JPH0948696A - シリコン薄膜の製造方法及びこの方法を用いた太陽電池の製造方法 - Google Patents

シリコン薄膜の製造方法及びこの方法を用いた太陽電池の製造方法

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JPH0948696A
JPH0948696A JP7216778A JP21677895A JPH0948696A JP H0948696 A JPH0948696 A JP H0948696A JP 7216778 A JP7216778 A JP 7216778A JP 21677895 A JP21677895 A JP 21677895A JP H0948696 A JPH0948696 A JP H0948696A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 多結晶粒界が存在せず、単結晶シリコン並み
の光吸収特性を有し電気抵抗が低いSi薄膜の製造方法
を提供する。 【解決手段】 蒸着源12に電子ビーム14を照射して
基板10にSi薄膜を蒸着する際に、アシストイオン源
18から基板10の面に垂直にアシストイオンを照射す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光吸収特性の改良
されたSi薄膜の製造方法及びこのSi薄膜を使用した
薄膜型太陽電池の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、太陽電池等においてシリコン
(Si)等の薄膜が電気的機能膜として用いられている
が、このSi薄膜としては、一般にアモルファス(非晶
質)Si膜よりも多結晶Si膜の方が電気抵抗が低く、
また、光吸収特性がよいすなわち光の吸収端が高波長側
にあるという特性がある。さらに、多結晶Si薄膜より
も単結晶Si薄膜の方が上述の特性が優れている。アモ
ルファスSi薄膜が高抵抗で光吸収特性が悪いのは、そ
の構造秩序度が小さいことと酸素及び水素の含有量が大
きいことが原因であると考えられている。
【0003】従って、太陽電池に使用されるSi薄膜と
しては、多結晶あるいは単結晶のSi薄膜の方がアモル
ファスSi薄膜より優れている。
【0004】上述の多結晶Si薄膜は、CVDや真空蒸
着により絶縁基板や半導体基板上にアモルファスのSi
薄膜を堆積し、これを熱アニールにより再結晶化して製
造されている。
【0005】また、単結晶Si薄膜の製造法は、例え
ば、特開平1−320291号公報に開示されている。
この従来技術においては、基板上に薄膜を蒸着する際、
同時に基板にアルゴンイオン(Ar+ )等の不活性ガス
のイオンビームを所定の2方向から照射し、単結晶Si
薄膜を形成している。
【0006】一方、アモルファスSi薄膜は、安価なガ
ラス基板上にも形成可能であり、コスト的には優れてい
るので、太陽電池を複数積層したタンデム構造等により
光吸収特性を補いながらアモルファスSi薄膜を使用し
た太陽電池が研究されている。これは、アモルファスS
i薄膜の光の吸収端が低波長側にあるという問題を克服
するために、添加物の添加によりバンドギャップを制御
してバンドギャップの異なるセルを製造し、これを積層
してタンデム構造とし、極力広範囲の波長の光を吸収で
きるようにした太陽電池である。
【0007】このタンデム型太陽電池の例が図20に示
される。図20においては、アモルファスシリコンカー
バイド(a−SiC)、アモルファスシリコン(a−S
i)、アモルファスシリコンゲルマニウム(a−SiG
e)が積層されている。また図21には、各アモルファ
ス薄膜のバンドギャップが示される。図20に示された
タンデム型太陽電池においては、図21に示されるバン
ドギャップに応じた波長の光が吸収され光電変換される
ことになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のように
して形成した多結晶のSi薄膜は、結晶粒界において発
生するキャリア再結合によりキャリアライフタイムが短
くなり、光電変換効率が低下するという問題があった。
【0009】また、上述の従来技術における単結晶のS
i薄膜の製造法においては、イオンビームの照射方向等
を精度良く制御しなければならず、製造方法に困難が伴
うという問題があった。さらに、単結晶のSi薄膜をエ
ピタキシャル成長で形成しようとすると、基板にシリコ
ン単結晶ウエハを使用しなければならず、基板が高価で
ありコストが高くなるという問題があった。このコスト
を低下させるためには、ガラス材料等の安価な異種基板
上へ低温単結晶成長(ヘテロエピタキシー)等により単
結晶Si薄膜を形成できればよいが、このような技術は
未だ報告されていない。
【0010】さらに、アモルファスSi薄膜を使用した
太陽電池の場合には、タンデム構造としても、900n
m以上の長波長側では単結晶Si薄膜のような光吸収特
性は期待できない。しかもタンデム構造とすることによ
り、構造が複雑となり製法が難しくコストが高くなると
いう問題もあった。
【0011】さらに従来のアモルファスSi薄膜におい
ては、ガラス等異種基板との密着性が悪く、薄膜形成時
の温度によっては基板から剥離する等の問題もあった。
