JPWO2011068197A1 - Photoelectric conversion device and method of manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
この光電変換装置は、基板(1)と、前記基板(1)上に形成された透明導電膜(2)と、第一p型半導体層(31),アモルファスのシリコン系薄膜からなる第一i型半導体層(32),結晶質のシリコン系薄膜からなる第一n型半導体層(33),及びアモルファスのシリコン系薄膜からなるn型半導体であって前記第一i型半導体層(32)と前記第一n型半導体層(33)との間に配置されたバッファ層(35)を含み、前記透明導電膜(2)上に形成された第一光電変換ユニット(3)と、前記第一光電変換ユニット(3)上に形成された第二光電変換ユニット(4)とを含む。This photoelectric conversion device includes a substrate (1), a transparent conductive film (2) formed on the substrate (1), a first p-type semiconductor layer (31), and a first i comprising an amorphous silicon thin film. A first semiconductor layer (32), a first n-type semiconductor layer (33) made of a crystalline silicon-based thin film, and an n-type semiconductor made of an amorphous silicon-based thin film, the first i-type semiconductor layer (32) A first photoelectric conversion unit (3) including a buffer layer (35) disposed between the first n-type semiconductor layer (33) and formed on the transparent conductive film (2); A second photoelectric conversion unit (4) formed on the photoelectric conversion unit (3).
Description
本発明は、薄膜を利用した光電変換装置及び光電変換装置の製造方法に関する。
本願は、2009年12月4日に出願された特願2009−276320号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。The present invention relates to a photoelectric conversion device using a thin film and a method for manufacturing the photoelectric conversion device.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2009-276320 for which it applied on December 4, 2009, and uses the content here.
近年、光電変換装置は、太陽電池又は光センサ等に一般的に利用されており、とりわけ太陽電池においては、エネルギーの効率的な利用の観点から広く普及を始めている。
特に、単結晶シリコンを利用した光電変換装置は、単位面積当たりのエネルギー変換効率に優れている。
しかし、一方で単結晶シリコンを利用した光電変換装置は、単結晶シリコンインゴットをスライスしたシリコンウエハを用いるため、インゴットの製造に大量のエネルギーが費やされ、製造コストが高い。
例えば、屋外等に設置される大面積の光電変換装置を、単結晶シリコンを利用して製造すると、現状では相当にコストが掛かる。
そこで、より安価に製造可能なアモルファス(非晶質)シリコン薄膜(以下、「a−Si薄膜」とも表記する)を利用した光電変換装置が、ローコストな光電変換装置として普及している。In recent years, photoelectric conversion devices are generally used for solar cells, optical sensors, and the like, and in particular, solar cells have begun to spread widely from the viewpoint of efficient use of energy.
In particular, a photoelectric conversion device using single crystal silicon is excellent in energy conversion efficiency per unit area.
However, on the other hand, since a photoelectric conversion device using single crystal silicon uses a silicon wafer obtained by slicing a single crystal silicon ingot, a large amount of energy is consumed for manufacturing the ingot and the manufacturing cost is high.
For example, if a large-area photoelectric conversion device installed outdoors or the like is manufactured using single crystal silicon, it is considerably expensive at present.
Therefore, a photoelectric conversion device using an amorphous (amorphous) silicon thin film (hereinafter also referred to as an “a-Si thin film”) that can be manufactured at a lower cost is widely used as a low-cost photoelectric conversion device.
ところが、このアモルファス(非晶質)シリコン薄膜を利用した光電変換装置は、単結晶シリコン又は多結晶シリコン等を利用した結晶型の光電変換装置に比べて変換効率が低い。
そこで、光電変換装置の変換効率を向上させる構造として、2つの光電変換ユニットが積層されたタンデム型の構造が提案されている。
例えば、図11に示すようなタンデム型の光電変換装置200が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この光電変換装置200においては、透明導電膜202が配置された絶縁性の透明基板201が用いられている。透明導電膜202上には、p型半導体層231(p層)、i型シリコン層232(非晶質シリコン層,i層)、及びn型半導体層233(n層)を順次積層して得られたpin型の第一光電変換ユニット203が形成されている。第一光電変換ユニット203上には、p型半導体層241(p層)、i型シリコン層242(結晶質シリコン層,i層)、及びn型半導体層243(n層)を順次積層して得られたpin型の第二光電変換ユニット204が形成されている。更に、第二光電変換ユニット204上には、裏面電極205が形成されている。However, a photoelectric conversion device using this amorphous (amorphous) silicon thin film has a lower conversion efficiency than a crystalline photoelectric conversion device using single crystal silicon or polycrystalline silicon.
Therefore, as a structure for improving the conversion efficiency of the photoelectric conversion device, a tandem structure in which two photoelectric conversion units are stacked has been proposed.
For example, a tandem
In this
このような従来のタンデム構造を有する光電変換装置における波長と発電効率との関係を図12に示す。図12においては、非晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の第一光電変換ユニットと、結晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の第二光電変換ユニットの各々の波長と発電効率との関係が示されている。
また、第一光電変換ユニットと、第二光電変換ユニットについて、電流密度と電圧との関係を図13に示す。
図12に示されるように、結晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の第二光電変換ユニットにおいては、長波長領域における発電効率が低い。このため、第一光電変換ユニット及び第二光電変換ユニットを含む光電変換装置全体における光電変換効率を向上させることが困難であった。
また、図13に示されるように、非晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の第一光電変換ユニット単独で構成された光電変換装置、及び結晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の第一光電変換ユニット単独で構成された光電変換装置においては、それぞれ良好な特性を有しているにもかかわらず、両者が積層されたタンデム構造を有する光電変換装置においては電池特性が低下してしまうという問題があった。FIG. 12 shows the relationship between the wavelength and the power generation efficiency in the photoelectric conversion device having such a conventional tandem structure. In FIG. 12, the relationship between the wavelength and the power generation efficiency of each of the pin-type first photoelectric conversion unit made of an amorphous silicon-based thin film and the pin-type second photoelectric conversion unit made of a crystalline silicon-based thin film. It is shown.
FIG. 13 shows the relationship between current density and voltage for the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
As shown in FIG. 12, the pin-type second photoelectric conversion unit made of a crystalline silicon thin film has low power generation efficiency in the long wavelength region. For this reason, it was difficult to improve the photoelectric conversion efficiency in the whole photoelectric conversion apparatus including the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
Further, as shown in FIG. 13, a photoelectric conversion device constituted by a single pin-type first photoelectric conversion unit made of an amorphous silicon-based thin film, and a pin-type first made of a crystalline silicon-based thin film. In a photoelectric conversion device constituted by a single photoelectric conversion unit, the battery characteristics are deteriorated in a photoelectric conversion device having a tandem structure in which both are stacked despite having good characteristics. There was a problem.
このような問題に対し、非晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の第一光電変換ユニットにおいて、n層を結晶質のシリコン系薄膜で形成することにより電池特性を改善させることはできたが、非晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の第一光電変換ユニットが本来備えている性能を十分に得ることができていない。 In order to solve such a problem, in the pin type first photoelectric conversion unit made of an amorphous silicon thin film, the battery characteristics could be improved by forming the n layer with a crystalline silicon thin film. However, the performance inherent to the pin-type first photoelectric conversion unit made of an amorphous silicon-based thin film cannot be sufficiently obtained.
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、非晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の第一光電変換ユニットにおける発電効率を改善し、光電変換効率を向上させたタンデム構造を有する光電変換装置を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、光電変換効率を向上させたタンデム構造を有する光電変換装置を簡便な方法で製造することが可能な光電変換装置の製造方法を提供することを第二の目的とする。
また、本発明は、非晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の光電変換ユニットを備えたシングル構造を有する光電変換装置において発電効率を改善し、光電変換効率を向上させた光電変換装置を提供することを第三の目的とする。
また、本発明は、光電変換効率を向上させたシングル構造を有する光電変換装置を簡便な方法で製造することが可能な光電変換装置の製造方法を提供することを第四の目的とする。The present invention has been made in consideration of such circumstances, and has improved the power generation efficiency in the pin-type first photoelectric conversion unit made of an amorphous silicon thin film, and improved the photoelectric conversion efficiency. It is a first object to provide a photoelectric conversion device having the following.
A second object of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion device capable of manufacturing a photoelectric conversion device having a tandem structure with improved photoelectric conversion efficiency by a simple method.
The present invention also provides a photoelectric conversion device that improves power generation efficiency and improves photoelectric conversion efficiency in a photoelectric conversion device having a single structure including a pin-type photoelectric conversion unit made of an amorphous silicon thin film. The third purpose is to do.
Moreover, this invention makes it the 4th objective to provide the manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus which can manufacture the photoelectric conversion apparatus which has the single structure which improved the photoelectric conversion efficiency by a simple method.
本発明の第1態様の光電変換装置は、基板と、前記基板上に形成された透明導電膜と、第一p型半導体層,アモルファスのシリコン系薄膜からなる第一i型半導体層,結晶質のシリコン系薄膜からなる第一n型半導体層,及びアモルファスのシリコン系薄膜からなるn型半導体であって前記第一i型半導体層と前記第一n型半導体層との間に配置されたバッファ層を含み、前記透明導電膜上に形成された第一光電変換ユニットと、前記第一光電変換ユニット上に形成された第二光電変換ユニットとを含む。 The photoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention includes a substrate, a transparent conductive film formed on the substrate, a first p-type semiconductor layer, a first i-type semiconductor layer comprising an amorphous silicon-based thin film, a crystalline material A first n-type semiconductor layer comprising a silicon-based thin film, and an n-type semiconductor comprising an amorphous silicon-based thin film, the buffer being disposed between the first i-type semiconductor layer and the first n-type semiconductor layer A first photoelectric conversion unit formed on the transparent conductive film and a second photoelectric conversion unit formed on the first photoelectric conversion unit.
本発明の第1態様の光電変換装置においては、前記第二光電変換ユニットは、第二p型半導体層及び第二i型半導体層を含み、前記第二p型半導体層及び前記第二i型半導体層は、結晶質のシリコン系薄膜からなることが好ましい。 In the photoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention, the second photoelectric conversion unit includes a second p-type semiconductor layer and a second i-type semiconductor layer, and the second p-type semiconductor layer and the second i-type semiconductor layer. The semiconductor layer is preferably made of a crystalline silicon-based thin film.
本発明の第1態様の光電変換装置においては、前記バッファ層の厚みは、20〜200Åの範囲であることが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the first aspect of the present invention, the buffer layer preferably has a thickness in the range of 20 to 200 mm.
