JPH11261089A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率な太陽電池セルを低コストで製造し得
る方法を提供する。 【解決手段】 基板上にプラズマ溶射法によりシリコン
薄膜を形成する工程と、前記シリコン薄膜が形成された
チャンバー内で、移行アークを用いて前記シリコン薄膜
表面を走査して、シリコン薄膜表面を溶融・凝固させる
工程とを具備する方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽光のエネルギ
ーにより発電を行なう太陽電池の製造方法に係り、特に
そのセル部分の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽光のエネルギーを電気エネルギーに
変換する太陽光発電は、ＣＯ₂ 削減等が問題となってい
る近年、環境負荷の少ない発電方法として注目されてい
る技術である。

【０００３】多結晶Ｓｉ薄膜を用いた発電用セルは、高
効率であることから次世代の技術として開発が活発に行
なわれている。これまでの多結晶セルの製造方法として
は、まず、ＣＶＤ等の蒸着法によりシリコン薄膜を積層
し、次いで、熱処理を施すことにより結晶を成長させる
方法が検討されてきた。これにより、大きな結晶粒から
なる薄膜を作製することができるので、特に粒界による
物質移動のロスを低減させることが可能である。しかし
ながらこの方法では、蒸着法でシリコン薄膜を成膜する
工程と熱処理工程との異なる二つのプロセスを必要とす
ることから、セルの製造に時間がかかり、コストも増加
して実用にならないという問題があった。

【０００４】このため、成膜方法にＣＶＤ等の蒸着法以
外の方法として、安価なプラズマ溶射法を採用すること
が検討されてきた。しかし、プラズマ溶射法の場合に
は、材料中に含有される不純物濃度を制御することが困
難であるため、熱処理プロセスとあわせてもセルのエネ
ルギー変換効率が低くなるという問題があり、実用上の
壁となっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、良質
のシリコン薄膜が得られる蒸着法では、コストが高く、
一方、安価なプラズマ溶射法では高効率のセルを製造す
ることができないのが現状である。そこで本発明は、上
記従来の問題点に鑑みて、高効率な太陽電池セルを低コ
ストで製造し得る方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、基板上にプラズマ溶射法によりシリコン
薄膜を形成する工程と、前記シリコン薄膜が形成された
チャンバー内で、移行アークを用いて前記シリコン薄膜
表面を走査して、シリコン薄膜表面を溶融・凝固させる
工程とを具備することを特徴とする太陽電池の製造方法
を提供する。

【０００７】また、本発明は、基板上にプラズマ溶射法
によりシリコン薄膜を形成する工程と、前記シリコン薄
膜が形成されたチャンバー内で、プラズマトーチにより
前記シリコン薄膜表面を走査して、シリコン薄膜表面を
溶融・凝固させる工程とを具備することを特徴とする太
陽電池の製造方法提供する。

【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。本発明の
方法においては、まず、プラズマ溶射法により基板上に
シリコン薄膜を形成する。

【０００９】本発明で用いられる基板の材料は、特に限
定されるものではなく、具体的には、シリコンなどの半
導体；ガラス；アルミナ、ジルコニア等の酸化物；Ａｌ
Ｎ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等の窒化物；ＳｉＣ、ＴｉＣなどの炭化
物；鉄、ステンレス等の金属；カーボン（グラファイ
ト）あるいは高融点高分子などから選択される任意の材
料を用いることができる。

【００１０】ここでの基板は、プロセス段階で充分な機
械的強度を有していることが要求される。単結晶シリコ
ン基板以外の材料を基板として適用する場合には、この
基板が、３００μｍの単結晶シリコンの強度に相当する
強度を有することが望まれる。以上の観点から、本発明
で使用する耐熱性基板としては、グラファイトあるいは
表面をガラス状化したカーボン基板等が特に好ましい。

