JPWO2009038091A1 - 太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の太陽電池の製造方法は、光入射側の反対側に設けられて電力取り出し電極として機能する裏面電極と光発電セルとの間に配置されたバッファ層、または、複数の光発電セルの間に配置された中間電極を備え、前記中間電極または前記バッファ層が、ＺｎＯを基本構成元素とする透明導電膜からなる太陽電池の製造方法であって、前記透明導電膜の形成材料を備えたターゲットにスパッタ電圧を印加しつつ、前記ターゲットの表面に水平磁場を発生させてスパッタを行うことにより、前記中間電極または前記バッファ層を形成する工程を備え、前記中間電極または前記バッファ層の形成工程では、前記スパッタ電圧を３４０Ｖ以下にしてスパッタを行う。
Description
本発明は、太陽電池の製造方法に関する。
本願は、２００７年０９月１９日に、日本国に出願された特願２００７−２４２６０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２００７年０９月１９日に、日本国に出願された特願２００７−２４２６０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来から、太陽電池の電極として透明導電材料であるＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）が利用されている。しかしながら、ＩＴＯの原料となるインジウム（Ｉｎ）は希少金属であり、今後は入手困難によるコスト上昇が予想される。そこで、ＩＴＯに替わる透明導電材料として、豊富かつ安価なＺｎＯ系材料が注目されている（例えば、特許文献１参照）。ＺｎＯ系材料は、大型基板への均一成膜が可能なスパッタリングに適しており、Ｉｎ２Ｏ３系材料のターゲットを変更することで簡単に成膜することが可能である。また、ＺｎＯ系材料は、Ｉｎ２Ｏ３系材料のように絶縁性の高い低級酸化物（ＩｎＯ）を持たない。
特開平９−８７８３３号公報
太陽電池の構成としては、図５に示すように、表面を構成するガラス基板５１と、ガラス基板５１上に設けられた上部電極５３と、アモルファスシリコンで構成されたトップセル５５と、トップセル５５及び後述のボトムセル５９間に設けられた透明導電膜からなる中間電極５７と、微結晶シリコンで構成されたボトムセル５９と、透明導電膜からなるバッファ層６１と、金属膜からなる裏面電極６３とを積層したものが知られている。
このような構成の太陽電池において、中間電極５７またはバッファ層６１にＺｎＯ系膜の採用が検討されている。しかしながら、マグネトロンスパッタ法により中間電極５７を形成する場合には、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入し、下地となるトップセル５５にダメージが発生する虞がある。また、バッファ層６１を形成する場合にも同様に、下地となるボトムセル５９にダメージが発生する虞もある。
このような構成の太陽電池において、中間電極５７またはバッファ層６１にＺｎＯ系膜の採用が検討されている。しかしながら、マグネトロンスパッタ法により中間電極５７を形成する場合には、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入し、下地となるトップセル５５にダメージが発生する虞がある。また、バッファ層６１を形成する場合にも同様に、下地となるボトムセル５９にダメージが発生する虞もある。
なお、ガラス基板５１からの入射光が一の光発電セル（トップセル５５またはボトムセル５９）を透過しても、他の光発電セルに入射して発電に寄与すれば、太陽電池の発電効率を向上させることができる。そこで、トップセル５５を透過した光をボトムセル５９に入射させて発電に寄与させるため、中間電極５７には高い光透過率が要求されている。また、ボトムセル５９を透過した光を裏面電極６３で反射させてボトムセル５９に再入射させて発電に寄与させるため、バッファ層６１には高い光透過率が要求されている。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、下地膜などへのダメージを低減することが可能であり、また光透過率に優れたＺｎＯ系材料からなる透明導電膜を有する太陽電池の製造方法の提供を目的とする。
本発明は上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用した。
（１）本発明に係る太陽電池の製造方法は、光入射側の反対側に設けられて電力取り出し電極として機能する裏面電極と光発電セルとの間に配置されたバッファ層、または、複数の光発電セルの間に配置された中間電極を備え、前記中間電極または前記バッファ層が、ＺｎＯを基本構成元素とする透明導電膜からなる太陽電池の製造方法であって、前記透明導電膜の形成材料を備えたターゲットにスパッタ電圧を印加しつつ、前記ターゲットの表面に水平磁場を発生させてスパッタを行うことにより、前記中間電極または前記バッファ層を形成する工程を備え、 前記中間電極または前記バッファ層の形成工程で、前記スパッタ電圧を３４０Ｖ以下にしてスパッタを行う。