【0012】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は多結晶薄膜のような粒界が存在せ
ず、単結晶Si薄膜なみの光吸収特性を有するSi薄膜
の製造方法及びこのSi薄膜を使用した太陽電池の製造
方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明は、電子ビーム蒸着により基板
上にシリコン薄膜を形成する際に、同時にアシストイオ
ンを照射するシリコン薄膜の製造方法であって、前記ア
シストイオンのエネルギが300eVから1500eV
であり、基板に堆積するシリコン原子数に対する照射さ
れるアシストイオンの数の比であるI/A比が0.2か
ら1.1であることをことを特徴とする。
【0014】また、請求項2記載の発明は、シリコン薄
膜を一部に用いた薄膜型太陽電池の製造方法であって、
前記シリコン薄膜は、請求項1記載の製造方法により製
造されたことを特徴とする。
【0015】また、請求項3記載の発明は、シリコン薄
膜を一部に用いた薄膜型太陽電池の製造方法であって、
前記シリコン薄膜は、請求項1記載の製造方法により製
造されており、前記アシストイオンのエネルギ及びI/
A比のうち少なくとも一方を連続的に変化させて連続的
にバンドギャップ制御したことを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。
【0017】実施形態1.図1には、本発明に係るSi
薄膜の製造方法を実施するための装置が示される。図1
において、基板10にSi薄膜を形成するには、蒸着源
12のSiの表面を電子ビーム14によってたたき、蒸
発したSiを基板10に蒸着させることにより行われ
る。基板10としては、ガラス、Si基板等を使用する
ことができる。また基板10は、基板ホルダ16に保持
されており、蒸着される膜の厚さを均一化するために所
定の回転速度で回転されている。
【0018】本発明において特徴的な点は、蒸着中に基
板面に垂直な方向からアルゴンイオン(Ar+ )等のア
シストイオンを基板に照射することである。
【0019】上述のアシストイオンは、アシストイオン
源18から基板10に照射される。また、以上の蒸着作
業は真空チャンバ20の中で行われ、真空チャンバ20
は排気バルブ22を介して真空ポンプ(図示せず)に接
続されており、これにより所定の真空度まで排気され
る。この真空排気系には、粗引き用のロータリーポンプ
として樫山工業製KRS−1800が使用され、また高
真空用のクライオポンプとしてダイキン工業製UV20
8SC14Fが使用されており、最高到達真空度は2×
10-7トール(Torr)となっている。
【0020】以下実施例1に本発明に係るシリコン薄膜
の製造方法の具体例を示し、実施例2から実施例7に実
施例1で製造したSi薄膜の評価結果を示す。
【0021】実施例1 図1に示される装置を使用して、以下に示す条件によっ
てSi薄膜を製造した。
【0022】
【表1】 蒸着材料 :Si(高純度化学研究所製、純度
99.999%)、 真空チャンバ内真空度:成膜開始時4.3×10-7トー
ル、成膜中2.7×10-5トール(蒸着中に照射される
Arイオンによって成膜中の真空度が低下する)、 電子ビームパワー :168mA、 蒸着速度 :0.6オングストローム/S、 Arガス流量 :2cc/分、 加速電圧 :800V、 加速電流 :25mA、 減速電圧 :800V、 減速電流 :0.7mA、 アーク電圧 :80V、 アーク電流 :1.5A、 フィラメント電圧 :5.4V フィラメント電流 :160A、 基板電流 :7.0mA、 接地電流 :0.2mA、 基板角度 :蒸着源に対して45゜Ar+
オンに対して垂直、 基板回転数 :3rpm、 基板温度 :水冷。
【0023】以上の条件により蒸着を行う際に、蒸着中
に基板に堆積するSi原子数に対するアシストイオンと
してのArイオン数の比であるI/A比を0.047か
ら1.1まで変化させて数種類のSi薄膜を製造しそれ
らの物性を評価した。同様にして、蒸着中にアシストイ
オンとしてのArイオンのエネルギを100eVから1
500eVまで変化させ、各種のSi薄膜を製造しそれ
らの物性を評価した。これらの評価結果は実施例2から
実施例7に示される。
【0024】実施例2 実施例1の製造方法において、Arイオンエネルギを8
00eV一定としてI/A比を0.047から1.1の
間で変化させて製造した数種類のSi薄膜について抵抗
率を、三菱油化製抵抗率計Loresta AP MC
P−T400を用いた4探針法により測定した。この結
果が図2に示される。
【0025】図2に示されるように、I/A比が増加す
ると共にSi薄膜の抵抗率は減少した。一方、Arイオ
ンのアシストなしで製造したSi薄膜についても抵抗率
を測定したが、測定範囲が1×10-2Ωから1.99×
107 Ωまでの抵抗率計の測定限界を越えていた。
【0026】以上より、Arイオンをアシストイオンと
して照射することにより、Si薄膜の抵抗率が減少する
ことがわかった。I/A比としては、図2より、0.2
から1.1の範囲が最適であると考えられる。
【0027】実施例3 実施例1の製造方法において、I/A比を0.318一
