WO2017110457A1 - 光電変換装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の製造方法においては、シリコン基板1の第一の主面上の真性シリコン系薄膜12、およびシリコン基板1の第二の主面上の真性シリコン系薄膜22のいずれか一方の製膜表面に、プラズマ処理が行われる。プラズマ処理は、CVDチャンバ内に水素ガスおよびシリコン含有ガスを導入しながら、シリコン含有水素雰囲気下で実施される。以下では、シリコン基板1の第一の主面上への真性シリコン系薄膜12の形成およびプラズマ処理について説明する。
真性シリコン系薄膜12は、プラズマCVDにより製膜されることが好ましい。プラズマCVDにより真性シリコン系薄膜を製膜する場合、まず、シリコン基板が、プラズマCVD装置のチャンバ内に導入される。複数のシリコン基板を製膜トレイ等の載置部材上に載置して、チャンバ内に導入してもよい。また、吸引方式等によりチャンバ内の所定位置にシリコン基板を固定してもよい。複数のシリコン基板をチャンバ内に導入し、1バッチで複数のシリコン基板上への製膜を行うことにより、太陽電池の生産効率を向上できる。
シリコン基板1上に真性シリコン系薄膜12が設けられた基板の複数がCVDチャンバ内に配置された状態で、CVDチャンバ内に水素ガスおよびシリコン含有ガスを導入しながら、プラズマ処理が実施される。プラズマ処理により、真性シリコン系薄膜の表面が水素プラズマに暴露され、太陽電池の変換特性、特に開放電圧(Voc)および曲線因子(FF)が向上する傾向がある。本発明においては、プラズマ処理の際に、水素に加えてシラン等のシリコン含有ガスがCVDチャンバ内に導入されることにより、連続製膜バッチ数が増加した場合でも、バッチ内およびバッチ間での特性のバラツキが抑制される。
図2は、従来技術の一般的な水素プラズマ処理の概要を示す概念図である。まず、シリコン基板1の主面上に、膜厚d0の真性シリコン系薄膜12が形成される(図2(A))。その後、CVDチャンバ内に水素を導入しながらプラズマ放電を行うと、真性シリコン系薄膜12の表面が水素プラズマに暴露され、水素プラズマエッチングにより膜厚が減少する(図2(B))。
本発明においては、水素に加えて、シリコン含有ガスをCVDチャンバ内に導入しながらプラズマ処理が行われる。図3は、本発明におけるプラズマ処理の概要を示す概念図である。まず、シリコン基板1の主面上に、膜厚d0の真性シリコン系薄膜12が形成される(図3(A))。その後、CVDチャンバ内に水素およびシリコン含有ガスを導入しながらプラズマ放電が行われ、プラズマ処理が実施される(図3(B))。シリコン含有ガスとしては、シリコン系薄膜の製膜に用いられる原料ガスと同様、SiH4やSi2H6等が用いられる。
図3では、1回のCVD製膜により、膜厚d0の真性シリコン系薄膜12を形成する形態を示しているが、真性シリコン系薄膜12を、複数のサブ層に分割して形成してもよい。真性シリコン系薄膜を複数のサブ層に分割して形成する場合、いずれかのサブ層を形成後、次の層を形成する前に、上記のプラズマ処理が実施される。各サブ層の形成後に毎回プラズマ処理が実施されてもよい。
真性シリコン系薄膜12上には、導電型シリコン系薄膜15としてp型シリコン系薄膜が形成される。プラズマ処理が実施された真性シリコン系薄膜に接して導電性シリコン系薄膜が設けられることにより、界面接合が良好となり、変換特性が向上する傾向がある。導電型シリコン系薄膜の膜厚は、3nm~20nmの範囲が好ましい。
導電型シリコン系薄膜15,25上には透明導電層17,27が形成される。透明導電層は導電性酸化物層である。導電性酸化物としては、例えば、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫等を単独であるいは混合して用いることができる。導電性酸化物には、導電性ドーピング剤が添加されていてもよい。例えば、酸化亜鉛に添加されるドーピング剤としては、アルミニウム、ガリウム、ホウ素、ケイ素、炭素等が挙げられる。酸化インジウムに添加されるドーピング剤としては、亜鉛、錫、チタン、タングステン、モリブデン、ケイ素等が挙げられる。酸化錫に添加されるドーピング剤としては、フッ素等が挙げられる。透明導電層は単膜として製膜されてもよく、複数の層が製膜されてもよい。