（２）前記中間電極または前記バッファ層の形成工程では、前記ターゲットの表面における前記水平磁場の強度の最大値を６００ガウス以上にしてスパッタを行うのが好ましい。
（１）本発明に係る太陽電池の製造方法は、光入射側の反対側に設けられて電力取り出し電極として機能する裏面電極と光発電セルとの間に配置されたバッファ層、または、複数の光発電セルの間に配置された中間電極を備え、前記中間電極または前記バッファ層が、ＺｎＯを基本構成元素とする透明導電膜からなる太陽電池の製造方法であって、前記透明導電膜の形成材料を備えたターゲットにスパッタ電圧を印加しつつ、前記ターゲットの表面に水平磁場を発生させてスパッタを行うことにより、前記中間電極または前記バッファ層を形成する工程を備え、 前記中間電極または前記バッファ層の形成工程で、前記スパッタ電圧を３４０Ｖ以下にしてスパッタを行う。
（２）前記中間電極または前記バッファ層の形成工程では、前記ターゲットの表面における前記水平磁場の強度の最大値を６００ガウス以上にしてスパッタを行うのが好ましい。
上記（１）に記載の太陽電池の製造方法によれば、低いスパッタ電圧で中間電極またはバッファ層を形成するので、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入するのを抑制することが可能になる。これにより、太陽電池の製造過程において、中間電極またはバッファ層に隣接するように形成されている光発電セルなどの下地膜へのダメージを低減することができる。また、スパッタ電圧を３４０Ｖ以下にすることで、結晶格子の整った薄膜のＺｎＯ系膜が形成されるので、比抵抗が低い透明導電膜を得ることができる。
（３）前記中間電極または前記バッファ層の形成工程では、酸素または酸素原子を含むガスを導入しつつスパッタを行うのが好ましい。
この場合、酸素リッチなＺｎＯ系膜が形成されるので、光透過率が高い透明導電膜を得ることができる。
この場合、酸素リッチなＺｎＯ系膜が形成されるので、光透過率が高い透明導電膜を得ることができる。
（４）前記ターゲットの表面に前記水平磁場を発生させる磁場発生手段が、前記ターゲットの裏面に沿って配置された第１極性の第１磁石および第２極性の第２磁石を備え、前記第２磁石が、前記第１磁石を包囲するように配置されているのが好ましい。
この場合、ターゲットの表面に強い水平磁場を発生させることができるので、結晶格子の整ったＺｎＯ系膜を形成することが可能になる。したがって、比抵抗が低く、耐熱性に優れた透明導電膜を得ることができる。
この場合、ターゲットの表面に強い水平磁場を発生させることができるので、結晶格子の整ったＺｎＯ系膜を形成することが可能になる。したがって、比抵抗が低く、耐熱性に優れた透明導電膜を得ることができる。
（５）前記中間電極または前記バッファ層の形成工程で、前記ターゲットの表面に前記水平磁場を発生させる磁場発生手段と前記ターゲットとの相対位置を変化させつつスパッタを行うのが好ましい。
この場合、非エロージョン領域を減少させることができ、また、ターゲットの使用効率を向上させ、投入パワーを増大させることもできる。
この場合、非エロージョン領域を減少させることができ、また、ターゲットの使用効率を向上させ、投入パワーを増大させることもできる。
（６）前記中間電極または前記バッファ層の形成工程で、前記中間電極または前記バッファ層を形成する基板と前記ターゲットとの相対位置を変化させつつスパッタを行うのが好ましい。
この場合、基板全体に対して均質な透明導電膜を得ることができる。
この場合、基板全体に対して均質な透明導電膜を得ることができる。
（７）前記スパッタ電圧の印加は、直流電源および高周波電源を併用して行うのが好ましい。
この場合、スパッタ電圧を低下させることが可能になり、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入するのを抑制することができる。これにより、太陽電池の製造過程において、中間電極またはバッファ層に隣接するように形成されている光発電セルなどの下地膜へのダメージを低減することができる。
この場合、スパッタ電圧を低下させることが可能になり、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入するのを抑制することができる。これにより、太陽電池の製造過程において、中間電極またはバッファ層に隣接するように形成されている光発電セルなどの下地膜へのダメージを低減することができる。
本発明によれば、低いスパッタ電圧で中間電極またはバッファ層を形成するので、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入するのを抑制することが可能となる。そのため、下地膜などへのダメージを低減することができ、光透過率に優れたＺｎＯ系材料からなる透明導電膜を有した太陽電池を得ることができる。
５ 基板
１０ マグネトロンスパッタ装置
２２ ターゲット
