの元素、例えばP,As,Sb,Bi等が好
適なものとして挙げられるが、特にB,Ga,P,Sb
等が最適である。ドーピングされる不純物の量は、所望
される電気的特性に応じて適宜決定される。 【0056】かかる不純物元素を成分として含む物質(
不純物導入用物質)としては、常温常圧でガス状態であ
るか、または適宜の気化装置で容易に気化し得る化合物
を選択するのが好ましい。この様な化合物としては、P
H3 ,P2H4,PF3 ,PF5 ,PCl3,A
sH3,AsF3,AsF5,AsCl3 ,SbH3
,SbF5,BF3 ,BCl3,BBr3,B2H6
,B4H10 ,B5H9,B5H11 ,B6H10
 ,B6H12 ,AlCl3 等を挙げることができ
る。不純物元素を含む化合物は、1種用いても2種以上
併用してもよい。 【0057】本発明の太陽電池の製造法に用いられる選
択的結晶成長法を行う際に絶縁層に設けられる開口部の
形状については特に規定はないが、正方形、円などが代
表的なものとして挙げられる。開口部の大きさとしては
、成長する山型単結晶体のファセットは実験1で示した
ように開口部が大きくなるにつれて崩れていく、すなわ
ち結晶性が悪くなる傾向があり、ファセットの崩れを抑
えるために数μm以下とするのが望ましい。現実的には
フォトリソグラフィーのパターン精度に依るため、形状
が正方形とした場合に、aは1μm以上5μm以下が適
当となる。また、開口部の設けられる間隔bとしては、
成長させる種結晶の大きさを考慮して10μm以上50
0μm以内とするのが適当である。 【0058】また本発明の太陽電池の型については特に
限定はなく、前述の実験例や後述の実施例で示すように
、ショットキー型、MlS型、pn接合型、pin接合
型、ヘテロ接合型、タンデム型等あらゆる構造について
適用できる。 【0059】 【実施例】以下、本発明を実施して所望の太陽電池を形
成するところをより詳細に説明するが、本発明はこれら
の実施例に何ら限定されるものではない。 【0060】(実施例1)前述したように、実験2〜5
と同様にして図1に示したような金属基板上の大粒径多
結晶シリコンpin型太陽電池を作製した。図21〜図
27にその作製プロセスを示す。基体としての金属基板
には厚さ0.9mm のMo板を用いた。この上に図2
0に示すLPCVD 装置を用いてSiH4を630℃
で熱分解して0.4 μm多結晶シリコンを堆積させた
。 【0061】次にこの多結晶シリコンの表面にリンガラ
スを堆積させて不純物拡散を行なった。リンガラスの堆
積条件を表3に示す。リンガラス堆積直後に温度を95
0℃のままにしてN2 雰囲気中で5分間ドライブした
。 このとき多結晶シリコン中に導入されたPの量は約6×
1020cm−3であった。 【0062】不純物拡散が終了した後にHF:H2O 
=1 :10のHF水溶液でリンガラスを除去し、熱酸
化により多結晶シリコンの表面にSiO2層を1000
Å形成した。次に1000℃4時間の条件でアニール処
理を行い、異常粒成長をさせた。これにより結晶粒径は
約3μmである第1の多結晶シリコン層を得た。 【0063】表  3   また金属/多結晶シリコン層の界面ではMoSi2
 が形成されていることが同一条件で作製した別のサン
プルから確認された。 【0064】SiO2層に開口部をa=2μm、b=5
0μmの間隔で周期的に設け、図20のLPCVD 装
置により表4の連続条件で選択結晶成長を行い大粒径で
ある第2の多結晶シリコンからなる連続薄膜を得た。こ
のとき得られたシリコン薄膜の粒径と膜厚はともに約5
0μmであった。 【0065】この大粒径である第2の多結晶シリコン層
の表面にイオン打ち込みによりBを20KeV ,1×
1015cm−2の条件で打ち込み、表  4   800 ℃,30min でアニールしてp+ 層
を形成した。 最後にEB(Electron Beam ) 蒸着に
よりITO透明導電膜/集電電極(Cr/Ag/Cr)
をp+ 層上に形成した。 【0066】このようにし
て得られたp+ /大粒径多結晶シリコン/SiO2/
n+ 小粒径多結晶シリコン/Cr構造の太陽電池につ
いてAM1.5 (100mW /cm2 )光照射下
でのI−V特性について測定したところ、セル面積0.