透明導電層17,27上には集電極19,29が形成される。集電極の材料としては銀、銅、金、アルミニウム、スズ等の金属が用いられる。受光面側の集電極は、パターン状に形成される。裏面側の集電極は透明導電層上の全面に形成されていてもよく、パターン状に形成されていてもよい。パターン状の集電極は、導電性ペーストの塗布やメッキ等により形成できる。透明導電層上への導電性ペーストの塗布方法としては、インクジェット、スクリーン等の印刷法や、スプレー等が挙げられる。
結晶シリコン系太陽電池は、実用に供するに際して、モジュール化されることが好ましい。太陽電池のモジュール化は、適宜の方法により行われる。例えば、集電極に、タブ等のインターコネクタを介してバスバーが接続されることによって、複数の太陽電池が直列または並列に接続された太陽電池ストリングが形成される。太陽電池あるいは太陽電池ストリングには、外部回線と電気的に接続するための配線が接続され、封止材およびガラス板等により封止されることにより、太陽電池モジュールが得られる。
テクスチャ未形成のシリコン基板上に形成された薄膜の膜厚は、分光エリプソメーター(ジェー・エー・ウーラム社製、型番:M2000)を使用して測定した。フィッティングはTauc-Lorentzモデルにより行った。テクスチャが形成されたシリコン基板上に形成された薄膜の膜厚は、断面の透過型電子顕微鏡(TEM)観察により求めた。テクスチャが形成されたシリコン基板表面に形成された層については、テクスチャの斜面と垂直な方向を膜厚方向とした。
テクスチャが形成されていないフラットなシリコン基板上に、プラズマCVDにより非晶質シリコン薄膜を製膜し、製膜トレイ上の位置による膜厚の相違を確認した。シリコン基板としては、入射面の面方位が(100)で、厚みが200μmの6インチn型単結晶シリコンウェハを、アセトン中で洗浄し、2重量%のHF水溶液に3分間浸漬して表面の酸化シリコン膜を除去し、超純水によるリンスを行ったものを用いた。
(第1バッチの製膜)
シリコン基板を25枚(5行,5列)載置可能な製膜トレイ(トレイ面積:0.93m2、製膜面の面積:0.67m2)上の面内中央部(3,3アドレス)および端部(1,1アドレス)のそれぞれに、シリコン基板を載置した。シリコン基板を載置したトレイをCVDチャンバ内へ導入し、基板温度150℃、圧力120Pa、H2/SiH4流量比10/3、パワー密度11mW/cm2の条件(以下、この条件を「製膜条件」と記載する)で、15秒間製膜を行い、膜厚約5nmの真性シリコン薄膜(第一サブ層)を形成した。
第1バッチの製膜終了後、製膜トレイをCVD装置から取出し、製膜トレイ上の面内中央部および端部のそれぞれに別のシリコン基板を載置して、第2バッチの製膜を行った。第2バッチの製膜では、第1バッチと同様に、約5nmの第一サブ層の形成、第一サブ層へのプラズマ処理、約5nmの第二サブ層の形成、第二サブ層へのプラズマ処理およびp型シリコン薄膜の形成の一連の操作を行った。これらの一連の操作を繰り返し、第9バッチまで製膜を行った。
第10バッチでは、第1~9バッチと同様に、第一サブ層の形成、第一サブ層へのプラズマ処理、第二サブ層の形成、第二サブ層へのプラズマ処理を行った。その後、p型シリコン薄膜を形成せずに、CVD装置から製膜トレイを取出した。トレイの中央部および端部のそれぞれに載置されたシリコン基板の中央付近における真性シリコン薄膜の膜厚を、分光エリプソメトリーにより測定した。
第1~9バッチと同様の条件で、一連の操作を繰り返し、第11~第999バッチの製膜を行った。
第1000バッチの製膜では、第一サブ層の形成、第一サブ層へのプラズマ処理および第二サブ層の形成を行った後、CVD装置から製膜トレイを取出してシリコン基板の中央付近における真性シリコン薄膜の膜厚を、分光エリプソメトリーにより測定した。この膜厚を、プラズマ処理前の膜厚d0とした。その後、製膜トレイ上の面内中央部および端部のそれぞれに別のシリコン基板を載置して、第一サブ層の形成、第一サブ層へのプラズマ処理、第二サブ層の形成、第二サブ層へのプラズマ処理を行い、CVD装置から製膜トレイを取出してシリコン基板の中央付近における真性シリコン薄膜の膜厚を、分光エリプソメトリーにより測定した。この膜厚を、プラズマ処理後の膜厚d1とした。
プラズマ処理時のH2/SiH4流量比が、それぞれ、1000/1(実験例2)、500/1(実験例3)、200/1(実験例4)、100/1(比較実験例1)、50/1(比較実験例2)、3000/1(比較実験例3)となるように、SiH4の導入量を変更した。比較実験例4では、SiH4を導入せず、水素のみを導入して第一サブ層および第二サブ層へのプラズマ処理(水素プラズマエッチング)を実施した。プラズマ処理時のSiH4の導入量の増加に伴って、エッチングレートが小さくなる傾向がみられ、実験例4、比較実験例1および比較実験例2では、プラズマ処理によって膜厚が増大した。プラズマ処理時の製膜レートは表1に示す通りであった。表1の製膜レートは、プラスが製膜、マイナスがエッチングを表している。