【００１１】例えばカーボン基板を用いる場合には、プ
ラズマ溶射に先だって、ホウケイ酸ガラス層をその表面
に形成すると、シリコンのぬれ性が良好となり膜の密着
性の点で有利である。ここでホウケイ酸ガラス層は、例
えば、ＣＶＤ法等により形成することができる。また、
その膜厚は、成膜レート等により適宜決定することがで
きるが、例えば、１〜２μｍ程度とすることが好まし
い。

【００１２】本発明の太陽電池の製造方法においては、
まず、プラズマ中に原料粉末を導入して、この原料を溶
解または分解し、この溶融または分解物を付着させるプ
ラズマ溶射法により、上述したような基板上にシリコン
薄膜を形成する。このとき形成されるシリコン薄膜の膜
厚は、高効率を実現するために１μｍ以上が必要であ
り、原料コストの観点からは１ｍｍ以下とすることが好
ましい。シリコン薄膜の形成に当たっては、１〜２００
μｍ径の高純度原料粉末を使用し、０．０１ｔｏｒｒ以
下の減圧雰囲気で実施すると高品質のシリコン薄膜を形
成することができる。

【００１３】ここで、プラズマ溶射装置の概略を図１に
示す。図１に示すように、シリコン原料粉末４は、原料
供給管３を経て成膜チャンバー内のプラズマ発生部に供
給され、プラズマ発生ガスはプラズマ発生ガス導入管５
から導入される。直流電圧によりアーク６が発生し、供
給されたシリコン原料粉末は溶融して、チャンバー（図
示せず）内に配置された基板１上に堆積して溶射被膜２
が形成される。

【００１４】なお、プラズマ溶射は大気中で行なっても
よく、この場合には、チャンバー内を大気圧にして溶射
した後に、排気して移行アークを走査させるのに最適な
条件にするとよい。

【００１５】こうしてプラズマ溶射法により成膜された
ままのシリコン薄膜は、気孔率が大きいので、太陽電池
セルとして用いるには不十分である。本発明者らは、Ｓ
ｉ薄膜を減圧プラズマ溶射法により成膜した後に、成膜
時と同一バッチのチャンバー内において、溶射ガンとＳ
ｉ薄膜との間にバイアスをかけてアークを走らせること
により、有害な不純物量が低減された高純度なＳｉ薄膜
を形成できることを見出した。

【００１６】すなわち、本発明の第１の方法において
は、上述したようなプラズマ溶射法で基板上にシリコン
薄膜を形成した後、同一チャンバー内で移行アーク（ト
ランスファーアーク）法によりシリコン薄膜の表面を溶
融・凝固させる。

【００１７】このようにプラズマ溶射法によるシリコン
薄膜の成膜と、移行アーク法とを同一チャンバー内で行
なうことにより、Ｓｉ薄膜を部分的または全面的に溶融
・凝固させることができると同時に、薄膜中の不純物を
も溶融部分から除外させることが初めて可能となった。

【００１８】さらに、本発明のようにプラズマ溶射法で
シリコン薄膜を成膜した後に同一チャンバー内で移行ア
ークを用いることにより、溶射Ｓｉ薄膜の表面を平滑化
することもできる。

【００１９】移行アークでシリコン薄膜表面を走査する
際には、投入するパワーを制御することによって、温度
をコントロールすることができる。あるいは、Ｓｉ薄膜
表面を走査させるガンの速度を制御することにより温度
をコントロールすることも可能である。後者のようにガ
ンの走査速度を制御する場合には、昇温速度を制御しや
すい。

【００２０】なお、本発明において基板上に形成された
シリコン薄膜上を走査する移行アーク源としては、溶射
ガンを用いてもよいが、チャンバー内に移行アーク源を
別途設け、これを用いることもできる。

【００２１】ここで、移行アークによりシリコン薄膜の
溶融・凝固を行なう際の概略を図２に示す。図２に示す
ように、溶射被膜の成膜が行なわれたチャンバー（図示
せず）内で、基板１上に成膜された溶射被膜２と、溶射
ガンとの間にバイアスをかけて、アーク６を走らせる。
この際、図３に示すように溶射ガン８は基板上に形成さ
れた溶射被膜２の上を、例えば基板表面と平行に走査さ
せる。