25cm2で開放電圧0.42V 、短絡電流26mA
/cm2 、曲線因子0.66となり、エネルギー変換
効率7.2 %を得た。 【0067】このような特性は再現性良く得られ、小粒
径多結晶シリコン層を用いないで直接金属基板上に大粒
径多結晶シリコンを成長させた太陽電池に比べて特性の
バラツキは大幅に改善された。表5に小粒径多結晶シリ
コン層の有無による特性のバラツキの様子を示す。 【0068】表  5   このように金属基板上に成長させた大粒径シリコン
層を用いて良好な特性を示す多結晶太陽電池が作製出来
た。 【0069】(実施例2)実施例1と同様にしてアモル
ファスシリコンカーバイト/多結晶シリコンヘテロ型太
陽電池を作製した。金属基板にはCrを用い、その上に
プラズマCVD法でSiH4+AsH3の分解により微
結晶を含む第1のシリコン層を0.4 μm堆積した。 このときのドーピング量はAsH3/SiH4=1.6
 ×10−2(流量比)とした。 【0070】常圧CVD法によりシリコン層の上にSi
O2膜を500Å堆積させ、開口部は大きさをa=1.
2 μm、b=50μmの間隔で設けた。LPCVD 
法により表6の条件で選択結晶成長を行い、大粒径であ
る第2のシリコン層を形成した。図13〜図19に作製
したヘテロ型太陽電池のプロセスを示す。ただし602
においては結晶粒界を省略している。実施例1で示した
図21〜図27の場合とほとんど同じであるが、図17
においてp+ 層807の代わりにp型アモルファスシ
リコンカーバイト607が多結晶シリコン上に形成され
る。 【0071】表  6   p型アモルファスシリコンカーバイト層607は通
常のプラズマCVD装置により、表6に示す条件で多結
晶シリコン表面上に100Å堆積させた。この時のアモ
ルファスシリコンカーバイト膜の暗導電率は〜10−2
S・cm−1であり、CとSiの膜中の組成比は2:3
であった。 【0072】また、透明導電膜608としてはITOを
約1000Å電子ビーム蒸着して形成した。 【0073】このようにして得られたアモルファスシリ
コンカーバイト/多結晶シリコンヘテロ型太陽電池のA
M1.5 光照射下でのI−V特性の測定を行ったとこ
ろ(セル面積0.16cm2 )、開放電圧0.49V
 、短絡光電流21.5mA/cm2 、曲線因子0.
55となり、変換効率5.8 %という高い値が得られ
た。これは従来のスライスした多結晶基板を用いたアモ
ルファスシリコンカーバイト/多結晶シリコンヘテロ型
太陽電池に比べて遜色のない結果となっている。 【0074】(実施例3)実施例1と同様にして図1に
示すようなpin型多結晶太陽電池を作製した。前述し
たようにMo基板上に多結晶シリコンを堆積させ、表面
にリンガラスを析出させて不純物拡散を行なった。HF
水溶液でリンガラスを除去した後にSiO2に替えて通
常のLPCVD 装置で多結晶シリコンの表面にSi3
N4 を1000Å堆積し、1050℃,3時間の条件
でアニール処理を行い、異常粒成長をさせた。この様に
して結晶粒径は約3.2 μmの第1の多結晶シリコン
層を得た。 【0075】Si3N4 層に開口部をa=1.2 μ
mとし、b=100 μmの間隔で周期的に設け、図2
0のLPCVD 装置により表7の連続成長条件で選択
的結晶成長を行い大粒径である第2の多結晶シリコンか
らなる連続薄膜を得た。 【0076】表  7 このとき表7の条件において選択的結晶成長中に微量の
不純物を混入させてドーピングを行なった。不純物とし
てPH3 を用い、原料ガスSiH2Cl2 に対して
PH3 /SiH2Cl2 =2 ×10−6とした。 また得られたシリコン薄膜の粒径と膜厚はともに約90
μmであった。 【0077】p+ 層を形成するためにAlを大粒径シ
リコンの表面に真空蒸着してRTA (Rapid T
hermal Annealing )処理を行なった
。蒸着したAlの膜厚は600Åであり、RTA 処理
の条件は800℃、15秒で行なった。 【0078】最後に反射防止膜を兼ねた透明導電膜IT
O を約1000Å電子ビーム蒸着して形成し、さらに
その上に集電電極としてCrを1μm真空蒸着した。 【0079】このようにして作製したpin型多結晶太