定としてArイオンのエネルギを100eVから150
0eVまで変化させて製造した数種類のSi薄膜につい
て、実施例2と同様に抵抗率を測定した。この結果が図
3に示される。なお、I/A比は上述のように0.31
8一定に保たれているが、具体的には基板に蒸着するS
i原子数が毎秒3×1016個であり、照射されるArイ
オン数が毎秒9.55×1015個となっている。
【0028】図3に示されるように、抵抗率の測定はA
rイオンのエネルギが100eV毎に行われている。図
3からわかるように、300eV以上のエネルギにおい
ては、ほぼすべて100Ωcm以下の抵抗率となってい
る。Si薄膜を太陽電池に使用する場合には、電子伝導
度の観点から電気抵抗は低い方が適しているので、Ar
イオンのエネルギとしては300eVから1500eV
の範囲が好適であると考えられる。
【0029】実施例4 実施例1の製造方法において、Arイオンエネルギを8
00eV一定に保ちながら、I/A比を変化させた4種
類のSi薄膜を製造し、これらの膜の吸光度を測定し
た。吸光度の測定は日立分光光度計330型により実施
した。吸光度の測定結果が図4に示される。
【0030】ただし、本実施例における膜厚は500n
mであり、基板は10cm角の石英基板であり、真空度
は1.2×10-5トールであった。
【0031】図4において、aはアシストイオンの照射
をしないで製造したSi薄膜であり、bはI/A比が
0.047であり、cはI/A比が0.134であり、
dはI/A比が0.466であるSi薄膜の測定結果を
示している。図4に示されるように、アシストイオンの
照射のないサンプルaに比較して、アシストイオンの照
射を行ったすなわちI/A比が0ではないサンプルb、
c、dは、吸収端が長波長側へシフトしていることが分
かる。
【0032】Siの吸収端は、文献によれば、結晶性の
Siで1130nmであり、アモルファスのSiで70
0nmである。従って、アシストイオンの照射をしてい
ないaのサンプルにおいては、アモルファスのSi薄膜
が形成されていると考えられるが、アシストイオンの照
射を行ったSi薄膜では、光吸収特性が結晶性の膜に近
付いていることがわかる。
【0033】図4においてはI/A比が0.466まで
のデータが示されているが、図5には更にI/A比を高
くした場合の吸光度の測定結果が示される。ただし、図
5の場合には、一例として波長800nmにおける結果
を示した。図5からわかるように、I/A比が0.46
6の場合に吸光度が最大となり、I/A比がそれ以上の
値になると吸光度は減少した。
【0034】以上の結果からも、I/A比としては、
0.2から1.1の範囲が好適であると考えられる。
【0035】実施例5 実施例1の製造方法において、I/A比を一定に保ちな
がら、Arイオンのエネルギを変化させて製造したSi
薄膜について吸光度を測定した。ただし、膜厚、使用し
た基板、真空度については実施例4と同様である。
【0036】採用したI/A比は0.318であり、吸
光度の測定結果は図6に示される。図6においてeはア
シストイオンの照射がないサンプルであり、fはArイ
オンのエネルギが200eVであり、gはArイオンの
エネルギが300eVであり、hはArイオンのエネル
ギが400eVであり、iはArイオンのエネルギが5
00eVでアシストイオンを照射し製造したサンプルの
測定結果である。
【0037】図6に示されるように、アシストイオンの
ないサンプルeに比べて、アシストイオンを照射したサ
ンプルf,g,h,iは吸収端が長波長側へシフトして
いる。そして、この傾向はアシストイオンのエネルギが
大きいほど顕著である。
【0038】図7には、波長800nmの光を使用して
アシストイオンのエネルギをさらに高くして製造したS
i薄膜の吸光度の測定結果が示される。図7に示される
ように、アシストイオンのエネルギが大きくなると、吸
光度も大きくなるが、アシストイオンのエネルギが50
0eV以上になると吸光度は飽和状態となる。このこと
からも、アシストイオンのエネルギとしては、300e
V以上であることが好ましい。そして、実施例3の抵抗
率の測定結果と合わせて考えれば前述のようにアシスト
イオンのエネルギとして300eVから1500eVの
範囲が好適であると考えられる。
【0039】実施例6 アシストイオンとしてのArイオンの照射を行って製造
した膜と行わないで製造した膜とについてオージェ電子
分光分析を行った。
【0040】アシストイオンの照射を行わない場合の製
造条件は、真空度が5×10-7トールであり、基板は1
0cm角石英であって水冷により冷却され蒸着源に対し
て角度0゜に保持された。この基板に蒸着速度を0.6
オングストローム/Sとして膜厚5000オングストロ
ームまで蒸着させた。
【0041】また、アシストイオンの照射を行った場合
の製造条件は、真空度が1.1×10-5トールであり、
基板は10cm角石英であって水冷により冷却されアシ
ストイオンビームに対して垂直に保持された。この基板
に蒸着速度を0.6オングストローム/Sとして膜厚は
5000オングストロームまで蒸着させた。またアシス
トイオンのエネルギは500eVであり、I/A比は
0.31すなわち基板に蒸着するSi原子数が毎秒3.
