JPH0552673B2 - - Google Patents

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JPH0552673B2
JPH0552673B2 JP58028570A JP2857083A JPH0552673B2 JP H0552673 B2 JPH0552673 B2 JP H0552673B2 JP 58028570 A JP58028570 A JP 58028570A JP 2857083 A JP2857083 A JP 2857083A JP H0552673 B2 JPH0552673 B2 JP H0552673B2
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JP
Japan
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type silicon
glow discharge
silicon layer
disilane
type
Prior art date
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Application number
JP58028570A
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Japanese (ja)
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JPS59155180A (en
Inventor
Nobuhiro Fukuda
Makoto Konagai
Yutaka Oohashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Original Assignee
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
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Priority to JP58028570A priority Critical patent/JPS59155180A/en
Publication of JPS59155180A publication Critical patent/JPS59155180A/en
Publication of JPH0552673B2 publication Critical patent/JPH0552673B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/20Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof such devices or parts thereof comprising amorphous semiconductor materials
    • H01L31/202Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof such devices or parts thereof comprising amorphous semiconductor materials including only elements of Group IV of the Periodic System
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明はシリコン光電変換素子の高効率化に関
する。シリコン光電変換素子の高効率化が各種の
手段で試みられている。その中の一つに光活性領
域への光の入射量を多くする試みがある。即ち、
広い光学禁制帯巾(以下光学禁制帯巾をEoptと
記す)を有する物質を光の入射側に配置して該素
子を形成するのである。このような低入射光損失
の薄膜物質は窓材料と称されている。 従来技術では、シリコン原料のみでかかる窓材
料を形成することは困難であつた。それ故、シリ
コンに炭素や窒素を導入した非晶質シリコンカー
バイド(以下a−SiCxと記す)や非晶質シリコ
ンナイトライド(以下a−SiNyと記す)がワイ
ドギヤツプ窓として検討され、ボロンをドープし
たP型a−SiCxはヘテロ接合の窓材料として一
部実用に供せられている。しかしながら、(i)a−
SiCxやa−SiNyは本来電気を通しにくい性質の
ものであり、これらを窓材料として用いる場合に
は、低い電気伝導性に起因する問題を含むもので
あつた。電気伝導性を低下させないためには、a
−SiCxやa−SiNyにおいては加えるCやNの量
を大にすることすなわちxやyの値を大きくし
Eoptを増大せしめることができなかつた。たと
えばP型a−SiCxではEoptを1.9〜2.0eVに調節
して用いる時が、電気伝導性とのバランスの上か
ら最適であるとされているが、この時の導電率は
約10-7s−cm-1とやはり低く、太陽電池のような
光電変換素子においては抵抗成分として作用し効
率の改善には不利になる。(ii)さらにa−SiCx形
成のためには炭素源を原料として用いねばならな
い。この結果グロー放電室内部には炭素が析出す
るので、該析出炭素を除去せねばならぬという新
たな問題が発生する。上記の導電率は炭素含量に
大きく影響されるのでシリコン原料と炭素原料と
の組成・制御を厳密に行なわねばならず、プロセ
スが複雑になる。 本発明はかかる点にかんがみてなされたもの
で、その目的は、n型で高導電率かつ広いEopt
を有する窓材料として好適なシリコン薄膜を用い
て形成した、光電変換素子およびその製造方法を
提供することである。 本発明者らは、上記観点から鋭意検討した結
果、ジシランガスを用いてグロー放電電解により
形成したシリコン薄膜はEoptが増大するという
知見を得(特願昭57−134709号)、さらに薄膜の
形成方法について検討を進めたところ、該ジシラ
ンガスにn型の導電性付与物質を添加する場合
は、導電率が少くとも1×10-3s・cm-1以上、高