プラズマ処理時のパワー密度を30mW/cm2、第一サブ層および第二サブ層の製膜時間を11秒に変更した。これらの変更以外は実験例1と同様にして、シリコン基板上へのシリコン薄膜の製膜を繰り返し、第10バッチおよび第1000バッチの真性シリコン薄膜の膜厚を測定した。
プラズマ処理時のパワー密度を30mW/cm2、第一サブ層および第二サブ層の製膜時間を17秒に変更した。これらの変更以外は比較実験例4と同様にして、シリコン基板上へのシリコン薄膜の製膜と水素プラズマエッチングを繰り返し、第10バッチおよび第1000バッチの真性シリコン薄膜の膜厚を測定した。
製膜条件で25秒の製膜を行い、膜厚約8nmの真性シリコン薄膜を形成した後、一旦プラズマ放電を停止した。SiH4の供給を停止し、水素ガスのみをCVDチャンバへ導入し、チャンバ内のガス置換を行った。30秒間水素ガス置換を行った後、チャンバ内にSiH4を供給し、プラズマ放電を再開して、20秒間のプラズマ処理を行った。プラズマ処理時のSiH4ガスの供給量は、H2/SiH4流量比が2000/1となるように調整した。その後、真性シリコン薄膜上にp型シリコン薄膜を形成した。すなわち、実験例6では、非晶質シリコン薄膜の製膜途中でのプラズマ処理(中間プラズマ処理)を行わず、1回の製膜と1回のプラズマ処理を行った後に、p層の製膜を行った。これらの一連の操作を繰り返し、第10バッチおよび第1000バッチの真性シリコン薄膜の膜厚を測定した。
製膜条件で20秒の製膜を行い、膜厚約6nmの真性シリコン薄膜を形成した。その後、プラズマ処理を行わずに、真性シリコン薄膜上にp型シリコン薄膜を形成した。これらの一連の操作を繰り返し、第10バッチおよび第1000バッチの真性シリコン薄膜の膜厚を測定した。
表1は、「製膜条件」および「プラズマ処理条件」における、水素希釈倍率、パワー密度、圧力、基板温度、および製膜レートを一覧で示したものである。
バッチ内膜厚バラツキ(%)=100×(Te-Tc)/Tc
バッチ間膜厚バラツキ(%)=100×(T10-T1000)/T1000
<シリコン基板へのテクスチャの形成>
入射面の面方位が(100)で、厚みが200μmの6インチn型単結晶シリコンウェハを、アセトン中で洗浄した後、2重量%のHF水溶液に3分間浸漬して表面の酸化シリコン膜を除去し、超純水によるリンスを行った。洗浄後のシリコン基板を、70℃の5/15重量%のKOH/イソプロピルアルコール水溶液に15分間浸漬した後、超純水によるリンスを行い、(111)面が露出したピラミッド型のテクスチャが形成された単結晶シリコン基板を得た。
(p層側のCVD製膜)
シリコン基板を25枚(5行,5列)載置可能な製膜トレイ上の面内中央部(3,3アドレス)および端部(1,1アドレス)のそれぞれに、テクスチャが形成されたシリコン基板を載置した。シリコン基板を載置したトレイをCVDチャンバ内へ導入し、上記実験例1と同様の条件で、シリコン基板上に、製膜条件での約5nmの第一サブ層の形成、プラズマ処理条件での第一サブ層へのプラズマ処理、約5nmの第二サブ層の形成、第二サブ層へのプラズマ処理、およびp型シリコン薄膜の形成を行った。トレイを入れ替えて、同様の条件で1000バッチの製膜を実施した。
p層側にシリコン薄膜の形成を行った基板の中から、第10バッチおよび第1000バッチの4枚を抜き取り、ヘテロ接合太陽電池を作製した。シリコン基板のシリコン薄膜非形成面(裏面側)に、製膜条件で膜厚6nmの真性シリコン薄膜を形成し、その上に、基板温度150℃、圧力60Pa、PH3含有H2/SiH4の流量比が3/1、パワー密度11mW/cm2の条件で、膜厚が約4nmのn型非晶質シリコン薄膜を形成した。PH3含有H2としては、H2によりPH3濃度を5000ppmに希釈した混合ガスを用いた。
p層側のCVD製膜条件を、実験例2~6および比較実験例1~6と同様の条件(シリコン薄膜の製膜およびプラズマ処理の時間は、実験例および比較実験例の1.5倍)に変更した。それ以外は実施例1と同様にして、1000バッチの製膜を実施し、第10バッチおよび第1000バッチの基板を用いて、評価用太陽電池を作製した。
試料温度25℃にて、AM1.5、100mW/cm2の光照射下で、各実施例および比較例で得られた評価用太陽電池の出力特性を測定した。表3において、開放電圧(Voc)、短絡電流(Isc)、曲線因子(FF)および最大出力(Pmax)は、比較例6の第10バッチのセル(トレイ端部で製膜を行ったセル)の値を1とした相対値で示されている。表3における「差異」は、同一バッチ内の端部と中央部との差異であり、ΔPmaxは、第10バッチのセルと第1000バッチのセルのPmaxの差である。