２６ ＤＣ電源（電圧印加手段）
３０ 磁気回路（磁場発生手段）
３１ 第１磁石
３２ 第２磁石
５０ 太陽電池
５１ ガラス基板（基板）
５７ 中間電極
６１ バッファ層
１０ マグネトロンスパッタ装置
２２ ターゲット
２６ ＤＣ電源（電圧印加手段）
３０ 磁気回路（磁場発生手段）
３１ 第１磁石
３２ 第２磁石
５０ 太陽電池
５１ ガラス基板（基板）
５７ 中間電極
６１ バッファ層
本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法につき、図面を用いて説明する。
（マグネトロンスパッタ装置）
図１は、マグネトロンスパッタ装置の概略構成図である。本実施形態のスパッタ装置１０は、インターバック式のスパッタ装置であって、基板（不図示）の仕込み／取出し室１２と、基板に対する成膜室１４とを備えている。仕込み／取出し室１２には、ロータリーポンプ等の粗引き排気手段１２ｐが接続され、成膜室１４には、ターボ分子ポンプ等の高真空排気手段１４ｐが接続されている。本実施形態のスパッタ装置１０では、基板を縦型支持して仕込み／取出し室１２に搬入し、粗引き排気手段１２ｐで仕込み／取出し室１２を排気する。次に、高真空排気手段１４ｐで高真空排気した成膜室１４に基板を搬送し、成膜処理を行う。成膜後の基板は、仕込み／取出し室１２を介して外部に搬出する。
（マグネトロンスパッタ装置）
図１は、マグネトロンスパッタ装置の概略構成図である。本実施形態のスパッタ装置１０は、インターバック式のスパッタ装置であって、基板（不図示）の仕込み／取出し室１２と、基板に対する成膜室１４とを備えている。仕込み／取出し室１２には、ロータリーポンプ等の粗引き排気手段１２ｐが接続され、成膜室１４には、ターボ分子ポンプ等の高真空排気手段１４ｐが接続されている。本実施形態のスパッタ装置１０では、基板を縦型支持して仕込み／取出し室１２に搬入し、粗引き排気手段１２ｐで仕込み／取出し室１２を排気する。次に、高真空排気手段１４ｐで高真空排気した成膜室１４に基板を搬送し、成膜処理を行う。成膜後の基板は、仕込み／取出し室１２を介して外部に搬出する。
成膜室１４には、Ａｒ等のスパッタガスを供給するガス供給手段１７が接続されている。ガス供給手段１７からは、Ｏ２等の反応ガスを供給することも可能である。成膜室１４には、スパッタカソード機構２０が縦型に配置されている。
図２は、成膜室の平面図である。スパッタカソード機構２０は、成膜室１４の幅方向における一方側面に配置されている。成膜室１４の他方側面には、基板５を加熱するヒータ１８が配置されている。
図２は、成膜室の平面図である。スパッタカソード機構２０は、成膜室１４の幅方向における一方側面に配置されている。成膜室１４の他方側面には、基板５を加熱するヒータ１８が配置されている。
スパッタカソード機構２０は、主にターゲット２２と、背面プレート２４と、磁気回路３０とを備えている。背面プレート２４は、ＤＣ電源２６に接続され、負電位に保持されている。背面プレート２４の表面には、ＺｎＯ系膜の形成材料をロウ材でボンディングしたターゲット２２が配置されている。ＺｎＯ系膜の形成材料は、ＡｌまたはＧａを含む物質を、ＺｎＯに添加した材料である。そして、ガス供給手段１７から成膜室１４にスパッタガスを供給し、ＤＣ電源２６により背面プレート２４にスパッタ電圧を印加する。成膜室１４内でプラズマにより励起されたスパッタガスのイオンが、ターゲット２２に衝突してＺｎＯ系膜の形成材料の原子を飛び出させる。飛び出した原子を基板５に付着させることにより、基板５にＺｎＯ系膜が形成される。
背面プレート２４の裏面に沿って、ターゲット２２の表面に水平磁場を発生させる磁気回路３０が配置されている。磁気回路３０は、背面プレート２４側の表面の極性が相互に異なる第１磁石３１と第２磁石３２とを備えている。
図３は、スパッタカソード機構２０の背面図である。第１磁石３１は直線状に配置され、第２磁石３２は第１磁石３１の周縁部から所定距離を置いて額縁状に配置されている。
この第１磁石３１と第２磁石３２とがヨーク３４に装着されて、磁気回路ユニット３０ａが形成されている。また、複数（本実施形態では２個）の磁気回路ユニット３０ａ，３０ｂがブラケット３５により連結されて、磁気回路３０が構成されている。
図３は、スパッタカソード機構２０の背面図である。第１磁石３１は直線状に配置され、第２磁石３２は第１磁石３１の周縁部から所定距離を置いて額縁状に配置されている。
この第１磁石３１と第２磁石３２とがヨーク３４に装着されて、磁気回路ユニット３０ａが形成されている。また、複数（本実施形態では２個）の磁気回路ユニット３０ａ，３０ｂがブラケット３５により連結されて、磁気回路３０が構成されている。
図２に示すように、背面プレート２４側の極性が異なる第１磁石３１と第２磁石３２とにより、磁力線３６で表される磁場が発生する。これにより、第１磁石３１と第２磁石３２との間におけるターゲット２２の表面において、垂直磁場が０（水平磁場が最大）となる位置３７が発生する。この位置３７に高密度プラズマが生成することで、成膜速度を向上しうるようになっている。
