JP3652055B2 - 光電変換装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜多結晶シリコン太陽電池や光センサ等の光電変換装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光電変換装置の一つである太陽電池の分野においては、結晶シリコンウエハーを用いた結晶シリコン太陽電池が実用化されているが、大量の結晶シリコンウエハーを用いる必要があるため、原料不足の問題、原料コストの問題等があり、これらの問題を解決できる薄膜多結晶シリコンを用いた低コストかつ高効率な薄膜多結晶シリコン太陽電池の開発、実用化が期待されている。
【０００３】
一般に薄膜太陽電池を低コストで製造するための第１の要件は、使用する基板が低コストであることである。この要求に見合う基板としては、ガラス基板やＳＵＳ基板等があり、低温プロセスであることを特徴とするアモルファスシリコン太陽電池においては、既に実用化がなされている。薄膜多結晶シリコン太陽電池においても、素子プロセスを比較的低温とすることで、ガラス基板、ＳＵＳ基板等の低コスト基板を使えることが望まれる。
【０００４】
この方向で進められている研究例を挙げると、日本国内では、ガラス基板上に形成されたレーザーアニール法による薄膜多結晶シリコン下地層上へｐ−ＣＶＤ法による薄膜多結晶シリコン光活性層を製膜する方式 1 （Proc.1st.WCPEC(1994)1575-1578 、特開平6-163957、特開平7-94766 参照）、また、ＳＵＳ基板上にｐ−ＣＶＤ法で形成されたアモルファスシリコンをＳＰＣ（固相結晶化）法を用いて多結晶化する方式 2 （Proc.1st.WCPEC(1994)1315-1318 、特開平2-28315 、特開平6-204539、特開平7-135332、特開平7-335660参照）などがある。
【０００５】
また、日本国外においては、ＬＰＥ法を用いて液相から薄膜多結晶シリコンをガラス基板上に成長させる方式 3 （Proc.1st.WCPEC(1994)1579-1582 、Solid State Phenomena 37-38(1994)459-464、Journal of Material Science:Materials in Electronics .5 (1994)305-309 、J.Electrochem.Soc. Vol.140,No.11(1993)3290-3293 参照）が研究されている。
【０００６】
次に、薄膜太陽電池を低コストで製造するための第２の要件は、素子の変換効率がより高いことである。これは、変換効率がより高いほどワット当たりの製造コストが下がるためである。この変換効率を向上させる対策のひとつとして、光入射面側に存在する金属電極面積をできるだけ減らすことで反射損失光をできるだけ少なくする方法がある。これに関して、単結晶あるいは多結晶結晶シリコン基板を用いた素子においては、光入射側金属電極をファインパターンとして金属電極面積を減らして金属面で反射する光の量を少なくし、より多くの入射光を結晶シリコン内部へ導入しようとする試みが検討されている（第３回高効率太陽電池ワークショップ（富山、1992）28参照）。また、高品質の基板を用い、ｐｎ接合、プラス極電極、及びマイナス極電極をともに光入射面とは反対側に配置して、金属電極による光反射損失を無くした素子構造についても研究がなされている（R.A.Sinton et al, Electron Device Letters,vol.EDL-7(1986)567, R.R.King et al, 20th IEEE Photovoltaic Specialists Conf.,Las Vegas(1988)538 参照）。一方、アモルファスシリコン太陽電池においては、透明導電膜を用い、光入射側に高反射率の金属電極を配置しなくてもよい構造としており、少なくとも入射光が金属電極で遮られてしまうことは回避できている。
【０００７】
また、前記以外の高効率化対策のひとつとして、電極部以外の面での入射光の反射率を下げる方法についても検討が進められている。この方法においては、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などの反射防止膜を成膜して表面反射率を低減する方法が従来より広く実施されているが、近年は、より表面反射率を下げることができ、かつ、一度シリコン内部に入射した光が再度シリコン表面から離脱する確率を低減することができるライトトラッピング構造（光閉じ込め構造）の研究が進められてきている。このライトトラッピング構造として代表的な例は、シリコンを特定の液でウエットエッチングする際に結晶面方位でエッチング速度が異なることを利用して形成するTexture 構造（J.Haynos et al, Int. Conference on Photovoltaic Power Generation(Hamburg,1974)487参照）や、ドライエッチング技術であるＲＩＥ法を用いて形成されるランダムかつ微細な表面構造（K.Fukui et al, Technical Digest of the International PVSEC-9(1996)93-96 、同109-110 参照）などが知られている。
【０００８】
以上、薄膜多結晶シリコン太陽電池を低コストで製造可能とするには、ガラス基板等の安価な基板を使うことができることが望ましい。また変換効率をより高くするためには光入射側金属電極面積ができるだけ小さいことが望ましく、さらには光入射側への金属電極の配置を回避できればよりいっそう望ましい。また、ライトトラッピング構造についても導入できることが望ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
薄膜多結晶シリコン太陽電池の製造にあたって、低コスト材料を用い、かつ高効率化する際の上記方式の問題点を挙げると下記のごとくである。
【００１０】
方式 1 では、ガラス基板を用いることで低コスト材料化を図っているが、この上に薄膜多結晶シリコン層を形成するにあたって使用するレーザーアニール法での大面積再結晶化速度が遅いため低コスト量産化に適していない。また、再結晶化した結晶粒径が最大で約１μｍ程度と充分大きくできず、結晶粒界の存在度が高くなるため、そこでの再結合の影響が大きくなり、高効率化に適していない。さらに、ｐ−ＣＶＤ法による光活性層形成において、その膜質を光活性層レベルの品質として充分な膜厚とするには数時間を要するため、低コスト化に不向きな問題がある。また、光入射面側の電極層として、透明導電膜であるＩＴＯ膜を使用しているが、その取り出し電極部分には、何らかの金属電極端子が形成されるため、この部分に入射する光が反射損失してしまう問題がある。また、素子裏面側電極の取り出し部分も光入射面側に形成されることになるので、この部分の面積に相当する入射光が利用できないという問題がある。加えて太陽電池素子裏面側に金属電極が形成されていないので、素子裏面に到達した光のうち、少なからぬ量の光がそのまま透過してしまい、入射光の利用効率が低いという問題がある。