【００２２】基板上に形成されたシリコン薄膜は、こう
して移行アークを走査することにより溶融・凝固すると
ともに、膜中の不純物は溶融部分から除去されるので、
高品質の多結晶シリコン薄膜が得られる。

【００２３】本発明の第２の方法においては、上述した
ようなプラズマ溶射法により基板上にＳｉ薄膜を成膜し
た後、溶射ガンからの原料粉末の供給を停止し、プラズ
マを維持した状態で溶射ガンとＳｉ薄膜との距離を近づ
けて、Ｓｉ薄膜の表面をプラズマで走査する。溶射ガン
とＳｉ薄膜との距離は、電圧、プラズマガス圧等により
適宜決定することができるが、例えば、２０〜４０Ｖ，
８００〜１０００Ａの場合には、２０〜４０ｃｍ程度と
することが好ましい。こうしてプラズマトーチを用いる
ことにより、基板上に形成されたＳｉ薄膜を部分的また
は全面的に溶融・凝固させるものである。

【００２４】シリコン薄膜を成膜後に同一チャンバー内
で連続して、プラズマによりＳｉ薄膜を溶融させること
によってＳｉ薄膜中の不純物の混入を低減できること
を、本発明者らは見出し、第２の発明を成すに至った。

【００２５】移行アークを用いた場合と同様にプラズマ
トーチを用いた場合も、シリコン薄膜成膜時と同一チャ
ンバーで行なうことにより、基板上に成膜されたＳｉ薄
膜を部分的または全面的に溶融・凝固させることができ
ると同時に、薄膜中の不純物をも溶融部分から除外させ
ることが可能となった。

【００２６】ここで、プラズマトーチによりシリコン薄
膜の溶融・凝固を行なう際の概略を図４に示す。図４に
示すように、ガス導入管５からＡｒ、Ｈｅ等のガスを導
入しつつ、溶射被膜の成膜が行なわれたチャンバー（図
示せず）内で、基板１上に成膜された溶射被膜２の表面
を、プラズマトーチ１０で走査する。図３に示したよう
に、溶射ガン８は、基板上に形成された溶射被膜２の上
を、例えば矢印の方向に走査させる。

【００２７】基板上に形成されたシリコン薄膜は、こう
してプラズマトーチを走査することにより溶融・凝固す
るとともに、膜中の不純物は溶融部分から除去されるの
で、高品質の多結晶シリコン薄膜が得られる。

【００２８】上述したように本発明の方法においては、
プラズマ溶射法により基板上にシリコン薄膜を形成した
後、成膜時と同一チャンバー内で、シリコン薄膜上に移
行アークまたはプラズマトーチを走査させるので、薄膜
中への不純物の混入を著しく低減して高品質の多結晶シ
リコン薄膜を形成すること可能となった。こうして得ら
れた多結晶シリコン薄膜を発電層として用いることによ
り、高効率の太陽電池を製造することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、具体例を示して本発明をさ
らに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定され
るものではない。 （実施例１）まず、カーボン基板の表面にＣＶＤ法によ
り厚さ１μｍのホウケイ酸ガラス層を形成した。

【００３０】次いで、ホウケイ酸ガラス層が形成された
カーボン基板を減圧チャンバー内に導入し、１０^-3ｔｏ
ｒｒ台に減圧した後、６ＮのＳｉ粉末を供給しながら、
３０Ｖ−９００Ａの出力で減圧チャンバー内で溶射を行
なって厚さ５０μｍのＳｉ薄膜を基板上に成膜した。

【００３１】成膜後、同一チャンバー内で引き続き移行
アークをＳｉ薄膜上を走査して、Ｓｉ薄膜を溶融・凝固
させた。ここでの条件は、１００Ｖ−３０Ａとした。こ
のようにして、ｐ−型のｐｏｌｙ−Ｓｉ層を基板上に作
製した。