この位置３７では、ターゲット２２が最も深くエロージョンする。この位置３７が固定されないようにしてターゲットの利用効率（寿命）を向上させるため、また、ターゲットおよびカソードの冷却効率を上げてアーキング等を改善するため、磁気回路３０は水平方向に揺動可能に形成されている。また、ターゲット２２の上下端ではエロージョンの形状が矩形や半円形となるため、磁気回路３０は、垂直方向にも揺動可能に形成されている。具体的には、磁気回路３０のブラケット３５を水平方向と垂直方向とに独立して往復運動させる一対のアクチュエータ（不図示）を備えている。これらの水平方向アクチュエータと垂直方向アクチュエータとを異なる周期で駆動することにより、磁気回路３０がターゲット２２と平行な面内でジグザグ運動しうるようになっている。
（変形例）
図４は、マグネトロンスパッタ装置の変形例である。このスパッタ装置１００は、インライン式のスパッタ装置であって、仕込み室１２と、成膜室１４と、取出し室１６とを順に備えている。このスパッタ装置１００では、基板を縦型支持して仕込み室１２に搬入し、粗引き排気手段１２ｐで仕込み室１２を排気する。次に、高真空排気手段１４ｐで高真空排気した成膜室１４に基板５を搬送し、成膜処理を行う。成膜後の基板５は、粗引き排気手段１６ｐで排気した取出し室１６から外部に搬出する。
図４は、マグネトロンスパッタ装置の変形例である。このスパッタ装置１００は、インライン式のスパッタ装置であって、仕込み室１２と、成膜室１４と、取出し室１６とを順に備えている。このスパッタ装置１００では、基板を縦型支持して仕込み室１２に搬入し、粗引き排気手段１２ｐで仕込み室１２を排気する。次に、高真空排気手段１４ｐで高真空排気した成膜室１４に基板５を搬送し、成膜処理を行う。成膜後の基板５は、粗引き排気手段１６ｐで排気した取出し室１６から外部に搬出する。
成膜室１４には、複数（本変形例では３個）のスパッタカソード機構２０が、基板５の搬送方向に並んで配置されている。各スパッタカソード機構２０は、上記実施形態と同様に構成されている。本変形例では、複数のスパッタカソード機構２０の前を基板５が通過する過程で、各スパッタカソード機構２０により基板５の表面にＺｎＯ系膜を形成する。
これにより、均質なＺｎＯ系膜を形成することが可能になり、また成膜処理のスループットを向上させることができる。
これにより、均質なＺｎＯ系膜を形成することが可能になり、また成膜処理のスループットを向上させることができる。
（太陽電池）
本実施形態で製造する太陽電池について図５に基づいて説明する。図５は太陽電池の概略構成図である。
図５に示すように、太陽電池５０は、表面を構成するガラス基板５１と、ガラス基板５１上に設けられた透明導電膜からなる上部電極５３と、アモルファスシリコンで構成されたトップセル５５と、トップセル５５と後述するボトムセル５９との間に設けられた透明導電膜からなる中間電極５７と、微結晶シリコンで構成されたボトムセル５９と、透明導電膜からなるバッファ層６１と、金属膜からなる裏面電極６３とが積層されている。つまり、太陽電池５０は、ａ−Ｓｉ／微結晶Ｓｉタンデム型太陽電池となっている。このようなタンデム構造の太陽電池５０では、短波長光をトップセル５５で、長波長光をボトムセル５９でそれぞれ吸収することにより、発電効率の向上を図ることができる。
本実施形態で製造する太陽電池について図５に基づいて説明する。図５は太陽電池の概略構成図である。
図５に示すように、太陽電池５０は、表面を構成するガラス基板５１と、ガラス基板５１上に設けられた透明導電膜からなる上部電極５３と、アモルファスシリコンで構成されたトップセル５５と、トップセル５５と後述するボトムセル５９との間に設けられた透明導電膜からなる中間電極５７と、微結晶シリコンで構成されたボトムセル５９と、透明導電膜からなるバッファ層６１と、金属膜からなる裏面電極６３とが積層されている。つまり、太陽電池５０は、ａ−Ｓｉ／微結晶Ｓｉタンデム型太陽電池となっている。このようなタンデム構造の太陽電池５０では、短波長光をトップセル５５で、長波長光をボトムセル５９でそれぞれ吸収することにより、発電効率の向上を図ることができる。
トップセル５５は、ｐ層（５５ｐ）と、ｉ層（５５ｉ）と、ｎ層（５５ｎ）との３層構造で構成されており、このうちｉ層（５５ｉ）がアモルファスシリコンで形成されている。また、ボトムセル５９もトップセル５５と同様にｐ層（５９ｐ）と、ｉ層（５９ｉ）と、ｎ層（５９ｎ）との３層構造で構成されており、このうちｉ層（５９ｉ）が微結晶シリコンで構成されている。
このように構成した太陽電池５０は、太陽光に含まれる光子というエネルギー粒子がｉ層に当たると、光起電力効果により、電子と正孔（ｈｏｌｅ）とが発生し、電子はｎ層、正孔はｐ層に向かって移動する。この光起電力効果により発生した電子を上部電極５３と裏面電極６３により取り出して、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。