いものは1s・cm-1でかつEoptが1.80eV、広いも
のは2.0eVを越える窓材料として好適な性質を有
するシリコン薄膜が得られることを見出し該薄膜
を窓材料として利用することにより、本発明の光
電変換素子を完成した。 また、特定の膜型成速度で上記グロー放電分解
操作を行うことにより、一層適確に上記特性を有
するシリコン薄膜が得られることを見出し本発明
の素子の形成方法を完成した。 すなわち、本発明は、 p型シリコン層、i型シリコン層、n型シリコ
ン層からなるpin型シリコン光電変換素子の製造
方法であつて、(i)すくなくとも上記n型シリコン
層を、ジシラン、n型の導電型付与物質および希
釈ガスからなる混合ガスをグロー放電室内へ導入
し、上記ジシラン単位質量当たり50kJ以上、
500kJ以下のエネルギーを印加したグロー放電に
より分解し、基板上に薄膜の形成速度を2Å/
sec以下におさえつつ1.80eVを越える光学禁制帯
巾および1x10-3s・cm-1以上の導電性を有するn
型シリコン薄膜層として形成し、(ii)かつ、該形成
されたn型シリコン層を光の入射側に配置してな
ることを特徴とするシリコン光電変換素子の製造
方法。 を提供するものである。 以下、本発明の構成要件を詳細に説明する。 本発明のpin型シリコン光電変換素子において、
少なくてもこのn型シリコン層が、ジシラン、n
型の導電性付与物質および希釈ガスからなる混合
ガスをグロー放電により分解することにより形成
される。 ここでジシランとは、一般式SioH2o+2であらわ
れるポリシラン化合物においてn=2のものを示
す。勿論、ジシランは高純度であることが好まし
いが、グロー放電中でジシランと同様に挙動する
トリシラン、テトラシラン等(該一般式において
n=3、4)が含まれていることは何らさしつか
えないことである。 また、少量のモノシラン(n=1)が混入して
いてもかまわない。 ジシランはモノシランを無声放電して一部ジシ
ランに変化せしめる物理的な合成方法によつたも
のでもよいが、太陽電池を工業的に生産する点か
らは、安定した品質のものが大量に得られる化学
的な合成方法(たとえばヘキサクロロジシランを
還元する等の方法)によるものが好ましい。 なお、n層以外のp層もしくはi層を構成すべ
きシリコン薄膜は、通常の方法により、モノシラ
ガスを原料ガスとしてグロー放電分解して得られ
る。もちろん、本発明のn層を構成するのに使用
したジシランをp層、i層構成の原料ガスとして
も使用することはなんら防げるものではない。 なお、トリシラン、テトラシラン等が含有され
てももちろん差しつかえない。 また、n型の導電性付与物質は、たとえばPH3
(フオスフイン)やAsH3(アルシン)等V族元素
化合物であり、通常H2やHeで希釈された状態で
用いられる。これらの物質のジシランに対する使
用割合は、ジシラン100容量部に対して0.1〜5容
量部である。 なお、つけ加えて述べると、p型の導電性付与
物質はB2H6(ジボラン)等が用いられる。 ジシラン等を希釈する希釈ガスとしては、H2
He、Ne、Ar等が用いられる。ジシランに対し
て用いる希釈ガスの総量はジシラン1容量部当り
10容量部以上である。 また、n型の導電性物質に対しては、該物質1
容量部に対し10〜1000容量部の希釈ガスが用いら
れる。 以上のごとく、ジシラン、n型と導電性付与物
質および希釈ガスからなる混合ガスをそれ自体公
知の通常のグロー放電により分解することにより
構成される発明のn型シリコン層は、1.80eVを
越える光学禁制帯巾および1×10-3s・cm-1以上
の導電性を有しうるものであるが、本発明はこれ
をpin型シリコン光電変換素子のn層とし、かつ、
該n型シリコン層が光の入射側になるように配置
したものである。 なお、pin型光電変換素子のn型シリコン層を
光の入者側に配置するためには、後記詳述するよ
うに、(i)ステンレス鋼のごとき不透明基板を使用
する場合は、該基板側からp型、i型、n型の順
にシリコン層を形成しかつn型シリコン層の外側
に透明電極を形成し該透明電極側を光入射側とす
ればよいしまた、(ii)ガラス基板のごとき透明基板
を用いる場合は、上記のほか、基板側からn型、
i型、p型の順にシリコン層を形成し、該基板側
を光入射側としてもよい。本発明のn型シリコン
層は、おそらく一部に微結晶状態を含むn型水素
含有非晶質シリコン薄膜であろう。然るに、微結
晶状態を含むn型の水素含有非晶質シリコン薄膜
は、従来モノシラン(SiH4)を原料としてのみ
得られることが公知であつたが、その光学禁制帯
は大きくても高々1.80eVであつて、本発明のシ
リコン薄膜とは厳然と区別されるべきものであ
る。 本発明はまた、上記のごとき広い光学禁制帯巾
および高導電率を有するn型シリコン層を、pin
型シリコン光電変換素子のn型層とするシリコン
光電変換素子の製造方法を提供するものであつ
て、上記したジシラン、n型の導電性付与物質お
よび希釈ガスからなる混合ガスをグロー放電室内
へ供給し、グロー放電により分解せしめて基板上
に薄膜を形成するに際し、(i)該薄膜の形成速度を
2Å/sec以下という特定の範囲におさえると共
に、該形成されたn型シリコン層を光の入射側に
配置するものである。 該薄膜の形成速度を上記2Å/secを越えて増
大せしめた場合は、後記実施例、比較例に示すよ
うに、Eoptが狭くなるか、導電率が低くなり、
本発明の目的を達成することができない。 しかして、薄膜の形成速度は、放電設備の形
状、電極構造、電極間距離、生成温度、生成圧
力、ガスの流れ方等種々の因子によつて変りうる
が、特にジシランの流量(供給量)とグロー放電
エネルギーの量パラメータをそれぞれ変化させる
ことにより形成速度は対応して大きく変化しこれ
を関連ずけて効果的に該形成速度を最適な範囲に
制御することは通常困難である。 しかるところ、本発明者らは、「ジシランの供
給単位質量当りのグロー放電エネルギー」〔KJ/
g−Si2H6〕なる因子に着目し、該因子をパラメ
ータとすることにより、薄膜の形成速度とジシラ
ンの供給量(流量)は一義的に相関ずけられるこ