本発明の第1態様の光電変換装置においては、レーザーラマン顕微鏡で観測された前記バッファ層中に分散するアモルファス相に起因するラマン散乱光の強度をIaと定義し、前記バッファ層中に分散する微結晶相に起因するラマン散乱光の強度をIcと定義した場合に、Ic/Iaが、1.0未満であることが好ましい。 In the photoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention, the intensity of Raman scattered light attributed to the amorphous phase dispersed in the buffer layer observed with a laser Raman microscope is defined as Ia, and is dispersed in the buffer layer. When the intensity of Raman scattered light resulting from the microcrystalline phase is defined as Ic, it is preferable that Ic / Ia is less than 1.0.
本発明の第2態様の光電変換装置の製造方法は、透明導電膜が形成された基板を準備し、前記透明導電膜上に、第一光電変換ユニットを構成する第一p型半導体層とアモルファスのシリコン系薄膜からなる第一i型半導体層とを順に形成し、前記第一i型半導体層上に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn型半導体であるバッファ層を形成し、前記バッファ層上に、結晶質のシリコン系薄膜からなり前記第一光電変換ユニットを構成する第一n型半導体層を形成し、前記第一n型半導体層上に、第二光電変換ユニットを構成する第二p型半導体層,第二i型半導体層,及び第二n型半導体層を順に形成する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising: preparing a substrate on which a transparent conductive film is formed; and forming a first p-type semiconductor layer constituting the first photoelectric conversion unit and an amorphous layer on the transparent conductive film. A first i-type semiconductor layer made of a silicon-based thin film, and a buffer layer made of an amorphous silicon-based thin film formed on the first i-type semiconductor layer. And forming a first n-type semiconductor layer comprising the crystalline silicon-based thin film and constituting the first photoelectric conversion unit, and forming a second photoelectric conversion unit on the first n-type semiconductor layer. A type semiconductor layer, a second i-type semiconductor layer, and a second n-type semiconductor layer are sequentially formed.
本発明の第2態様の光電変換装置の製造方法においては、前記第二p型半導体層及び前記第二i型半導体層は、結晶質のシリコン系薄膜からなることが好ましい。 In the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the second aspect of the present invention, the second p-type semiconductor layer and the second i-type semiconductor layer are preferably made of a crystalline silicon-based thin film.
本発明の第3態様の光電変換装置は、基板と、前記基板上に形成された透明導電膜と、アモルファスのシリコン系薄膜からなる第三p型半導体層,アモルファスのシリコン系薄膜からなる第三i型半導体層,結晶質のシリコン系薄膜からなる第三n型半導体層,及びアモルファスのシリコン系薄膜からなるn型半導体であって前記第三i型半導体層と前記第三n型半導体層との間に配置されたバッファ層を含み、前記透明導電膜上に形成された第三光電変換ユニットとを含む。 The photoelectric conversion device according to the third aspect of the present invention includes a substrate, a transparent conductive film formed on the substrate, a third p-type semiconductor layer composed of an amorphous silicon-based thin film, and a third composed of an amorphous silicon-based thin film. an i-type semiconductor layer, a third n-type semiconductor layer made of a crystalline silicon-based thin film, and an n-type semiconductor made of an amorphous silicon-based thin film, wherein the third i-type semiconductor layer and the third n-type semiconductor layer are And a third photoelectric conversion unit formed on the transparent conductive film.
本発明の第3態様の光電変換装置においては、前記バッファ層の厚みは、20〜200Åの範囲であることが好ましい。 In the photoelectric conversion device according to the third aspect of the present invention, the thickness of the buffer layer is preferably in the range of 20 to 200 mm.
本発明の第3態様の光電変換装置においては、レーザーラマン顕微鏡で観測された、前記バッファ層中に分散するアモルファス相に起因するラマン散乱光の強度をIaと定義し、前記バッファ層中に分散する微結晶相に起因するラマン散乱光の強度をIcと定義した場合に、Ic/Iaが、1.0未満であることが好ましい。 In the photoelectric conversion device according to the third aspect of the present invention, the intensity of the Raman scattered light attributed to the amorphous phase dispersed in the buffer layer, which is observed with a laser Raman microscope, is defined as Ia, and is dispersed in the buffer layer. When the intensity of Raman scattered light resulting from the microcrystalline phase is defined as Ic, Ic / Ia is preferably less than 1.0.
本発明の第4態様の光電変換装置の製造方法は、透明導電膜が形成された基板を準備し、前記透明導電膜上に、第三光電変換ユニットを構成する、アモルファスのシリコン系薄膜からなる第三p型半導体層とアモルファスのシリコン系薄膜からなる第三i型半導体層とを順に形成し、前記第三i型半導体層上に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn型半導体であるバッファ層を形成し、前記バッファ層上に、結晶質のシリコン系薄膜からなり前記第三光電変換ユニットを構成する第三n型半導体層を形成する。 The manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus of the 4th aspect of this invention prepares the board | substrate with which the transparent conductive film was formed, and consists of an amorphous silicon-type thin film which comprises a 3rd photoelectric conversion unit on the said transparent conductive film. A third p-type semiconductor layer and a third i-type semiconductor layer made of an amorphous silicon-based thin film are sequentially formed, and a buffer layer that is an n-type semiconductor made of an amorphous silicon-based thin film is formed on the third i-type semiconductor layer. And a third n-type semiconductor layer made of a crystalline silicon-based thin film and constituting the third photoelectric conversion unit is formed on the buffer layer.
本発明の第1態様の光電変換装置(以下、「第一光電変換装置」とも呼ぶ)では、前記第一光電変換ユニットにおいて、アモルファスのシリコン系薄膜からなるi層(第一i型半導体層)と結晶質のシリコン系薄膜からなるn層(第一n型半導体層)との間に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn層(n型半導体)であるバッファ層が配置されている。この構成によれば、アモルファスのシリコン系薄膜からなるi層と、結晶質のシリコン系薄膜からなるn層との界面における不整合を緩和することができる。
これにより、第一光電変換ユニットにおいて結晶質のシリコン系薄膜からなるn層の働きを有効に活用することができ、このn層と、第二光電変換ユニットを構成して結晶質のシリコン系薄膜からなるp層(第二p型半導体層)との界面の格子整合を得ることができる。更に、第一光電変換ユニットにおける開放電圧(Voc)を向上することができ、第一光電変換ユニットの発電効率を向上させ、第一光電変換ユニット及び第二光電変換ユニットを含む光電変換装置全体としての光電変換効率を向上させることができる。
その結果、本発明によれば、光電変換効率が向上されたタンデム構造を有する光電変換装置を提供することが可能である。
また、本発明の第2態様の光電変換装置の製造方法(以下、「第一光電変換装置の製法」とも呼ぶ)は、第一光電変換ユニットを構成するp層(第一p型半導体層)及びi層(第一i型半導体層)を順に形成するステップ、前記第一光電変換ユニットのi層上に、前記バッファ層を形成するステップ、前記バッファ層上に前記第一光電変換ユニットを構成するn層(第一n型半導体層)を形成するステップ、前記第一光電変換ユニットのn層上に、前記第二光電変換ユニットを構成するp層、i層、n層を順に形成するステップ、を少なくとも順に備えている。このため、得られる光電変換装置は、第一光電変換ユニットにおける開放電圧(Voc)を向上することができ、第一光電変換ユニットの発電効率を向上させ、第一光電変換ユニット及び第二光電変換ユニットを含む光電変換装置全体としての光電変換効率を向上させることができる。
その結果、本発明によれば、光電変換効率が向上されたタンデム構造を有する光電変換装置を簡便に製造できる光電変換装置の製造方法を提供することが可能である。In the photoelectric conversion device according to the first aspect of the present invention (hereinafter also referred to as “first photoelectric conversion device”), in the first photoelectric conversion unit, an i layer (first i-type semiconductor layer) made of an amorphous silicon-based thin film. And a buffer layer, which is an n layer (n-type semiconductor) made of an amorphous silicon-based thin film, is disposed between the n-layer (first n-type semiconductor layer) made of a crystalline silicon-based thin film. According to this configuration, mismatch at the interface between the i layer made of an amorphous silicon thin film and the n layer made of a crystalline silicon thin film can be alleviated.
Thereby, the function of the n layer made of the crystalline silicon-based thin film can be effectively utilized in the first photoelectric conversion unit. The n-layer and the second photoelectric conversion unit constitute the crystalline silicon-based thin film. Lattice matching at the interface with the p layer (second p-type semiconductor layer) made of can be obtained. Furthermore, the open circuit voltage (Voc) in the first photoelectric conversion unit can be improved, the power generation efficiency of the first photoelectric conversion unit is improved, and the entire photoelectric conversion device including the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit The photoelectric conversion efficiency of can be improved.
As a result, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion device having a tandem structure with improved photoelectric conversion efficiency.
Moreover, the manufacturing method of the photoelectric conversion device according to the second aspect of the present invention (hereinafter also referred to as “the manufacturing method of the first photoelectric conversion device”) is a p layer (first p-type semiconductor layer) constituting the first photoelectric conversion unit. And forming an i layer (first i-type semiconductor layer) in sequence, forming the buffer layer on the i layer of the first photoelectric conversion unit, and configuring the first photoelectric conversion unit on the buffer layer A step of forming an n layer (first n-type semiconductor layer), a step of sequentially forming a p layer, an i layer, and an n layer constituting the second photoelectric conversion unit on the n layer of the first photoelectric conversion unit , At least in order. For this reason, the obtained photoelectric conversion device can improve the open circuit voltage (Voc) in the first photoelectric conversion unit, improve the power generation efficiency of the first photoelectric conversion unit, and the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit. The photoelectric conversion efficiency as the whole photoelectric conversion apparatus including the unit can be improved.
As a result, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion device that can easily manufacture a photoelectric conversion device having a tandem structure with improved photoelectric conversion efficiency.
また、本発明の第3態様の光電変換装置(以下、「第二光電変換装置」とも呼ぶ)では、第三光電変換ユニットを構成するp層(第三p型半導体層)及びi層(第三i型半導体層)がアモルファスのシリコン系薄膜からなり、第三光電変換ユニットを構成するn層(第三n型半導体層)が結晶質のシリコン系薄膜からなり、前記i層と前記n層との間に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn層(n型半導体)であるバッファ層が配置されている。この構成によれば、アモルファスのシリコン系薄膜からなるi層と、結晶質のシリコン系薄膜からなるn層との界面における不整合を緩和することができる。
これにより、結晶質のシリコン系薄膜からなるn層の働きを有効に活用することができ、開放電圧(Voc)を向上させることができる。
その結果、本発明によれば、光電変換効率が向上されたシングル構造を有する光電変換装置を提供することが可能である。
また、本発明の第4態様の光電変換装置の製造方法(以下、「第二光電変換装置の製法」とも呼ぶ)は、第三光電変換ユニットを構成するp層(第三p型半導体層)及びi層(第三i型半導体層)を順に形成するステップ、前記第三光電変換ユニットを構成するi層上に、前記バッファ層を形成するステップ、前記バッファ層上に、前記第三光電変換ユニットを構成するn層(第三n型半導体層)を形成するステップ、を少なくとも順に備えている。このため、得られる光電変換装置は、開放電圧(Voc)を向上させることができる。
その結果、本発明によれば、光電変換効率が向上されたシングル構造を有する光電変換装置を簡便に製造できる光電変換装置の製造方法を提供することが可能である。In the photoelectric conversion device according to the third aspect of the present invention (hereinafter also referred to as “second photoelectric conversion device”), the p layer (third p-type semiconductor layer) and the i layer (first layer) constituting the third photoelectric conversion unit. The third i-type semiconductor layer) is made of an amorphous silicon thin film, the n layer (third n-type semiconductor layer) constituting the third photoelectric conversion unit is made of a crystalline silicon thin film, and the i layer and the n layer A buffer layer that is an n layer (n-type semiconductor) made of an amorphous silicon-based thin film is disposed between the two. According to this configuration, mismatch at the interface between the i layer made of an amorphous silicon thin film and the n layer made of a crystalline silicon thin film can be alleviated.