ガラス基板５１側から入射した太陽光は、各層を通過して裏面電極６３で反射される。太陽電池５０には、光エネルギーの変換効率を向上させるために、上部電極５３に入射した太陽光の光路を伸ばすプリズム効果と光の閉じ込め効果を目的としたテクスチャ構造を採用している。
そして、本実施形態における太陽電池５０の中間電極５７およびバッファ層６１は、上述したマグネトロンスパッタ装置１０を用いて形成されたＺｎＯ系膜（透明導電膜）で構成されている。ただし、マグネトロンスパッタ法により中間電極５７を形成する場合には、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入し、下地となるトップセル５５にダメージが発生する虞がある。また、バッファ層６１を形成する場合にも同様に、下地となるボトムセル５９にダメージが発生する虞がある。そこで、下地へのダメージを抑制しつつ、中間電極５７またはバッファ層５９を形成することが要求されている。なお、バッファ層６１は、裏面電極６３に用いられている金属膜の拡散防止などの目的もある。
（太陽電池の製造方法）
（第１実施形態）
第１実施形態では、図１〜図３に示すスパッタ装置１０を用いて、太陽電池５０を製造する。
まず、ガラス基板５１上に、上部電極５３を後述する中間電極５７と略同一の方法により形成した後、トップセル５５を形成する。トップセル５５を形成した後、トップセル５５上に中間電極５７として構成されるＡｌが添加されたＺｎＯ（ＡＺＯ）膜を形成する。
（第１実施形態）
第１実施形態では、図１〜図３に示すスパッタ装置１０を用いて、太陽電池５０を製造する。
まず、ガラス基板５１上に、上部電極５３を後述する中間電極５７と略同一の方法により形成した後、トップセル５５を形成する。トップセル５５を形成した後、トップセル５５上に中間電極５７として構成されるＡｌが添加されたＺｎＯ（ＡＺＯ）膜を形成する。
以下、マグネトロンスパッタ法による中間電極５７の形成方法について説明する。
図２に示すターゲット２２には、透明導電膜の形成材料として、Ａｌ２Ｏ３が０．５〜１０．０ｗｔ％（本実施形態では２．０ｗｔ％）添加されたＺｎＯを採用する。成膜室１４に無アルカリガラス基板５１を搬入し、必要に応じてヒータ１８でガラス基板５１を加熱する。ヒータ１８によりガラス基板５１を加熱する場合は、２００℃以下（本実施形態では２００℃）に加熱することが望ましい。これは、上部電極５３を形成する際はガラス基板５１上に成膜されるため、温度に対する制約はほとんどない（６００℃程度まで可能）が、中間電極５７およびバッファ層６１を成膜する際には、すでに成膜された発電層（トップセル５５またはボトムセル５９）の耐熱性を考慮したためである。高真空排気手段１４ｐにより成膜室１４を高真空排気し、ガス供給手段１７からスパッタガスとしてＡｒガスを導入し、成膜室１４の圧力を２〜１０ｍＴｏｒｒ（本実施形態では５ｍＴｏｒｒ）に維持する。磁気回路３０を揺動させつつ、ＤＣ電源２６により背面プレート２４に電力密度１〜８Ｗ／ｃｍ２（本実施形態では４Ｗ／ｃｍ２）の電力を投入する。なお、加熱成膜を行うため成膜後のアニール処理を行わないが、成膜後のアニール処理を行ってもよい。
図２に示すターゲット２２には、透明導電膜の形成材料として、Ａｌ２Ｏ３が０．５〜１０．０ｗｔ％（本実施形態では２．０ｗｔ％）添加されたＺｎＯを採用する。成膜室１４に無アルカリガラス基板５１を搬入し、必要に応じてヒータ１８でガラス基板５１を加熱する。ヒータ１８によりガラス基板５１を加熱する場合は、２００℃以下（本実施形態では２００℃）に加熱することが望ましい。これは、上部電極５３を形成する際はガラス基板５１上に成膜されるため、温度に対する制約はほとんどない（６００℃程度まで可能）が、中間電極５７およびバッファ層６１を成膜する際には、すでに成膜された発電層（トップセル５５またはボトムセル５９）の耐熱性を考慮したためである。高真空排気手段１４ｐにより成膜室１４を高真空排気し、ガス供給手段１７からスパッタガスとしてＡｒガスを導入し、成膜室１４の圧力を２〜１０ｍＴｏｒｒ（本実施形態では５ｍＴｏｒｒ）に維持する。磁気回路３０を揺動させつつ、ＤＣ電源２６により背面プレート２４に電力密度１〜８Ｗ／ｃｍ２（本実施形態では４Ｗ／ｃｍ２）の電力を投入する。なお、加熱成膜を行うため成膜後のアニール処理を行わないが、成膜後のアニール処理を行ってもよい。
上述したように、ＺｎＯ系膜は、Ａｌなどが結晶中のＺｎの位置に入り込み、イオンとなって自由電子を放出することで、導電性が向上する性質を有する。そこで、Ａｌ２Ｏ３を添加したＺｎＯターゲットを採用してスパッタを行い、Ａｌが添加されたＺｎＯ（ＡＺＯ）膜を形成することで、ＺｎＯ系膜の中でも特に比抵抗が低い透明導電膜を得ることができる。
本願の発明者は、ＺｎＯ系膜の比抵抗の磁場強度依存性を評価した。そのため、ターゲット表面の水平磁場強度が３００ガウスとなるように磁気回路３０を調整した第１水準と、ターゲット表面の水平磁場強度が１５００ガウスとなるように磁気回路３０を調整した第２水準とで、ＺｎＯ系膜を形成した。ＺｎＯ系膜の膜厚は、各水準につき２０００Åと、５０００Åと、１００００Åと、１５０００Åとして、比抵抗を測定した。
