JPH11186583A - 集積化されたタンデム型薄膜光電変換装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた光電変換特性を有し高電圧で高出力を
生じ得る集積化されたタンデム型シリコン系薄膜光電変
換装置を提供する。 【解決手段】 集積化されたタンデム型薄膜光電変換装
置は、透明ガラス基板１０１上に順次積層された透明電
極層１０２、少なくとも１の非晶質シリコン系薄膜光電
変換ユニット層１０５、少なくとも１の結晶質シリコン
系薄膜光電変換ユニット層１０６、および裏面電極層１
０８が複数のタンデム型光電変換セルを形成するように
実質的に直線状で互いに平行な複数の分離溝１０４，１
０９によって分離されていて、かつそれらの複数のセル
は分離溝１０４，１０９に平行な複数の接続用溝１０７
を介して互いに電気的に直列接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコン系薄膜光電
変換装置に関し、特に、タンデム型シリコン系薄膜光電
変換装置の特性改善とその大面積化のための集積化に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、たとえば多結晶シリコンや微結晶
シリコンのような結晶質シリコンを含む薄膜を利用した
光電変換装置の開発が精力的に行なわれている。これら
の開発は、安価な基板上に低温プロセスで良質の結晶質
シリコン薄膜を形成することによって光電変換装置の低
コスト化と高性能化を両立させようという試みであり、
太陽電池だけでなく光センサ等の有用な光電変換装置へ
の応用が期待されている。

【０００３】このような良質の結晶質シリコン薄膜を形
成する方法としては、基板上の大結晶粒径のシリコン薄
膜の下地層を何らかのプロセスで形成した後に、この下
地層をシード層または結晶化制御層として用いることに
よって、結晶粒界や粒内欠陥が少なくて一方向に強く結
晶配向した良質の光電変換層となる結晶質シリコン薄膜
をその下地層上に堆積させるという手法が知られてい
る。より具体的には、基板上に堆積されたシリコン膜を
ゾーンメルト法によって大結晶粒化したものを下地層に
用いる方法がSolar Energy Materials and Solar Cell
s, Vol.34, 1994,p.285 に記載されており、また、基板
上に堆積されたシリコン膜を固相成長法によって大粒径
化したものを下地層に用いる方法がSolar Energy Mater
ials and Solar Cells, Vol.34, 1994, p.257 に記載さ
れている。しかし、これらのいずれにおいても、下地層
または光電変換層の形成に５００℃以上の比較的に高い
温度のプロセスを含んでいることから、用いられ得る基
板の種類に制約がある。

【０００４】また、結晶質シリコン系光電変換層の下地
層として非晶質シリコン系薄膜を用いた光電変換装置
が、特開平７−２６３７３２に記載されている。この非
晶質シリコン系薄膜は基板材料と結晶質シリコン系薄膜
との熱膨張係数の相違による歪を緩和させることを目的
としているが、この技術も５００℃以上の高温度のプロ
セスにおける熱応力に対処するために必要とされるもの
であり、また、このような形成方法によって高い光電変
換特性が得られたという事例は未だ存在していない。

【０００５】他方、安価な低融点ガラスの基板を用いる
ことができ、かつ熱膨張係数の差異に基づく積層膜内の
応力や歪が生じにくい比較的低温のプロセスのみを用い
る方法であって、優れた光電変換効率の結晶質シリコン
系薄膜光電変換装置を形成し得る方法が近年脚光を浴び
ている。たとえば、微結晶シリコンのｐｉｎ接合からな
る光電変換ユニットを含む光電変換装置がAppl. Phys.
Lett., Vol.65, 1994,p.860に記載されている。この光
電変換ユニットは、簡便にプラズマＣＶＤ法で順次積層
されたｐ型半導体層、光電変換層たるｉ型半導体層、お
よびｎ型半導体層からなり、これらの半導体層のすべて
が微結晶シリコンであることを特徴としている。

【０００６】ところで、光電変換装置の変換効率を向上
させる１つの方法として、複数の光電変換ユニットを積
層してタンデム型にする方法がある。この方法において
は、光電変換装置の光入射側に大きなバンドギャップを
有する光電変換層を含む前方ユニットを配置し、その後
ろに順に小さなバンドギャップを有する光電変換層を含
む後方ユニットを配置することにより、入射光の広い波
長範囲にわたって光電変換を可能にし、これによって装
置全体としての変換効率の向上が図られる。このように
複数の光電変換ユニットを積層した光電変換装置の一例
として、タンデム型非晶質シリコン系光電変換装置があ
る。これは、ガラス基板上に異なるバンドギャップを有
する光電変換層を含む複数の非晶質シリコン系光電変換
ユニットを積層したものであり、単一の光電変換ユニッ
トのみを含む装置に比べて光電変換効率の向上と装置の
光劣化の低減（各光電変換層の薄膜化による）を図るこ
とを目的としているが、いずれの光電変換層にも非晶質
シリコンを使用しているので、その変換効率の向上と光
劣化の低減には限界がある。