【００１１】
方式 2 では、ＳＵＳ基板を用いて低コスト材料化を図っているが、ＳＰＣ法を適用するアモルファスシリコン層の形成に数時間を要し、さらにその固相結晶化に１０時間程度を要し、低コスト量産化に問題がある。また、再結晶化した結晶粒径が最大約１μｍ程度で充分大きくできず、結晶粒界の存在度が高くなるために、そこでの再結合量が多くなってしまい高効率化に適していない。
【００１２】
また、光入射面側の電極層として、透明導電膜であるＩＴＯ膜を使用しているが、その取り出し電極部分には、何らかの金属電極端子が形成されるため、この部分に入射する光が反射損失してしまう問題がある。
【００１３】
方式 3 では、ガラス基板を用いて低コスト材料化を図っているが、現状のＬＰＥ法では太陽電池級の大面積素子に適した装置開発に難点があり、膜形成速度も充分ではないため低コスト量産化に問題がある。また、膜品質も充分なものとなっていないため、現状では素子化研究に関する報告はなされておらず、表電極、裏面電極の形成方法に関する研究例も知られていない。
【００１４】
そこで、本発明では、上述の諸問題を解消し、低コストで高効率な光電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の光電変換装置の製造方法は、一主面が受光面を成す透光性基板の他主面上に、酸化アルミニウムの結晶酸化物層と、ｐｎ接合を有する複数層のシリコン半導体層とが順次積層されて成り、前記シリコン半導体層のｐ層及びｎ層から出力を導出するようにした光電変換装置の製造方法であって、前記酸化アルミニウムの結晶酸化物層上に、シリコンとアルミニウムを含んだ金属との共融現象によって形成された液相を介して前記シリコン半導体層中の下部層を結晶成長させたことを特徴とする。
【００１６】
これにより、比較的低温な素子プロセスとすることによって低コスト材料としてのガラス基板を用いることができる。
【００１７】
すなわち、本発明の光電変換装置の製造方法に係る太陽電池は、ガラス基板上に、酸化アルミニウムの結晶酸化物層が形成されており、さらにこの上に不純物濃度に関して複数の多結晶シリコン薄膜層が形成されている薄膜多結晶シリコン太陽電池であって、ｐｎ接合、正電極及び負電極が、それぞれ前記薄膜多結晶シリコン層上に形成されており、入射光はガラス面側から取り入れる。これによって、光入射側における金属電極による光反射損失を無くすことができ、入射光の利用効率を高めることができる。
【００１８】
また、シリコン半導体層中の結晶酸化物層に接する下部層が多結晶状態であり且つその平均粒径が透光性基板の他主面に平行な方向に３μｍ以上であることを特徴とする。また、シリコン半導体層中の結晶酸化物層に接する下部層が多結晶状態であり且つその結晶方位が透光性基板の他主面に垂直な方向へ主に＜１１１＞方位が選択配向していることを特徴とする。
【００１９】
すなわち、液相を介した結晶成長であることを利用して、前記複数のシリコン半導体層のうち、少なくとも結晶酸化物層に接する下部層中の結晶シリコン粒に関して、その粒径が基板に水平な方向（基板面方向）に対して平均粒径が３μm 以上とする。特に好適には約１０μｍ程度以上の比較的大粒径であるものが主に存在し、また、その結晶方位が、基板に垂直な方向に対して主に＜１１１＞方位に配向するようにする。これにより、特に薄膜多結晶シリコン太陽電池において高効率とすることができる。
【００２０】
また、薄膜多結晶シリコン中のキャリアのライフタイムが最低０．１μｓｅｃ程度以上、より好適には約１μｓｅｃ程度以上であることが望ましいが、そのためには、結晶シリコン粒径が、結晶粒界のパッシベーションの程度にもよるが、約１０〜３０μｍ程度以上であることが望ましい（糀谷他：第５回高効率太陽電池ワークショップ（１９９５）長野pp.19-22参照）。本発明の薄膜多結晶シリコンは、この条件に沿うものであり、高効率化に好適である。また、結晶方位が、基板に垂直な方向に対して主に＜１１１＞方位に配向していることにより、結晶シリコンが多結晶であっても、その表面をほぼ平坦にすることができ、後述の結晶シリコン層の表面のランダムかつ微細な凹凸構造の形成の際に、その構造を基板全域に渡ってほぼ均一に、しかも容易に形成することを可能としている。
【００２１】
また、シリコン半導体層中の結晶酸化物層に接する下部層が多結晶状態であり且つそのドーピング不純物濃度が１０１６〜１０２２／ｃｍ３であることを特徴とする。このドーピング不純物濃度における下限値を逸脱すると、素子の光入射面側における再結合が大きくなり、太陽電池特性における開放電圧の低下などの特性低下を生じる。
【００２２】
また、前記複数の多結晶シリコン層の総厚は１〜５０μｍとすることが望ましい。多結晶シリコン層の厚さが薄すぎると入射光の充分な利用ができなくなるため短絡電流が減り、一方、逆に厚すぎると膜質にもよるが一般に暗電流が増加して開放電圧が低下し、また、光生成キャリアの電極までの拡散による移動距離も長くなるため拡散移動中での再結合確率が増して短絡電流にも悪影響が出ることがある。
【００２３】
また、シリコン半導体層の正電極又は負電極に接する層が粗面状で且つその反射率が波長４００〜１０００ｎｍの光に対し５％以下であることを特徴とする。すなわち、半導体層のうち正及び負電極に接する薄膜多結晶シリコン層について、その接触面がランダムかつ微細な凹凸構造となっており、
その接触面を表面とした場合の反射率が波長４００〜１０００ｎｍの光に対し５％以下であることを特徴とする。太陽電池の場合、特性向上のためにはライトトラッピング構造を導入することが重要となるが、本発明においては、電極に接する薄膜多結晶シリコン層の表面をＲＩＥ法によるドライエッチング技術を用いて、微細かつランダムな凹凸構造とし、素子裏面での光散乱の効果を高めて太陽電池の高効率化に優れて好適なライトトラッピング構造を実現しているため、従来の薄膜素子よりも格段に高効率な太陽電池の作製を可能としている。
【００２４】
【発明の実施形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、本発明の製造方法に係る光電変換装置Ｐ１は、一主面１ａが入射光を受光する受光面を成す透光性基板の一つであるガラス基板１の他主面１ｂ上に、酸化アルミニウムの結晶酸化物層２、及びｐｎ接合を有する複数層から成るシリコン半導体層Ｓ１が順次積層されて成るとともに、シリコン半導体層Ｓ１中の下部層である第１のシリコン層３は、シリコンとアルミニウムを含んだ金属との共融現象によって形成された液相を介して酸化アルミニウムの結晶酸化物層２上に結晶成長されて成り、シリコン半導体層Ｓ１のｐ層及びｎ層から出力を導出するように、正電極及び負電極が並設されていることを特徴とする。
【００２５】