26×1016個であり、基板に照射されるArイオン数
は毎秒1.01×1016個である。
【0042】以上の製造条件の他は、実施例1の条件と
同様である。
【0043】また、オージェ電子分光分析の分析条件
は、日本電子製JAMP−7800を使用して、電子エ
ネルギが10keV、プローブカレントが7.48×1
-8A、真空度が2.74×10-7Pa、Analyz
er ModeがM5、CEMHVが2100V、St
epが1eV、Dwell Timeが100ms、S
weepsが10、チルト角が75゜である。
【0044】両サンプルとも分析前に1分間Arイオン
スパッタリングによって表面酸化膜を除去してから分析
を行った。
【0045】以上の条件でオージェ電子分光分析を行っ
た結果が図8に示される。図8からわかるように、それ
ぞれの膜に含まれていた酸素(図ではOで表示)とシリ
コン(図ではSiで表示)のピークが観測された。これ
らの様子をわかりやすくするために、酸素のピークの周
辺を拡大したものが図9に、またシリコンのピークの周
辺を拡大したものが図10にそれぞれ示される。なお、
図8から図10までにおいて、jがアシストイオンを照
射して製造したサンプルを表し、kがアシストイオンの
照射をしないで製造したサンプルを表す。
【0046】図9に示されるように、アシストイオンを
照射しないで製造したサンプルkよりも、アシストイオ
ンの照射を行って製造したサンプルjの方が、検出され
る酸素の量が少なくなっている。これは、イオン照射に
より雰囲気ガス中の酸素濃度が減ること及び蒸着された
膜中に取り込まれた酸素がアシストイオンの照射によっ
てたたきだされるためであると考えられる。
【0047】また、図10に示されるように、Siのピ
ークは、アシストイオンの照射がある場合よりもアシス
トイオンの照射がない場合に30eVだけ高エネルギ側
にシフトしている。このピークは、一般に、抵抗が高く
なると高エネルギ側にシフトする傾向にある。さらに、
図10に示される波形は両サンプルにおいて同じ形をし
ているので、膜中に取り込まれた酸素は、シリコン(S
i)と結合しているのではなく、O2 の形で膜中に取り
込まれていると考えられる。酸素とシリコンとが化学的
に結合している場合には、両サンプルの波形が異なる形
になる筈だからである。
【0048】以上の結果を実施例2及び実施例3の結果
と比べると、I/A比及びArイオンのエネルギを大き
くすると、雰囲気ガス中にArが多くなって、相対的に
酸素の濃度が低下するので、Si薄膜中へ取り込まれる
酸素量が減り、このためにSi薄膜の抵抗率が低下する
と考えられる。またArイオンのエネルギが大きくなる
と、Si薄膜から酸素をたたきだす効果が大きくなり、
これによってもSi薄膜の抵抗率が低下すると考えられ
る。
【0049】実施例7 アシストイオンの照射を行わないで製造した膜と、実施
例1の製造方法によって製造した膜とのSEM写真を撮
影し、両方の膜の表面状態を観察した。
【0050】図11には、アシストイオンの照射を行わ
ないで製造した膜のSEM写真が示される。このサンプ
ルの場合には、蒸着したSi薄膜はアモルファスシリコ
ンになっていると考えられる。
【0051】また、図12には、Arイオンのエネルギ
が800eVであり、I/A比が0.466の条件で製
造したSi薄膜のSEM写真が示される。また、図13
には、Arイオンのエネルギの400eVであり、I/
A比が0.318の条件で製造したSi薄膜のSEM写
真が示される。
【0052】図11から図13に示されるように、いず
れの写真もほぼ同様の表面状態を表している。従って、
本発明に係る製造方法により製造したSi薄膜は、その
結晶状態としてはアモルファスに近いものになっている
と考えられる。
【0053】以上実施例2から実施例7の結果を総合し
て考察すると、本発明に係る製造方法により製造したS
i薄膜は、物性面すなわち抵抗率及び光吸収特性に関し
ては低い抵抗率でかつ光の吸収端が長波長側にシフト
し、結晶性の膜と同等のものになっており、また、結晶
状態の面では、アモルファスSi薄膜に近いものとなっ
ている。この結果、結晶粒界で発生するキャリア再結合
がなく、低抵抗率で光吸収性に優れており、太陽電池に
使用するのに適したSi薄膜が製造できていることがわ
かる。更に、光の吸収端が長波長側へシフトしているこ
とにより、従来のようにタンデム型の構造としなくて
も、単層のセルで広範囲の波長の光を吸収することがで
きる。
【0054】また、本発明の製造方法により製造したS