とを見出し、しかも、該因子が10KJ/g−Si2H6
以上の場合、すなわち、ジシラン単位質量当り、
10KJ以上の放電エネルギーを印加してグロー放
電する場合には、薄膜の形成速度は、グロー放電
エネルギーにはほとんど影響されず、ジシランの
流量のみを依存して変化するという重要な事実を
発見したのである。 この事実にもとづけは、ジシランの最適な供給
量の決定は、次のごとくして容易に行なわれる。
すなわち、ジシラン単位質量当り10KJ以上のグ
ロー放電エネルギーを与えて、ジシランの各供給
量に対する薄膜の各形成速度を測定すればよい。 本発明におけるジシラン単位質量当りのグロー
放電エネルギーの算出は次の式で行なう。 グロー放電エネルギー(J/g−
Si2H6) 印加するグロー放電電力/(原料
ガス流量)×(平均分子量/22.4)×1ジシランの重量
分率() たとえば(i)ヘリウム(He)で10vol%に希釈さ
れたジシラン(Si2H6)0.02/分、(ii)水素
(H2)で1vol%に希釈されたホスフイン(PH3
0.002/分、(iii)H20.06/分を混合した原料に
100Wのグロー放電電力を加える場合の該エネル
ギーはつぎのように計算する。 原料ガス流量=0.02+0.002+0.06=0.082(/分) 原料ガスの平均分子量={(62.2×2/82)+(4×18/82)+
(31×0.02/82)+(2×61.98/82)≒3.914(gr) ジシランの重量分率(62.2×2/82)/3.914
≒0.388これらを上記()式に代入して ジシラン単位質量当りのエネルギー=100
/0.082/60×3.914/22.4×0.388=162×103〔J/g
−Si2H6〕 いま103JをKJと表わせば該エネルギーは
162KJ/g−Si2H6と表わすことができる。 本発明においては、上記の如き方法で算出した
ジシラン単位質量当りのグロー放電エネルギーの
値において少くとも10KJ/g−Si2H6以上好まし
くは50〜500KJ/g−Si2H6を加えて薄膜を形成
する。500KJ/g−Si2H6を越える程大きいエネ
ルギーを加えた場合は原料ガスと放電のバランス
を不安定にし易く、安定した薄膜の形成を困難に
しまた必要以上のエネルギーを加えること自体経
済上の損失につながるうえに、さらに高価な大型
のグロー放電電源を設備せねばならない。一方、
50KJ/g−Si2H6未満のグロー放電エネルギーを
与えて得られる薄膜はその導電率がやや低下する
傾向はあるものの、十分本発明の目的を達成する
ことができる。 本発明においては薄膜の形成温度は適宜選択す
る必要があるが、100〜400℃の範囲が通常好まし
い。低い形成温度ではEoptは大になるが、100℃
よりも低い温度ではシリコン薄膜の形成が効果的
に進行せず膜が剥離したり黄色のアモルフアスシ
リコンの粉末が発生するようになり本発明の目的
を達しえない。 また形成温度を高くすると導電率が向上するが
400℃を越えて上昇させすぎるとEoptが低下する
ので、本発明においては400℃以下で薄膜形成を
することが好ましい。さらに400℃を越えるよう
な温度においては、光電変換素子基板や、電極の
耐熱性、グロー放電中におけるプラズマによる損
傷の問題がクローズアツプされる。即ち基板や電
極に欠陥が生じるようになれば、光電変換効率は
当然のことながら低下するので400℃を越える温
度でn型シリコン膜を形成することは避ける方が
よい。 なお、後記実施例に薄膜の形成温度とEoptと
の関係を示したが形成温度の低下とともにEopt
は増加し、本実施例では150℃のとき2.0eVにな
ることがわかる。一方、導電率は、やや低下する
ものの150℃においても9.1×10-2s・cm-1と未だ高
い値を維持していることを示している。 次に、本発明のシリコン光電変換素子を製造す
るより具体的な実施の態様を述べる。 まず、基板として不透明なステンレス鋼基板を
用いる場合について説明する。グロー放電可能な
反応室中に第1の電極を兼ねるステンレス鋼基板
を設置し、減圧下100〜400℃の温度に加熱維持す
る。そこにP型の導電性付与物質、シラン及び希
釈ガスの混合ガスを導入し、グロー放電を行ない
第1の電極上にP型シリコン層を形成する。つい
でシラン及び希釈ガスを導入することによりi型
シリコン層を該p型シリコン層上に形成する。つ
ぎに本発明の方法によりn型シリコン層を形成す
る。即ちジシラン、n型の導電性付与物質、希釈
ガスよりなる混合ガスを、n型シリコン層の形成
速度が2Å/sec以下となるように導入し、形成
温度100〜400℃、形成圧力0.5〜5Torr、グロー
放電エネルギー50〜500KJ/g−Si2H6の条件で
グロー放電することによりn型シリコン層を形成
する。最後に第2の透明電極を形成して本発明の
光電変換素子を得る。 またガラス基板のような透明な基板を用いる場
合には上記の実施の態様の他にも、基板側からn
型、i型、p型の順にシリコン層を形成して、基
板側を光入射側とした構造の光電変換素子を形成
することを許容するものである。 上記において、p型およびi型シリコン層の厚
みはそれぞれ50〜500Å、3000〜7500Åであり、
また、n型シリコン層の厚みは50〜500Åで用い
られる。 なお、n型シリコン層の形成に際しては、上記
の実施の態様において、希釈ガスの流量を増加せ
しめることが好ましい。希釈ガスの流量の増加は
n型シリコン層の導電率の向上をもたらし、光電
変換効率の改善につながるからである。 基板の材質や第1および第2の電極材料につい
ては特に制限がなく従来通常用いられている物質
が有用に用いられる。たとえば(i)基板としては絶
縁性もしくは導電性、透明もしくは不透明のいず
れの性質を有するものでもよい。具体的には、ガ
ラス、アルミナ、シリコン、ステンレス鋼、アル
ミニウム、モリブデン、耐熱性高分子等の物質で
形成されるフイルムあるいは板状の材料を基板と
して有効に用いることができる。また(ii)第1及び
第2の電極材料としては、光入射側には当然のこ
とながら透明あるいは透光性の材料を用いなけれ
ばならないが、これ以外の制限はない。アルミニ