【０００７】他方、非晶質の光電変換層を含む非晶質シ
リコン系光電変換ユニットと結晶質の光電変換層を含む
結晶質シリコン系光電変換ユニットとの積層も従来から
検討されてはいるが、上述のように従来の結晶質シリコ
ン系光電変換ユニットの形成には高温プロセスが含むま
れるので、金属等の基板上に結晶質シリコン系光電変換
ユニットと非晶質シリコン系光電変換ユニットとがこの
順序のみで形成可能であった。なぜならば、非晶質シリ
コン系光電変換ユニットの後に高温プロセスで結晶質シ
リコン系光電変換ユニットを形成すれば、その非晶質シ
リコン系光電変換ユニットに含まれる非晶質光電変換層
も結晶化されてしまうからである。

【０００８】したがって、金属等の基板が不透明である
という理由のみならず、非晶質シリコンは結晶質シリコ
ンに比べて大きなバンドギャップを有するので、光電変
換されるべき光は基板側からでなくて非晶質シリコン系
光電変換ユニット側から入射させられることになる。こ
の場合、各光電変換ユニットに含まれる半導体層はｎｉ
ｐ型、すなわち基板上にｎ型導電型層、ｉ型光電変換
層、ｐ型導電型層の順に成膜されることになる。これ
は、一般的に光電変換ユニットにおいては、ｐ型導電型
層から光を入射させる方がｎ型導電型層から入射させる
より高い変換効率が得られるからである。他方、非晶質
シリコン系光電変換ユニットにおいては、その光電変換
効率に実績のあるｐｉｎ型、すなわち透明基板上にｐ型
導電型層、ｉ型光電変換層、ｎ型導電型層の順に成膜す
るのが一般的であり、ｎｉｐ型は小面積の光電変換装置
の場合を除いてほとんど採用されていない。

【０００９】ところで、高電圧で高出力を生じ得る大面
積の光電変換装置を作製する場合、非晶質シリコン系光
電変換装置では、大きな基板に形成された太陽電池の複
数個を直列接続して用いるのではなく、歩留りを良くす
るために、大きな基板上に形成された太陽電池を複数の
セルに分割してそれらのセルを直列接続して集積化を行
なうのが一般的である。特に、ガラス基板側から光を入
射させるｐｉｎ型非晶質シリコン系光電変換装置におい
ては、ガラス基板上の透明電極の抵抗によるロスを低減
するために、レーザ光を用いて透明電極を所定幅の短冊
状に加工し、その短冊状の長手方向に直交する方向に各
セルを直列接続して集積化するのが一般的である。

【００１０】特公平５−３７５２においては、透明基板
側からレーザ光を入射させて加工する方法を用いて複数
のセルを集積化する方法が提案されている。しかし、こ
れは単一のｐｉｎ型非晶質光電変換ユニット層を含む太
陽電池に関するものであり、結晶質シリコン系光電変換
ユニット層を含む場合やタンデム型の場合における次の
ような課題に関しては何ら言及されていない。すなわ
ち、結晶質シリコン層は非晶質シリコン層に比べてレー
ザ光の吸収効率が低く、また、結晶質シリコン系光電変
換層は非晶質シリコン系光電変換層に比べて同等の光吸
収のために約１０倍もの厚さを必要とするので、結晶質
シリコン系光電変換層を切断するためには大きなエネル
ギを有するレーザ光を用いる必要がある。したがって、
目的とする切断部位以外に熱損傷を与えることがあり、
光電変換装置の性能低下を引起こすことなく複数のセル
への分割化とそれらのセルの集積化を行なうことが困難
である。また、上述のように従来の結晶質シリコン系光
電変換ユニットを含むタンデム型光電変換装置において
は、金属等の不透明な基板を使用することから、基板側
からではなくて半導体膜面側からレーザ光を照射しなけ
ればならないこともそのレーザ光のエネルギを大きくし
なければならない原因の１つである。

【００１１】一方、集積型の光電変換装置においては、
透明基板上の透明電極層を分離する透明電極分離溝はそ
の透明電極層上に堆積される半導体層で埋められてい
て、その半導体を介して基板に平行な方向に不要な接触
をしている。また、複数のセルを直列接続するための接
続溝内に形成される導電体は光電変換ユニットのｐ型、
ｉ型およびｎ型のすべての半導体層の側面と接触してい
る。しかし、薄膜光電変換装置における光電変換ユニッ
トの厚みは非常に薄く、非晶質シリコン系光電変換ユニ
ットではその非晶質シリコン層自体の抵抗が高いので、
上述のような不要な接触部分を経由して電流が流れるこ
とはほとんどなく、ほぼ完全に光電変換ユニットの厚み
方向に電流が流れるので、上述のような不要な接触が光
電変換ユニットの性能に悪影響を及ぼすことはない。