Thereby, the function of the n layer made of a crystalline silicon-based thin film can be effectively utilized, and the open circuit voltage (Voc) can be improved.
As a result, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion device having a single structure with improved photoelectric conversion efficiency.
In addition, the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the fourth aspect of the present invention (hereinafter also referred to as “method for manufacturing a second photoelectric conversion device”) is a p layer (third p-type semiconductor layer) constituting the third photoelectric conversion unit. And i layer (third i-type semiconductor layer) in order, forming the buffer layer on the i layer constituting the third photoelectric conversion unit, and third photoelectric conversion on the buffer layer Forming n layers (third n-type semiconductor layers) constituting the unit at least in order. For this reason, the obtained photoelectric conversion device can improve the open circuit voltage (Voc).
As a result, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion device that can easily manufacture a photoelectric conversion device having a single structure with improved photoelectric conversion efficiency.
以下では、本発明に係る光電変換装置及び光電変換装置の製造方法の実施形態について、図面に基づき説明する。
また、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。Hereinafter, embodiments of a photoelectric conversion device and a method for manufacturing the photoelectric conversion device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In the drawings used for the following description, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.
<第一実施形態>
第一実施形態においては、アモルファスシリコン型の光電変換装置である第一光電変換ユニットと、微結晶シリコン型の光電変換装置である第二光電変換ユニットとが積層されたタンデム構造を有する光電変換装置を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の第一実施形態の光電変換装置の層構成を示す構造断面図である。
第一実施形態の光電変換装置10A(10)においては、透明導電膜が形成された基板1が用いられており、この透明導電膜2は、基板1の第1面1a上に形成されている。透明導電膜2上には、第一光電変換ユニット3及び第二光電変換ユニット4が順に重ねて設けられている。第一光電変換ユニット3及び第二光電変換ユニット4は、p型半導体層,実質的に真性なi型半導体層,及びn型半導体層が積層されているpin型の半導体積層構造を有する。第二光電変換ユニット4上には、裏面電極5が形成されている。<First embodiment>
In the first embodiment, a photoelectric conversion device having a tandem structure in which a first photoelectric conversion unit that is an amorphous silicon photoelectric conversion device and a second photoelectric conversion unit that is a microcrystalline silicon photoelectric conversion device are stacked. Is described based on the drawings.
FIG. 1 is a structural cross-sectional view showing the layer structure of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention.
In the
基板1は、光透過性を有する絶縁性の基板であり、例えば、ガラス又は透明樹脂等、太陽光の透過性に優れ、かつ、耐久性を有する絶縁材料からなる。この基板1は、透明導電膜2を備えている。透明導電膜2の材料としては、例えば、ITO(indium Tin Oxide),SnO2,ZnO等の光透過性を有する金属酸化物が採用される。この透明導電膜2は、真空蒸着法又はスパッタ法によって基板1上に形成される。この光電変換装置10A(10)においては、図1の白抜き矢印で示すように、基板1の第2面1bに太陽光Sが入射する。The board |
また、第一光電変換ユニット3は、p型半導体層31(p層、第一p型半導体層),実質的に真性なi型半導体層32(i層、第一i型半導体層),及びn型半導体層33(n層、第一n型半導体層)が積層されたpin構造を有している。
即ち、p層31,i層32,及びn層33を、この順に積層することにより第一光電変換ユニット3が形成されている。
この第一光電変換ユニット3は、例えば、アモルファス(非晶質)シリコン系材料によって構成されている。第一光電変換ユニット3を構成するp層31及びi層32がアモルファスのシリコン系薄膜からなり、n層33が結晶質のシリコン系薄膜からなる。
第一光電変換ユニット3においては、p層31の厚さが例えば80Å、i層32の厚さが例えば1800Å、n層33の厚さが、例えば100Åである。
第一光電変換ユニット3のp層31,i層32,及びn層33は、複数のプラズマCVD反応室において形成される。即ち、互いに異なる複数のプラズマCVD反応室の各々においては、第一光電変換ユニット3を構成する一つの層が形成される。The first
That is, the first
The first
In the first
The
第二光電変換ユニット4は、p型半導体層41(p層、第二p型半導体層),実質的に真性なi型半導体層42(i層、第二i型半導体層),及びn型半導体層43(n層、第二n型半導体層)が積層されたpin構造を有している。
即ち、p層41,i層42,及びn層43を、この順に積層することにより第二光電変換ユニット4が形成されている。
この第二光電変換ユニット4は、結晶質を含むシリコン系材料によって構成されている。
第二光電変換ユニット4においては、p層41の厚さが例えば150Å、i層42の厚さが例えば15000Å、n層43の厚さが例えば300Åである。
ここで、結晶質を含むシリコンとは、いわゆる微結晶シリコン、アモルファス中に微結晶が分散したシリコン、および、いわゆるマイクロクリスタルシリコンを含む材料である。
なお、第二光電変換ユニット4のn層43は、アモルファスシリコン層を含むこともできる。
第二光電変換ユニット4においては、実質的に真性なi型半導体層であるi層42が結晶質を含むシリコン系材料を含めば、他の層の構成は、結晶質を含むシリコン系材料に限定されない。The second
That is, the second
The second
In the second
Here, the silicon containing crystal is a material containing so-called microcrystalline silicon, silicon in which microcrystals are dispersed in amorphous, and so-called microcrystalline silicon.
The
In the second
特に、第一実施形態の光電変換装置10A(10)では、前記第一光電変換ユニット3において、i層32とn層33との間に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn層がバッファ層35として配置されている。
第一実施形態の光電変換装置10A(10)では、第一光電変換ユニット3において、アモルファスのシリコン系薄膜からなるi層32と結晶質のシリコン系薄膜からなるn層33との間に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn層であるバッファ層35が配置されているので、アモルファスのシリコン系薄膜からなるi層32と、結晶質のシリコン系薄膜からなるn層33との界面における不整合を緩和することができる。
これにより、第一光電変換ユニット3において結晶質のシリコン系薄膜からなるn層33の働きを有効に活用することができ、このn層と、第二光電変換ユニット4を構成し結晶質のシリコン系薄膜からなるp層41との界面の格子整合を得ることができる。更に、第一光電変換ユニット3における開放電圧(Voc)を向上させることができる。
このように第一実施形態の光電変換装置10A(10)においては、バッファ層35をi層32とn層33との間に挿入することにより、Vocを向上することができ、第一光電変換ユニット34の発電効率を向上することができる。
その結果、第一光電変換ユニット及び第二光電変換ユニットを含む光電変換装置全体としての光電変換効率を向上することが可能である。In particular, in the
In the
Thereby, the function of the
Thus, in the
As a result, it is possible to improve the photoelectric conversion efficiency of the entire photoelectric conversion device including the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
バッファ層35の厚さは、例えば、20〜200Åの範囲であることが好ましく、例えば、50Åとすることができる。
バッファ層35の厚さが20〜50Åの範囲において、曲線因子(FF)と開放電圧(Voc)が増大し、光電変換効率が増大する効果が確認されている。
バッファ層35の厚さが200Å以上である場合には、JscとVocが低下してしまう。これは、バッファ層35が光を吸収してしまい、結晶質のシリコン系薄膜からなる第二光電変換ユニット4のJscが低下したためと推察される。The thickness of the
It has been confirmed that when the thickness of the
When the thickness of the
次に、レーザーラマン顕微鏡で観測されたラマン散乱光の強度について説明する。バッファ層35中に分散するアモルファス相に起因するラマン散乱光の強度をIaと定義し、バッファ層35中に分散する微結晶相に起因するラマン散乱光の強度をIcと定義した場合に、光電変換装置10A(10)を構成するバッファ層35における結晶化率は1.0未満である。結晶化率とは、IcをIaで除した値、(以下(Ic/Ia)と表記する)を意味する。
このバッファ層35の結晶化率は、i層32の結晶化率(Ic/Ia)とは無関係に独立して制御することができる。
つまり、このような層構造を採用することによって、第一実施形態の光電変換装置10の光電変換効率を向上させることが可能となる。
本発明の第一実施形態の層構造によって開放電圧(Voc)と曲線因子(FF)とが向上し、微結晶タンデム型薄膜太陽電池において、光電変換効率を0.6%程度向上することが可能である。Next, the intensity of Raman scattered light observed with a laser Raman microscope will be described. When the intensity of Raman scattered light attributed to the amorphous phase dispersed in the
The crystallization rate of the
That is, by adopting such a layer structure, it becomes possible to improve the photoelectric conversion efficiency of the
The layer structure of the first embodiment of the present invention improves the open circuit voltage (Voc) and fill factor (FF), and can improve the photoelectric conversion efficiency by about 0.6% in the microcrystalline tandem thin film solar cell. It is.