ウム、モリブデン、ニクロム、ITO、酸化錫、ス
テンレス鋼等の薄膜や電極材料として有用であ
る。 上記の実施の態様は一つのグロー放電室でpin
型光電変換素子を形成する例を示したがこれらの
pin型シリコン層はそれぞれ連結された別個のグ
ロー放電室で形成することもできることはもちろ
んである。 以上のように、本発明は、炭素や窒素を用いる
ことなしに形成せしめたn型シリコン層を窓材料
として有する新規の光電変換素子であり、かつそ
の製造方法においてすぐれた技術を提供するもの
である。本発明の該素子は特に太陽電池として好
適である。 以下実施例をあげて本発明をさらに具体的に説
明するがこれらはあくまで例示であり、本発明の
技術的範囲(特許法第70条)がこれらにより制限
的に解決されるものではない。 実施例 1 基板加熱手段、真空排気手段、ガス導入手段及
び基板を設置することのできる平行平板電極を有
するグロー放電室をもつ容量結合型高周波プラズ
マCVD(hemical apor position)装置
の該基板設置部へITOで電極を形成したガラス基
板を設置した。油拡散ポンプにより10-7Torr以
下に真空排気しながら基板設置部の温度(形成温
度)が250℃になるように加熱した。He希釈のジ
シラン(希釈比Si2H6/He=1/9)、H2希釈の
B2H6(希釈比B2H6/H2=1/999)をそれぞれ
50c.c./分、10c.c./分の流量で導入し、圧力1Torr
で30秒間グロー放電を行なつて、p型シリコン層
を形成した。ついで該He希釈のジシランを500
c.c./分の流量で導入し、圧力5Torrでブロー放電
エネルギー約17KJ/g−Si2H6でi型シリコン層
を形成した。i型シリコン層の形成に要した時間
は2分である。ついで該He希釈のジシラン、H2
希釈のPH3(希釈比PH3/H2=1/99)及びH2
3種類のガスをそれぞれ20c.c./分、2c.c./分及び
60c.c./分の流量で該グロー放電室へ導入し圧力を
1Torrに調節した。グロー放電電力130W、即ち
グロー放電エネルギーとして約210KJ/g−
Si2H6で1分40秒間グロー放電を行ないn型シリ
コン層を形成した。つぎに電子ビーム蒸着により
ITOを蒸着し透明電極とした。n型シリコン層側
からAMIの光をソーラーシユミレーターで照射
して特性を測定した。結果は、Voc=0.87V、Isc
=13.7mA/cm2、FF=0.586、光電変換効率6.98
%とシリコン単独で作成した光電変換素子として
は極めてすぐれるものであつた。 実施例 2 実施例1において、n型シリコン層の形成温度
のみ150℃として実施した。この結果得られた素
子の特性はVoc=0.89V、Isc=14.1mA/cm2、FF
=0.562、光電変換効率7.05%とさらにすぐれた
ものであつた。 実施例 3〜7 実施例1において用いた高周波プラズマCVD
装置を用いてコーニング社製7059ガラス基板上に
n型シリコン層の形成温度を変えた以外は実施例
1と同じ条件で作成した。形成温度及び得られた
n型シリコン膜の特性を第1表にまとめてあらわ
した。
The present invention relates to increasing the efficiency of silicon photoelectric conversion elements. Attempts have been made to improve the efficiency of silicon photoelectric conversion elements by various means. One of these is an attempt to increase the amount of light incident on the photoactive region. That is,
The element is formed by disposing a material having a wide optical forbidden band (hereinafter referred to as Eopt) on the light incident side. Such thin film materials with low incident light loss are called window materials. With conventional techniques, it has been difficult to form such window materials using only silicon raw materials. Therefore, amorphous silicon carbide (hereinafter referred to as a-SiCx) and amorphous silicon nitride (hereinafter referred to as a-SiNy), in which carbon and nitrogen are introduced into silicon, have been considered as wide gap windows, and boron-doped P-type a-SiCx is partially used as a window material for heterojunctions. However, (i)a-
SiCx and a-SiNy are inherently difficult to conduct electricity, and when they are used as window materials, problems arise due to low electrical conductivity. In order not to reduce electrical conductivity, a
-In SiCx and a-SiNy, increasing the amount of C and N added, that is, increasing the values of x and y.