【００１２】しかし、従来の結晶質シリコン系光電変換
ユニットにおいては、結晶粒が種々の方向にランダムに
成長しているので、その結晶質半導体層内のすべての方
向に均一かつ良好な導電性を有し、さらに非晶質シリコ
ン系光電変換ユニットに比べて約１０倍の厚さを有して
いるので、上述のような不要な接触部位を通る電流の漏
れを無視することができず、それによる光電変換ユニッ
トの性能の低下が生ずるという問題がある。したがっ
て、従来では結晶質シリコン系光電変換セルは１つの基
板上で集積化されることはなく、個別の基板上に櫛形電
極を備えて形成された複数の光電変換ユニットにリード
線をはんだ付けすることによって直列接続され、高電圧
化と高出力化において不便であった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】光電変換ユニットに含
まれる半導体接合を構成するシリコン系薄膜のすべてを
低温プロセスのみで形成しようとする場合、光電変換層
のための下地層として、シード層となり得る大粒径結晶
質シリコン薄膜を形成することは非常に困難である。ま
た、上述の先行技術中で、微結晶シリコンのｐｉｎ接合
をプラズマＣＶＤ法にて低温で形成する光電変換ユニッ
トでは、導電型微結晶シリコン層が光電変換層の下地と
なっているものの、これは単に光電変換層との材料的類
似性を考慮したものであって、光電変換層の結晶性を積
極的に制御しようとするためのものではない。さらに、
この下地層の導電型微結晶シリコン膜は小粒径の結晶シ
リコンが多数存在する膜であるので、この上に形成され
る結晶質シリコン系光電変換層はその成長初期過程で多
数の結晶核を生じ、結果として光電変換特性に悪影響を
及ぼす結晶粒界や粒内欠陥の多い膜になりやすいという
問題がある。さらにまた、上述のように結晶質光電変換
ユニットを１つの大きな基板上で集積化させる場合に種
々の問題が生じる。

【００１４】本発明の目的は、上述のような先行技術の
課題に鑑み、安価な基板が使用可能な低温プロセスのみ
を用いて結晶質シリコン系薄膜光電変換層中の結晶粒界
や粒内欠陥を低減させ、優れた光電変換特性を有するタ
ンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を提供し、さら
に、高電圧と大きな出力を生じ得る大面積の集積化され
たシリコン系薄膜光電変換装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明によって集積化さ
れたタンデム型薄膜光電変換は、透明ガラス基板上に順
次に積層された透明電極層、少なくとも１の非晶質シリ
コン系薄膜光電変換ユニット層、少なくとも１の結晶質
シリコン系薄膜光電変換ユニット層、および裏面電極層
が複数のタンデム型光電変換セルを形成するように実質
的に直線状で互いに平行な複数の分離溝によって分離さ
れていて、かつそれらの複数のセルは分離溝に平行な複
数の接続用溝を介して互いに電気的に直列接続されてい
ることを特徴としている。

【００１６】すなわち、本発明者たちは、上述の先行技
術における課題を解決すべく検討を重ねた結果、光電変
換ユニットに含まれる半導体層のすべてをプラズマＣＶ
Ｄ法にて低温で形成することによって結晶質シリコン系
光電変換層の結晶核発生の要因となる小粒径のシリコン
結晶の密度を適度に抑制し、すなわち成長初期過程にお
ける結晶核発生密度を適度に抑制することにより、粒界
や粒内欠陥が少なくて厚さ方向に沿って強く結晶配向し
た良質の光電変換層が得られ、その配向の方向がタンデ
ム型光電変換装置を形成するために各セルを集積化する
際の電流漏れを防ぐ方向であり、集積化に伴う性能低下
が防止され得ることを見出したのである。

【００１７】本発明による集積化されたタンデム型薄膜
光電変換装置の製造方法においては、複数の光電変換セ
ルを分離するための分離溝が透明電極層を分離するため
の透明電極分離溝と裏面電極層を分離するための裏面電
極分離溝を含み、これらの電極分離溝と各セルを直列接
続するための複数の接続用溝とがガラス基板側から入射
されるレーザ光によって形成されることを特徴としてい
る。

【００１８】すなわち、レーザ光をガラス基板側から入
射させることによって吸収効率の高い非晶質シリコン層
にレーザ光を吸収させ、その吸収エネルギによって結晶
質シリコン層や裏面電極層をも同時にスクライブするこ
とにより、その加工用レーザ光の必要なエネルギを低減
させることができ、さらにそれに伴って透明電極、各シ
リコン層、および裏面電極のダメージを防止し得ること
を本発明者たちは見出したのである。また、レーザ光を
ガラス基板側から入射させることは加工に伴ってレーザ
エネルギの進む方向が非晶質シリコン層からガラス基板
と反対側に離れる方向になるので、このことも透明電極
におけるダメージを低減させ得ることを本発明者たちは
見出したのである。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１において、本発明の実施の形
態の１例として、集積化されたタンデム型シリコン系薄
膜光電変換装置の製造工程が模式的な断面部分図で示さ
れている。なお、本願の各図においては、図面の明瞭化
と簡略化のために、長さや厚さ等の寸法関係は実際の寸
法関係を反映してはいない。