なお、ガラス基板１としては、コーニング社の７０５９基板、１７３７基板、及び各ガラスメーカーによって最も一般的に商品化がなされているソーダガラス基板を用いる。以下ガラス基板による差が問題となる場合を除いて、７０５９基板を用いた例に基づき説明するが、これに限定されるものではない。また、結晶酸化物層としては、酸化アルミニウムを用いる例について説明する。
【００２６】
まず、ガラス基板１上に、結晶酸化物層である酸化アルミニウム層２を、１０ｎｍ〜５０００ｎｍ程度の膜厚で形成する。この層の形成にあたっては、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタ法等の公知の真空成膜技術を用いることができる。
【００２７】
次に上記酸化アルミニウム層２上に薄膜多結晶である第１のシリコン層３を、０．１〜５μｍ程度の膜厚で形成する。ただし、後に述べる第２のシリコン層４を形成しない場合は、この第１のシリコン層は、１〜５０μｍ程度の膜厚とする。この第一の薄膜多結晶シリコン層の形成にあたっては、比較的低温下での液相を介した結晶成長とし、比較的大粒径な結晶粒成長を行わせる。
【００２８】
すなわち、Ｓｉと、これと共融系をなす金属元素との共融現象によって、比較的低温下で液相を形成し、また、液相を介した結晶成長であることを利用して、比較的大粒径な結晶成長を行わせる。
【００２９】
このとき、Ｓｉと共融金属の供給及び反応方法としては、Ｓｉと共融金属の粉末からなる混合物をガラス基板１上へ供給して熱処理する方式や、共融金属及びＳｉを気相状態で同時に成膜、あるいは共融金属層を成膜した後にＳｉ層を成膜し、成膜中あるいは、成膜後に熱処理する方式などがある。ここで、Ｓｉと共融系を成す金属元素としては、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、ガリウム（Ｇａ）等、及びこれらの混合物があるが、本発明ではＳｉとＡｌを用いる。
【００３０】
液相の形成は、Ｓｉと共融金属元素の共融点温度以上とすることで実現する。本発明ではＳｉとＡｌの共融点温度である５７７℃以上の温度で熱処理する。雰囲気としては、アルゴン（Ａｒ）ガスや、窒素（Ｎ２）ガスなどの不活性ガス雰囲気、あるいは還元性のある水素（Ｈ２）ガスと不活性ガスとを適当な比で混合したガス雰囲気とする。また、圧力は、真空等、減圧条件が望ましいが、常圧であってもよい。熱処理時間は昇温、降温時間を除いて正味５分から６０分程度とする。
【００３１】
共融金属としてＡｌを含んだ金属を用いるので、Ａｌをドーピング元素としても利用可能であり、素子化するにあたって、この第１のシリコン層３をｐ＋＋層として機能させることができる。ｐ＋＋層の存在は、後に述べる第２のシリコン層４の光入射面側に内蔵電界を形成し、光入射面側での光生成キャリアの再結合を減らす働きを持つため、高効率化に好適なものとなる。このとき、第１のシリコン層３（シリコン半導体層Ｓ１の下部層）中のドーピング不純物濃度は、好適には１０１８〜１０２２／ｃｍ３程度であるが、ドーピング不純物濃度が１０１６〜１０１８／ｃｍ３程度である場合も、前述した効果は少なくなるものの、太陽電池としての利用を妨げるものではない。また、このとき得られる結晶粒径は、基板に水平な方向（基板面方向）に対して平均粒径が３μｍ以上であり、約１０μｍ程度以上の比較的大粒径であるものが主体であった。これにより結晶粒界の存在度が減り、結晶粒界でのキャリア再結合が低減されるため、太陽電池の高効率化により好適となる。また、酸化アルミニウム層２は、多結晶シリコン成長のための下地層として好適であり、前述の液相がガラス基板と反応することを防止する働きも有している。さらに、この酸化アルミニウム層２の存在によって多結晶シリコン層の結晶方位に配向性を与えることもできる。本発明においては、酸化アルミニウム層２上に成長した薄膜多結晶シリコンは、基板に垂直な方向に対して主に＜１１１＞方位に選択配向したものとなる。
【００３２】
次に、第１のシリコン層３上へ、ＣＶＤ法やスパッタ法などの真空成膜技術を用いて薄膜多結晶である第２のシリコン層４を、第１のシリコン層３と合わせて１〜５０μｍの総膜厚となるように積層する。ここで、第２のシリコン層４のドーピング濃度は、光活性層として好適に機能するように約１０14〜３×１０18／ｃｍ3 とする。なお、第２のシリコン層４を比較的低温下で高速に成膜する方法としては、特にcat-ＣＶＤ法がある。また、第２のシリコン層４は、第１のシリコン層３を形成する際に用いた前述の手法によって形成してもよい。ただし、用いる共融金属としては、おもにＳｎやＩｎ等の本来ドーピングに関与しない元素を主体とし、Ａｌ（ｐ型ドーピング元素）やＳｂ（ｎ型ドーピング元素）は、必要な量だけ調節して導入するようにして、先に述べたドーピング濃度条件を逸脱しないようにして光活性層としての品質を損なわないようにする。なお、第２のシリコン層４を形成しない場合は、第１のシリコン層３の膜厚を１〜５０μｍとし、ドーピング不純物濃度を、１０16〜３×１０18／ｃｍ3 程度とする。
【００３３】
次に、前述の第２のシリコン層４の表面（素子としては裏面側になる）を、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によるドライエッチング技術を用いてランダムかつ微細な凹凸構造とする。
【００３４】
このＲＩＥ法による表面構造は、優れたライトトラッピング効果をもたらし、特に薄膜多結晶シリコン太陽電池など薄膜状態で入射光の利用効率を高めたい要求がある場合には、非常に効果的である。
【００３５】
なお、ここで、ＲＩＥ法によるランダムかつ微細な凹凸構造の形成は、第１のシリコン層３が形成された時点で、この第１のシリコン層３の表面に対して行っておいてもよい。その場合、上に述べた第２のシリコン層３が、第１のシリコン層３の表面に形成されたランダムかつ微細な凹凸構造にならって積層されるため、第２のシリコン層４の表面へＲＩＥ法を適用する場合と同様のライトトラッピング構造の形成が可能である。もちろん、第１のシリコン層３の表面及び第２のシリコン層４の表面の両方にＲＩＥ法によるランダムかつ微細な凹凸構造を形成してもよい。
【００３６】
このようにして、シリコン半導体層７の後記する正電極又は負電極に接する層が粗面状で、且つその反射率が波長４００〜１０００ｎｍの光に対し５％以下となり、高効率の太陽電池を実現させることが可能となる。
【００３７】
次に、光活性層である第２のシリコン層４上の所定の領域に、第２のシリコン層４の導電型とは逆の導電型を有する第３のシリコン層５を成膜し、ｐｎ接合を形成する。第３のシリコン層５の形成については、ＣＶＤ法、スパッタ法等、公知の真空薄膜形成技術を用いることができる。ここで、第３のシリコン層５は、結晶シリコン膜であっても、アモルファスシリコン膜であってもよい。結晶シリコン膜である場合は、１００〜２０００ｎｍ程度の膜厚で形成し、アモルファスシリコン膜である場合は、５〜１０００ｎｍ程度の膜厚で形成する。後者の場合、いわゆるヘテロ接合となるが、第２のシリコン層４と第３のシリコン層（アモルファスシリコン層）５の間に、真性型のアモルファスシリコン層を厚さ２〜４０ｎｍで挿入すると特性向上により好適である。