It was not possible to increase Eopt. For example, for P-type a-SiCx, it is said that adjusting Eopt to 1.9 to 2.0 eV is optimal in terms of balance with electrical conductivity, but the electrical conductivity at this time is approximately 10 -7 s. -cm -1 is still low, and acts as a resistance component in photoelectric conversion elements such as solar cells, which is disadvantageous for improving efficiency. (ii) Furthermore, a carbon source must be used as a raw material for a-SiCx formation. As a result, carbon is deposited inside the glow discharge chamber, and a new problem arises in that the deposited carbon must be removed. Since the above-mentioned electrical conductivity is greatly affected by the carbon content, the composition and control of the silicon raw material and the carbon raw material must be strictly controlled, which complicates the process. The present invention has been made in view of these points, and its purpose is to provide an n-type, high conductivity and wide Eopt.
An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element formed using a silicon thin film suitable as a window material and a method for manufacturing the same. As a result of intensive studies from the above viewpoint, the present inventors found that a silicon thin film formed by glow discharge electrolysis using disilane gas has an increased Eopt (Japanese Patent Application No. 134709/1982), and also found a method for forming a thin film. As a result of our investigation, we found that when adding an n-type conductivity imparting substance to the disilane gas, the conductivity must be at least 1×10 -3 s·cm -1 or higher, and a high one is 1 s·cm -1 and It was discovered that a silicon thin film having Eopt of 1.80 eV, with a wide one exceeding 2.0 eV, having properties suitable as a window material could be obtained, and by using the thin film as a window material, the photoelectric conversion element of the present invention was completed. The inventors also discovered that a silicon thin film having the above characteristics could be obtained more accurately by performing the glow discharge decomposition operation at a specific film formation rate, and completed the method for forming the device of the present invention. That is, the present invention provides a method for manufacturing a pin-type silicon photoelectric conversion element consisting of a p-type silicon layer, an i-type silicon layer, and an n-type silicon layer, which comprises: A mixed gas consisting of a conductivity type imparting substance and a diluting gas is introduced into the glow discharge chamber, and a gas of 50 kJ or more per unit mass of disilane is introduced into the glow discharge chamber.
It is decomposed by glow discharge with energy of 500 kJ or less applied, and the formation rate of the thin film on the substrate is 2 Å/2.
n with an optical bandgap exceeding 1.80eV and conductivity of 1x10 -3 s cm -1 or more while keeping it below sec
1. A method for manufacturing a silicon photoelectric conversion element, characterized in that (ii) the formed n-type silicon layer is disposed on a light incident side. It provides: Hereinafter, the constituent elements of the present invention will be explained in detail. In the pin type silicon photoelectric conversion element of the present invention,
At least this n-type silicon layer is made of disilane, n
It is formed by decomposing a gas mixture consisting of a conductivity-imparting material and a diluent gas by glow discharge. Here, disilane refers to a polysilane compound represented by the general formula Si o H 2o+2 where n=2. Of course, it is preferable that disilane be of high purity, but there is nothing wrong with including trisilane, tetrasilane, etc. (n = 3, 4 in the general formula), which behave in the same way as disilane in glow discharge. be. Further, a small amount of monosilane (n=1) may be mixed. Disilane can be synthesized by a physical synthesis method in which monosilane is partially converted into disilane through silent discharge, but from the point of view of industrially producing solar cells, it is preferable to use a chemical method that can produce a large quantity of stable quality. It is preferable to use a method of synthesis (for example, a method of reducing hexachlorodisilane). The silicon thin film to constitute the p-layer or i-layer other than the n-layer can be obtained by glow discharge decomposition using monosilica gas as a raw material gas by a normal method. Of course, there is nothing to prevent the disilane used to form the n-layer of the present invention from also being used as a raw material gas for the p-layer and i-layer structures. Note that trisilane, tetrasilane, etc. may of course be contained. Further, the n-type conductivity imparting substance is, for example, PH 3
It is a group V element compound such as (phosphine) and AsH 3 (arsine), and is usually used diluted with H 2 or He. The ratio of these substances to disilane is 0.1 to 5 parts by volume per 100 parts by volume of disilane. In addition, B 2 H 6 (diborane) or the like is used as the p-type conductivity imparting substance. As diluting gas for diluting disilane etc., H 2 ,
He, Ne, Ar, etc. are used. The total amount of diluent gas used for disilane is per part by volume of disilane.
