JP4412766B2 - 薄膜多結晶Si太陽電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜多結晶Si太陽電池に関する。
【0002】
【従来技術とその課題】
近年になり、低コスト且つ高効率な次世代太陽電池の研究開発が国内外で活発に進められてきている。コスト、変換効率、資源問題、環境問題などを総合的に考慮すると、Siを主材料とした薄膜多結晶Si太陽電池が次世代太陽電池として最も有力であると考えられている。
【0003】
高効率な薄膜多結晶Si太陽電池を形成するには、充分高品質な光活性層を形成することが最も重要である。この光活性層の品質を最大限活かしきるには、その他の様々な点についても、その品質や特性を向上させる必要がある。例えば各膜間の界面準位密度をできるだけ低減させなければならない。
【0004】
薄膜多結晶Si太陽電池は多層膜構造であるため、各膜間には必然的に界面が存在する。薄膜多結晶Si太陽電池のような薄膜デバイスでは、膜の体積に対する膜間の界面の面積の比率が高くなるため、界面特性の優劣が素子特性に大きく影響する。
【0005】
各膜間の界面準位の密度の問題は、薄膜太陽電池においては、界面での暗電流の発生と光励起キャリアの再結合による消失の2つが主な問題となる。暗電流の発生は直接的には開放電圧Vocの低下に関係し、また光励起キャリアの再結合消失は直接的には光電流の低減となって短絡電流密度Jscの低下に関係し、最終的には素子特性全体の特性低下につながる。
【0006】
この問題を解決する方法として、各膜の結晶配向特性をそろえて膜界面の結晶構造の不整合を減少させ、これによって界面準位密度を減らすという方法がある。
【0007】
従来の薄膜多結晶Si太陽電池では、多結晶Siから成る下地層上に多結晶Siから成る光活性層を堆積させる場合、例えばプラズマCVD法に代表される製膜方法のように、ガラス基板やSUS基板を使用できる600℃程度以下の低温プロセスでも、下地層と光活性層とを同一の結晶配向特性で連続堆積させることが望まれていたが、それを実現する下地層の形成方法や光活性層の形成方法は知られていなかった。例えば、Proc. of 1st WCPEC (1994), p.1575 には、レーザーアニール法による(111)配向の下地層上に、(110)配向の光活性層をプラズマCVD法で形成することが述べられている。
【0008】
本発明はこのような背景のもとになされたものであり、各膜間の大きな界面準位密度の存在によって特性が劣化するという従来の問題点を解消した薄膜多結晶Si太陽電池を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る薄膜多結晶Si太陽電池は、基板上に、Ti膜、TiN膜、多結晶Siから成る第1のSi層、該第1のSi層と同じ導電型の多結晶Siから成る第2のSi層、および前記第1のSi層とは異なる導電型の非単結晶Siから成る第3のSi層を順次積層して成り、かつ前記第1のSi層と前記第2のSi層がともに(111)面の結晶配向特性を有することを特徴とする。
【0011】
【作用】
上記のように、(111)配向した多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)上に、同じく(111)配向した多結晶もしくは微結晶Siから成る第2のSi層(光活性層)を形成することで、下地層−光活性層間の界面準位密度を低減させ、薄膜多結晶Si太陽電池に代表される薄膜多結晶Si素子の特性の向上を可能とする。
【0012】
具体的には、多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)はフラックス法により主に(111)面に配向した膜形成を行い、多結晶もしくは微結晶Siから成る第2のSi層(光活性層)は触媒CVD法によって(111)配向した膜形成を行う。第1のSi層(下地層)と第2のSi層(光活性層)の配向特性が一致することによって、膜界面の欠陥準位密度が大幅に低減され、素子特性の向上が可能となる。第2のSi層(光活性層)の第1のSi層(下地層)上への成長は、理想的にはエピタキシャル成長となる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、薄膜多結晶Si太陽電池を例に図面に基づいて詳細に説明する。
【0014】
なお、基板としてガラスを用いた例について説明するが、SUS基板などに置き換えてもよい。
【0015】
図1に示す薄膜半導体装置は、ガラス基板1上に、Ti、Ni、W、Mo、Cu、Ag、またはAlのうちの少なくとも1種からなる金属膜、またはその窒化膜あるいはシリサイド膜2で形成される裏電極、Siと共融系を成す1種以上の金属元素を含むp+ 〜p++型の多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)3、p型もしくはi型の多結晶もしくは微結晶Siから成る第2のSi層(光活性層)4、n型の非単結晶Siから成る第3のSi層5、および受光面電極層を兼ねた導電性の反射防止膜6を順次積層して成る。同図中の7は反射防止膜6の上面に形成された表取り出し電極であり、8は多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)3の上面に形成された裏取り出し電極である。
【0016】