図６は、水平磁場強度とスパッタ電圧との関係を示すグラフである。図６に示すように、水平磁場強度が高いほどスパッタ電圧が低くなる関係にある。一般にスパッタ電圧は放電インピーダンス（＝ターゲット電圧／ターゲット電流）の影響を受け、放電インピーダンスはターゲット表面の磁場強度の影響を受ける。磁場強度を増加させるとプラズマ密度が大きくなり、その結果スパッタ電圧が低下するのである。上述した第１水準（水平磁場強度が３００ガウス）のスパッタ電圧は４５０Ｖ程度に、第２水準（水平磁場強度が１５００ガウス）のスパッタ電圧は３００Ｖ程度になる。
図７は、ＺｎＯ系膜の膜厚と比抵抗との関係を示すグラフである。ＺｎＯ系材料の比抵抗は、膜厚依存性を有するため、膜厚の増加に伴って比抵抗が減少している。
第２水準（１５００ガウス、３００Ｖ）で成膜したＺｎＯ系膜の比抵抗は、第１水準（３００ガウス、４３５Ｖ）より小さくなっている。この理由は、以下のように考えられる。比抵抗が膜厚依存性を有することからして、ＺｎＯ系材料は結晶格子が整いにくい性質を有する。高いスパッタ電圧（弱い磁場）で形成したＺｎＯ系膜は、結晶格子が乱れているため比抵抗が高くなる。この場合でも、膜厚を厚くすることで結晶格子が整って、比抵抗が低下する傾向が見られる。しかしながら、結晶格子の整い方が十分でないため、低いスパッタ電圧（強い磁場）で形成された膜厚の薄いＺｎＯ系膜に比べて、比抵抗が高くなるのである。
第２水準（１５００ガウス、３００Ｖ）で成膜したＺｎＯ系膜の比抵抗は、第１水準（３００ガウス、４３５Ｖ）より小さくなっている。この理由は、以下のように考えられる。比抵抗が膜厚依存性を有することからして、ＺｎＯ系材料は結晶格子が整いにくい性質を有する。高いスパッタ電圧（弱い磁場）で形成したＺｎＯ系膜は、結晶格子が乱れているため比抵抗が高くなる。この場合でも、膜厚を厚くすることで結晶格子が整って、比抵抗が低下する傾向が見られる。しかしながら、結晶格子の整い方が十分でないため、低いスパッタ電圧（強い磁場）で形成された膜厚の薄いＺｎＯ系膜に比べて、比抵抗が高くなるのである。
図８は、基板を２００℃に加熱し、膜厚が２０００ÅのＺｎＯ系膜を形成した場合の、スパッタ電圧と比抵抗との関係を示すグラフである（スパッタ電圧は負電位のまま記載している）。スパッタ電圧の絶対値が３４０Ｖ以下の範囲では、比抵抗が４００μΩｃｍ前後であるが、スパッタ電圧の絶対値が３４０Ｖを超えると比抵抗が急激に増加することがわかる。
したがって、スパッタ電圧を３４０Ｖ以下とし、ターゲット表面における水平磁場強度の最大値を６００ガウス以上（図６参照）としてスパッタを行い、ＺｎＯ系膜を形成することが望ましい。これにより、結晶格子の整ったＺｎＯ系膜を形成することが可能になり、比抵抗が低い（膜厚が薄くても比抵抗が５００μΩｃｍ以下の）ＺｎＯ系膜を得ることができる。
さらに、低いスパッタ電圧でスパッタを行うほど、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入するのを抑制することができる。そこで、３４０Ｖ以下のスパッタ電圧でスパッタを行うことにより、比抵抗が低いＺｎＯ系膜を形成することができるとともに、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入するのを抑制することができる。これにより、中間電極５７の下地膜などにダメージが発生するのを抑制することができる。
上述のように中間電極５７を形成した後、ボトムセル５９を形成する。ボトムセル５９を形成した後、ボトムセル５９上に、バッファ層６１として構成されるＡｌが添加されたＺｎＯ（ＡＺＯ）膜を中間電極５７と同様の方法で形成する。なお、中間電極５７またはバッファ層６１を形成する際には、ＡｌではなくＧａが添加されたＺｎＯ（ＧＺＯ）膜を形成してもよい。
そして、バッファ層６１を形成した後、ＡｇやＡｌなどの金属膜からなる裏面電極６３を形成することで太陽電池５０が製造される。
そして、バッファ層６１を形成した後、ＡｇやＡｌなどの金属膜からなる裏面電極６３を形成することで太陽電池５０が製造される。
本実施形態によれば、光入射側とは反対側の電力取り出し電極として機能する裏面電極６３と、ボトムセル５９との間に配置されたバッファ層６１、またはトップセル５５とボトムセル５９との間に配置された中間電極５７とを備え、中間電極５７またはバッファ層６１が、ＺｎＯを基本構成元素とする透明導電膜からなる太陽電池５０の製造方法であって、透明導電膜の形成材料を備えたターゲット２２にスパッタ電圧を印加しつつ、ターゲット２２の表面に水平磁場を発生させてスパッタを行うことにより、中間電極５７またはバッファ層６１を形成する工程を備え、中間電極５７またはバッファ層６１の形成工程では、スパッタ電圧を３４０Ｖ以下にしてスパッタを行うようにした。
また、中間電極５７またはバッファ層６１の形成工程では、ターゲット２２の表面における水平磁場強度の最大値を６００ガウス以上にしてスパッタを行うようにした。