i薄膜は、基板との密着性も良好であった。この理由
は、酸素等の不純物が少ないこと及びイオン照射による
清浄効果やミキシング効果の結果、更にはSi原子間結
合力の強い緻密な膜が構成されたためと考えられる。更
に、本発明に係るSi薄膜は、アシストイオンのエネル
ギ及びI/A比を変化させることにより抵抗率及び光の
吸収端の制御が可能であるので、タンデム構造等各種の
構造に使用することもできる。
【0055】実施形態2. 前述したように実施形態1の製造方法によって製造した
Si薄膜は、光の吸収端が長波長側にシフトしているの
で、光の吸収特性が良好であり、また抵抗率が低いとい
う結晶質のSi薄膜と同様の特性を有している。さら
に、結晶粒界が存在しないのでキャリア再結合がなく、
長いキャリアライフタイムを保持することができる。
【0056】実施形態1の製造方法によって製造された
Si薄膜は、以上のような特性を有するので、このSi
薄膜をp−i−n型アモルファス太陽電池のi層に使用
すると、単層p−i−n構造としても結晶質のSi薄膜
を使用した単層の太陽電池と同様の光吸収特性を実現で
き、光電変換効率の高い太陽電池が実現できる。
【0057】また、実施形態1に係るSi薄膜は、アシ
ストイオンのエネルギあるいはI/A比のうち少なくと
も一方を連続的に変化させることにより、連続的に光の
吸収端の制御すなわちバンドギャップ制御が可能なの
で、タンデム構造を採用せずに広い波長範囲の光吸収領
域を有する太陽電池を実現することができる。
【0058】これにより、積層数の増加による製造プロ
セスの複雑化による製造コストの上昇を抑えることがで
き、またバンドギャップ制御のための添加物の増加によ
る膜質の悪化も防ぐことができる。
【0059】以下、実施例8から実施例12に本発明に
係るSi薄膜を使用した各種の太陽電池の構成例を示
す。
【0060】実施例8 図14には、本実施例に係る太陽電池の断面図が示され
る。図14において、ガラス基板100の上に電極11
0が形成される。電極110としては、SnO2 を真空
蒸着あるいはスパッタリング等により3000オングス
トローム堆積させた。また、この電極110としては、
この他にITO等の透明電極を用いることもできる。
【0061】電極110の上には、p層112が形成さ
れる。p層112としては、アモルファスSiC:H
を、シランガスにメタンガスを混入したプラズマCVD
法により100オングストローム堆積させた。
【0062】p層112の上には、実施形態1の製造方
法によって製造されたSi薄膜114が形成される。S
i薄膜114の膜厚は5000オングストロームとし
た。
【0063】Si薄膜114の上には、n層116が形
成される。n層116としては、μ結晶Si:Hをシラ
ンガスあるいはTEOSを用いたプラズマCVD法によ
り200オングストローム堆積させた。
【0064】n層116の上にはAl電極118が形成
される。Al電極118としては、Alを真空蒸着ある
いはスパッタリング等により3000オングストローム
堆積させた。
【0065】以上のように、本実施例における太陽電池
においては、従来のp−i−n型アモルファスSi太陽
電池におけるi層を本発明に係るSi薄膜に置き換えた
物である。図14に示されるように、本実施例の太陽電
池は単層p−i−n構造であるが、i層に本発明に係る
Si薄膜を使用したことにより、単結晶Si薄膜を使用
した太陽電池並の光吸収特性を実現できた。また、本実
施例においては、i層を熱アニールによる溶融再結晶化
によって多結晶化する工程がないので、結晶粒界が存在
せず、結晶粒界におけるキャリア再結合がないのでキャ
リアライフタイムを長く保持することができる。
【0066】実施例9 図15には、本実施例に係る太陽電池の断面図が示され
る。図15において、ガラス基板100の上に、バッフ
ァ層120が形成されている。バッファ層120として
は、Si3 4 /SiOx 等が用いられ、基板からの不
純物混入を防止することを目的としている。また、基板
としては、ガラス基板100の代わりにアルミナセラミ
ックス基板等を用いることもできる。
【0067】バッファ層120の上には、実施形態1に
係る製造方法により製造されたSi薄膜114が形成さ
れている。膜厚は5μmとした。
【0068】Si薄膜114の上には、n層116が形
成されている。n層116としては、実施例8と同様
に、μ結晶Si:Hを、シランガスやTEOSを用いた
プラズマCVD法により2000オングストローム堆積
させた。
【0069】また、Si薄膜114の上には、n層11