【００３８】
次に、光活性層である第２のシリコン層４上の第３のシリコン層５を形成した領域とは別の特定の領域に、第２のシリコン層４の導電型と同一の導電型で、よりドーピング濃度の高い第４のシリコン層６を成膜する。第４のシリコン層６の形成については、ＣＶＤ法、スパッタ法等、公知の真空薄膜形成技術を用いることができる。ここで、第４のシリコン層６は、結晶シリコン膜であっても、アモルファスシリコン膜であってもよい。結晶シリコン膜である場合は、１００〜２０００ｎｍ程度の膜厚で形成し、アモルファスシリコン膜である場合は、５〜１０００ｎｍ程度の膜厚で形成する。後者の場合、いわゆるヘテロ接合となるが、第２のシリコン層４と第４シリコン層（アモルファスシリコン層）６の間に、真性型のアモルファスシリコン層を厚さ２〜４０ｎｍで挿入すると特性向上により好適である。なお、第４のシリコン層６を形成しなくとも、ｐｎ接合を有する素子の形成を妨げるものではない。
【００３９】
次に、前述の第３及び第４のシリコン層５，６上へ、第１及び第２の取り出し電極となる第１及び第２金属電極７，８を、真空成膜技術、プリント及び焼成技術、さらにメッキ技術等の公知の技術を組み合わせて形成し、薄膜多結晶シリコン太陽電池を形成する。
【００４０】
ここで、光生成キャリアをより効果的に取り出すには、図１に示す第３及び第４のシリコン層５，６の横幅をより狭くし、図２に示す光電変換装置Ｐ２のように第３及び第４のシリコン層２５，２６の配列をより細密にすればよい。なお、図２は図３（ａ）の上面図及びその断面斜視図である図３（ｂ）のＡ視図である。図２において２７は櫛歯状の第１金属電極、２８は第１金属電極と極性の異なる櫛歯状の第２金属電極である。シリコン半導体層Ｓ２は第１のシリコン層３、第２のシリコン層４、第３のシリコン層２５、及び第４のシリコン層２６から構成される。また、他の構成については図１と同様なものは図１と同一符号を付し説明を省略する。
【００４１】
また、第３及び第４のシリコン層の配列の細密化に限界があったり、第２のシリコン層４の品質改善に限界があって、それらだけでは高効率化することができない場合は、図４に示す光電変換装置Ｐ３のように、第３のシリコン層３５が成膜されている領域を、第４のシリコン層３６が成膜されている領域よりも充分広くとるようにし、第１のシリコン層３と第４のシリコン層３６を直接接触させるようにすればよい。なお、図４において３７は第１金属電極、３８は第１金属電極と極性の異なる第２金属電極である。シリコン半導体層Ｓ３は第１のシリコン層３、第２のシリコン層４、第３のシリコン層３５、及び第４のシリコン層３６から構成される。また、他の構成については図１と同様なものは図１と同一符号を付し説明を省略する。
【００４２】
また、第４のシリコン層を形成しない場合においても、第３のシリコン層と第２の取り出し電極の配列の細密化に限界があったり、第２のシリコン層の品質改善に限界があって、それらだけでは高効率化することができない場合は、図５に示す光電変換装置Ｐ４のように、第３のシリコン層４５が成膜されている領域を、第３のシリコン層４５が成膜されていないの領域よりも充分広くとるようにし、第２の取り出し電極をとなる第２の金属電極４８を第１のシリコン層３に直接接触させるようにすればよい。なお、図５において４７は第１金属電極、４８は第１金属電極と極性の異なる第２金属電極である。シリコン半導体層Ｓ４は第１のシリコン層３、第２のシリコン層４、第３のシリコン層４５から構成される。また、他の構成については図１と同様なものは図１と同一符号を付し説明を省略する。
【００４３】
以上によって、ガラス基板を用いた低コストかつ高効率な薄膜多結晶シリコン太陽電池に非常に好適な光電変換装置の製造方法を提供することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の光電変換装置の製造方法に係る光電変換装置によれば、正電極及び負電極が共に光受光面とは反対側の面に配置されているため、入射光の金属電極による表面反射を皆無にすることができ、高効率太陽電池等に好適な入射光の利用効率が非常に高い光電変換装置を得ることができる。
【００４５】
また、基板上に結晶酸化物層を介して結晶シリコン層を形成する構造となっているため、結晶シリコンを基板との反応を防止しつつ液相を介した結晶成長法で形成することができる。このため、基板として安価なガラス基板を用いることができ、また液相を介した結晶成長法であることにより、シリコン結晶粒径の充分な拡大が容易となり、さらにまた、結晶酸化物の存在により、この上に成長する結晶シリコン層の結晶方位を特定の方位に選択配向させることができる。
【００４６】
また、結晶酸化物層に接する結晶シリコン層の不純物ドーピング濃度を特定の範囲とすることによって太陽電池等の光電変換装置の高効率化に好適な機能を持たせることができる。
【００４７】
さらに、ＲＩＥ法による優れたライトトラッピング構造の導入によって、入射光の利用効率を高めることができ、高効率な光電変換装置を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法に係る光電変換装置を説明するための断面図。
【図２】本発明の製造方法に係る他の光電変換装置を説明するための断面図。
【図３】本発明の製造方法に係る他の光電変換装置を説明するための図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は一部断面斜視図。
【図４】本発明の製造方法に係る他の光電変換装置を説明するための断面図。
【図５】本発明の製造方法に係る他の光電変換装置を説明するための断面図。
【符号の説明】
１：ガラス基板（透光性基板）
２：酸化アルミニウム層（結晶酸化物層）
３：第１のシリコン層
４：第２のシリコン層
５，２５，３５，４５：第３のシリコン層
６，２６，３６：第４のシリコン層
Ｓ１〜Ｓ４：シリコン半導体層
Ｐ１〜Ｐ４：光電変換装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜多結晶シリコン太陽電池や光センサ等の光電変換装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光電変換装置の一つである太陽電池の分野においては、結晶シリコンウエハーを用いた結晶シリコン太陽電池が実用化されているが、大量の結晶シリコンウエハーを用いる必要があるため、原料不足の問題、原料コストの問題等があり、これらの問題を解決できる薄膜多結晶シリコンを用いた低コストかつ高効率な薄膜多結晶シリコン太陽電池の開発、実用化が期待されている。
【０００３】