裏面電極5は、例えば、Ag(銀)又はAl(アルミニウム)等の導電性の光反射膜によって構成されている。この裏面電極5は、例えばスパッタ法又は蒸着法により形成される。また、裏面電極5の構造としては、第二光電変換ユニット4のn層43と裏面電極5との間に、ITO又はSnO2、ZnOといった導電性酸化物からなる層が形成された積層構造を用いることもできる。The
次に、以上のような構成を有する光電変換装置10A(10)を製造するための製造方法を説明する。
第一実施形態の光電変換装置の製造方法は、第一光電変換ユニット3のp層31及びi層32を順に形成するステップ、前記第一光電変換ユニット3のi層32上に、n層(バッファ層35)を形成するステップ、バッファ層35上に第一光電変換ユニット3のn層33を形成するステップ、及び前記第一光電変換ユニット3のn層33上に第二光電変換ユニット4を構成するp層41,i層42,及びn層43を順に形成するステップ、を少なくとも含む。Next, a manufacturing method for manufacturing the
The photoelectric conversion device manufacturing method of the first embodiment includes a step of sequentially forming
従って、第一実施形態の光電変換装置の製造方法によれば、アモルファスのシリコン系薄膜からなるp層31及びi層32を順に形成するステップ、前記i層32上にアモルファスのシリコン系薄膜からなるn層(バッファ層35)を形成するステップ、バッファ層35上に結晶質のシリコン系薄膜からなるn層33を形成するステップ、前記第一光電変換ユニット3のn層上に前記第二光電変換ユニット4を構成する結晶質のシリコン系薄膜からなるp層41,i層42,及びn層43を順に形成するステップ、を少なくとも順に備えているので、得られる光電変換装置10は、第一光電変換ユニット3における開放電圧(Voc)を向上することができ、第一光電変換ユニット3の発電効率を向上させ、第一光電変換ユニット及び第二光電変換ユニットを含む光電変換装置全体としての光電変換効率を向上させることができる。
その結果、第一実施形態の製造方法によれば、光電変換効率が向上された光電変換装置10を簡便に製造することが可能である。
以下、タンデム構造を有する光電変換装置の製造方法について工程順に説明する。Therefore, according to the method for manufacturing the photoelectric conversion device of the first embodiment, the step of sequentially forming the
As a result, according to the manufacturing method of the first embodiment, the
Hereinafter, a method for manufacturing a photoelectric conversion device having a tandem structure will be described in the order of steps.
まず、図2Aに示すように、透明導電膜2が成膜された絶縁性透明基板1を準備する。
次いで、図2Bに示すように、透明導電膜2上に、第一光電変換ユニット3のp層31,i層32,n型半導体層(バッファ層35),n層33,及び第二光電変換ユニット4のp層41が形成される。
ここで、p層31,i層32,バッファ層35,n層33,及びp層41が形成される複数のプラズマCVD反応室は互いに異なる。また、一つのプラズマCVD反応室において、p層31,i層32,バッファ層35,n層33,及びp層41の一つの層が形成され、一列に連結された複数のプラズマCVD反応室によってp層31,i層32,バッファ層35,n層33,及びp層41が順次に形成される。
即ち、第一光電変換ユニット3のn層33上に、第二光電変換ユニット4を構成するp層41が設けられた光電変換装置第一中間品10aが得られる。First, as shown in FIG. 2A, an insulating
Next, as shown in FIG. 2B, the
Here, a plurality of plasma CVD reaction chambers in which the
That is, the photoelectric conversion device first
p層31(非晶質シリコン層)は、個別の反応室内においてプラズマCVD法を用いて形成される。例えば、アモルファスシリコン(a−Si)からなるp層を、基板温度が180〜200℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が70〜120Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が300sccm、水素(H2)が2300sccm、希釈ガスとして水素が用いられたジボラン(B2H6/H2)が180sccm、メタン(CH4)が500sccmである条件で成膜することができる。
i層32(非晶質シリコン層)は、個別の反応室内においてプラズマCVD法を用いて形成される。例えば、アモルファスシリコン(a−Si)からなるi層を、基板温度が180〜200℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が70〜120Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が1200sccmである条件で成膜することができる。The p layer 31 (amorphous silicon layer) is formed using a plasma CVD method in a separate reaction chamber. For example, a p-layer made of amorphous silicon (a-Si), a substrate temperature of 180 to 200 ° C., a power supply frequency of 13.56 MHz, a reaction chamber pressure of 70 to 120 Pa, a reaction gas flow rate of monosilane (SiH 4 ) of 300 sccm, A film can be formed under conditions where hydrogen (H 2 ) is 2300 sccm, diborane (B 2 H 6 / H 2 ) using hydrogen as a diluent gas is 180 sccm, and methane (CH 4 ) is 500 sccm.
The i layer 32 (amorphous silicon layer) is formed using a plasma CVD method in a separate reaction chamber. For example, an i layer made of amorphous silicon (a-Si) has a substrate temperature of 180 to 200 ° C., a power supply frequency of 13.56 MHz, a reaction chamber pressure of 70 to 120 Pa, and a reaction gas flow rate of monosilane (SiH 4 ) of 1200 sccm. The film can be formed under certain conditions.
バッファ層35(非晶質シリコン層)は、個別の反応室内においてプラズマCVD法を用いて形成される。例えば、アモルファスシリコン(a−Si)からなるn層を、基板温度が180〜200℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が70〜120Pa、反応ガス流量として、希釈ガスとして水素が用いられたホスフィン(PH3/H2)が200sccmである条件で成膜することができる。The buffer layer 35 (amorphous silicon layer) is formed using a plasma CVD method in a separate reaction chamber. For example, an n layer made of amorphous silicon (a-Si) is used in which the substrate temperature is 180 to 200 ° C., the power supply frequency is 13.56 MHz, the reaction chamber pressure is 70 to 120 Pa, the reaction gas flow rate is hydrogen as a diluent gas. The film can be formed under the condition that the phosphine (PH 3 / H 2 ) is 200 sccm.
n層33(結晶質シリコン層)は、個別の反応室内においてプラズマCVD法を用いて形成される。例えば、微結晶シリコン(μc−Si)のn層を、基板温度が180〜200℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が500〜900Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が180sccm、水素(H2)が27000sccm、希釈ガスとして水素が用いられたホスフィン(PH3/H2)が200sccmである条件で成膜することができる。The n layer 33 (crystalline silicon layer) is formed using a plasma CVD method in a separate reaction chamber. For example, an n-layer of microcrystalline silicon (μc-Si), a substrate temperature of 180 to 200 ° C., a power supply frequency of 13.56 MHz, a reaction chamber pressure of 500 to 900 Pa, a reaction gas flow rate of monosilane (SiH 4 ) of 180 sccm, A film can be formed under conditions where hydrogen (H 2 ) is 27000 sccm and phosphine (PH 3 / H 2 ) using hydrogen as a diluent gas is 200 sccm.
p層41は、個別の反応室内においてプラズマCVD法を用いて形成される。例えば、微結晶シリコン(μc−Si)のp層を、基板温度が180〜200℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が500〜900Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が100sccm、水素(H2)が25000sccm、希釈ガスとして水素が用いられたジボラン(B2H6/H2)が50sccmである条件で成膜することができる。The
次に、上記のようにp層31,i層32,バッファ層35,n層33,及びp層41が形成された基板1を反応室から取り出し、p層41を大気中に露呈させる。
引き続き、第二光電変換ユニット4のp層41を大気中に露呈させた後、図2Cに示すように、大気中に露呈されたp層41上に、第二光電変換ユニット4を構成するi型シリコン層42(結晶質シリコン層)及びn層43を同一のプラズマCVD反応室内で形成する。
即ち、第一光電変換ユニット3上に第二光電変換ユニット4が設けられた光電変換装置第二中間品10bが形成される。その後、第二光電変換ユニット4のn層43上に裏面電極5を形成することにより、図1に示すような光電変換装置10A(10)が得られる。Next, the
Subsequently, after the
That is, the photoelectric conversion device second
i層42は、n層43が形成される反応室内においてプラズマCVD法を用いて形成される。例えば、微結晶シリコン(μc−Si)のi層を、基板温度が180〜200℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が500〜900Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が180sccm、水素(H2)が27000sccmである条件で成膜することができる。
n層43は、i層42が形成される反応室内においてプラズマCVD法を用いて形成される。例えば、微結晶シリコン(μc−Si)のn層を、基板温度が180〜200℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が500〜900Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が180sccm、水素(H2)が27000sccm、希釈ガスとして水素が用いられたホスフィン(PH3/H2)が200sccmである条件で成膜することができる。The
The
次に、この光電変換装置10A(10)の製造システムを図3に基づいて説明する。
第一実施形態における光電変換装置10の製造システムは、いわゆるインライン型の第一成膜装置60と、p層41を大気中に露呈させる暴露装置80と、いわゆるバッチ型の第二成膜装置70とが順に配置された構成を有する。
インライン型の第一成膜装置60は、チャンバと呼ばれる複数の成膜反応室が直線状に連結して配置された構成を有する。第一成膜装置60においては、第一光電変換ユニット3のp層31,i層32,バッファ層35,n層33,及び第二光電変換ユニット4のp層41の各層が別々に形成される。複数の成膜反応室が一列に連結されているので、複数の成膜反応室の順番に応じてp層31,i層32,バッファ層35,n層33,及びp層41からなる5層が基板1上に積層される。
暴露装置80は、第一成膜装置60において処理された基板を大気に曝し、その後、基板を第二成膜装置70へ移動させる。
第二成膜装置70においては、第二光電変換ユニット4のi層42及びn層43が同じ成膜反応室においてこの順番で積層される。また、このような成膜反応室には、複数の基板が一括に搬送され、複数の基板の各々にi層42及びn層43が順に成膜反応室の中で形成される(バッチ処理)。Next, a manufacturing system of the
The manufacturing system of the
The in-line type first
The
In the second
製造システムにおける第一成膜装置60においては、最初に基板が搬入され、内部空間を減圧する仕込室61(L:Lord)が配置されている。なお、仕込室61の後段に、プロセスに応じて、基板温度を一定の温度に到達させるように基板を加熱する加熱チャンバが設けられてもよい。