【００３２】製造後のｐｏｌｙ−Ｓｉ層の組織を高分解
能ＳＥＭ−ＥＤＸにより観察したところ、気孔等の欠陥
および不純物の存在は観察されなかった。引き続き、ｐ
型ｐｏｌｙ−Ｓｉ層表面からＰを拡散させてｎ型半導体
層を形成し、さらにその上にＺｎＯ層を形成した。次い
で、ＺｎＯ層の上には集電電極を形成し、基板の裏面に
は基板電極を形成して太陽電池を製造した。

【００３３】ここで、本発明の方法により形成された太
陽電池の一例を表す断面図を図５に示す。図示するよう
に、本発明の方法により製造された太陽電池素子２０に
おいては、基板１上に、ホウケイ酸ガラス層２１、ｐ型
半導体層２３、ｎ型半導体層２４およびＺｎＯ層２５が
順次形成されている。ＺｎＯ層２５の上には集電電極２
６が設けられ、基板１の裏面には基板電極２７が形成さ
れている。

【００３４】本実施例において製造されたセルの光電変
換効率は、１６％であった。なお、上述した例において
は、ホウケイ酸ガラス層が形成された基板上にシリコン
薄膜を成膜して、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層が順
次形成された太陽電池を製造したが、本発明の方法によ
り製造されるのは、こうした構造の太陽電池に限定され
るものではない。図５に示したものとは半導体層の導電
型が異なる太陽電池、すなわち基板上にｎ型半導体層、
およびｐ型半導体層が順次形成された太陽電池を製造す
ることも可能である。 （比較例１）まず、カーボン基板の表面に前述と同様の
手法により、厚さ１μｍのホウケイ酸ガラス層を形成し
た。

【００３５】次いで、ホウケイ酸ガラス層が形成された
カーボン基板を減圧チャンバー内に導入し、１０^-3ｔｏ
ｒｒ台に減圧した後、６ＮのＳｉ粉末を供給しながら、
３０Ｖ−９００Ａの出力で減圧チャンバー内で溶射を行
なって厚さ５０μｍのＳｉ薄膜を成膜した。

【００３６】成膜後、Ｓｉ薄膜が形成されている基板を
チャンバー内から取り出し、レーザー装置内に移して、
レーザーでシリコン薄膜の表面を走査し、Ｓｉ薄膜を溶
融・凝固させた。

【００３７】このようにして、ｐ−型のｐｏｌｙ−Ｓｉ
層を基板上に作製した。製造後のｐｏｌｙ−Ｓｉ層の組
織を前述と同様の手法で観察したところ、気孔が点在し
ており、また、微量の鉄を検出した。

【００３８】引き続き、ｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉ層表面から
Ｐを拡散させてｎ型半導体層を形成し、さらにその上に
ＺｎＯ層を形成した。次いで、ＺｎＯ層の上には集電電
極を形成し、基板の裏面には基板電極を形成して太陽電
池を製造した。

【００３９】本比較例において製造されたセルの光電変
換効率は、１４％であった。 （実施例２）まず、カーボン基板の表面に前述と同様の
手法により、厚さ１．５μｍのホウケイ酸ガラス層を形
成した。

【００４０】次いで、ホウケイ酸ガラス層が形成された
カーボン基板を減圧チャンバー内に導入し、１０^-3ｔｏ
ｒｒ台に減圧した後、６ＮのＳｉ粉末を供給しながら、
３０Ｖ−８５０Ａの出力で減圧チャンバー内で溶射を行
なって厚さ３０μｍのＳｉ薄膜を成膜した。

【００４１】成膜後、原料の供給を停止し、同一チャン
バー内で引き続きプラズマトーチをＳｉ薄膜に３０ｃｍ
程度の距離に接近させてＳｉ薄膜上を走査し、Ｓｉ薄膜
を溶融・凝固させた。ここでの条件は、３０Ｖ−９００
Ａ、ガンの走査速度１０ｃｍ／秒とした。