【００２０】図１（Ａ）に示されているように、本発明
においては、基板１０１として低融点の安価なガラスが
用いられる。このガラス基板１０１上に配置される透明
電極層１０２として、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂ 、ＺｎＯから選
択される少なくとも１つの層を含む透明導電性酸化薄膜
からなる導電層が、たとえば真空蒸着法やスパッタ法に
よって形成される。この透明電極層１０２において、集
積化される複数の光電変換セルに対応する複数の領域に
分離するために、レーザビーム１０３を用いるレーザス
クライブ法によって分離溝１０４が形成される。これら
の分離溝１０４は、図１の紙面に直交する方向に直線状
に延びている。レーザビーム１０３としては、ＹＡＧ、
色素、またはエキシマ等の同様な一般に周知のレーザか
ら発振させれるものを用いることができる。このレーザ
ビーム１０３は加工されるべき透明電極層１０２側から
入射されてもよいが、後述されるようにガラス基板１０
１側から入射される方がより好ましい。レーザビーム１
０３がガラス基板１０１側から入射されても、その焦点
は導電層１０２に合わせられるので、透明な導電層１０
２における若干の光吸収によってその導電層が発熱して
破壊され、分離溝１０４が形成され得る。後で説明され
る接続用溝１０７や金属電極分離溝１０９の形成におい
ては、それらの溝に対応するシリコン層１０５，１０６
や金属電極層１０８にレーザビームの焦点が合わせられ
るので、ガラス基板側からレーザ光１０３が入射される
にもかかわらず、透明導電層１０２に損傷が生じること
はない。

【００２１】図１（Ｂ）においては、タンデム型光電変
換装置の構成部分の１つである非晶質シリコン系薄膜光
電変換ユニット層１０５として、ｐｉｎ型の順にプラズ
マＣＶＤ法にて各半導体層が堆積される。このとき、た
とえば導電型決定不純物原子であるボロンが０．０１原
子％以上ドープされたｐ型微結晶シリコン系薄膜、光電
変換となる真性非晶質シリコン層、および導電型決定不
純物原子であるリンが０．０１％以上ドープされたｎ型
微結晶シリコン系薄膜が堆積される。しかし、これらの
薄膜の条件は限定的なものではなく、不純物原子として
はたとえばｐ型微結晶シリコン薄膜においてはアルミニ
ウム等でもよく、また微結晶シリコンカーバイドや微結
晶シリコンゲルマニウム等の合金材料の層を用いてもよ
い。導電型微結晶シリコン系薄膜の膜厚は、３〜１００
ｎｍの範囲内に設定され、より好ましくは５〜５０の範
囲内に設定される。真性非晶質シリコン薄膜はプラズマ
ＣＶＤ法によって４００℃以下の下地温度のもとで形成
され、導電型決定不純物原子の密度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3
以下である実質的に真性半導体の非晶質シリコン系薄膜
であり得る。また、この真性非晶質シリコン膜として
は、合金材料である非晶質シリコンカーバイドや非晶質
シリコンゲルマニウム等を用いることもできる。

【００２２】非晶質シリコン系薄膜光電変換ユニット層
１０５上には、さらに結晶質シリコン系薄膜光電変換ユ
ニット層１０６に含まれるｐｉｎ型の各半導体層が順次
堆積される。この結晶質薄膜光電変換ユニット層１０６
も、非晶質薄膜光電変換ユニット層１０５と同様の手順
によって堆積され得る。すなわち、結晶質薄膜光電変換
ユニット層１０６に含まれる結晶質シリコン系光電変換
層も、プラズマＣＶＤ法によって４００℃以下の下地温
度のもとで形成され得る。この結晶質光電変換層として
は、ノンドープの真性シリコン多結晶薄膜や体積結晶化
分率が８０％以上の微結晶シリコン膜、または微量の不
純物を含む弱ｐ型もしくは弱ｎ型で十分な光電変換機能
を備えているシリコン系薄膜材料が用いられ得る。さら
に、これらに限定されず、合金材料であるシリコンカー
バイドやシリコンゲルマニウム等を用いることもでき
る。結晶質光電変換層の膜厚は０．５〜２０μｍの範囲
内にあることが好ましく、より好ましくは１〜１０μｍ
の範囲内にあり、結晶質シリコン系薄膜光電変換層とし
て必要かつ十分な膜厚にされる。このような結晶質光電
変換層は４００℃以下の低温で形成されるので、結晶粒
界や粒内における欠陥を終端または不活性化させるため
の水素原子を多く含み、その光電変換層中の水素含有量
は０．５〜３０原子％の範囲内にあり、より好ましくは
１〜２０原子％の範囲内にある。

【００２３】結晶質光電変換層に含まれる結晶粒の多く
は、下地層から厚さ方向に柱状に延びて成長している。
それらの多くの結晶粒は膜面に平行に（１１０）の優先
結晶配向面を有し、Ｘ線回折で求めた（２２０）回折ピ
ークに対する（１１１）回折ピークの強度比は１／５以
下であり、より好ましくは１／１０以下である。