仕込室61には、p層31を形成するP層成膜反応室62が接続されている。P層成膜反応室62にはi層32を形成するI層成膜反応室63が接続されている。I層成膜反応室63には、バッファ層35(n層)を形成するN層成膜反応室64が接続されている。N層成膜反応室64には、n層33を形成するN層成膜反応室65が接続されている。N層成膜反応室65には、第二光電変換ユニット4のp層41を形成するP層成膜反応室66が接続されている。P層成膜反応室66には、内部空間を減圧雰囲気から大気雰囲気に戻し、基板を第一成膜装置60から搬出する取出室67(UL:Unlord)が接続されている。仕込室61と取出室67との間に、上述した複数の反応室62,63,64,65,66が連続して直線状に配置されている。減圧雰囲気が維持された状態で、基板は、反応室62,63,64,65,66に順に搬送され、各反応室において成膜処理が行われる。
図3は、バッファ層35(n層)を形成するN層成膜反応室64と、n層33を形成するN層成膜反応室65とが、個別の反応室によって構成された例を示しているが、本発明は、N層成膜反応室64,65が個別である構成を限定していない。例えば、必要に応じて、N層成膜反応室64,65が1つの反応室に含まれている構成を採用してもよい。
図3に示すA地点においては、図2Aに示すように、透明導電膜2が成膜された絶縁性透明基板1が準備される。また、図3に示すB地点においては、図2Bに示すように、透明導電膜2上に、第一光電変換ユニット3のp層31,i層32,バッファ層35,n層33,及び第二光電変換ユニット4のp層41が設けられた光電変換装置10の第一中間品10aが配置される。In the first
A P layer
FIG. 3 shows an example in which the N layer film
At point A shown in FIG. 3, an insulating
また、製造システムにおける第二成膜装置70は、仕込・取出室71(L/UL)と、仕込・取出室71に接続されたIN層成膜反応室72とを有する。
仕込・取出室71は、第一成膜装置60において処理された光電変換装置の第一中間品10aをIN層成膜反応室72に搬入する。仕込・取出室71は、基板が仕込・取出室71に搬入された後に、仕込・取出室71の内部空間を減圧したり、基板を仕込・取出室71から搬出する際に内部空間を減圧雰囲気から大気雰囲気に戻したりする。
IN層成膜反応室72においては、第二光電変換ユニット4のi層42及びn層43が同じ成膜反応室においてこの順番で積層される。また、このような成膜反応室には、複数の基板が一括に搬送され、複数の基板の各々にi層42及びn層43が順に成膜反応室の中で形成される(バッチ処理)。従って、IN層成膜反応室72における成膜処理は、複数の基板に対して同時に行われる。
図3に示すC地点において、図2Cに示すように、第一光電変換ユニット3上に、第二光電変換ユニット4が設けられた光電変換装置10の第二中間品10bが配置される。The second
The preparation /
In the IN layer
At the point C shown in FIG. 3, as shown in FIG. 2C, the second
また、図3に示すインライン型の第一成膜装置60においては、2つの基板に対して同時に成膜処理が行われる。I層成膜反応室63は4つの反応室63a,63b,63c,63dによって構成されている。
また、図3に示すバッチ型の第二成膜装置70においては、6つの基板に対して同時に成膜処理が行われる。In addition, in the inline-type first
In the batch-type second
以上のような光電変換装置の製造方法によれば、非晶質光電変換装置である第一光電変換ユニット3のn層33の上に、結晶質光電変換装置である第二光電変換ユニット4のp層41が予め形成され、p層41上に第二光電変換ユニット4のi層42及びn層43が形成される。このように成膜することにより、第二光電変換ユニット4のi層42の結晶化率分布のコントロールを容易にすることができる。
特に、本発明では、第一光電変換ユニット3のi層32とn層33との間に、個別の成膜室においてバッファ層35を形成することによって、良好な特性を有する光電変換装置10を得ることができる。According to the manufacturing method of the photoelectric conversion device as described above, the second
In particular, in the present invention, the
また、第一実施形態においては、大気中に露呈されたp層41上に、第二光電変換ユニット4を構成するi層42,及びn層43が形成されている。この場合、i層42を形成する前に、大気中に露呈されたp層41を、OHラジカルを含有する雰囲気においてプラズマに曝すことが望ましい(OHラジカルプラズマ処理)。また、i層42を形成する前に、大気中に露呈されたp層41を、水素ガスを含む雰囲気においてプラズマに曝すことが望ましい(水素プラズマ処理)。
OHラジカルプラズマ処理としては、OHラジカルプラズマ処理室を予め準備し、p層31,i層32,バッファ層35,n層33,及びp層41が形成された基板をこのプラズマ処理室に搬送し、p層41をプラズマに曝す方法が採用される。また、OHラジカルプラズマ処理の後には、第二光電変換ユニット4を構成するi層42及びn層43がOHラジカルプラズマ処理室とは異なる反応室で成膜される。
一方、OHラジカルプラズマ処理としては、OHラジカルプラズマ処理と、第二光電変換ユニット4を構成するi層42及びn層43を形成する処理とを連続して同じ反応室内において行なってもよい。In the first embodiment, the
As the OH radical plasma treatment, an OH radical plasma treatment chamber is prepared in advance, and the substrate on which the
On the other hand, as the OH radical plasma treatment, the OH radical plasma treatment and the treatment for forming the
ここで、同じ処理室において、OHラジカルプラズマ処理と、第二光電変換ユニット4のi層42及びn層43を形成する処理とを連続して行う場合、各層を成膜する前にOHラジカル含有プラズマに処理室の内壁を曝すことにより、処理室残留する不純物ガスPH3を分解して除去することが可能である。
従って、第二光電変換ユニット4のi層42及びn層43の成膜工程を同じ処理室で繰り返した場合であっても、良好な不純物プロファイルが得られ、良好な発電効率を有する積層薄膜からなる光電変換装置10を得ることができる。Here, in the case where the OH radical plasma treatment and the treatment for forming the
Therefore, even when the film formation process of the
また、第二光電変換ユニット4のp層41に対して施すOHラジカル含有プラズマ処理においては、プロセスガスとして、CO2、CH2O2又はH2OとH2とからなる混合ガスを用いることが望ましい。
即ち、OHラジカル含有プラズマを生成するには、(CO2+H2)、(CH2O2+H2)、又は(H2O+H2)を処理室内に流入させた状態で、処理室内の電極間に、例えば、13.5MHz,27MHz,40MHz等の高周波を印加することにより、有効にプラズマを生成することができる。
このOHラジカル含有プラズマの生成において、(HCOOCH3+H2)、(CH3OH+H2)等のアルコール類、ギ酸エステル類等の酸素含有炭化水素類を用いてもよい。ただし、C不純物の量が増加するという問題を有する系においては、(CO2+H2)、(CH2O2+H2)ないしは(H2O+H2)を使用することが好ましい。In the OH radical-containing plasma treatment applied to the
That is, in order to generate OH radical-containing plasma, (CO 2 + H 2 ), (CH 2 O 2 + H 2 ), or (H 2 O + H 2 ) is allowed to flow between the electrodes in the processing chamber while flowing into the processing chamber. For example, plasma can be effectively generated by applying a high frequency such as 13.5 MHz, 27 MHz, or 40 MHz.
In the generation of this OH radical-containing plasma, alcohols such as (HCOOCH 3 + H 2 ) and (CH 3 OH + H 2 ), and oxygen-containing hydrocarbons such as formate esters may be used. However, in a system having a problem that the amount of C impurity increases, it is preferable to use (CO 2 + H 2 ), (CH 2 O 2 + H 2 ) or (H 2 O + H 2 ).
このOHラジカル含有プラズマの生成においてプラズマ生成ガスとしてCO2を用いる際には、系にH2の存在が必要である。しかしながら、(CH2O2+H2)、(H2O+H2)の他、(HCOOCH3+H2)、(CH3OH+H2)等のアルコール類、ギ酸エステル類等の酸素を含有する炭化水素類を使用する際は、必ずしも系にH2の存在は必要でない。When CO 2 is used as a plasma generation gas in the generation of this OH radical-containing plasma, the presence of H 2 is necessary in the system. However, in addition to (CH 2 O 2 + H 2 ), (H 2 O + H 2 ), alcohols such as (HCOOCH 3 + H 2 ) and (CH 3 OH + H 2 ), and hydrocarbons containing oxygen such as formate esters when using the no presence of H 2 is required necessarily to the system.
このようにOHラジカルプラズマ処理を施すと、Oラジカル処理に比べて穏やかな反応が生じる。このため、下層にダメージを与えることがなく、第一光電変換ユニット3のp層31,i層32,及びバッファ層35上に形成された微結晶相が非晶質結晶相に分散したn層33が得られる。これによって、n層33上に形成されたp層41の表面を活性させる効果が得られる。
従って、第二光電変換ユニット4のp層41の表面を活性化させることが可能であり、p層41上に積層される第二光電変換ユニット4のi層42の結晶を有効に生成することができる。従って、大面積の基板に第二光電変換ユニット4を形成する場合であっても、均一な結晶化率分布を得ることが可能となる。
OHラジカルプラズマ処理の代わりに、水素プラズマ処理を行ってもOHラジカルプラズマ処理と同様の効果を得ることができる。When the OH radical plasma treatment is performed in this way, a mild reaction occurs as compared with the O radical treatment. Therefore, the n layer in which the microcrystalline phase formed on the
Therefore, it is possible to activate the surface of the
Even if hydrogen plasma treatment is performed instead of the OH radical plasma treatment, the same effect as the OH radical plasma treatment can be obtained.
また、バッファ層35上に形成される結晶質のn層33と第二光電変換ユニット4のp層41として、非晶質のアモルファスシリコン(a−Si)層に微結晶シリコン(μc−Si)が分散された膜が用いられてもよいし、非晶質のアモルファス酸化シリコン(a−SiO)層に微結晶シリコン(μc−Si)が分散された膜が用いられてもよい。
しかし、大面積の基板に形成される膜に必要な均一な結晶化分布率を得るためには、即ち、結晶質光電変換層のi層とn層の結晶成長核の生成による均一な結晶化分布率を得るためには、非晶質のアモルファス酸化シリコン(a−SiO)層に微結晶シリコン(μc−Si)が分散された膜を採用することが好ましい。Further, as the
However, in order to obtain a uniform crystallization distribution rate necessary for a film formed on a large-area substrate, that is, uniform crystallization by generating crystal growth nuclei of the crystalline photoelectric conversion layer i and n layers. In order to obtain the distribution rate, it is preferable to employ a film in which microcrystalline silicon (μc-Si) is dispersed in an amorphous silicon oxide (a-SiO) layer.
このように、非晶質のアモルファス酸化シリコン(a−SiO)層に微結晶シリコン(μc−Si)が分散された膜においては、アモルファスシリコン(a−Si)半導体層よりも低い屈折率が得られるよう調整することが可能である。この層を波長選択反射膜として機能させ、短波長光をトップセル側に閉じ込めることによって変換効率を向上させることが可能である。
また、この光閉じ込め効果の有無に関わらず、非晶質のアモルファス酸化シリコン(a−SiO)層に微結晶シリコン(μc−Si)が分散された膜においては、OHラジカル含有プラズマ処理によって第二光電変換ユニット4のi層42とn層43の結晶成長核が有効に生成される。従って、大面積の基板においても均一な結晶化率分布を得ることが可能となる。As described above, a film in which microcrystalline silicon (μc-Si) is dispersed in an amorphous amorphous silicon oxide (a-SiO) layer has a lower refractive index than an amorphous silicon (a-Si) semiconductor layer. Can be adjusted. It is possible to improve conversion efficiency by making this layer function as a wavelength selective reflection film and confining short wavelength light on the top cell side.