一般に薄膜太陽電池を低コストで製造するための第１の要件は、使用する基板が低コストであることである。この要求に見合う基板としては、ガラス基板やＳＵＳ基板等があり、低温プロセスであることを特徴とするアモルファスシリコン太陽電池においては、既に実用化がなされている。薄膜多結晶シリコン太陽電池においても、素子プロセスを比較的低温とすることで、ガラス基板、ＳＵＳ基板等の低コスト基板を使えることが望まれる。
【０００４】
この方向で進められている研究例を挙げると、日本国内では、ガラス基板上に形成されたレーザーアニール法による薄膜多結晶シリコン下地層上へｐ−ＣＶＤ法による薄膜多結晶シリコン光活性層を製膜する方式 1 （Proc.1st.WCPEC(1994)1575-1578 、特開平6-163957、特開平7-94766 参照）、また、ＳＵＳ基板上にｐ−ＣＶＤ法で形成されたアモルファスシリコンをＳＰＣ（固相結晶化）法を用いて多結晶化する方式 2 （Proc.1st.WCPEC(1994)1315-1318 、特開平2-28315 、特開平6-204539、特開平7-135332、特開平7-335660参照）などがある。
【０００５】
また、日本国外においては、ＬＰＥ法を用いて液相から薄膜多結晶シリコンをガラス基板上に成長させる方式 3 （Proc.1st.WCPEC(1994)1579-1582 、Solid State Phenomena 37-38(1994)459-464、Journal of Material Science:Materials in Electronics .5 (1994)305-309 、J.Electrochem.Soc. Vol.140,No.11(1993)3290-3293 参照）が研究されている。
【０００６】
次に、薄膜太陽電池を低コストで製造するための第２の要件は、素子の変換効率がより高いことである。これは、変換効率がより高いほどワット当たりの製造コストが下がるためである。この変換効率を向上させる対策のひとつとして、光入射面側に存在する金属電極面積をできるだけ減らすことで反射損失光をできるだけ少なくする方法がある。これに関して、単結晶あるいは多結晶結晶シリコン基板を用いた素子においては、光入射側金属電極をファインパターンとして金属電極面積を減らして金属面で反射する光の量を少なくし、より多くの入射光を結晶シリコン内部へ導入しようとする試みが検討されている（第３回高効率太陽電池ワークショップ（富山、1992）28参照）。また、高品質の基板を用い、ｐｎ接合、プラス極電極、及びマイナス極電極をともに光入射面とは反対側に配置して、金属電極による光反射損失を無くした素子構造についても研究がなされている（R.A.Sinton et al, Electron Device Letters,vol.EDL-7(1986)567, R.R.King et al, 20th IEEE Photovoltaic Specialists Conf.,Las Vegas(1988)538 参照）。一方、アモルファスシリコン太陽電池においては、透明導電膜を用い、光入射側に高反射率の金属電極を配置しなくてもよい構造としており、少なくとも入射光が金属電極で遮られてしまうことは回避できている。
【０００７】
また、前記以外の高効率化対策のひとつとして、電極部以外の面での入射光の反射率を下げる方法についても検討が進められている。この方法においては、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜などの反射防止膜を成膜して表面反射率を低減する方法が従来より広く実施されているが、近年は、より表面反射率を下げることができ、かつ、一度シリコン内部に入射した光が再度シリコン表面から離脱する確率を低減することができるライトトラッピング構造（光閉じ込め構造）の研究が進められてきている。このライトトラッピング構造として代表的な例は、シリコンを特定の液でウエットエッチングする際に結晶面方位でエッチング速度が異なることを利用して形成するTexture 構造（J.Haynos et al, Int. Conference on Photovoltaic Power Generation(Hamburg,1974)487参照）や、ドライエッチング技術であるＲＩＥ法を用いて形成されるランダムかつ微細な表面構造（K.Fukui et al, Technical Digest of the International PVSEC-9(1996)93-96 、同109-110 参照）などが知られている。
【０００８】
以上、薄膜多結晶シリコン太陽電池を低コストで製造可能とするには、ガラス基板等の安価な基板を使うことができることが望ましい。また変換効率をより高くするためには光入射側金属電極面積ができるだけ小さいことが望ましく、さらには光入射側への金属電極の配置を回避できればよりいっそう望ましい。また、ライトトラッピング構造についても導入できることが望ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
薄膜多結晶シリコン太陽電池の製造にあたって、低コスト材料を用い、かつ高効率化する際の上記方式の問題点を挙げると下記のごとくである。
【００１０】
方式 1 では、ガラス基板を用いることで低コスト材料化を図っているが、この上に薄膜多結晶シリコン層を形成するにあたって使用するレーザーアニール法での大面積再結晶化速度が遅いため低コスト量産化に適していない。また、再結晶化した結晶粒径が最大で約１μｍ程度と充分大きくできず、結晶粒界の存在度が高くなるため、そこでの再結合の影響が大きくなり、高効率化に適していない。さらに、ｐ−ＣＶＤ法による光活性層形成において、その膜質を光活性層レベルの品質として充分な膜厚とするには数時間を要するため、低コスト化に不向きな問題がある。また、光入射面側の電極層として、透明導電膜であるＩＴＯ膜を使用しているが、その取り出し電極部分には、何らかの金属電極端子が形成されるため、この部分に入射する光が反射損失してしまう問題がある。また、素子裏面側電極の取り出し部分も光入射面側に形成されることになるので、この部分の面積に相当する入射光が利用できないという問題がある。加えて太陽電池素子裏面側に金属電極が形成されていないので、素子裏面に到達した光のうち、少なからぬ量の光がそのまま透過してしまい、入射光の利用効率が低いという問題がある。
【００１１】
方式 2 では、ＳＵＳ基板を用いて低コスト材料化を図っているが、ＳＰＣ法を適用するアモルファスシリコン層の形成に数時間を要し、さらにその固相結晶化に１０時間程度を要し、低コスト量産化に問題がある。また、再結晶化した結晶粒径が最大約１μｍ程度で充分大きくできず、結晶粒界の存在度が高くなるために、そこでの再結合量が多くなってしまい高効率化に適していない。
【００１２】
また、光入射面側の電極層として、透明導電膜であるＩＴＯ膜を使用しているが、その取り出し電極部分には、何らかの金属電極端子が形成されるため、この部分に入射する光が反射損失してしまう問題がある。
【００１３】