6とは分離された位置にAl電極118が形成されてい
る。Al電極118としては、Alを真空蒸着あるいは
スパッタリング等により3000オングストローム堆積
させた。
【0070】さらに、n層116の上には電極110が
形成されている。電極110としては、実施例8と同様
に、SnO2 を真空蒸着あるいはスパッタリング等によ
り3000オングストローム堆積させた。また、SnO
2 の他に、ITO等の透明電極を用いることもできる。
【0071】本実施例に係る太陽電池においては、2つ
の電極が太陽電池の上部に設置されているので、キャリ
アの移動が基板に平行方向に起こる。従来のSi多結晶
薄膜においては、基板に平行方向には多数の結晶粒界が
存在していたが、本実施例に使用したSi薄膜において
は、溶融再結晶化による粒界が存在しないので、キャリ
アが基板に平行方向に移動しても、キャリア再結合の問
題が起こることがない。従って高い光電変換効率の太陽
電池を実現することができる。
【0072】実施例10 図16には、本実施例に係る太陽電池の断面図が示され
る。図16において、p型Siウエハで形成されたp層
112の上にn++層122が形成されている。このn++
層122は、p型Siウエハの上に、実施形態1に係る
製造方法により製造したSi薄膜を形成し、このSi薄
膜にPを拡散することにより高濃度のn++層として形成
した。ここでPの拡散は、従来法すなわちPOCl3
気拡散によって行った。
【0073】n++層122の上には、表面集電電極12
4が複数個形成されている。表面集電電極124は、T
i/Pd/Agの微細電極である。
【0074】一方、p層112の下にはp+ 層126が
形成されている。またp+ 層126の下にはAl/Ag
電極128が真空蒸着あるいはスパッタリング等で形成
されている。p+ 層126は、Al/Ag電極128の
Alのp層112への熱拡散処理により形成される。
【0075】従来からSi層の上に形成された電極の直
下にn++層を形成して電極とSi層との界面の電気抵抗
を低くすることが行われており、本実施例のn++層12
2もこの界面抵抗低減用のn++層に相当する。本実施例
において、n++層122を形成する際には、上述の通り
PをSi薄膜に拡散させることによって行うが、このS
i薄膜は、実施形態1に係る製造方法により製造されて
おり、もともと不純物を含んでいない膜であるので、不
純物同士の相殺作用が無く、n++層の形成を効率的に行
うことができる。
【0076】また、電極界面の抵抗を低くするために、
電極直下のSi層にPを高濃度拡散する代わりに、マス
クを使用してアシストイオンの照射・未照射領域を形成
し、電極直下のみアシストイオンを照射してSi薄膜を
形成すれば、その部分の電気抵抗を低くすることができ
る。
【0077】なお本実施例においてはp型Siウエハを
使用する例を示したが、n型Siウエハも同様に使用す
ることができる。この場合にはBの拡散によりp層を形
成することになる。
【0078】更に、従来より単結晶Si太陽電池では、
pn接合を、p型Si基板にPを拡散するか、n型Si
基板にBを拡散することにより形成していた。しかし、
この方法では、基板自体に含まれる不純物とドープされ
る不純物との間で相殺作用が働くので、高効率の太陽電
池に要求される浅くて高濃度の拡散を実現することが困
難であった。
【0079】本実施例の手法をこのpn接合の形成に用
いると、例えば、p型Siウエハの上に、実施形態1に
係る製造方法により製造した不純物を含んでいないSi
薄膜を形成し、このSi薄膜にPを拡散するので、上述
の通り不純物同士の相殺作用が無く、浅くて高濃度の拡
散を実現することができる。これにより高い効率の太陽
電池を実現することができる。また、p型Siウエハの
代わりにn型Siウエハを使用し、Bを拡散することに
よっても同様の効果が得られる。
【0080】実施例11 図17には、本実施例に係る太陽電池の断面図が示され
る。図17において、ステンレス基板130の上にTi
層132が形成され、Ti層132の上にAg層134
が形成され、更にAg層134の上にZnO層136が
形成されている。このZnO層136の上には、n層1
16が形成され、n層116の上に実施形態1の製造方
法によって製造され、連続的にバンドギャップがコント
ロールされたSi薄膜114が形成されている。そし
て、Si薄膜114の上にはバッファ層120が形成さ
れ、バッファ層120の上にp層112が形成され、p
層112の上に電極110が形成されている。電極11