Regardless of the presence or absence of this optical confinement effect, a film in which microcrystalline silicon (μc-Si) is dispersed in an amorphous amorphous silicon oxide (a-SiO) layer is subjected to OH radical-containing plasma treatment. Crystal growth nuclei of the
特に本発明では、第一光電変換ユニット3を構成するn層33として、結晶質のシリコン系薄膜を形成している。即ち、非晶質の第一光電変換ユニット3のバッファ層35の上方に、結晶質のn層33及び結晶質の第二光電変換ユニット4のp層41が形成されている。
この際、非晶質の第一光電変換ユニット3のp層31,i層32,バッファ層35の上方に形成される結晶質のn層33及び第二光電変換ユニット4のp層41は、個別の成膜室で第一光電変換ユニット3のp層31,i層32,バッファ層35が形成された後、成膜室を大気開放することなく連続して形成されることが望ましい。In particular, in the present invention, a crystalline silicon-based thin film is formed as the
At this time, the
即ち、第一光電変換ユニット3のp層31,i層32,バッファ層35,及びn層33を形成した後に成膜室を大気開放し、別の成膜室で第二光電変換ユニット4のp層41,i層42,及びn層43を形成する方法においては、基板を大気雰囲気に曝して放置する時間、温度、雰囲気等に起因して、第一光電変換ユニット3のi層32が劣化し、素子性能が低下する。
従って、第一光電変換ユニット3のp層31、i層32バッファ層35を形成した後、成膜室を大気開放することなく、連続して結晶質のn層33及び第二光電変換ユニット4のp層41を形成する。That is, after forming the
Therefore, after the
上述したように、個別の反応室又は同じ反応室において、結晶質のn層33及び第二光電変換ユニット4のp層41が形成された基板にOHラジカルプラズマ処理を行うことにより、p層41の表面が活性化され、結晶核が生成される。引き続いて、結晶質の第二光電変換ユニット4のi層42をp層41上に積層することにより、大面積に均一な結晶化率分布を有し、良好な発電効率を有する積層薄膜からなる光電変換装置10A(10)を得ることができる。
As described above, by performing OH radical plasma treatment on the substrate on which the
<第二実施形態>
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
なお、以下の説明においては、第一実施形態と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略または簡略化する。第二実施形態においては、上述した第一実施形態とは異なる構成又は方法について主に説明する。
図4は、第二実施形態にかかる光電変換装置10B(10)の層構成を示す構造断面図である。<Second embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the following description, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified. In the second embodiment, a configuration or method different from the first embodiment described above will be mainly described.
FIG. 4 is a structural cross-sectional view showing the layer configuration of the
上述した第一実施形態においては、タンデム構造を有する光電変換装置について説明したが、本発明は、タンデム構造に限定されず、シングル構造を有する光電変換装置についても適用可能である。
図4に示すように光電変換装置10B(10)においては、p型半導体層81(p層、第三p型半導体層)、実質的に真性なi型半導体層82(i層、第三i型半導体層)、n型半導体層83(n層、第三n型半導体層)が積層されたpin型の第三光電変換ユニット8が透明導電膜2上に形成されている。In the first embodiment described above, the photoelectric conversion device having a tandem structure has been described. However, the present invention is not limited to the tandem structure, and can also be applied to a photoelectric conversion device having a single structure.
As shown in FIG. 4, in the
第二実施形態の光電変換装置10B(10)においては、第三光電変換ユニット8を構成するp層81及びi層82がアモルファスのシリコン系薄膜からなり、第三光電変換ユニット8を構成するn層83が結晶質のシリコン系薄膜からなる。また、i層81とn層83との間に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn層がバッファ層85として配置されている。
In the
このような構造を有する光電変換装置10B(10)においても、アモルファスのシリコン系薄膜からなるi層82と、結晶質のシリコン系薄膜からなるn層83との間に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn層であるバッファ層85が配置されているので、アモルファスのシリコン系薄膜からなるi層82と、結晶質のシリコン系薄膜からなるn層83との界面における不整合を緩和することができる。
これにより、結晶質のシリコン系薄膜からなるn層83の働きを有効に活用することができ、開放電圧(Voc)を向上させることができる。
その結果、光電変換装置10B(10)は、光電変換効率を向上させることができる。Also in the
Thereby, the function of the
As a result, the
そして、第二実施形態の光電変換装置10B(10)の製造方法は、第三光電変換ユニット8のp層81及びi層82を順に形成するステップ、第三光電変換ユニット8を構成するi層82上にバッファ層85を形成するステップ、バッファ層85上に第三光電変換ユニット8のn層を形成するステップを少なくとも有する。
第三光電変換ユニット8を構成するp層81,i層82,n層83,及びバッファ層85の形成方法は、上述した第一実施形態における第一光電変換ユニット3を構成するp層31,i層32,n層33,及びバッファ層35の形成方法と同様である。
このようにして得られる光電変換装置10B(10)は、前記バッファ層85の機能により開放電圧(Voc)を向上させることができる。
その結果、本発明の製造方法によれば、光電変換効率が向上されたシングル構造を有する光電変換装置10B(10)を簡便に製造することが可能である。And the manufacturing method of
The formation method of the
The
As a result, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to easily manufacture the
次に、本発明に係る光電変換装置の製造方法より製造された光電変換装置について、以下のような実験を行なった結果を説明する。各実施例により製造された光電変換装置及びその製造条件を以下に示す。
実施例1及び比較例1においては、タンデム構造を有する光電変換装置を作製した。
なお、何れの実施例及び比較例においては、大きさが1100mm×1400mmの基板を用いて光電変換装置を製造した。Next, the result of conducting the following experiment on the photoelectric conversion device manufactured by the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present invention will be described. The photoelectric conversion device manufactured by each example and its manufacturing conditions are shown below.
In Example 1 and Comparative Example 1, a photoelectric conversion device having a tandem structure was manufactured.
In any of the examples and comparative examples, a photoelectric conversion device was manufactured using a substrate having a size of 1100 mm × 1400 mm.
<実施例1>
実施例1においては、基板上に第一光電変換ユニットが形成され、第一光電変換ユニット上に第二光電変換ユニットが形成された構造を有する光電変換装置を作製した。具体的に、実施例1においては、第一光電変換ユニットを構成する非晶質のアモルファスシリコン系薄膜からなるp層,バッファ層,非晶質のアモルファスシリコン系薄膜からなるi層,i層上に形成され非晶質のアモルファスシリコン(a−Si)系薄膜からなるn層(バッファ層),バッファ層上に形成され微結晶シリコンを含むn層,及び第二光電変換ユニットを構成する微結晶シリコンを含むp層を、互いに異なる複数の成膜室を用いて基板上に順次に積層した。その後、第二光電変換ユニットのp層を大気中に暴露した。次に、第二光電変換ユニットのp層に対してプロセスガスとして水素(H2)を用いて水素プラズマ処理を施した。その後、p層上に第二光電変換ユニットを構成する微結晶シリコンからなるi層及び微結晶シリコンからなるn層を形成した。<Example 1>
In Example 1, a photoelectric conversion device having a structure in which a first photoelectric conversion unit was formed on a substrate and a second photoelectric conversion unit was formed on the first photoelectric conversion unit was produced. Specifically, in Example 1, the p layer made of an amorphous amorphous silicon thin film constituting the first photoelectric conversion unit, the buffer layer, the i layer made of an amorphous amorphous silicon thin film, and the i layer An n layer (buffer layer) made of amorphous amorphous silicon (a-Si) thin film, an n layer containing microcrystalline silicon formed on the buffer layer, and a microcrystal constituting the second photoelectric conversion unit A p-layer containing silicon was sequentially stacked on the substrate using a plurality of different deposition chambers. Thereafter, the p layer of the second photoelectric conversion unit was exposed to the atmosphere. Next, hydrogen plasma treatment was performed on the p layer of the second photoelectric conversion unit using hydrogen (H 2 ) as a process gas. Thereafter, an i layer made of microcrystalline silicon and an n layer made of microcrystalline silicon constituting the second photoelectric conversion unit were formed on the p layer.
実施例1においては、第一光電変換ユニットを構成するp層、i層、バッファ層、n層、及び第二光電変換ユニットのp層は、個別の反応室内においてプラズマCVD法を用いて成膜した。第二光電変換ユニットのi層、n層、及び第二光電変換ユニットのn層の上に形成されたp層は、同じ成膜室内においてプラズマCVD法を用いて成膜した。
第一光電変換ユニットを構成するp層に関し、基板温度が190℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が110Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が300sccm、水素(H2)が2300sccm、希釈ガスとして水素が用いられたジボラン(B2H6/H2)が180sccm、メタン(CH4)が500sccmである条件で、80Åの膜厚を有するp層を成膜した。
また、バッファ層に関し、基板温度が190℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が110Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が300sccm、水素(H2)が2300sccm、メタン(CH4)が100sccmである条件で、60Åの膜厚を有するバッファ層を成膜した。In Example 1, the p layer, i layer, buffer layer, n layer, and p layer of the second photoelectric conversion unit constituting the first photoelectric conversion unit are formed by plasma CVD in individual reaction chambers. did. The i layer and the n layer of the second photoelectric conversion unit and the p layer formed on the n layer of the second photoelectric conversion unit were formed using the plasma CVD method in the same film formation chamber.
Regarding the p layer constituting the first photoelectric conversion unit, the substrate temperature is 190 ° C., the power supply frequency is 13.56 MHz, the pressure in the reaction chamber is 110 Pa, the reaction gas flow rate is 300 sccm for monosilane (SiH 4 ), and 2300 sccm for hydrogen (H 2 ). Then, a p-layer having a thickness of 80 cm was formed under the condition that diborane (B 2 H 6 / H 2 ) using hydrogen as a diluent gas was 180 sccm and methane (CH 4 ) was 500 sccm.
Regarding the buffer layer, the substrate temperature is 190 ° C., the power supply frequency is 13.56 MHz, the pressure in the reaction chamber is 110 Pa, the reaction gas flow rates are 300 sccm for monosilane (SiH 4 ), 2300 sccm for hydrogen (H 2 ), and methane (CH 4 ). A buffer layer having a film thickness of 60 mm was formed under the condition of 100 sccm.
また、第一光電変換ユニットのi層に関し、基板温度が190℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が80Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が1200sccmである条件で、1800Åの膜厚を有するi層を成膜した。
また、バッファ層(n層)に関し、基板温度が170℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が80Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が150sccm、水素(H2)が550sccm、希釈ガスとして水素が用いられたホスフィン(PH3/H2)が60sccmである条件で、20Åの膜厚を有するバッファ層(n層)を成膜した。
更に、第一光電変換ユニットのn層に関し、基板温度が170℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が800Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が20sccm、水素(H2)が2000sccm、希釈ガスとして水素が用いられたホスフィン(PH3/H2)が15sccmである条件で、300Åの膜厚を有するn層を成膜した。In addition, regarding the i layer of the first photoelectric conversion unit, a film of 1800 mm is obtained under the conditions that the substrate temperature is 190 ° C., the power supply frequency is 13.56 MHz, the pressure in the reaction chamber is 80 Pa, and the reaction gas flow rate is 1200 sccm of monosilane (SiH 4 ). An i layer having a thickness was formed.