方式 3 では、ガラス基板を用いて低コスト材料化を図っているが、現状のＬＰＥ法では太陽電池級の大面積素子に適した装置開発に難点があり、膜形成速度も充分ではないため低コスト量産化に問題がある。また、膜品質も充分なものとなっていないため、現状では素子化研究に関する報告はなされておらず、表電極、裏面電極の形成方法に関する研究例も知られていない。
【００１４】
そこで、本発明では、上述の諸問題を解消し、低コストで高効率な光電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の光電変換装置の製造方法は、一主面が受光面を成す透光性基板の他主面上に、酸化アルミニウムの結晶酸化物層と、ｐｎ接合を有する複数層のシリコン半導体層とが順次積層されて成り、前記シリコン半導体層のｐ層及びｎ層から出力を導出するようにした光電変換装置の製造方法であって、前記酸化アルミニウムの結晶酸化物層上に、シリコンとアルミニウムを含んだ金属との共融現象によって形成された液相を介して前記シリコン半導体層中の下部層を結晶成長させたことを特徴とする。
【００１６】
これにより、比較的低温な素子プロセスとすることによって低コスト材料としてのガラス基板を用いることができる。
【００１７】
すなわち、本発明の光電変換装置の製造方法に係る太陽電池は、ガラス基板上に、酸化アルミニウムの結晶酸化物層が形成されており、さらにこの上に不純物濃度に関して複数の多結晶シリコン薄膜層が形成されている薄膜多結晶シリコン太陽電池であって、ｐｎ接合、正電極及び負電極が、それぞれ前記薄膜多結晶シリコン層上に形成されており、入射光はガラス面側から取り入れる。これによって、光入射側における金属電極による光反射損失を無くすことができ、入射光の利用効率を高めることができる。
【００１８】
また、シリコン半導体層中の結晶酸化物層に接する下部層が多結晶状態であり且つその平均粒径が透光性基板の他主面に平行な方向に３μｍ以上であることを特徴とする。また、シリコン半導体層中の結晶酸化物層に接する下部層が多結晶状態であり且つその結晶方位が透光性基板の他主面に垂直な方向へ主に＜１１１＞方位が選択配向していることを特徴とする。
【００１９】
すなわち、液相を介した結晶成長であることを利用して、前記複数のシリコン半導体層のうち、少なくとも結晶酸化物層に接する下部層中の結晶シリコン粒に関して、その粒径が基板に水平な方向（基板面方向）に対して平均粒径が３μm 以上とする。特に好適には約１０μｍ程度以上の比較的大粒径であるものが主に存在し、また、その結晶方位が、基板に垂直な方向に対して主に＜１１１＞方位に配向するようにする。これにより、特に薄膜多結晶シリコン太陽電池において高効率とすることができる。
【００２０】
また、薄膜多結晶シリコン中のキャリアのライフタイムが最低０．１μｓｅｃ程度以上、より好適には約１μｓｅｃ程度以上であることが望ましいが、そのためには、結晶シリコン粒径が、結晶粒界のパッシベーションの程度にもよるが、約１０〜３０μｍ程度以上であることが望ましい（糀谷他：第５回高効率太陽電池ワークショップ（１９９５）長野pp.19-22参照）。本発明の薄膜多結晶シリコンは、この条件に沿うものであり、高効率化に好適である。また、結晶方位が、基板に垂直な方向に対して主に＜１１１＞方位に配向していることにより、結晶シリコンが多結晶であっても、その表面をほぼ平坦にすることができ、後述の結晶シリコン層の表面のランダムかつ微細な凹凸構造の形成の際に、その構造を基板全域に渡ってほぼ均一に、しかも容易に形成することを可能としている。
【００２１】
また、シリコン半導体層中の結晶酸化物層に接する下部層が多結晶状態であり且つそのドーピング不純物濃度が１０１６〜１０２２／ｃｍ３であることを特徴とする。このドーピング不純物濃度における下限値を逸脱すると、素子の光入射面側における再結合が大きくなり、太陽電池特性における開放電圧の低下などの特性低下を生じる。
【００２２】
また、前記複数の多結晶シリコン層の総厚は１〜５０μｍとすることが望ましい。多結晶シリコン層の厚さが薄すぎると入射光の充分な利用ができなくなるため短絡電流が減り、一方、逆に厚すぎると膜質にもよるが一般に暗電流が増加して開放電圧が低下し、また、光生成キャリアの電極までの拡散による移動距離も長くなるため拡散移動中での再結合確率が増して短絡電流にも悪影響が出ることがある。
【００２３】
また、シリコン半導体層の正電極又は負電極に接する層が粗面状で且つその反射率が波長４００〜１０００ｎｍの光に対し５％以下であることを特徴とする。すなわち、半導体層のうち正及び負電極に接する薄膜多結晶シリコン層について、その接触面がランダムかつ微細な凹凸構造となっており、
その接触面を表面とした場合の反射率が波長４００〜１０００ｎｍの光に対し５％以下であることを特徴とする。太陽電池の場合、特性向上のためにはライトトラッピング構造を導入することが重要となるが、本発明においては、電極に接する薄膜多結晶シリコン層の表面をＲＩＥ法によるドライエッチング技術を用いて、微細かつランダムな凹凸構造とし、素子裏面での光散乱の効果を高めて太陽電池の高効率化に優れて好適なライトトラッピング構造を実現しているため、従来の薄膜素子よりも格段に高効率な太陽電池の作製を可能としている。
【００２４】
【発明の実施形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、本発明の製造方法に係る光電変換装置Ｐ１は、一主面１ａが入射光を受光する受光面を成す透光性基板の一つであるガラス基板１の他主面１ｂ上に、酸化アルミニウムの結晶酸化物層２、及びｐｎ接合を有する複数層から成るシリコン半導体層Ｓ１が順次積層されて成るとともに、シリコン半導体層Ｓ１中の下部層である第１のシリコン層３は、シリコンとアルミニウムを含んだ金属との共融現象によって形成された液相を介して酸化アルミニウムの結晶酸化物層２上に結晶成長されて成り、シリコン半導体層Ｓ１のｐ層及びｎ層から出力を導出するように、正電極及び負電極が並設されていることを特徴とする。
【００２５】
なお、ガラス基板１としては、コーニング社の７０５９基板、１７３７基板、及び各ガラスメーカーによって最も一般的に商品化がなされているソーダガラス基板を用いる。以下ガラス基板による差が問題となる場合を除いて、７０５９基板を用いた例に基づき説明するが、これに限定されるものではない。また、結晶酸化物層としては、酸化アルミニウムを用いる例について説明する。
【００２６】
まず、ガラス基板１上に、結晶酸化物層である酸化アルミニウム層２を、１０ｎｍ〜５０００ｎｍ程度の膜厚で形成する。この層の形成にあたっては、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタ法等の公知の真空成膜技術を用いることができる。
【００２７】