10 parts by volume or more. In addition, for an n-type conductive substance, the substance 1
10 to 1000 parts by volume of diluent gas are used. As described above, the n-type silicon layer of the invention, which is formed by decomposing a gas mixture consisting of disilane, n-type conductivity, a conductivity-imparting substance, and a diluent gas, by an ordinary glow discharge that is well known per se, has an optical energy exceeding 1.80 eV. Although it can have a forbidden band width and a conductivity of 1×10 -3 s·cm -1 or more, the present invention uses this as the n layer of a pin type silicon photoelectric conversion element, and
The n-type silicon layer is placed on the light incident side. In order to place the n-type silicon layer of the pin-type photoelectric conversion element on the side where light enters, as will be detailed later, (i) If an opaque substrate such as stainless steel is used, (ii) forming silicon layers in the order of p-type, i-type, and n-type, forming a transparent electrode on the outside of the n-type silicon layer, and making the transparent electrode side the light incident side; When using a transparent substrate, in addition to the above, from the substrate side, n-type,
The silicon layers may be formed in the order of i-type and p-type, and the substrate side may be set as the light incident side. The n-type silicon layer of the present invention is probably an n-type hydrogen-containing amorphous silicon thin film that partially contains a microcrystalline state. However, it has been known that an n-type hydrogen-containing amorphous silicon thin film containing a microcrystalline state can be obtained only from monosilane (SiH 4 ) as a raw material, but its optical forbidden band is at most 1.80 eV. Therefore, it should be clearly distinguished from the silicon thin film of the present invention. The present invention also provides an n-type silicon layer with a wide optical bandgap and high conductivity as described above.
The present invention provides a method for manufacturing a silicon photoelectric conversion element as an n-type layer of a type silicon photoelectric conversion element, which comprises supplying a mixed gas consisting of the above-mentioned disilane, an n-type conductivity imparting substance, and a diluting gas into a glow discharge chamber. However, when forming a thin film on the substrate by decomposing it by glow discharge, (i) the formation rate of the thin film is kept within a specific range of 2 Å/sec or less, and the formed n-type silicon layer is exposed to light. It is placed on the side. When the formation rate of the thin film is increased beyond the above 2 Å/sec, Eopt becomes narrower or the conductivity becomes lower, as shown in Examples and Comparative Examples below.
The purpose of the present invention cannot be achieved. The rate of thin film formation can vary depending on various factors such as the shape of the discharge equipment, electrode structure, distance between electrodes, formation temperature, formation pressure, and gas flow direction, but especially the flow rate (supply amount) of disilane. By changing the parameters of the amount of glow discharge energy and the amount of glow discharge energy, the formation rate correspondingly changes greatly, and it is usually difficult to effectively control the formation rate within an optimal range in conjunction with this. However, the present inventors have determined that "glow discharge energy per unit mass of disilane supplied" [KJ/
By focusing on the factor ``g-Si 2 H 6 '' and using this factor as a parameter, we found that the thin film formation rate and the disilane supply amount (flow rate) are uniquely correlated. is 10KJ/g-Si 2 H 6
In the above case, that is, per unit mass of disilane,
We discovered the important fact that when glow discharge is performed by applying a discharge energy of 10 KJ or more, the rate of thin film formation is almost unaffected by the glow discharge energy and changes depending only on the flow rate of disilane. be. Based on this fact, the optimum supply amount of disilane can be easily determined as follows.
That is, it is sufficient to apply glow discharge energy of 10 KJ or more per unit mass of disilane and measure each thin film formation rate for each amount of disilane supplied. The glow discharge energy per unit mass of disilane in the present invention is calculated using the following formula. Glow discharge energy (J/g-
Si 2 H 6 ) Applied glow discharge power / (raw material gas flow rate) × (average molecular weight / 22.4) × 1 weight fraction of disilane () For example, (i) Disilane (Si diluted to 10 vol% with helium (He)) 2 H 6 ) 0.02/min, (ii) phosphine (PH 3 ) diluted to 1 vol% with hydrogen (H 2 ).
0.002/min, (iii) H 2 0.06/min to the mixed raw material.
The energy when applying a glow discharge power of 100 W is calculated as follows. Raw material gas flow rate = 0.02 + 0.002 + 0.06 = 0.082 (/min) Average molecular weight of raw material gas = {(62.2 x 2/82) + (4 x 18/82) +
(31×0.02/82)+(2×61.98/82)≒3.914(gr) Weight fraction of disilane (62.2×2/82)/3.914
≒0.388Substituting these into the above formula (), energy per unit mass of disilane = 100
/0.082/60×3.914/22.4×0.388=162×103 [J/ g
−Si 2 H 6 ] Now, if 10 3 J is expressed as KJ, the energy is
It can be expressed as 162KJ/g-Si 2 H 6 . In the present invention, the value of glow discharge energy per unit mass of disilane calculated by the above method is at least 10 KJ/g-Si 2 H 6 or more, preferably 50 to 500 KJ/g-Si 2 H 6 is added to form a thin film. form. If a large amount of energy exceeding 500KJ/g-Si 2 H 6 is applied, the balance between the raw material gas and the discharge is likely to become unstable, making it difficult to form a stable thin film, and adding more energy than necessary is itself an economic problem. In addition to leading to losses, a large and expensive glow discharge power supply must be installed. on the other hand,
Although the thin film obtained by applying a glow discharge energy of less than 50 KJ/g-Si 2 H 6 tends to have a slightly lower conductivity, it can sufficiently achieve the object of the present invention. In the present invention, the temperature for forming the thin film must be selected appropriately, but a range of 100 to 400°C is usually preferred. Eopt becomes large at low formation temperatures, but at 100℃
If the temperature is lower than that, the formation of a silicon thin film will not proceed effectively and the film will peel off or yellow amorphous silicon powder will be generated, making it impossible to achieve the object of the present invention. In addition, increasing the formation temperature improves the conductivity.