【００２４】図１（Ｃ）において、半導体層１０５と１
０６には、左右に隣接する光電変換セルを電気的に直列
接続するための接続用開口溝１０７がレーザスクライブ
法によって形成される。これらの接続用溝１０７も、図
１の紙面に垂直な方向に直線状に延びている。

【００２５】図１（Ｄ）において、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、
Ｃｕ、Ｂｔ、Ｃｒ等から選択された少なくとも１以上の
材料もしくはこれらの合金の層の組合せからなる金属電
極１０８が、スパッタ法または蒸着法によって形成され
る。なお、光電変換ユニット層１０６と金属電極１０８
との間に、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂ 、ＺｎＯ等から選択された
少なくとも１以上の層からなる透明導電性酸化膜が形成
されてもよい。

【００２６】図１（Ｅ）において、透明電極層１０２の
場合と同様に、複数の光電変換セルに対応して金属電極
分離溝１０９がレーザスクライブ法によって形成され、
これによって集積化された大面積のタンデム型シリコン
系薄膜光電変換装置が完成する。

【００２７】

【実施例】以下において、いくつかの比較例とともに本
発明のいくつかの実施例を説明することによって、本発
明をさらに具体的に説明する。

【００２８】（比較例１）図２に示されているような集
積化されたタンデム型非晶質シリコン系薄膜光電変換装
置が、比較例１として作製された。

【００２９】図２（Ａ）において、ガラス基板２０１上
に、透明電極層２０２として、６００ｎｍの厚さを有す
るＳｎＯ膜がプラズマＣＶＤ法によって形成された。そ
して、集積されるべき複数の光電変換セルに対応して、
複数の透明電極分離溝２０４がレーザビーム２０３を用
いたレーザスクライブ法によって形成された。

【００３０】図２（Ｂ）において、前方光電変換ユニッ
ト層として非晶質シリコン光電変換ユニット層２０５に
含まれるｐｉｎ接合がプラズマＣＶＤ法によって形成さ
れた後、後方光電変換ユニット層として非晶質シリコン
光電変換ユニット層２１１に含まれるｐｉｎ接合がプラ
ズマＣＶＤ法によって形成された。これらの光電変換ユ
ニット層２０５と２１１の両方において用いられたｐ型
非結晶質シリコンカーバイド層の厚さは１５ｎｍであ
り、ｎ型非晶質シリコン層は３０ｎｍであった。

【００３１】２つの非晶質シリコン光電変換ユニット層
２０５と２１１に含まれる非晶質ｉ型シリコン層の各々
はＲＦプラズマＣＶＤ法によって形成された。そのＣＶ
Ｄ法の条件としては、シランの反応ガス、０．３Ｔｏｒ
ｒの反応室内圧力、１５ｍＷ／ｃｍ² のＲＦパワー密
度、および１５０℃の成膜温度が用いられた。このよう
な成膜条件と同じ条件でガラス基板上に直接に３００ｎ
ｍの厚さまで堆積された真性非晶質シリコン膜の暗導電
率は５×１０^-10 Ｓ／ｃｍであった。なお、前方光電変
換ユニット層２０５に含まれる非晶質ｉ型シリコン層の
膜厚は８０ｎｍにされ、後方光電変換ユニット層２１１
に含まれる非晶質ｉ型シリコン層の膜厚は３５０ｎｍに
された。

【００３２】図２（Ｃ）において、前方非晶質光電変換
ユニット層２０５と後方非晶質光電変換ユニット層２１
１を貫通して複数の接続用溝２０７がレーザスクライブ
法によって形成された。

【００３３】図２（Ｄ）において、裏面電極層２０８と
して、ＩＴＯ膜とＡｇ膜がこの順序でスパッタ法によっ
て堆積された。

【００３４】図２（Ｅ）において、透明電極層２０２を
切断する場合と同様に、レーザスクライブ法によって裏
面電極層２０８を切断し、複数の裏面電極分離溝２０９
が形成された。図２において、レーザビーム２０３とし
てはＹＡＧレーザの第２高調波が用いられ、ガラス基板
２０１側からそのレーザビームが入射させられた。

【００３５】このようにして、５ｍｍの幅と５０ｍｍの
長さを有するタンデム型光電変換セルの１０個を直列接
続するように集積化されたタンデム型シリコン系薄膜光
電変換装置が、比較例１として作製された。

【００３６】この比較例１として集積化されたタンデム
型シリコン系薄膜光電変換装置に入射光２１０としてＡ
Ｍ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ² の光量で照射したと
きの出力特性においては、開放端電圧が１７．０Ｖ、短
絡電流密度が８．６ｍＡ／ｃｍ² 、曲線因子が７４．８
％、そして変換効率が１１．０％であった。さらに、４
８℃においてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ² の光
量で照射して光劣化試験を行なったところ、５５０時間
の照射後に変換効率が９．０％まで劣化した。