次に上記酸化アルミニウム層２上に薄膜多結晶である第１のシリコン層３を、０．１〜５μｍ程度の膜厚で形成する。ただし、後に述べる第２のシリコン層４を形成しない場合は、この第１のシリコン層は、１〜５０μｍ程度の膜厚とする。この第一の薄膜多結晶シリコン層の形成にあたっては、比較的低温下での液相を介した結晶成長とし、比較的大粒径な結晶粒成長を行わせる。
【００２８】
すなわち、Ｓｉと、これと共融系をなす金属元素との共融現象によって、比較的低温下で液相を形成し、また、液相を介した結晶成長であることを利用して、比較的大粒径な結晶成長を行わせる。
【００２９】
このとき、Ｓｉと共融金属の供給及び反応方法としては、Ｓｉと共融金属の粉末からなる混合物をガラス基板１上へ供給して熱処理する方式や、共融金属及びＳｉを気相状態で同時に成膜、あるいは共融金属層を成膜した後にＳｉ層を成膜し、成膜中あるいは、成膜後に熱処理する方式などがある。ここで、Ｓｉと共融系を成す金属元素としては、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、ガリウム（Ｇａ）等、及びこれらの混合物があるが、本発明ではＳｉとＡｌを用いる。
【００３０】
液相の形成は、Ｓｉと共融金属元素の共融点温度以上とすることで実現する。本発明ではＳｉとＡｌの共融点温度である５７７℃以上の温度で熱処理する。雰囲気としては、アルゴン（Ａｒ）ガスや、窒素（Ｎ２）ガスなどの不活性ガス雰囲気、あるいは還元性のある水素（Ｈ２）ガスと不活性ガスとを適当な比で混合したガス雰囲気とする。また、圧力は、真空等、減圧条件が望ましいが、常圧であってもよい。熱処理時間は昇温、降温時間を除いて正味５分から６０分程度とする。
【００３１】
共融金属としてＡｌを含んだ金属を用いるので、Ａｌをドーピング元素としても利用可能であり、素子化するにあたって、この第１のシリコン層３をｐ＋＋層として機能させることができる。ｐ＋＋層の存在は、後に述べる第２のシリコン層４の光入射面側に内蔵電界を形成し、光入射面側での光生成キャリアの再結合を減らす働きを持つため、高効率化に好適なものとなる。このとき、第１のシリコン層３（シリコン半導体層Ｓ１の下部層）中のドーピング不純物濃度は、好適には１０１８〜１０２２／ｃｍ３程度であるが、ドーピング不純物濃度が１０１６〜１０１８／ｃｍ３程度である場合も、前述した効果は少なくなるものの、太陽電池としての利用を妨げるものではない。また、このとき得られる結晶粒径は、基板に水平な方向（基板面方向）に対して平均粒径が３μｍ以上であり、約１０μｍ程度以上の比較的大粒径であるものが主体であった。これにより結晶粒界の存在度が減り、結晶粒界でのキャリア再結合が低減されるため、太陽電池の高効率化により好適となる。また、酸化アルミニウム層２は、多結晶シリコン成長のための下地層として好適であり、前述の液相がガラス基板と反応することを防止する働きも有している。さらに、この酸化アルミニウム層２の存在によって多結晶シリコン層の結晶方位に配向性を与えることもできる。本発明においては、酸化アルミニウム層２上に成長した薄膜多結晶シリコンは、基板に垂直な方向に対して主に＜１１１＞方位に選択配向したものとなる。
【００３２】
次に、第１のシリコン層３上へ、ＣＶＤ法やスパッタ法などの真空成膜技術を用いて薄膜多結晶である第２のシリコン層４を、第１のシリコン層３と合わせて１〜５０μｍの総膜厚となるように積層する。ここで、第２のシリコン層４のドーピング濃度は、光活性層として好適に機能するように約１０14〜３×１０18／ｃｍ3 とする。なお、第２のシリコン層４を比較的低温下で高速に成膜する方法としては、特にcat-ＣＶＤ法がある。また、第２のシリコン層４は、第１のシリコン層３を形成する際に用いた前述の手法によって形成してもよい。ただし、用いる共融金属としては、おもにＳｎやＩｎ等の本来ドーピングに関与しない元素を主体とし、Ａｌ（ｐ型ドーピング元素）やＳｂ（ｎ型ドーピング元素）は、必要な量だけ調節して導入するようにして、先に述べたドーピング濃度条件を逸脱しないようにして光活性層としての品質を損なわないようにする。なお、第２のシリコン層４を形成しない場合は、第１のシリコン層３の膜厚を１〜５０μｍとし、ドーピング不純物濃度を、１０16〜３×１０18／ｃｍ3 程度とする。
【００３３】
次に、前述の第２のシリコン層４の表面（素子としては裏面側になる）を、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によるドライエッチング技術を用いてランダムかつ微細な凹凸構造とする。
【００３４】
このＲＩＥ法による表面構造は、優れたライトトラッピング効果をもたらし、特に薄膜多結晶シリコン太陽電池など薄膜状態で入射光の利用効率を高めたい要求がある場合には、非常に効果的である。
【００３５】
なお、ここで、ＲＩＥ法によるランダムかつ微細な凹凸構造の形成は、第１のシリコン層３が形成された時点で、この第１のシリコン層３の表面に対して行っておいてもよい。その場合、上に述べた第２のシリコン層３が、第１のシリコン層３の表面に形成されたランダムかつ微細な凹凸構造にならって積層されるため、第２のシリコン層４の表面へＲＩＥ法を適用する場合と同様のライトトラッピング構造の形成が可能である。もちろん、第１のシリコン層３の表面及び第２のシリコン層４の表面の両方にＲＩＥ法によるランダムかつ微細な凹凸構造を形成してもよい。
【００３６】
このようにして、シリコン半導体層７の後記する正電極又は負電極に接する層が粗面状で、且つその反射率が波長４００〜１０００ｎｍの光に対し５％以下となり、高効率の太陽電池を実現させることが可能となる。
【００３７】
次に、光活性層である第２のシリコン層４上の所定の領域に、第２のシリコン層４の導電型とは逆の導電型を有する第３のシリコン層５を成膜し、ｐｎ接合を形成する。第３のシリコン層５の形成については、ＣＶＤ法、スパッタ法等、公知の真空薄膜形成技術を用いることができる。ここで、第３のシリコン層５は、結晶シリコン膜であっても、アモルファスシリコン膜であってもよい。結晶シリコン膜である場合は、１００〜２０００ｎｍ程度の膜厚で形成し、アモルファスシリコン膜である場合は、５〜１０００ｎｍ程度の膜厚で形成する。後者の場合、いわゆるヘテロ接合となるが、第２のシリコン層４と第３のシリコン層（アモルファスシリコン層）５の間に、真性型のアモルファスシリコン層を厚さ２〜４０ｎｍで挿入すると特性向上により好適である。
【００３８】
次に、光活性層である第２のシリコン層４上の第３のシリコン層５を形成した領域とは別の特定の領域に、第２のシリコン層４の導電型と同一の導電型で、よりドーピング濃度の高い第４のシリコン層６を成膜する。第４のシリコン層６の形成については、ＣＶＤ法、スパッタ法等、公知の真空薄膜形成技術を用いることができる。ここで、第４のシリコン層６は、結晶シリコン膜であっても、アモルファスシリコン膜であってもよい。結晶シリコン膜である場合は、１００〜２０００ｎｍ程度の膜厚で形成し、アモルファスシリコン膜である場合は、５〜１０００ｎｍ程度の膜厚で形成する。後者の場合、いわゆるヘテロ接合となるが、第２のシリコン層４と第４シリコン層（アモルファスシリコン層）６の間に、真性型のアモルファスシリコン層を厚さ２〜４０ｎｍで挿入すると特性向上により好適である。なお、第４のシリコン層６を形成しなくとも、ｐｎ接合を有する素子の形成を妨げるものではない。