また、中間電極５７またはバッファ層６１の形成工程では、ターゲット２２の表面における水平磁場強度の最大値を６００ガウス以上にしてスパッタを行うようにした。
この構成によれば、低いスパッタ電圧で中間電極５７またはバッファ層６１を形成するので、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入するのを抑制することが可能になる。これにより、太陽電池５０の製造過程において、中間電極５７またはバッファ層６１に隣接するように形成されている光発電セル（トップセル５５またはボトムセル５９）などの下地膜へのダメージを低減することができる。また、スパッタ電圧を３４０Ｖ以下にすることで、結晶格子の整った薄膜のＺｎＯ系膜が形成されるので、比抵抗が低い透明導電膜を得ることができる。
（第２実施形態）
次に、太陽電池５０では、ガラス基板５１からの入射光が一の光発電セル（トップセル５５またはボトムセル５９）を透過しても、他の光発電セルに入射して発電に寄与すれば、太陽電池５０の発電効率を向上させることができる。そこで、トップセル５５を透過した光をボトムセル５９に入射させて発電に寄与させるため、中間電極５７には高い光透過率が要求されている。また、ボトムセル５９を透過した光を裏面電極６３で反射させてボトムセル５９に再入射させて発電に寄与させるため、バッファ層６１には高い光透過率が要求されている。
そこで、第２実施形態では、中間電極５７またはバッファ層６１を構成する透明導電膜として、光透過率が高い酸素リッチなＺｎＯ膜を形成する。
次に、太陽電池５０では、ガラス基板５１からの入射光が一の光発電セル（トップセル５５またはボトムセル５９）を透過しても、他の光発電セルに入射して発電に寄与すれば、太陽電池５０の発電効率を向上させることができる。そこで、トップセル５５を透過した光をボトムセル５９に入射させて発電に寄与させるため、中間電極５７には高い光透過率が要求されている。また、ボトムセル５９を透過した光を裏面電極６３で反射させてボトムセル５９に再入射させて発電に寄与させるため、バッファ層６１には高い光透過率が要求されている。
そこで、第２実施形態では、中間電極５７またはバッファ層６１を構成する透明導電膜として、光透過率が高い酸素リッチなＺｎＯ膜を形成する。
図２に示すターゲット２２には、透明導電膜の形成材料としてＺｎＯを採用する。成膜室１４に無アルカリガラス基板５１を搬入し、必要に応じてヒータ１８でガラス基板５１を加熱する。ヒータ１８によりガラス基板５１を加熱する場合は、２００℃以下（本実施形態では２００℃）に加熱することが望ましい。高真空排気手段１４ｐにより成膜室１４を高真空排気し、ガス供給手段１７からスパッタガスとしてＡｒガスを５０〜４００ｓｃｃｍ供給し、反応ガスとしてＯ２ガスを０〜２０ｓｃｃｍ供給する。なお、成膜室１４の圧力は２〜１０ｍＴｏｒｒに維持する。磁気回路３０を揺動させつつ、ＤＣ電源２６により背面プレート２４に電力密度１〜８Ｗ／ｃｍ２の電力を投入する。
このように、Ｏ２ガスを供給しつつスパッタを行うことで、酸素リッチなＺｎＯ膜を形成することができる。酸素リッチなＺｎＯ膜は、比抵抗が大きいものの、光透過率が高くなる。これにより、光学特性に優れた透明導電膜を得ることができる。なお、中間電極５７またはバッファ層６１は電力取り出し電極（上部電極５３または裏面電極６３）に比べて膜厚が薄く、トンネル効果により電流が流れるため、比抵抗が多少大きくても実用上は問題にならない。
本実施形態によれば、中間電極５７またはバッファ層６１の形成工程では、酸素ガスを導入しつつスパッタを行うようにした。
この構成によれば、酸素リッチなＺｎＯ系膜が形成されるので、光透過率が高い透明導電膜を得ることができる。なお、酸素ガスの変わりに酸素原子を含むガスを導入してもよい。
この構成によれば、酸素リッチなＺｎＯ系膜が形成されるので、光透過率が高い透明導電膜を得ることができる。なお、酸素ガスの変わりに酸素原子を含むガスを導入してもよい。
なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した各実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
すなわち、各実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、実施形態のスパッタ装置は、基板を縦型支持してスパッタを行うものであるが、基板を水平支持するスパッタ装置で本発明を実施することも可能である。
また、実施形態の磁気回路ユニットは、第１極性の第１磁石の周囲に第２極性の第２磁石を配置して構成されていたが、これに加えて第２磁石の周囲に第１極性の第３磁石を配置して磁気回路ユニットを構成してもよい。
また、本実施形態ではタンデム構造の太陽電池の場合について説明したが、シングル接合型の太陽電池にも適用できる。なお、シングル接合型の太陽電池とは、図５に示す太陽電池の中間電極とボトムセルとが形成されていない構成の太陽電池である。