【００３７】（比較例２）図３に示されているような集
積化された単一光電変換ユニット層を含むシリコン系薄
膜光電変換装置が、比較例２として作製された。図３
（Ａ）において、ガラス基板３０１上に、裏面電極層３
０８として厚さ３００ｎｍのＡｇ膜と厚さ１００ｎｍの
ＺｎＯ膜がこの順序でスパッタ法によって堆積された。
そして、この裏面電極層３０８の自由表面からレーザビ
ーム３０３を照射するレーザスクライブ法によって、複
数の裏面電極分離溝３０９が形成された。

【００３８】図３（Ｂ）において、リンドープのｎ型微
結晶シリコン層、ノンドープの多結晶シリコン光電変換
層、およびボロンドープのｐ型微結晶シリコン層をこの
順序でプラズマＣＶＤ法によって堆積し、ｎｉｐ接合を
含む光電変換ユニット層３１２が形成された。多結晶シ
リコン光電変換層をプラズマＣＶＤ法で堆積させる条件
として、シランの反応ガス、１Ｔｏｒｒの反応室内圧
力、１５０ｍＷ／ｃｍ²のＲＦパワー密度、および３５
０℃の成膜温度が用いられた。またその光電変換層の厚
さは３μｍにされ、２次イオン質量分析法によって求め
られた薄膜中水素含有量は２原子％であり、Ｘ線回折で
求められた（２２０）回折ピークに対する（１１１）回
折ピークの強度比は１／４であった。なお、光電変換ユ
ニット層３１２に含まれるｎ型半導体層とｐ型半導体層
の厚さは、比較例１の場合と同様にされた。

【００３９】図３（Ｃ）において、レーザスクライブ法
を用いて単一の光電変換ユニット層３１２を貫通して複
数の接続用溝３０７が形成された。

【００４０】図３（Ｄ）において、透明電極層３０２と
して、厚さ８０ｎｍのＩＴＯ膜がスパッタ法によって形
成された。

【００４１】図３（Ｅ）において、レーザスクライブ法
によって複数の透明電極分離溝３０４が形成された。ま
た、比較的抵抗の大きな透明導電膜３０２から効率的に
電流を取出すために櫛形のＡｇ電極３１３が蒸着法によ
って形成された。

【００４２】なお、比較例１の図２と比較例２の図３か
らわかるように、この比較例２においては、接続用溝３
０７と透明電極分離溝３０４は、比較例１の場合と異な
って基板側からではなくて膜面側からレーザビームを照
射することによって形成された。したがって、結晶質シ
リコン層３１２の低いレーザビーム吸収率と大きな厚さ
のために、その結晶質シリコン層３１２とＩＴＯ膜３０
２をスクライブするためにレーザビーム３０３の出力と
して比較例１のレーザビーム２０３の２倍程度を必要と
し、その結果として裏面金属電極層３０８にダメージを
生じた。

【００４３】このような比較例２による集積化された単
一光電変換ユニット層の結晶質シリコン系光電変換装置
に入射光３１０としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃ
ｍ²の光量で照射したときの出力特性としては、開放端
電圧が４．６Ｖ、短絡電流密度が２５．８ｍＡ／ｃ
ｍ² 、曲線因子が６４．３％、そして変換効率が７．６
％であった。また、４８℃においてＡＭ１．５の光を１
００ｍＷ／ｃｍ² の光量のもとで、この比較例２につい
て光劣化試験を行なったところ、５５０時間後でも変換
効率が７．６％であり、ほとんど光劣化を生じることは
なかった。このことは、結晶質シリコン系光電変換ユニ
ット層が光劣化を生じにくいことを意味していることが
わかる。

【００４４】（比較例３）図４に示されているような集
積化されたタンデム型シリコン系光電変換装置が比較例
３として作製された。図４（Ａ）において、図３の比較
例２の場合と同様に、ガラス基板４０１上に裏面電極層
４０８が形成され、レーザスクライブ法によって複数の
裏面電極分離溝４０９が形成された。

【００４５】図４（Ｂ）において、裏面電極層４０８を
覆うように、後方光電変換ユニット層としての薄膜多結
晶シリコン光電変換ユニット層４１２に含まれるｎｉｐ
接合を形成した後に、前方光電変換ユニット層としての
非晶質シリコン光電変換ユニット層４１４に含まれるｎ
ｉｐ接合が積層された。このとき、結晶質ｉ型シリコン
層と非晶質ｉ型シリコン層の膜厚は、それぞれ４μと
０．４μｍにされた。この比較例３においても比較例２
と同様にレーザスクライブ法で光電変換セルの集積化を
行なったところ、やはり比較例２の場合と同様に裏面電
極層４０８にダメージが生じた。

【００４６】図４（Ｃ）から（Ｅ）においては、比較例
２の場合と同様に接続用溝４０７、透明電極層４０２、
透明電極分離溝４０４、および櫛形電極４１３が形成さ
れた。