【００３９】
次に、前述の第３及び第４のシリコン層５，６上へ、第１及び第２の取り出し電極となる第１及び第２金属電極７，８を、真空成膜技術、プリント及び焼成技術、さらにメッキ技術等の公知の技術を組み合わせて形成し、薄膜多結晶シリコン太陽電池を形成する。
【００４０】
ここで、光生成キャリアをより効果的に取り出すには、図１に示す第３及び第４のシリコン層５，６の横幅をより狭くし、図２に示す光電変換装置Ｐ２のように第３及び第４のシリコン層２５，２６の配列をより細密にすればよい。なお、図２は図３（ａ）の上面図及びその断面斜視図である図３（ｂ）のＡ視図である。図２において２７は櫛歯状の第１金属電極、２８は第１金属電極と極性の異なる櫛歯状の第２金属電極である。シリコン半導体層Ｓ２は第１のシリコン層３、第２のシリコン層４、第３のシリコン層２５、及び第４のシリコン層２６から構成される。また、他の構成については図１と同様なものは図１と同一符号を付し説明を省略する。
【００４１】
また、第３及び第４のシリコン層の配列の細密化に限界があったり、第２のシリコン層４の品質改善に限界があって、それらだけでは高効率化することができない場合は、図４に示す光電変換装置Ｐ３のように、第３のシリコン層３５が成膜されている領域を、第４のシリコン層３６が成膜されている領域よりも充分広くとるようにし、第１のシリコン層３と第４のシリコン層３６を直接接触させるようにすればよい。なお、図４において３７は第１金属電極、３８は第１金属電極と極性の異なる第２金属電極である。シリコン半導体層Ｓ３は第１のシリコン層３、第２のシリコン層４、第３のシリコン層３５、及び第４のシリコン層３６から構成される。また、他の構成については図１と同様なものは図１と同一符号を付し説明を省略する。
【００４２】
また、第４のシリコン層を形成しない場合においても、第３のシリコン層と第２の取り出し電極の配列の細密化に限界があったり、第２のシリコン層の品質改善に限界があって、それらだけでは高効率化することができない場合は、図５に示す光電変換装置Ｐ４のように、第３のシリコン層４５が成膜されている領域を、第３のシリコン層４５が成膜されていないの領域よりも充分広くとるようにし、第２の取り出し電極をとなる第２の金属電極４８を第１のシリコン層３に直接接触させるようにすればよい。なお、図５において４７は第１金属電極、４８は第１金属電極と極性の異なる第２金属電極である。シリコン半導体層Ｓ４は第１のシリコン層３、第２のシリコン層４、第３のシリコン層４５から構成される。また、他の構成については図１と同様なものは図１と同一符号を付し説明を省略する。
【００４３】
以上によって、ガラス基板を用いた低コストかつ高効率な薄膜多結晶シリコン太陽電池に非常に好適な光電変換装置の製造方法を提供することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の光電変換装置の製造方法に係る光電変換装置によれば、正電極及び負電極が共に光受光面とは反対側の面に配置されているため、入射光の金属電極による表面反射を皆無にすることができ、高効率太陽電池等に好適な入射光の利用効率が非常に高い光電変換装置を得ることができる。
【００４５】
また、基板上に結晶酸化物層を介して結晶シリコン層を形成する構造となっているため、結晶シリコンを基板との反応を防止しつつ液相を介した結晶成長法で形成することができる。このため、基板として安価なガラス基板を用いることができ、また液相を介した結晶成長法であることにより、シリコン結晶粒径の充分な拡大が容易となり、さらにまた、結晶酸化物の存在により、この上に成長する結晶シリコン層の結晶方位を特定の方位に選択配向させることができる。
【００４６】
また、結晶酸化物層に接する結晶シリコン層の不純物ドーピング濃度を特定の範囲とすることによって太陽電池等の光電変換装置の高効率化に好適な機能を持たせることができる。
【００４７】
さらに、ＲＩＥ法による優れたライトトラッピング構造の導入によって、入射光の利用効率を高めることができ、高効率な光電変換装置を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法に係る光電変換装置を説明するための断面図。
【図２】本発明の製造方法に係る他の光電変換装置を説明するための断面図。
【図３】本発明の製造方法に係る他の光電変換装置を説明するための図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は一部断面斜視図。
【図４】本発明の製造方法に係る他の光電変換装置を説明するための断面図。
【図５】本発明の製造方法に係る他の光電変換装置を説明するための断面図。
【符号の説明】
１：ガラス基板（透光性基板）
２：酸化アルミニウム層（結晶酸化物層）
３：第１のシリコン層
４：第２のシリコン層
５，２５，３５，４５：第３のシリコン層
６，２６，３６：第４のシリコン層
Ｓ１〜Ｓ４：シリコン半導体層
Ｐ１〜Ｐ４：光電変換装置
Claims (5)
- 一主面が受光面を成す透光性基板の他主面上に、酸化アルミニウムの結晶酸化物層と、ｐｎ接合を有する複数層のシリコン半導体層とが順次積層されて成り、前記シリコン半導体層のｐ層及びｎ層から出力を導出するようにした光電変換装置の製造方法であって、前記酸化アルミニウムの結晶酸化物層上に、シリコンとアルミニウムを含んだ金属との共融現象によって形成された液相を介して前記シリコン半導体層中の下部層を結晶成長させたことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
- 前記シリコン半導体層中の下部層が多結晶状態であり、且つその平均粒径が透光性基板の主面方向に３μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記シリコン半導体層中の下部層が多結晶状態であり、且つその結晶方位が透光性基板の主面に垂直な方向へ主に＜１１１＞方位に選択配向していることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記シリコン半導体層中の下部層が多結晶状態であり、且つそのドーピング不純物濃度が１０１６〜１０２２／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置の製造方法。
- 前記正電極又は負電極に接するシリコン半導体層が粗面状で、且つその反射率が波長４００〜１０００ｎｍの光に対し５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置の製造方法。
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