JPH0620155B2 - 非晶質光電変換素子の製造方法および製造装置 - Google Patents

非晶質光電変換素子の製造方法および製造装置

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JPH0620155B2
JPH0620155B2 JP57182978A JP18297882A JPH0620155B2 JP H0620155 B2 JPH0620155 B2 JP H0620155B2 JP 57182978 A JP57182978 A JP 57182978A JP 18297882 A JP18297882 A JP 18297882A JP H0620155 B2 JPH0620155 B2 JP H0620155B2
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信弘 福田
豊 大橋
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高効率の非晶質光電変換素子の製造方法に関す
る。
非晶質半導体装置、特に非晶質シリンコン(a−Siと
略称する)を用いる光電変換素子は、a−Si太陽電池
に応用させ最近注目されている。
最近では、その光電変換効率において5〜10%の値が
発表されているが、その効率は安定して得られないのが
実情である。たとえば、非晶質半導体の形成条件がわず
かに変化しても、最高値から数割の大きさで低下するの
が現状である。従来技術の開示は実質的には、この効率
の向上方法についての開示のみであり、該効率の安定
化、すなわち高効率の安定維持については何ら顧みられ
ていなかつた。
シリコンの水素化物やハロゲン化物のCVD(Chmemica
l Vapor Deposition)によつて形成されたa-Siを水素
プラズマ中でアニールすることにより、該a-Siの光導
電性はグロー放電で得られるa-Siの光導電性に近づく
ことが知られている。本発明者らは、グロー放電で得ら
れるa-Siは水素プラズマ中において光導電性はもはや
増加しないが、光導電性以外の特性が改善されることを
見出した。すなわち、グロー放電で得られる光導電率が
10-6(Ω・cm)-1以上であるところのa-Si膜で整流整合
を形成する際に、整流接合の形成に先立つて水素含有雰
囲気のグロー放電(以下水素放電と略称する)を行なう
ことによつて、高光電変換効率の安定維持がなされる、
従来技術からは予見されなかつた大きな改善をなし得る
ことを見出して本発明に到達した。
即ち、本発明は、第1の電極を有する基板上に第1の導
電型を有する非晶質半導体層を形成する工程I、水素放
電に曝す工程II、高比抵抗の非晶質半導体層を形成する
工程III、第1の導電型とは逆の導電型を有する第2の
非晶質半導体層を形成する工程IV及び第2の電極を形成
する工程Vよりなる処理工程により処理されること特徴
とする非晶質光電変換素子の製造方法である。そして工
程I、工程II、工程III、工程IVはこの順序に連続し
て、第2図に例示したような製造装置を用いて、それぞ
れ別個の隔室で処理されるものである。
第1図は、基板1上に第1の電極2を有し、第1の導電
型を有する非晶質半導体3、高比抵抗の非晶質半導体
4、第1の導電型とは逆の導電型を有する非晶質半導体
5を形成し、ついで第2の電極6が形成されてなる本発
明の太陽電池の模式図である。第1図および第2図にお
いて、本発明の特徴をpin接合型のa-Si太陽電池につ
いて説明する。第2図においては同一機能を有する設備
の符号は一部省略している。反応室7においてp層が形
成された後、水素放電室8で水素放電雰囲気に曝され、
ついで反応室9でi層が形成される。つぎに水素放電室
8′で再び水素放電雰囲気に曝される。そして反応室10
でn層が形成される。次いで常法により電極形成室11で
電極が形成される。p層形成からn層形成までは大気中
に曝されることなく連続して行なわれる。他の整流接合
を有する半導体装置の例では、たとえばnip接合の場合
においてはn層形成、水素放電、i層形成、水素放電、
p層形成と工程を進めればよい。
水素放電雰囲気に曝す時間は長くても30秒で充分であ
る。該雰囲気に長くさらすことは水素放電によるa-Si
膜の損傷を助長することになつて好ましくない。特にp
層は損傷をうけやすく、水素放電は5〜20秒で行なう
ことが好ましい。また、長い水素放電はa-Si膜中に多