If the temperature is increased too much above 400°C, Eopt will decrease, so in the present invention, it is preferable to form a thin film at 400°C or lower. Furthermore, at temperatures exceeding 400°C, problems such as heat resistance of photoelectric conversion element substrates and electrodes, and damage caused by plasma during glow discharge become more prominent. That is, if defects occur in the substrate or electrodes, the photoelectric conversion efficiency will naturally decrease, so it is better to avoid forming an n-type silicon film at a temperature exceeding 400°C. In addition, although the relationship between the thin film formation temperature and Eopt is shown in the example below, Eopt increases as the formation temperature decreases.
increases, and in this example it becomes 2.0 eV at 150°C. On the other hand, the conductivity shows that although it decreases slightly, it still maintains a high value of 9.1×10 -2 s·cm -1 even at 150°C. Next, a more specific embodiment of manufacturing the silicon photoelectric conversion element of the present invention will be described. First, a case will be described in which an opaque stainless steel substrate is used as the substrate. A stainless steel substrate, which also serves as a first electrode, is placed in a reaction chamber capable of glow discharge, and heated and maintained at a temperature of 100 to 400°C under reduced pressure. A mixed gas of a P-type conductivity imparting substance, silane, and diluent gas is introduced therein, and glow discharge is performed to form a P-type silicon layer on the first electrode. An i-type silicon layer is then formed on the p-type silicon layer by introducing silane and diluent gas. Next, an n-type silicon layer is formed by the method of the present invention. That is, a mixed gas consisting of disilane, an n-type conductivity imparting substance, and a diluent gas is introduced so that the formation rate of the n-type silicon layer is 2 Å/sec or less, the formation temperature is 100 to 400°C, and the formation pressure is 0.5 to 5 Torr. , an n-type silicon layer is formed by glow discharge under conditions of glow discharge energy of 50 to 500 KJ/g-Si 2 H 6 . Finally, a second transparent electrode is formed to obtain the photoelectric conversion element of the present invention. Furthermore, when using a transparent substrate such as a glass substrate, in addition to the embodiment described above,
It is possible to form a photoelectric conversion element having a structure in which the substrate side is the light incident side by forming silicon layers in the order of type, i type, and p type. In the above, the thicknesses of the p-type and i-type silicon layers are 50 to 500 Å and 3000 to 7500 Å, respectively,
Further, the thickness of the n-type silicon layer used is 50 to 500 Å. Note that when forming the n-type silicon layer, it is preferable to increase the flow rate of the diluent gas in the above embodiment. This is because an increase in the flow rate of the diluent gas improves the conductivity of the n-type silicon layer, leading to an improvement in photoelectric conversion efficiency. There are no particular restrictions on the material of the substrate and the materials of the first and second electrodes, and conventionally used materials can be usefully used. For example, (i) the substrate may be insulating or conductive, transparent or opaque. Specifically, a film or plate-shaped material made of a substance such as glass, alumina, silicon, stainless steel, aluminum, molybdenum, or a heat-resistant polymer can be effectively used as the substrate. Further, (ii) as the first and second electrode materials, transparent or light-transmitting materials must be used on the light incident side, but there are no other restrictions. It is useful as a thin film and electrode material for aluminum, molybdenum, nichrome, ITO, tin oxide, stainless steel, etc. The above implementation mode is based on one glow discharge chamber.
An example of forming a type photoelectric conversion element was shown, but these
Of course, the pin-type silicon layers can also be formed in separate glow discharge chambers that are connected to each other. As described above, the present invention provides a novel photoelectric conversion element having an n-type silicon layer formed without using carbon or nitrogen as a window material, and provides an excellent technology in its manufacturing method. be. The device of the present invention is particularly suitable as a solar cell. The present invention will be described in more detail with reference to Examples below, but these are merely illustrative and do not limit the technical scope of the present invention (Article 70 of the Patent Law). Example 1 The substrate of a capacitively coupled high-frequency plasma CVD ( C hemical V apor D position) apparatus having a glow discharge chamber having a substrate heating means, evacuation means, gas introduction means, and parallel plate electrodes in which the substrate can be installed. A glass substrate with electrodes made of ITO was installed in the installation area. The substrate was heated to a temperature (formation temperature) of 250°C while evacuation was performed to below 10 -7 Torr using an oil diffusion pump. Disilane diluted with He (dilution ratio Si 2 H 6 /He = 1/9), diluted with H 2
B 2 H 6 (dilution ratio B 2 H 6 /H 2 = 1/999), respectively.
Introduced at a flow rate of 50 c.c./min, 10 c.c./min, and a pressure of 1 Torr.
Glow discharge was performed for 30 seconds to form a p-type silicon layer. Next, add 500% of the He diluted disilane.