Regarding the buffer layer (n layer), the substrate temperature is 170 ° C., the power supply frequency is 13.56 MHz, the pressure in the reaction chamber is 80 Pa, the reaction gas flow rate is 150 sccm for monosilane (SiH 4 ), 550 sccm for hydrogen (H 2 ), and dilution. A buffer layer (n layer) having a thickness of 20 mm was formed under the condition that phosphine (PH 3 / H 2 ) using hydrogen as a gas was 60 sccm.
Further, regarding the n layer of the first photoelectric conversion unit, the substrate temperature is 170 ° C., the power supply frequency is 13.56 MHz, the pressure in the reaction chamber is 800 Pa, the reaction gas flow rate is 20 sccm for monosilane (SiH 4 ), and 2000 sccm for hydrogen (H 2 ). Then, an n layer having a thickness of 300 mm was formed under the condition that phosphine (PH 3 / H 2 ) using hydrogen as a diluent gas was 15 sccm.
次に、第二光電変換ユニットのp層に関し、基板温度が180℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が700Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が100sccm、水素(H2)が25000sccm、希釈ガスとして水素が用いられたジボラン(B2H6/H2)が50sccmである条件で、150Åの膜厚を有するp層を成膜した。
また、第二光電変換ユニットのp層を大気中に露呈させ、このp層に対して、基板温度が190℃、電源周波数が13.56MHz、反応室内圧力が700Pa、プロセスガスであるH2が1000sccmである条件で、プラズマ処理を施した。Next, regarding the p layer of the second photoelectric conversion unit, the substrate temperature is 180 ° C., the power supply frequency is 13.56 MHz, the reaction chamber pressure is 700 Pa, the reaction gas flow rate is 100 sccm of monosilane (SiH 4 ), and hydrogen (H 2 ). A p-layer having a thickness of 150 mm was formed under the conditions of 25000 sccm and diborane (B 2 H 6 / H 2 ) using hydrogen as a diluent gas at 50 sccm.
Further, the p layer of the second photoelectric conversion unit is exposed to the atmosphere, and the substrate temperature is 190 ° C., the power supply frequency is 13.56 MHz, the pressure in the reaction chamber is 700 Pa, and H 2 which is a process gas is exposed to the p layer. Plasma treatment was performed under the condition of 1000 sccm.
引き続き、第二光電変換ユニットのi層に関し、基板温度が170℃、印加RF電力が550W、反応室内圧力が1200Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が40sccm、水素(H2)が2800sccmである条件で、15000Åの膜厚を有するi層を成膜した。このときの成膜速度は262Å/分であった。
そして、第二光電変換ユニットのn層に関し、基板温度が170℃、印加RF電力が1000W、反応室内圧力が800Pa、反応ガス流量としてモノシラン(SiH4)が20sccm、水素(H2)が2000sccm、希釈ガスとして水素が用いられたホスフィン(PH3/H2)が15sccmである条件で、300Åの膜厚を有するn層を成膜した。このときの成膜速度は174Å/分であった。Subsequently, regarding the i layer of the second photoelectric conversion unit, the substrate temperature is 170 ° C., the applied RF power is 550 W, the pressure in the reaction chamber is 1200 Pa, the reaction gas flow rate is 40 sccm for monosilane (SiH 4 ), and 2800 sccm for hydrogen (H 2 ). Under certain conditions, an i layer having a thickness of 15000 mm was formed. At this time, the film formation rate was 262 Km / min.
Regarding the n layer of the second photoelectric conversion unit, the substrate temperature is 170 ° C., the applied RF power is 1000 W, the reaction chamber pressure is 800 Pa, the reaction gas flow rate is 20 sccm for monosilane (SiH 4 ), 2000 sccm for hydrogen (H 2 ), Under the condition that phosphine (PH 3 / H 2 ) using hydrogen as a diluent gas was 15 sccm, an n layer having a thickness of 300 mm was formed. At this time, the film formation rate was 174 K / min.
<実施例2〜実施例4>
実施例2においては、実施例1におけるバッファ層(n層)の厚み20Åに代えて、50Åの膜厚を有するバッファ層(n層)を含む光電変換装置を作製した。
実施例3においては、実施例1におけるバッファ層(n層)の厚み20Åに代えて、100Åの膜厚を有するバッファ層(n層)を含む光電変換装置を作製した。
実施例4においては、実施例1におけるバッファ層(n層)の厚み20Åに代えて、200Åの膜厚を有するバッファ層(n層)を含む光電変換装置を作製した。
上記のように膜厚が調整されたバッファ層を除いて、実施例2〜4の光電変換装置の構造は、実施例1において説明したタンデム構造を有する光電変換装置の構造と同じである。<Example 2 to Example 4>
In Example 2, instead of the buffer layer (n layer) having a thickness of 20 mm in Example 1, a photoelectric conversion device including a buffer layer (n layer) having a thickness of 50 mm was manufactured.
In Example 3, instead of the buffer layer (n layer) having a thickness of 20 mm in Example 1, a photoelectric conversion device including a buffer layer (n layer) having a thickness of 100 mm was manufactured.
In Example 4, instead of the buffer layer (n layer) having a thickness of 20 mm in Example 1, a photoelectric conversion device including a buffer layer (n layer) having a thickness of 200 mm was manufactured.
Except for the buffer layer whose film thickness is adjusted as described above, the structures of the photoelectric conversion devices of Examples 2 to 4 are the same as the structure of the photoelectric conversion device having the tandem structure described in Example 1.
<比較例1>
比較例1においては、第一光電変換ユニットにおけるi層とn層との間にバッファ層を形成しなかった。このバッファ層が形成されていない点を除いて、比較例1の光電変換装置の構造は、実施例1において説明したタンデム構造を有する光電変換装置の構造と同じである。
即ち、基板上に第一光電変換ユニットを構成するp層,i層,n層と、第二光電変換ユニットを構成するp層と、互いに異なる複数の成膜室を用いて基板上に順次に積層した。その後、第二光電変換ユニットのp層を大気中に暴露した。次に、第二光電変換ユニットのp層に対して水素プラズマ処理を施した。その後、第二光電変換ユニットを構成するi層及びn層を形成した。<Comparative Example 1>
In Comparative Example 1, no buffer layer was formed between the i layer and the n layer in the first photoelectric conversion unit. Except for the point that this buffer layer is not formed, the structure of the photoelectric conversion device of Comparative Example 1 is the same as the structure of the photoelectric conversion device having the tandem structure described in Example 1.
That is, the p layer, i layer, and n layer that constitute the first photoelectric conversion unit on the substrate, the p layer that constitutes the second photoelectric conversion unit, and a plurality of film formation chambers different from each other are sequentially formed on the substrate. Laminated. Thereafter, the p layer of the second photoelectric conversion unit was exposed to the atmosphere. Next, hydrogen plasma treatment was performed on the p layer of the second photoelectric conversion unit. Then, i layer and n layer which comprise a 2nd photoelectric conversion unit were formed.
以上のようにして作製された実施例1〜4及び比較例1の光電変換装置の各々に、AM1.5の光を100mW/cm2の光量で照射し、25℃における出力特性として光電変換効率(η),短絡電流(Jsc),開放電圧(Voc),曲線因子(FF)を測定した。その結果を表1に示す。Each of the photoelectric conversion devices of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 manufactured as described above was irradiated with AM 1.5 light at a light amount of 100 mW / cm 2 , and the photoelectric conversion efficiency as output characteristics at 25 ° C. (Η), short circuit current (Jsc), open circuit voltage (Voc), and fill factor (FF) were measured. The results are shown in Table 1.
また、実施例2及び比較例1の光電変換装置について、放電曲線を図5に示し、波長と発電効率との関係を図6に示す。
表1、図5及び図6に示されるように、アモルファスn層からなるバッファ層が配置された本発明の光電変換装置(実施例2)では、従来の光電変換装置(比較例1)に比べて、良好な特性を示しており、特に光電変換効率を0.6%近く向上することができた。
特に、図5から明らかなように、非晶質のシリコン系薄膜からなるpin型の第一光電変換ユニットにおいて発電効率が向上しており、光電変換装置全体としての光電変換効率が向上できることがわかった。Moreover, about the photoelectric conversion apparatus of Example 2 and Comparative Example 1, a discharge curve is shown in FIG. 5, and the relationship between a wavelength and power generation efficiency is shown in FIG.
As shown in Table 1, FIG. 5 and FIG. 6, the photoelectric conversion device (Example 2) of the present invention in which the buffer layer composed of the amorphous n layer is arranged is compared with the conventional photoelectric conversion device (Comparative Example 1). In particular, the photoelectric conversion efficiency was improved by nearly 0.6%.
In particular, as is apparent from FIG. 5, it is understood that the power generation efficiency is improved in the pin type first photoelectric conversion unit made of an amorphous silicon-based thin film, and the photoelectric conversion efficiency of the entire photoelectric conversion device can be improved. It was.
また、実施例1〜4及び比較例1の光電変換装置について、バッファ層(n層)の厚みを変えた場合の、光電変換効率(η)、曲線因子(FF)、短絡電流(Jsc)、開放電圧(Voc)の測定結果を図7〜図10に示す。
図7〜図10の各々は、バッファ層の厚み(横軸)に対して、η、FF、Jsc、Vocの値(縦軸)がプロットされたグラフである。
表1、図7〜図10に示されるように、バッファ層の厚さが20〜200Åの範囲において、曲線因子(FF)と開放電圧(Voc)が増大し、光電変換効率が増大する効果が認められた。
バッファ層の厚さが200Å以上である場合においては、JscとVocが低下してしまうことが確認された。これは、バッファ層が光を吸収してしまい結晶質のシリコン系薄膜からなる第二光電変換ユニットにおけるJscが低下したためと推察される。また、バッファ層によるVocの向上効果が、膜厚が大きいアモルファスのシリコン系薄膜からなるn層によって阻害されたためと考えられる。バッファ層の膜厚は20〜200Åが好ましく、20〜100Åの範囲が特に好ましい。Moreover, about the photoelectric conversion apparatus of Examples 1-4 and the comparative example 1, when changing the thickness of a buffer layer (n layer), photoelectric conversion efficiency ((eta)), a fill factor (FF), a short circuit current (Jsc), The measurement results of the open circuit voltage (Voc) are shown in FIGS.
Each of FIGS. 7 to 10 is a graph in which values of η, FF, Jsc, and Voc (vertical axis) are plotted with respect to the thickness of the buffer layer (horizontal axis).
As shown in Table 1 and FIGS. 7 to 10, when the thickness of the buffer layer is in the range of 20 to 200 mm, the fill factor (FF) and the open circuit voltage (Voc) increase, and the photoelectric conversion efficiency increases. Admitted.
When the thickness of the buffer layer was 200 mm or more, it was confirmed that Jsc and Voc would decrease. This is presumably because the buffer layer absorbed light and Jsc in the second photoelectric conversion unit made of a crystalline silicon-based thin film was lowered. Further, it is considered that the Voc improvement effect by the buffer layer was hindered by the n layer made of an amorphous silicon thin film having a large film thickness. The thickness of the buffer layer is preferably 20 to 200 mm, and particularly preferably 20 to 100 mm.