Claims (15)
- 導電型単結晶シリコン基板の一方の主面上に、真性シリコン系薄膜、および導電型シリコン系薄膜をこの順に有する結晶シリコン系太陽電池を製造する方法であって、
導電型単結晶シリコン基板上に真性シリコン系薄膜が設けられた基板の複数がCVDチャンバ内に配置された状態で、CVDチャンバ内に水素ガスおよびシリコン含有ガスを導入しながら、前記真性シリコン系薄膜の表面を水素プラズマに暴露するプラズマ処理が行われ、
前記プラズマ処理時のCVDチャンバ内への水素導入量が、シリコン含有ガス導入量の150~2500倍である、結晶シリコン系太陽電池の製造方法。 - 前記プラズマ処理時のパワー密度が、55~1000mW/cm2である、請求項1に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記プラズマ処理時のパワー密度と、シリコン含有ガス導入量に対する水素ガスの導入量の比との積が、15000~250000mW/cm2である、請求項1または2に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記プラズマ処理後の真性シリコン系薄膜の膜厚d1とプラズマ処理前の真性シリコン系薄膜の膜厚d0との差d1-d0が、-3~+1.5nmである、請求項1~3のいずれか1項に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- (d1-d0)/d1が、-0.4~+0.2である、請求項4に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記プラズマ処理における真性シリコン系薄膜の製膜レートが、-0.14~+0.08nm/秒である、請求項1~5のいずれか1項に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記真性シリコン系薄膜は、CVDチャンバ内にシリコン含有ガスを導入しながら、プラズマCVDにより形成され、真性シリコン系薄膜形成時のCVDチャンバ内への水素の導入量が、シリコン含有ガス導入量の50倍未満である、請求項1~6のいずれか1項に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記真性シリコン系薄膜形成時の製膜レートを、平滑面上への製膜レートに換算した値が、0.1nm/秒以上である、請求項1~7のいずれか1項に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記真性シリコン系薄膜の形成と、前記プラズマ処理とが、同一のCVDチャンバ内で実施される、請求項1~8のいずれか1項に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記真性シリコン系薄膜は、導電型単結晶シリコン基板側から順に、第一サブ層から第nサブ層までのn層のサブ層を積層することにより形成され、
nは2以上の整数であり、
いずれかのサブ層を形成後に、前記プラズマ処理が実施される、請求項1~9のいずれか1項に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。 - 前記第一サブ層を形成後に前記プラズマ処理が実施される、請求項10に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記第nサブ層を形成後に前記プラズマ処理が実施される、請求項10または11に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- n=2である、請求項10~12のいずれか1項に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記サブ層のそれぞれが、1~8nmの膜厚で形成される、請求項10~13のいずれか1項に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
- 前記第一サブ層が、1~6nmの膜厚で形成される、請求項10~14のいずれか1項に記載の結晶シリコン系太陽電池の製造方法。
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