【００４７】このような比較例３における非晶質／結晶
質型の集積化されたタンデム型シリコン系光電変換装置
に入射光４１０としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃ
ｍ²の光量で照射したときの出力特性としては、開放端
電圧が１３．４Ｖ、短絡電流密度が１２．４ｍＡ／ｃｍ
² 、曲線因子が６１％、そして変換効率が１０．１％で
あった。また、４８℃においてＡＭ１．５の光を１００
ｍＷ／ｃｍ² の光量で照射してこの比較例３の光劣化試
験を行なったところ、５５０時間後に変換効率が７．６
％まで低下した。

【００４８】（実施例１）図５に示されているような集
積化されたタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置が、
本発明の実施例１として作製された。図５（Ａ）におい
て、図２の比較例１の場合と同様に、ガラス基板５０１
上に透明電極層５０２が形成され、複数の透明電極分離
溝５０４がレーザスクライブ法によって形成された。た
だし、このときに用いられるレーザビーム５０３はガラ
ス基板側からではなくて膜面側から入射された。

【００４９】図５（Ｂ）において、比較例１における光
電変換ユニット層２０５と同様に、ｐｉｎ型非晶質シリ
コン光電変換ユニット層５０５が形成された。また、多
結晶シリコン光電変換層形成時の反応室内圧力が５Ｔｏ
ｒｒにされたことを除いて比較例２の半導体層３１２の
場合と同様に、ｐｉｎ型結晶質シリコン系光電変換ユニ
ット層５０６が積層された。このとき、非晶質シリコン
光電変換ユニット層５０５に含まれる非結晶質ｉ型光電
変換層の厚さは０．３μｍであり、結晶質シリコン系光
電変換ユニット層５０６に含まれる結晶質ｉ型光電変換
層の厚さは４．０μｍであった。

【００５０】図５（Ｃ）において、膜面側から入射させ
られるレーザビーム５０３を用いたレーザスクライブ法
によって、複数の接続用溝５０７が形成された。このと
き、レーザビームによって破壊されて飛散したシリコン
膜からの成分や気体等がガラス基板に遮られた溝の開口
部から排出されなければならないので、レーザビーム５
０３にはその排出のために必要な付加的なエネルギが求
められる。

【００５１】図５（Ｄ）において、比較例１の場合と同
様に、裏面電極層５０８が形成された。

【００５２】図５（Ｅ）において、レーザスクライブ法
によって複数の裏面電極分離溝５０９が形成された。

【００５３】このような実施例１において集積化された
タンデム型シリコン系薄膜光電変換装置に対してＡＭ
１．５の入射光５１０を１００ｍＷ／ｃｍ² の光量で照
射したときの出力特性においては、開放端電圧が１３．
８Ｖ、短絡電流密度が１２．１ｍＡ／ｃｍ² 、曲線因子
が６９．０％、そして変換効率が１１．５％であった。
また、４８℃においてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃ
ｍ² の光量で照射した実施例１の光劣化試験において
は、５５０時間後において変換効率が９．９％に低下し
たが、上述のいずれの比較例と比べてもまた十分な変換
効率を有している。

【００５４】（実施例２）実施例２における集積化され
たタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置は上記実施例
１と同様の構造を有しており、レーザスクライブ法にお
いてレーザビームが実施例１の場合と異なってガラス基
板側から照射されたことのみにおいて異なっている。

【００５５】このような実施例２の非晶質／結晶質型の
集積化されたシリコン系薄膜光電変換に対して入射光と
してＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ² の光量で照射
したときの出力特性としては、開放端電圧が１３．８
Ｖ、短絡電流密度が１２．５ｍＡ／ｃｍ² 、曲線因子が
７３．０％、そして変換効率が１２．６％であった。ま
た、４８℃においてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ
² の光量で照射してこの実施例２の光劣化試験を行なっ
たところ、５５０時間後において変換効率が１１．０％
に低下した。

【００５６】（実施例３）図６に示されているような集
積化されたタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置が、
実施例３として作製された。図６（Ａ）において、実施
例２の場合と同様にガラス基板６０１上に透明電極層６
０２が形成され、レーザビーム６０３を用いて透明電極
分離溝６０４が形成された。

【００５７】図６（Ｂ）において、実施例２の場合と同
様に、透明電極層６０２を覆うようにｐｉｎ型非晶質シ
リコン光電変換ユニット層６０５と結晶質シリコン系光
電変換ユニット層６０６−１がこの順序で積層された。
しかし、この実施例３においては、さらに第３段目の光
電変換ユニット層として結晶質シリコン系光電変換ユニ
ット層６０６−２が積層された。このとき、非晶質シリ
コン光電変換ユニット層６０５に含まれる非結晶質ｉ型
光電変換層の膜厚は０．１μｍであり、２段目の結晶質
シリコン系光電変換ユニット層６０６−１に含まれる結
晶質ｉ型光電変換層の膜厚は１．６μｍであり、そして
３段目の結晶質シリコン系光電変換ユニット層６０６−
２に含まれる結晶質ｉ型光電変換層の膜厚は３．５μｍ
であった。