陽電池AM1.5 光照射下でのI−V特性を調べたと
ころ、セル面積0.16cm2 で開放電圧0.47V
 、短絡光電流28mA/cm2 曲線因子0.67と
なり、8.8 %という高い変換効率が得られた。 【0080】(実施例4)実施例1〜3と同様にして図
1に示すようなnip型多結晶太陽電池を作製した。C
r基板上に図20に示すLPCVD 装置を用いてSi
H4を630℃で熱分解して0.4 μm多結晶シリコ
ンを堆積させた。 この多結晶シリコンの表面にBを打ち込みエネルギー2
0KeV 、ドーズ量 2×1016cm−2の条件で
イオン打ち込みを行い、不純物濃度を5 ×1020c
m−3とした。常圧CVD装置によりSiO2膜を80
0 Å堆積させ、1000℃、5時間のアニール条件で
多結晶シリコン中の異常粒成長をさせた。 そして第1の多結晶シリコン層を形成した。この後、S
iO2層に開口部をa=1.2 μm、b=50μmの
間隔で周期的に設け、LPCVD 法により表4の条件
で選択結晶成長を行い、大粒径である第2の多結晶シリ
コンからなる薄膜層を得た。大粒径多結晶シリコン層の
表面にイオン打ち込みでPを50KeV 、1×101
5cm−2の条件で打ち込み、800℃, 30min
でアニールしてn+ 層を形成した。最後に実施例4と
同様にしてITO/集電電極を形成して太陽電池の作製
を完了した。このようにして作製したnip型多結晶太
陽電池のAM1.5 光照射下でのI−V特性を調べた
ところ、セル面積0.16cm2 で開放電圧0.46
V 、短絡光電流26mA/cm2、曲線因子0.69
となり、変換効率8.3 %を得た。以上述べたように
、本発明によれば、小粒径多結晶シリコン層を種結晶と
してその上に大粒径多結晶シリコン層を形成することに
より金属基板上に高品質な多結晶シリコン層が形成でき
ることから、量産性のある安価な太陽電池が製造される
ことが示された。 【0081】 【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれば
、特性の良好な多結晶太陽電池を金属基板上に形成する
ことが可能となった。これにより、量産性のある安価で
良質の太陽電池を市場に提供することができるようにな
った。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法により作製したpin型太陽電池
の断面図である。
【図2】異常粒成長について説明した図である。
【図3】異常粒成長について説明した図である。
【図4】異常成長させた多結晶シリコンを種結晶として
選択的結晶成長法により大粒径多結晶シリコンを成長さ
せている様子を示した図である。
【図5】異常成長させた多結晶シリコンを種結晶として
選択的結晶成長法により大粒径多結晶シリコンを成長さ
せている様子を示した図である。
【図6】異常成長させた多結晶シリコンを種結晶として
選択的結晶成長法により大粒径多結晶シリコンを成長さ
せている様子を示した図である。
【図7】選択的結晶成長法について説明した図である。
【図8】選択的結晶成長法について説明した図である。
【図9】選択的結晶成長法について説明した図である。
【図10】選択的結晶成長法について説明した図である
【図11】選択的結晶成長法において山型結晶が三次元
的に成長していく過程を説明した図である。
【図12】選択的結晶成長法において山型結晶が三次元
的に成長していく過程を説明した図である。
【図13】本発明の方法により作製したヘテロ型太陽電
池の製造工程を示した図である。
【図14】本発明の方法により作製したヘテロ型太陽電
池の製造工程を示した図である。
【図15】本発明の方法により作製したヘテロ型太陽電
池の製造工程を示した図である。
【図16】本発明の方法により作製したヘテロ型太陽電
池の製造工程を示した図である。
【図17】本発明の方法により作製したヘテロ型太陽電
池の製造工程を示した図である。
【図18】本発明の方法により作製したヘテロ型太陽電
池の製造工程を示した図である。
【図19】本発明の方法により作製したヘテロ型太陽電
池の製造工程を示した図である。
【図20】本発明の太陽電池の製造過程において使用し
たLPCVD 装置の概略図である。