すなわち、各実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、実施形態のスパッタ装置は、基板を縦型支持してスパッタを行うものであるが、基板を水平支持するスパッタ装置で本発明を実施することも可能である。
また、実施形態の磁気回路ユニットは、第１極性の第１磁石の周囲に第２極性の第２磁石を配置して構成されていたが、これに加えて第２磁石の周囲に第１極性の第３磁石を配置して磁気回路ユニットを構成してもよい。
また、本実施形態ではタンデム構造の太陽電池の場合について説明したが、シングル接合型の太陽電池にも適用できる。なお、シングル接合型の太陽電池とは、図５に示す太陽電池の中間電極とボトムセルとが形成されていない構成の太陽電池である。
さらに、実施形態のスパッタカソード機構ではＤＣ電源（直流電源）を採用したが、ＤＣ電源およびＲＦ電源（高周波電源）を併用することも可能である。ＤＣ電源のみを採用した場合には、図８に示すように、スパッタ電圧３００Ｖで成膜したＺｎＯ系膜（膜厚２０００Å）の比抵抗が４３６．６μΩｃｍであった。これに対して、例えば低電流４Ａ設定のＤＣ電源と３５０ＷのＲＦ電源とを併用した場合には、ＺｎＯ−２ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３ターゲットに対するスパッタ電圧を１００Ｖ程度として成膜したＺｎＯ系膜（膜厚２０００Å）の比抵抗が３８９．４μΩｃｍであった。このように、ＤＣ電源にＲＦ電源を併用することでスパッタ電圧が低下し、スパッタ電圧の低下に伴ってＺｎＯ系膜の比抵抗も低くすることができるとともに、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入するのを抑制することができる。これにより、中間電極またはバッファ層の下地膜などにダメージが発生するのを抑制することができる。すなわち、磁場強度だけでなく電源面からスパッタ電圧を低下させることによっても、ＺｎＯ系膜の低抵抗化および下地膜へのダメージの抑制が可能になる。
低いスパッタ電圧で中間電極またはバッファ層を形成するので、プラズマにより励起された負イオンが加速されて基板に突入するのを抑制することが可能になる。これにより、太陽電池の製造過程において、中間電極またはバッファ層に隣接するように形成されている光発電セルなどの下地膜へのダメージを低減することができる。また、スパッタ電圧を３４０Ｖ以下にすることで、結晶格子の整った薄膜のＺｎＯ系膜が形成されるので、比抵抗が低い透明導電膜を得ることができる。
Claims (7)
- 光入射側の反対側に設けられて電力取り出し電極として機能する裏面電極と光発電セルとの間に配置されたバッファ層、または、複数の光発電セルの間に配置された中間電極を備え、
前記中間電極または前記バッファ層が、ＺｎＯを基本構成元素とする透明導電膜からなる太陽電池の製造方法であって、
前記透明導電膜の形成材料を備えたターゲットにスパッタ電圧を印加しつつ、前記ターゲットの表面に水平磁場を発生させてスパッタを行うことにより、前記中間電極または前記バッファ層を形成する工程を備え、
前記中間電極または前記バッファ層の形成工程では、前記スパッタ電圧を３４０Ｖ以下にしてスパッタを行う
ことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 請求項１に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記中間電極または前記バッファ層の形成工程では、前記ターゲットの表面における前記水平磁場の強度の最大値を６００ガウス以上にしてスパッタを行う。 - 請求項１に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記中間電極または前記バッファ層の形成工程では、酸素または酸素原子を含むガスを導入しつつスパッタを行う。 - 請求項１に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記ターゲットの表面に前記水平磁場を発生させる磁場発生手段は、前記ターゲットの裏面に沿って配置された第１極性の第１磁石および第２極性の第２磁石を備え、
前記第２磁石は、前記第１磁石を包囲するように配置されている。 - 請求項１に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記中間電極または前記バッファ層の形成工程では、前記ターゲットの表面に前記水平磁場を発生させる磁場発生手段と前記ターゲットとの相対位置を変化させつつスパッタを行う。 - 請求項１に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記中間電極または前記バッファ層の形成工程では、前記中間電極または前記バッファ層を形成する基板と前記ターゲットとの相対位置を変化させつつスパッタを行う。 - 請求項１に記載の太陽電池の製造方法であって、
前記スパッタ電圧の印加は、直流電源および高周波電源を併用して行う。
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