【００５８】図６（Ｃ）において、これらの３層の光電
変換ユニット層を貫通する接続用溝６０７が、ガラス基
板側からレーザビームを入射させるレーザスクライブ法
によって形成された。

【００５９】図６（Ｄ）において、実施例２と同様に裏
面電極層６０８が形成された。図６（Ｅ）において、ガ
ラス基板側からレーザビームを入射させることによって
複数の裏面電極分離溝６０９が形成された。

【００６０】このような実施例３において集積化された
３段のタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置に対して
入射光６１０としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／ｃｍ
² の光量で照射したときの出力特性においては、開放端
電圧が１８．５Ｖ、短絡電流密度が８．９ｍＡ／ｃ
ｍ² 、曲線因子が７６．０％、そして変換効率が１２．
５％であった。また、４８℃においてＡＭ１．５の光を
１００ｍＷ／ｃｍ² の光量で照射した場合の実施例３に
おける光劣化試験では、５５０時間後において変換効率
が１１．５％に低下した。

【００６１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、優れた
光電変換特性を有し高電圧で高出力を生じ得る集積化さ
れたタンデム型シリコン系薄膜光電変換装置を提供する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の１例による集積化された
タンデム型シリコン系ｐｉｎ型薄膜光電変換装置の製造
工程を説明するための模式的な断面部分図である。

【図２】比較例１において集積化された非晶質／結晶質
型のタンデム型シリコン系ｐｉｎ型薄膜光電変換装置の
製造工程を示す模式的な断面図である。

【図３】比較例２において集積化された単一層のシリコ
ン系ｎｉｐ型薄膜光電変換装置の製造工程を示す模式的
な断面図である。

【図４】比較例３において集積化された非晶質／結晶質
型のタンデム型シリコン系ｎｉｐ型薄膜光電変換装置の
製造工程を示す模式的な断面図である。

【図５】本発明の実施例１において集積化された非晶質
／結晶質型のタンデム型シリコン系ｐｉｎ型薄膜光電変
換装置の製造工程を示す模式的な断面図である。

【図６】本発明の実施例３において集積化された非晶質
／結晶質／結晶質型の３段のタンデム型シリコン系ｐｉ
ｎ型薄膜光電変換装置の製造工程を示す模式的な断面図
である。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１：ガ
ラス基板 １０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２：透
明電極層 １０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３：レ
ーザビーム １０４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４：透
明電極分離溝 １０５、２０５、５０５、６０５：ｐｉｎ型の前方非晶
質シリコン系光電変換ユニット層 １０６、５０６、６０６：ｐｉｎ型の後方結晶質シリコ
ン系光電変換ユニット層 １０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７：接
続用溝 １０８、２０８、３０８、４０８、５０８、６０８：裏
面電極層 １０９、２０９、３０９、４０９、５０９、６０９：裏
面電極分離溝 １１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０：光
電変換される入射光 ２１１：ｐｉｎ型の後方非晶質シリコン系光電変換ユニ
ット層 ３１２、４１２：ｎｉｐ型結晶質シリコン系光電変換ユ
ニット層 ３１３、４１３：櫛形電極 ４１４：ｎｉｐ型非晶質シリコン系光電変換ユニット層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板上に順次に積層された透明電極
   層、少なくとも１の非晶質シリコン系薄膜光電変換ユニ
   ット層、少なくとも１の結晶質シリコン系薄膜光電変換
   ユニット層、および裏面電極層が複数のタンデム型光電
   変換セルを形成するように実質的に直線状で互いに平行
   な複数の分離溝によって分離されていて、かつそれらの
   複数のセルは前記分離溝に平行な複数の接続用溝を介し
   て互いに電気的に直列接続されていることを特徴とする
   集積化されたタンデム型薄膜光電変換装置。
2. 【請求項２】 前記結晶質シリコン系薄膜光電変換ユニ
   ット層は４００℃以下の下地温度のもとでプラズマＣＶ
   Ｄ法によって形成された結晶質光電変換層を含み、この
   結晶質光電変換層は８０％以上の体積結晶化分率と、
   ０．５〜３０原子％の範囲内の水素含有量と、０．５〜
   ２０μｍの範囲内の厚さとを有していることを特徴とす
   る請求項１に記載の光電変換装置。
3. 【請求項３】 前記結晶質光電変換層はその膜面に平行
   に（１１０）の優先結晶配向面を有し、そのＸ線回折に
   おける（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピ
   ークの強度比が１／１０以下であることを特徴とする請
   求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかの項に記載の
   光電変換装置の製造方法であって、前記分離溝は前記複
   数のタンデム型光電変換セル相互間で前記透明電極層を
   分離するための透明電極分離溝と前記裏面電極層を分離
   するための裏面電極分離溝を含み、これらの透明電極分
   離溝と裏面電極分離溝および前記接続用溝がガラス基板
   側から入射されるレーザビームによって形成されること
   を特徴とする集積化されたタンデム型薄膜光電変換装置
   の製造方法。