量の水素を導入し、膜の電気的あるいは光学的特性を変
化させる。この現象は特性、すなわち変換効率の安定化
の目的とは相入れないものであるから、この点において
も長い水素放電は好ましくない。
第2図は本発明の目的を達成するのに好ましいa-Si太
陽電池の製造装置の一例である。表面に第1の電極を有
する基板12が入口13から、ガス置換手段及び真空排気手
段が接続されている加熱室14に送入されて、加熱手段15
により約250〜400℃に加熱される。つぎに輸送手段16
により真空室17に移送される。第1の導電型を有する
非晶質半導体層を形成するための反応室7の圧力と真空
室17と圧力が等しくなつた時にシヤツターやゲートバ
ルブ等の遮断手段18を開き反応室7へ基板12を移送
する。Si、Ge、C、N等の元素の水素化物やハロゲン化
物からなる非晶質半導体形成物質にP、As、B等の元
素の化合物から選ばれる導電型決定物質を結合して、ガ
ス導入手段19から反応室7に導入する。0.1〜5Torr
の圧力で電極20、21間にグロー放電を生起せしめ
て、基板上に第1の導電型を有する非晶質半導体を形成
した後でゲートバルブ22を開き水素放電室8へ導く。
水素放電は電極と該放電室壁面との間に形成される。3
0秒以下、好ましくは5〜20秒の間水素放電室に滞留
した後、基板はつぎの高比抵抗の非晶質半導体層を形成
する反応室9へと移送される。以下同様にして放電用電
極23を有する水素放電室8′で水素放電を受けた後、
第2の非晶質半導体層を形成する反応室10へと移送さ
れる。次に真空室17′、第2の電極形成室11を経
て、出口24へと送られる。真空室17′には必要に応
じて水素放電ができるように電極が設備されている。反
応室10でn型半導体を推積する時には真空室17′に
おいて水素放電すると、本発明の効果が一層高まる。
本発明において、電極は公知の手段、具体的にはグロー
放電、スパツタリング、真空蒸着、イオンプレーテイン
グ、スクリーン印刷等により形成される。
前述のように本発明においては反応室と反応室の間に水
素放電室が設けられている。これは水素放電室としては
もちろん、異なる反応室間の相互隔離手段としても有効
に作用している。従来技術においては、異なる反応室間
に交の隔離手段となる隔室は設備されておらず、それ故
異なる反応室は非晶質半導体形成物質や導電型決定物質
で相互に汚染されやすく、これを防ぐことは困難であつ
た。本発明の別の目的としては、この問題の克服にもあ
つて、水素放電室を設けることにより効果的に克服され
る。すなわち導電型決定物質や非晶質半導体形成物質に
よる汚染防止ができるようになつた結果、非晶質半導体
中に含有される不純物の微量の制御が極めて容易にな
り、非晶質半導体素子の特性が格段に安定化した。また
反応室相互の隔離が効果的に行なわれるようになつたの
で、各反応室における非晶質半導体の形成条件をそれぞ
れ独立に制御できることや、水素放電室が緩衝領域とな
り、基板の移送によつて、反応室のグロー放電状態が乱
されないようになつたことは本発明の別の利点である。
水素放電は、非晶質半導体の形成圧力と同じかやゝ高い
圧力範囲、具体的には0.2〜5Torrにおいて電極にRF
電力を供給することにより行なわれる。供給電力は電極
単位面積当り0.02〜2w/cm2でよい。また水素放電の雰
囲気ガス組成は水素単独であること以外に、He、Ne等の
軽元素の不活性ガスが存在してもさしつかえない。好ま
しい水素放電の例としては前述の如く5〜20秒間水素
放電を受けることであり、基板の移送中又は水素放電室
に一時停止した状態で水素放電を受けることが実用的な
面からみて便利である。
非晶質半導体を形成する物質は、先に述べたようにシリ
コンの水素化物やハロゲン化物、具体的示例としてはSi
H4、Si2H6、Si3H8、SiHCl3、SiH3Cl等やこれらの化合物
とGeH4、CH4、NH3等との混合物が主として用いらる。導
電型決定物質としては、燐、ヒ素、硼素等の水素化物や
ハロゲン化物が採用され、非晶質半導体形成物質に対し
て0.0001〜00.1 の範囲で用いられる。また高比抵抗相
は、室温導電率が10-8(Ω・cm)-1以下であり、非晶質半
導体形成物質のグロー放電で形成される。なほ、この形
成時にp型の導電型決定物質を微量共存さいせて高比抵
抗化することもできる。非晶質半導体の形成条件は特に
限定されるものではなく、グロー放電により基板上に形
成される。グロー放電の条件は各反応室において圧力0.