0は、ITOを使用した透明電極となっている。
【0081】本実施例において、Si薄膜114のバン
ドギャップを連続的に制御する方法は以下の2通りがあ
る。
【0082】まず、第1の方法として、アシストイオン
のエネルギを一定に維持し、I/A比を連続的に変える
方法がある。すなわち、I/A比の増加に伴い、実施例
4に示されるように、吸収端が長波長側へシフトする
が、これはバンドギャップが小さくなっていることを意
味している。本実施例においては、Si薄膜114の最
上部をアシストイオンなしで成膜し、徐々にアシストイ
オンのイオン数を増加していき、最下部すなわちn層1
16との界面でI/A比が0.5となるように設定して
Si薄膜の成膜を行った。これにより上部から下部に向
かってすなわちp層112の側からn層116に向かっ
て徐々に連続的にバンドギャップが小さくなる膜が形成
された。このバンドギャップの変化の様子が図18に示
される。図18においては、縦軸がバンドギャップであ
り、横軸がSi薄膜114の最上部(p層112側)か
ら最下部(n層116側)への位置の変化を表してい
る。
【0083】アシストイオンの数は、Si薄膜114の
厚さが2μmでありSi成膜速度が毎分3.6nmの時
に、基板に照射されるイオン数が毎秒5×1011個増加
する変化速度で連続的に変化させた。
【0084】第2の方法としては、I/A比を一定に保
ちアシストイオンのエネルギを連続的に変える方法があ
る。
【0085】Si薄膜の光学的特性は、アシストイオン
のエネルギの増加に伴って、実施例5に示されるよう
に、吸収端が長波長側へシフトする。従って、Si薄膜
114の成膜時に、上部から下部に向かってアシストイ
オンのエネルギを増加させながら成膜を行えば第1の方
法と同様に、図18のバンドギャッププロファイルを有
するSi薄膜が形成できる。
【0086】すなわち、Si薄膜114の最上部をアシ
ストイオンの照射なしで成膜し、徐々に照射するアシス
トイオンのエネルギを増加していく。最下部すなわちn
層116との界面で照射するイオンのエネルギが500
eVとなるように設定して成膜した。ここで、照射する
アシストイオンのエネルギは、例えば、Si薄膜114
の厚さが2μmでありSi成膜速度が毎分3.6nmの
時に、毎秒0.015eVだけイオンエネルギが増加す
る変化速度で連続的に変化させた。
【0087】以上のように、バンドギャップを連続的に
制御したSi薄膜を使用することにより、本実施例にお
ける太陽電池は、タンデム構造を取らずに、単層構造で
あっても、広い波長範囲の光を吸収できる。これによ
り、積層数を増やす必要がないので、低コストで高効率
の薄膜型太陽電池が実現できる。
【0088】実施例12 図19には、本実施例に係る太陽電池の断面図が示され
る。図19において、ステンレス基板130からZnO
層136までは実施例11と同様である。これらの構造
の上に、実施例11に示されたn層116、Si薄膜1
14、バッファ層120、p層112の構造が3段積層
されている。そして、最上部にはITOを使用した透明
電極である電極110が形成されている。
【0089】本実施例において使用されている3つのS
i薄膜は、それぞれ異なるバンドギャップを有してい
る。すなわち、最上部のSi薄膜114aは、3つのう
ちで最大のバンドギャップを有しており、中段のSi薄
膜114bは3つの中で中程度のバンドギャップを有し
ており、最下部のSi薄膜114cは最も小さいバンド
ギャップを有している。これらのバンドギャップは、実
施形態1に係る製造方法においてアシストイオンのエネ
ルギあるいはI/A比を制御することによりそれぞれ実
現することができる。
【0090】以上のように、本発明に係るSi薄膜は、
図19に示されるようにタンデム構造においても使用す
ることができる。
【0091】なお、実施例8から実施例12に示された
太陽電池においては、表面反射防止のためにSiO2
TiO2 、MgO等の反射防止膜を形成したり、選択的
エッチング処理によるピラミッド型テクスチャを形成す
ることもできる。
【0092】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低抵抗率でかつ光吸収特性がよく、従来のアモルファス
Si薄膜に比べ電気的特性及び光学的特性に優れるSi
薄膜を得ることができる。また、本発明に係るSi薄膜
は、常温でガラス基板等の異種材料上に形成することが
でき、かつ密着性に優れている。
【0093】また、本発明に係るSi薄膜は、結晶質並