【図21】図1のpin型太陽電池の製造工程を説明し
た図である。
【図22】図1のpin型太陽電池の製造工程を説明し
た図である。
【図23】図1のpin型太陽電池の製造工程を説明し
た図である。
【図24】図1のpin型太陽電池の製造工程を説明し
た図である。
【図25】図1のpin型太陽電池の製造工程を説明し
た図である。
【図26】図1のpin型太陽電池の製造工程を説明し
た図である。
【図27】図1のpin型太陽電池の製造工程を説明し
た図である。
【図28】不純物ドープした多結晶シリコン膜において
アニール温度を変えたときの結晶粒径の変化を示す特性
図である。
【符号の説明】
101  金属基板、201  金属基板、301  
金属基板、601  金属基板、801  金属基板、
103  多結晶シリコン層、202  多結晶シリコ
ン層、303  多結晶シリコン層、602  多結晶
シリコン層、802  多結晶シリコン層、102  
金属−シリコン中間層、203  金属−シリコン中間
層、302  金属−シリコン中間層、604  金属
−シリコン中間層、804  金属−シリコン中間層、
104  絶縁層、304  絶縁層、402  絶縁
層、603  絶縁層、803絶縁層、105  シリ
コン結晶体、305  シリコン結晶体、404  シ
リコン結晶体、606  シリコン結晶体、806  
シリコン結晶体、106  p+ 層またはn+ 層、
807  p+ 層またはn+ 層、607  p型ア
モルファスシリコンカーバイト、107  透明導電層
、608  透明導電層、808  透明導電層、10
8  集電電極、609  集電電極、809  集電
電極、403  開口部、605  開口部、805 
 開口部、701  ガス供給系、702  ヒーター
、703  石英反応管、704  基板、705  
サセプタ。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  金属基体上に該金属基体との電気的接
    触を保つ第1の半導体層と、光電流を発生し第1の半導
    体層より大きな結晶粒を有す第2の半導体層と、を備え
    、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間に絶
    縁層を有すとともに前記金属基体と前記第1の半導体層
    との間に金属−半導体の中間層を有することを特徴とす
    る太陽電池。
  2. 【請求項2】  前記第2の半導体層の平均粒径が20
    μm以上500μm以下の多結晶シリコン層である請求
    項1記載の太陽電池。
  3. 【請求項3】  前記第1の半導体層の平均粒径が1μ
    m以上20μm以下の多結晶シリコンである請求項1又
    は請求項2記載の太陽電池。
  4. 【請求項4】  前記第1の半導体層が多結晶シリコン
    層であって、4×1020cm−3以上の不純物原子を
    含む請求項1、請求項2、又は請求項3記載の太陽電池
  5. 【請求項5】  金属基体上に多結晶半導体層を堆積さ
    せる工程と、前記多結晶半導体層に高濃度の不純物原子
    を導入する工程と、前記多結晶半導体層の表面に絶縁層
    を形成する工程と、アニールすることにより前記多結晶
    半導体層内に異常粒成長を生じさせかつ前記金属基体と
    多結晶半導体層との間に金属−半導体の中間層を形成す
    る工程と、 前記絶縁層に周期的に微小な開口部を設け
    て多結晶半導体表面を露出させる工程と、選択的エピタ
    キシャル成長および横方向成長により前記微小開口部か
    ら結晶成長を行う工程と、を含むことを特徴とする太陽
    電池の製造方法。
  6. 【請求項6】  前記多結晶半導体は多結晶シリコンで
    あって、前記不純物原子はP,As,Sn,B,Alの
    中から一つ選ばれる請求項5記載の太陽電池の製造方法
  7. 【請求項7】  前記選択的エピタキシャル成長は熱C
    VD法により行なわれる請求項5または請求項6記載の
    太陽電池の製造方法。
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