A flow rate of cc/min was introduced, and an i-type silicon layer was formed with a blow discharge energy of about 17 KJ/g-Si 2 H 6 at a pressure of 5 Torr. The time required to form the i-type silicon layer was 2 minutes. Then the He diluted disilane, H 2
Three types of gases, PH 3 (dilution ratio PH 3 /H 2 = 1/99) and H 2 , were diluted at 20 c.c./min, 2 c.c./min and
A flow rate of 60c.c./min is introduced into the glow discharge chamber to increase the pressure.
Adjusted to 1Torr. Glow discharge power 130W, that is, glow discharge energy approximately 210KJ/g-
Glow discharge was performed using Si 2 H 6 for 1 minute and 40 seconds to form an n-type silicon layer. Next, by electron beam evaporation
ITO was vapor-deposited to make a transparent electrode. The characteristics were measured by irradiating AMI light from the n-type silicon layer side using a solar simulator. The result is Voc=0.87V, Isc
=13.7mA/ cm2 , FF=0.586, photoelectric conversion efficiency 6.98
% and silicon alone, it was extremely excellent. Example 2 In Example 1, only the formation temperature of the n-type silicon layer was changed to 150°C. The characteristics of the resulting device are Voc = 0.89V, Isc = 14.1mA/cm 2 , FF
= 0.562, and the photoelectric conversion efficiency was even better, 7.05%. Examples 3 to 7 High frequency plasma CVD used in Example 1
An n-type silicon layer was formed on a Corning 7059 glass substrate using the same equipment as in Example 1, except that the formation temperature was changed. The formation temperature and the characteristics of the obtained n-type silicon film are summarized in Table 1.

【表】 比較例 1 実施例1においてn型シリコン層の形成速度が
5Å/secとなるようにジシラン、PH3及び希釈
ガスの流量を増加して行なつた。この結果得られ
た素子の特性はVoc=0.83V、Isc=6.2mA/cm2
FF=0.62、光電変換効率3.19%となり、Isc及び
光電変換効率がかなり低下した。 比較例 2 実施例2において、比較例1と同じくn型シリ
コン層の形成速度を5Å/secとした。得られた
素子の特性はVoc=0.85V、Isc=9.8mA/cm2
FF=0.43、光電変換効率3.58%でありFFの低下
が著しかつた。
[Table] Comparative Example 1 In Example 1, the flow rates of disilane, PH 3 and diluent gas were increased so that the formation rate of the n-type silicon layer was 5 Å/sec. The characteristics of the resulting device are Voc = 0.83V, Isc = 6.2mA/cm 2 ,
FF=0.62, photoelectric conversion efficiency was 3.19%, and Isc and photoelectric conversion efficiency decreased considerably. Comparative Example 2 In Example 2, as in Comparative Example 1, the formation rate of the n-type silicon layer was set to 5 Å/sec. The characteristics of the obtained device are Voc = 0.85V, Isc = 9.8mA/cm 2 ,
FF=0.43, photoelectric conversion efficiency was 3.58%, and the FF decreased significantly.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 p型シリコン層、i型シリコン層、n型シリ
コン層からなるpin型シリコン光電変換素子の製
造方法であつて、(i)すくなくとも上記n型シリコ
ン層を、ジシラン、n型の導電型付与物質および
希釈ガスからなる混合ガスをグロー放電室内へ導
入し、上記ジシラン単位質量当たり50kJ以上、
500kJ以下のエネルギーを印加したグロー放電に
より分解し、基板上に薄膜の形成速度を2Å/
sec以下におさえつつ1.80eVを越える光学禁制帯
巾および1x10-3s・cm-1以上の導電性を有するn
型シリコン薄膜層として形成し、(ii)かつ、該形成
されたn型シリコン層を光の入射側に配置してな
ることを特徴とするシリコン光電変換素子の製造
方法。 2 グロー放電室内へ導入する混合ガス中のジシ
ランの供給量を制御することにより、n型シリコ
ン層薄膜の形成速度を2Å/sec以下におさえる
特許請求の範囲第1項記載のシリコン光電変換素
子の製造方法。
[Scope of Claims] 1. A method for manufacturing a pin-type silicon photoelectric conversion device consisting of a p-type silicon layer, an i-type silicon layer, and an n-type silicon layer, comprising: (i) at least the n-type silicon layer formed of disilane, n-type silicon A mixed gas consisting of a conductivity type imparting substance and a diluting gas is introduced into the glow discharge chamber, and a gas of 50 kJ or more per unit mass of disilane is introduced into the glow discharge chamber.
It is decomposed by glow discharge with energy of 500 kJ or less applied, and the formation rate of the thin film on the substrate is 2 Å/2.
n with an optical bandgap exceeding 1.80eV and conductivity of 1x10 -3 s cm -1 or more while keeping it below sec
1. A method for manufacturing a silicon photoelectric conversion element, characterized in that (ii) the formed n-type silicon layer is disposed on a light incident side. 2. The silicon photoelectric conversion element according to claim 1, which suppresses the formation rate of the n-type silicon layer thin film to 2 Å/sec or less by controlling the supply amount of disilane in the mixed gas introduced into the glow discharge chamber. Production method.
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