の特性を有しながら結晶粒界が存在しないために、太陽
電池に使用した場合には長いキャリアライフタイムを維
持することができる。
【0094】更に、本発明によれば、アシストイオンの
エネルギ及びI/A比のうち少なくとも1つを連続的に
変化させて連続的にバンドギャップ制御したSi薄膜を
形成することができ、このようなSi薄膜を使用して単
層で広い波長範囲の光を吸収できる太陽電池を実現する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るSi薄膜の製造装置を示す図で
ある。
【図2】 本発明に係るSi薄膜のI/A比と抵抗率と
の関係を示す図である。
【図3】 本発明に係るSi薄膜のArイオンエネルギ
と抵抗率の関係を示す図である。
【図4】 本発明に係るSi薄膜の光吸収特性を示す図
である。
【図5】 本発明に係るSi薄膜のI/A比と吸光度と
の関係を示す図である。
【図6】 本発明に係るSi薄膜の光吸収特性を示す図
である。
【図7】 本発明に係るSi薄膜のArイオンエネルギ
と吸光度との関係を示す図である。
【図8】 本発明に係るSi薄膜のオージェ電子分光分
析の結果を示す図である。
【図9】 本発明に係るSi薄膜のオージェ電子分光分
析の結果を示す図である。
【図10】 本発明に係るSi薄膜のオージェ電子分光
分析の結果を示す図である。
【図11】 アシストイオンを照射しないで形成したS
i薄膜の表面の電子顕微鏡写真である。
【図12】 本発明に係るSi薄膜の表面の電子顕微鏡
写真である。
【図13】 本発明に係るSi薄膜の表面の電子顕微鏡
写真である。
【図14】 本発明に係るSi薄膜を使用した太陽電池
の断面図である。
【図15】 本発明に係るSi薄膜を使用した太陽電池
の断面図である。
【図16】 本発明に係るSi薄膜を使用した太陽電池
の断面図である。
【図17】 本発明に係るSi薄膜を使用した太陽電池
の断面図である。
【図18】 本発明に係るSi薄膜のバンドギャップを
連続的にコントロールした場合のバンドギャッププロフ
ァイルを示す図である。
【図19】 本発明に係るSi薄膜を使用した太陽電池
の断面図である。
【図20】 従来におけるタンデム型太陽電池の断面図
である。
【図21】 図20に示されたタンデム型太陽電池のバ
ンドギャッププロファイルを示す図である。
【符号の説明】
10 基板、12 蒸着源、14 電子ビーム、16
基板ホルダ、18 アシストイオン源、20 真空チャ
ンバ、22 排気バルブ、100 ガラス基板、110
電極、112 p層、114 Si薄膜、114a
最大のバンドギャップのSi薄膜、114b 中程度の
バンドギャップのSi薄膜、114c最も小さいバンド
ギャップのSi薄膜、116 n層、118 Al電
極、120 バッファ層、122 n++層、124 表
面集電電極、126 p+ 層、128 Al/Ag電
極、130 ステンレス基板、132 Ti層、134
Ag層、136 ZnO層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 31/04 H01L 31/04 X

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子ビーム蒸着により基板上にシリコン
    薄膜を形成する際に、同時にアシストイオンを照射する
    シリコン薄膜の製造方法であって、 前記アシストイオンのエネルギが300eVから150
    0eVであり、基板に堆積するシリコン原子数に対する
    照射されるアシストイオンの数の比であるI/A比が
    0.2から1.1であることをことを特徴とするシリコ
    ン薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 シリコン薄膜を一部に用いた薄膜型太陽
    電池の製造方法であって、前記シリコン薄膜は、請求項
    1記載の製造方法により製造されたことを特徴とする薄
    膜型太陽電池の製造方法。
  3. 【請求項3】 シリコン薄膜を一部に用いた薄膜型太陽
    電池の製造方法であって、前記シリコン薄膜は、請求項
    1記載の製造方法により製造されており、前記アシスト
    イオンのエネルギ及びI/A比のうち少なくとも一方を
    連続的に変化させて連続的にバンドギャップ制御したこ
    とを特徴とする薄膜型太陽電池の製造方法。
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