【００４２】このようにして、ｐ−型のｐｏｌｙ−Ｓｉ
層を基板上に作製した。製造後のｐｏｌｙ−Ｓｉ層の組
織を前述と同様の手法で観察したところ、気孔等の欠陥
および不純物は観察されなかった。

【００４３】引き続き、ｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉ層表面から
Ｐを拡散させてｎ型半導体層を形成し、さらにその上に
ＺｎＯ層を形成した。次いで、ＺｎＯ層の上には集電電
極を形成し、基板の裏面には基板電極を形成して太陽電
池を製造した。

【００４４】本実施例において製造されたセルの光電変
換効率は、１５％であった。 ( 比較例２）まず、カーボン基板の表面に前述と同様の
手法により、厚さ１．５μｍのホウケイ酸ガラス層を形
成した。

【００４５】次いで、ホウケイ酸ガラス層が形成された
カーボン基板を減圧チャンバー内に導入し、１０^-3ｔｏ
ｒｒ台に減圧した後、６ＮのＳｉ粉末を供給しながら、
３０Ｖ−８５０Ａの出力で減圧チャンバー内で溶射を行
なって厚さ３０μｍのＳｉ薄膜を成膜した。

【００４６】成膜後、Ｓｉ薄膜が形成されている基板を
チャンバー内から取り出し、レーザー装置内に移して、
レーザーでシリコン薄膜の表面を走査し、Ｓｉ薄膜を溶
融・凝固させた。

【００４７】このようにして、ｐ−型のｐｏｌｙ−Ｓｉ
層を基板上に作製した。製造後のｐｏｌｙ−Ｓｉ層の組
織を前述と同様の手法で観察したところ、気孔が点在し
ており、また、微量の鉄を検出した。

【００４８】引き続き、ｐ型ｐｏｌｙ−Ｓｉ層表面から
Ｐを拡散させてｎ型半導体層を形成し、さらにその上に
ＺｎＯ層を形成した。次いで、ＺｎＯ層の上には集電電
極を形成し、基板の裏面には基板電極を形成して太陽電
池を製造した。本比較例において製造されたセルの光電
変換効率は、１３％であった。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高効率な太陽電池セルを低コストで製造し得る方法が提
供される。本発明の方法を用いることにより、プラズマ
溶射法を採用しても高品質な多結晶シリコン薄膜を形成
できるので高効率な太陽電池セルを製造可能であり、そ
の工業的価値は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いられるプラズマ溶射装置の一部を
表わす概略図。

【図２】移行アークによりシリコン薄膜の溶融・凝固を
行なう際の概略を示す図。

【図３】移行アーク法によりシリコン薄膜の溶融・凝固
を行なう際の概略を示す図。

【図４】プラズマトーチによりシリコン薄膜の溶融・凝
固を行なう際の概略を示す図。

【図５】本発明の方法により製造された太陽電池の一例
を表わす断面図。

【符号の説明】

１…基板 ２…溶射被膜 ３…原料供給管 ４…シリコン粉末 ５…プラズマ発生ガス導入管 ６…アーク ８…溶射ガン １０…トーチ ２０…太陽電池 ２１…ホウケイ酸ガラス層 ２２…ｐ型半導体層 ２３…ｎ型半導体層 ２４…ＺｎＯ層 ２５…集電電極 ２６…基板電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上にプラズマ溶射法によりシリコン
   薄膜を形成する工程と、 前記シリコン薄膜が形成されたチャンバー内で、移行ア
   ークを用いて前記シリコン薄膜表面を走査して、シリコ
   ン薄膜表面を溶融・凝固させる工程とを具備することを
   特徴とする太陽電池の製造方法。
2. 【請求項２】 基板上にプラズマ溶射法によりシリコン
   薄膜を形成する工程と、 前記シリコン薄膜が形成されたチャンバー内で、プラズ
   マトーチにより前記シリコン薄膜表面を走査して、シリ
   コン薄膜表面を溶融・凝固させる工程とを具備すること
   を特徴とする太陽電池の製造方法。