なお、本発明は、アモルファスシリコンのi層を有する光電変換ユニットを備えたシングル構造を有する光電変換装置、及びタンデム構造,トリプル構造等の多層構造を有する光電変換装置に使用可能である。
この時、他の光電変換ユニットの構造としては、マイクロクリスタルシリコン系、非結晶質のSiGe系、結晶質を含むSiGe系等が組み合わされた構造を用いることもできる。
以上、本発明の光電変換装置及び光電変換装置の製造方法について説明してきたが、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。The present invention can be used for a photoelectric conversion device having a single structure including a photoelectric conversion unit having an i-layer of amorphous silicon, and a photoelectric conversion device having a multilayer structure such as a tandem structure or a triple structure.
At this time, as a structure of another photoelectric conversion unit, a structure in which a microcrystal silicon system, an amorphous SiGe system, a SiGe system including a crystal, or the like can be used.
As described above, the photoelectric conversion device and the method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention have been described. However, the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Can be added.
本発明は、太陽電池として機能するタンデム構造又はシングル構造からなる光電変換装置及び光電変換装置の製造方法に広く適用可能である。 The present invention is widely applicable to a photoelectric conversion device having a tandem structure or a single structure that functions as a solar cell and a method for manufacturing the photoelectric conversion device.
1 基板(透明基板)、2 透明導電膜、3 第一光電変換ユニット、4 第二光電変換ユニット、5 裏面電極、10A,10B,(10) 光電変換装置、31 p型半導体層、32 i型半導体層、33 n型半導体層、35 バッファ層、41 p型半導体層、42 i型シリコン層、43 n型半導体層、8 第三光電変換ユニット、81 p型半導体層、82 i型シリコン層、83 n型半導体層、85 バッファ層、60 第一成膜装置、61 仕込室、62 P層成膜反応室、63(63a,63b,63c,63d) I層成膜反応室、64 バッファ層(n層)成膜反応室、65 N層成膜反応室、66 P層成膜反応室、67 取出室、70 第二成膜装置、71 仕込・取出室、72 IN層成膜反応室、80 暴露装置。 1 substrate (transparent substrate), 2 transparent conductive film, 3 first photoelectric conversion unit, 4 second photoelectric conversion unit, 5 back electrode, 10A, 10B, (10) photoelectric conversion device, 31 p-type semiconductor layer, 32 i-type Semiconductor layer, 33 n-type semiconductor layer, 35 buffer layer, 41 p-type semiconductor layer, 42 i-type silicon layer, 43 n-type semiconductor layer, 8 third photoelectric conversion unit, 81 p-type semiconductor layer, 82 i-type silicon layer, 83 n-type semiconductor layer, 85 buffer layer, 60 first deposition apparatus, 61 preparation chamber, 62 P layer deposition reaction chamber, 63 (63a, 63b, 63c, 63d) I layer deposition reaction chamber, 64 buffer layer ( n layer) film formation reaction chamber, 65 N layer film formation reaction chamber, 66 P layer film formation reaction chamber, 67 take-out chamber, 70 second film formation apparatus, 71 preparation / removal chamber, 72 IN layer film formation reaction chamber, 80 Exposure device.
Claims (10)
基板と、
前記基板上に形成された透明導電膜と、
第一p型半導体層,アモルファスのシリコン系薄膜からなる第一i型半導体層,結晶質のシリコン系薄膜からなる第一n型半導体層,及びアモルファスのシリコン系薄膜からなるn型半導体であって前記第一i型半導体層と前記第一n型半導体層との間に配置されたバッファ層を含み、前記透明導電膜上に形成された第一光電変換ユニットと、
前記第一光電変換ユニット上に形成された第二光電変換ユニットと
を含むことを特徴とする光電変換装置。A photoelectric conversion device,
A substrate,
A transparent conductive film formed on the substrate;
A first p-type semiconductor layer, a first i-type semiconductor layer composed of an amorphous silicon-based thin film, a first n-type semiconductor layer composed of a crystalline silicon-based thin film, and an n-type semiconductor composed of an amorphous silicon-based thin film. A first photoelectric conversion unit formed on the transparent conductive film, including a buffer layer disposed between the first i-type semiconductor layer and the first n-type semiconductor layer;
A photoelectric conversion device comprising: a second photoelectric conversion unit formed on the first photoelectric conversion unit.
前記第二光電変換ユニットは、第二p型半導体層及び第二i型半導体層を含み、
前記第二p型半導体層及び前記第二i型半導体層は、結晶質のシリコン系薄膜からなる
ことを特徴とする光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 1,
The second photoelectric conversion unit includes a second p-type semiconductor layer and a second i-type semiconductor layer,
The second p-type semiconductor layer and the second i-type semiconductor layer are made of a crystalline silicon-based thin film.
前記バッファ層の厚みは、20〜200Åの範囲である
ことを特徴とする光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 1 or 2, wherein
The thickness of the said buffer layer is the range of 20-200 mm. The photoelectric conversion apparatus characterized by the above-mentioned.
レーザーラマン顕微鏡で観測された前記バッファ層中に分散するアモルファス相に起因するラマン散乱光の強度をIaと定義し、前記バッファ層中に分散する微結晶相に起因するラマン散乱光の強度をIcと定義した場合に、Ic/Iaが、1.0未満である
ことを特徴とする光電変換装置。It is a photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3,
The intensity of Raman scattered light attributed to the amorphous phase dispersed in the buffer layer observed with a laser Raman microscope is defined as Ia, and the intensity of Raman scattered light attributed to the microcrystalline phase dispersed in the buffer layer is defined as Ic. Ic / Ia is less than 1.0 when defined as: A photoelectric conversion device.
透明導電膜が形成された基板を準備し、
前記透明導電膜上に、第一光電変換ユニットを構成する第一p型半導体層とアモルファスのシリコン系薄膜からなる第一i型半導体層とを順に形成し、
前記第一i型半導体層上に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn型半導体であるバッファ層を形成し、
前記バッファ層上に、結晶質のシリコン系薄膜からなり前記第一光電変換ユニットを構成する第一n型半導体層を形成し、
前記第一n型半導体層上に、第二光電変換ユニットを構成する第二p型半導体層,第二i型半導体層,及び第二n型半導体層を順に形成する
ことを特徴とする光電変換装置の製造方法。A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising:
Prepare a substrate on which a transparent conductive film is formed,
On the transparent conductive film, a first p-type semiconductor layer constituting the first photoelectric conversion unit and a first i-type semiconductor layer made of an amorphous silicon-based thin film are sequentially formed.
Forming a buffer layer, which is an n-type semiconductor composed of an amorphous silicon-based thin film, on the first i-type semiconductor layer;
On the buffer layer, a first n-type semiconductor layer made of a crystalline silicon-based thin film and constituting the first photoelectric conversion unit is formed,
A second p-type semiconductor layer, a second i-type semiconductor layer, and a second n-type semiconductor layer constituting a second photoelectric conversion unit are sequentially formed on the first n-type semiconductor layer. Device manufacturing method.
前記第二p型半導体層及び前記第二i型半導体層は、結晶質のシリコン系薄膜からなる
ことを特徴とする光電変換装置の製造方法。It is a manufacturing method of the photoelectric conversion device according to claim 5,
Said 2nd p-type semiconductor layer and said 2nd i-type semiconductor layer consist of a crystalline silicon-type thin film. The manufacturing method of the photoelectric conversion apparatus characterized by the above-mentioned.
基板と、
前記基板上に形成された透明導電膜と、
アモルファスのシリコン系薄膜からなる第三p型半導体層,アモルファスのシリコン系薄膜からなる第三i型半導体層,結晶質のシリコン系薄膜からなる第三n型半導体層,及びアモルファスのシリコン系薄膜からなるn型半導体であって前記第三i型半導体層と前記第三n型半導体層との間に配置されたバッファ層を含み、前記透明導電膜上に形成された第三光電変換ユニットと、
を含むことを特徴とする光電変換装置。A photoelectric conversion device,
A substrate,
A transparent conductive film formed on the substrate;
From a third p-type semiconductor layer composed of an amorphous silicon-based thin film, a third i-type semiconductor layer composed of an amorphous silicon-based thin film, a third n-type semiconductor layer composed of a crystalline silicon-based thin film, and an amorphous silicon-based thin film A third photoelectric conversion unit formed on the transparent conductive film, including a buffer layer disposed between the third i-type semiconductor layer and the third n-type semiconductor layer.
A photoelectric conversion device comprising:
前記バッファ層の厚みは、20〜200Åの範囲である
ことを特徴とする光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 7,
The thickness of the said buffer layer is the range of 20-200 mm. The photoelectric conversion apparatus characterized by the above-mentioned.
レーザーラマン顕微鏡で観測された、前記バッファ層中に分散するアモルファス相に起因するラマン散乱光の強度をIaと定義し、前記バッファ層中に分散する微結晶相に起因するラマン散乱光の強度をIcと定義した場合に、Ic/Iaが、1.0未満である
ことを特徴とする光電変換装置。The photoelectric conversion device according to claim 7 or 8,
The intensity of Raman scattered light attributed to the amorphous phase dispersed in the buffer layer, observed with a laser Raman microscope, is defined as Ia, and the intensity of Raman scattered light attributed to the microcrystalline phase dispersed in the buffer layer is defined as Ia. A photoelectric conversion device characterized in that, when defined as Ic, Ic / Ia is less than 1.0.
透明導電膜が形成された基板を準備し、
前記透明導電膜上に、第三光電変換ユニットを構成する、アモルファスのシリコン系薄膜からなる第三p型半導体層とアモルファスのシリコン系薄膜からなる第三i型半導体層とを順に形成し、
前記第三i型半導体層上に、アモルファスのシリコン系薄膜からなるn型半導体であるバッファ層を形成し、
前記バッファ層上に、結晶質のシリコン系薄膜からなり前記第三光電変換ユニットを構成する第三n型半導体層を形成する
ことを特徴とする光電変換装置の製造方法。A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising:
Prepare a substrate on which a transparent conductive film is formed,
On the transparent conductive film, a third p-type semiconductor layer made of an amorphous silicon-based thin film and a third i-type semiconductor layer made of an amorphous silicon-based thin film, which constitute a third photoelectric conversion unit, are formed in order.
Forming a buffer layer, which is an n-type semiconductor composed of an amorphous silicon-based thin film, on the third i-type semiconductor layer;
A method of manufacturing a photoelectric conversion device, comprising: forming a third n-type semiconductor layer comprising the crystalline silicon-based thin film and constituting the third photoelectric conversion unit on the buffer layer.
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130205 |
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A02 | Decision of refusal |
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