1〜5Torr、放電電力1〜100W、基板温度250〜400℃で
ある。
基板としてはガラス、アルミナ、シリコン、ステンレス
スチール、アルミニウム、モリブデン、耐熱性の高分子
等の材料が板状やフイルム状で用いられる。第1及び第
2の電極としは、光入射側に透明な材料を用いる他は特
に限定されない。アルミニウム、、モリブデン、ニクロ
ム、ITO、酸化錫、ステンレススチール等の薄膜又は薄
板であるいは導電性塗料ペーストにより形成される導電
性膜が電極として有用である。
以上説明したように、本発明は非晶質光電変換素子の製
造法として極めて優れているうえに、連続製造法として
好適であり、実用上の価値が高いものである。
次に実施例においてさらに具体的に説明する。
実施例、1 ITO、SnO2薄膜付のガラス基板を加熱室に送入し、真空
にしたあとHe雰囲気で約300℃に加熱した。ついで真
空室に移送された水素雰囲気で1Torrまで減圧にされ、
反応室7に移送された。反応室7において、B2H6/SiH4
/H2=0.2/10/90の容量比でガスが導入され、1Torr
で放電が維持され、p型a-Si層を約100Å形成した。
ついで水素放電室8に導き、1Torrで10秒間水素放電
雰囲気に曝した後、反応室9に移送した。B2H6/SiH4
2×10-4/100 を導入して高比抵抗のa-Si層を基板温
度280〜300℃で約4500Å形成した。ついで水素放電室
8′に導き1Torrで20秒間水素放電をした。反応室1
0に移送し、pH3/SiH4/H2=0.1/10/90のガスを導入
してn層を200Å形成した。ついで真空蒸着により第2
の電極としてアルミニウムを蒸着してa-Si太陽電池を
得た。同じ操作で得た10ケのa-Si太陽電池につい
て、ガラス基板側からAM1(100mw/cm2)の光をソーラー
シユミレータから入射して光電変換効率を測定した。こ
の効率は5.2〜5.4%であり極めて一定していた。一方、
水素放電をしないで作成したa-Si太陽電池は効率が4.
9%から1.5%まで大きく変化した。
比較例1 実施例1において、水素放電室8における水素放電雰囲
気に曝す時間、すなわち、非成膜工程IIの時間を10分
間とした他は、実施例1と同様の実験を行い、a-Si太陽
電池を形成した。斯くして形成された10ケのa-Si太陽
電池の光電変換効率は、1.0 %以下と極めて低下してい
た。
このように、水素を含むグロー放電雰囲気に曝す非成膜
工程IIの時間は長くても精々30秒で充分であり、これ
を10分以上問と費やした場合は、p層が損傷され、ま
た、a-Si層中に多量の水素が導入さてしまい、本願発明
の効果を全く損なってしまうことが明らかである。これ
は、本願明細書第5頁第6行〜第15行に記載したとお
りである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の非晶質光電変換素子を表わす模式的な
断面図の1例であり、第2図は本発明において好ましい
製造装置の一例を模式化したものである。図中、1……
基板、2……第1の電極、3、4及び5……非晶質半導
体、6……第2の電極、7、9、10……反応室、8お
よび8′……水素放電室、19……ガス導入手段、23
……放電用電極、25……真空排気手段である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/205

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の電極を有する基板上に、第1の導電
    型を有する非晶質シリコン半導体層をグロー放電により
    形成する工程I、該第1の導電型を有する非晶質シリコ
    ン半導体層を、水素を含むグロー放電雰囲気に5秒から
    30秒間曝す非成膜工程II、高比抵抗の非晶質シリコン
    半導体層をグロー放電により形成する工程III、第1の
    導電型とは逆の導電型を有する第2の非晶質シリコン半
    導体層をグロー放電により形成する工程IV及び第2の電
    極を形成する工程Vよりなる処理工程により処理される
    ことを特徴とする非晶質シリコン光電変換素子の製造方
    法。
  2. 【請求項2】第1の電極を有する基板上に第1の導電型
    を有する非晶質シリコン半導体層をグロー放電により形
    成するための第I室、該第1の導電型を有する非晶質シ
    リコン半導体層を、水素を含むグロー放電雰囲気に5秒
    から30秒間曝すための第II室、高比抵抗の非晶質シリ
    コン半導体層をグロー放電により形成するための第III
    室、第1の導電型とは逆の導電型を有する第2の非晶質
    シリコン半導体層をグロー放電により形成するための第
    IV室及び第2の電極を形成するための第V室を連続して
    設置してなる非晶質シリコン光電変換素子の製造装置。
  3. 【請求項3】第1の導電型とは逆の導電型を有する第2
    の非晶質シリコン半導体をグロー放電により形成するた
    めの第IV室のあとに、該第2の非晶質シリコン半導体層
    を、水素を含むグロー放電雰囲気に曝すための第II室を
    さらに設置する特許請求の範囲第2項記載の装置。
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