このような光電変換装置の製造にあたっては、まず、ガラス基板1上に裏電極2を電子ビーム蒸着法、スパッタリング法などの真空製膜法によりシート抵抗が1Ω/□程度以下となるように適当な膜厚に堆積する。具体的には、Ti膜を1μm成膜し、この上にTiN膜を0.2μm成膜するとシート抵抗0.6Ω/□が実現される。なお、Ti膜は以下の工程で問題ない限り他の金属に置き換えてもよい。また、TiN膜は、次に述べるフラックス法に用いるAlなどのフラックス金属とTiN膜下にある金属膜およびガラス基板との反応を防止するバリア層として機能するものであるが、同等の機能を有する他の膜があればそれに置き換えることができる。
【0017】
次に、フラックス法で多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)3を裏電極2上に形成する。具体的には、裏電極2上に、Alなどを含んだフラックスとなる金属薄膜層を電子ビーム蒸着法、スパッタリング法などの真空製膜法により、2μm程度以下の膜厚に成膜し、さらにこの金属薄膜層上に、プラズマCVD法、スパッタリング法などの薄膜形成技術にて膜厚2μm以下の非晶質または微晶質Si層を形成する。この基体を480〜570℃の比較的低温下で数分〜1時間程度熱処理すると、金属フラックスとSiとが反応し、裏電極2上に基板1に平行な方向に1μm以上の結晶粒径を持つ、主に(111)面に選択配向した多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)3が得られる。フラックス残さについてはHClなどの酸液やNaOHなどのアルカリ液で除去すればよい。
【0018】
なお、第1のSi層(下地層)3の形成において、成膜時の温度を480〜570℃とすれば、成膜と同時に多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)3を裏電極2上へ形成することも可能である。
【0019】
ここで、フラックス金属にAlを用いれば自動的にAlが1×1018〜1020/cm3 程度含まれたp+ 型の多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)3を得ることができるが、さらにBが1×1018〜1022/cm3 程度含まれた多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)3を得たい場合は、Si膜成膜時にB2 H6 ガスを所定量供給すればよい。これによって高効率太陽電池に必須のBSF機能を有する下地層を得ることができる。
【0020】
次に、第1のSi層(下地層)3上に同層と同一導電型(すなわちp型)の第2のSi層(光活性層)4となる多結晶あるいは微結晶Si層を、触媒CVD法によって厚さ1μm〜30μm程度に形成する。このとき、例えば、基板温度を100℃〜500℃、直径0.5mmのW(タングステン)触媒体への投入電圧を30〜45V/m、触媒体―基板間距離を5cm前後、SiH4 ガス流量を5〜20sccm(好適には10sccm)、H2 ガス流量を100sccm、成膜圧力を7Pa前後にすると、(111)配向した多結晶Si膜を得ることができる。
【0021】
ここで、第1のSi層(下地層)3は第2のSi層(光活性層)4の下地として機能し、第2のSi層(光活性層)4の結晶粒径の拡大、結晶品質の向上を促進することができ、成膜条件を最適化すればエピタキシャル成長をさせることも可能である。
【0022】
以上により、第1のSi層(下地層)3と第2のSi層(光活性層)4の結晶配向性がともに(111)にそろい、欠陥準位密度の小さい界面を形成することができる。
【0023】
成膜圧力を7Paに設定し、シランと水素の流量(SiH4 /H2 )を3段階に変更して触媒CVD法で第2のSi層(光活性層)4を形成したときの配向特性を図2に示す。なお、基板温度を200℃に設定するともに、触媒体への投入電圧を77Vに設定し、触媒体−基板間距離を5cmに設定して成長させたものである。シランと水素のガス流量が5/100〜20/100のいずれの場合も第2のSi層4は(111)配向特性を示すことがわかる。
【0024】
なお、前記した成膜圧力を0.6Paとすると(220)配向した膜が得られる。
【0025】
また、第1のSi層(下地層)3が、Al(アルミニウム)またはB(ボロン)の濃度をそれぞれ1×1018〜1022/cm3 の範囲にもつp型半導体層とし、第2のSi層(光活性層)4が第1のSi層(下地層)3と導電型を同じくする場合は、その膜中のB濃度を、1×1016〜1019/cm3 の範囲にする。これによって第1のSi層(下地層)3は高効率太陽電池に必須のBSF機能を有する下地層とすることができ、第2のSi層(光活性層)4は高効率太陽電池に好適な再結合電流(暗電流)の少ない光活性層とすることができる。
【0026】
次に、第2のSi層(光活性層)4上に第1のSi層(下地層)3とは反対の導電型(すなわちn型)の非晶質、多結晶もしくは微結晶を含む非単結晶Si層から成る第3のSi層5をプラズマCVD法やスパッタ法などの真空製膜法により厚さ1μm以下に形成する。
【0027】
ここで、第2のSi層(光活性層)4と非単結晶Si層から成る第3のSi層5とで形成されるpn接合の品質によっては、第2のSi層(光活性層)4と第3のSi層5の間に、真性型(i型)の非単結晶Si層9を介在させてもよい。特に同層を水素化アモルファスSiで形成する場合は、その膜厚を2〜40nm程度にする。さらに、第3のSi層5および非単結晶Si層9を特に水素を含んだ雰囲気下で形成すると、各層の界面およびその近傍の欠陥準位を水素で終端することで不活性化でき、より品質の高いpn接合またはpin接合を得ることができる。
【0028】
なお、RIE法を用いて、素子表面に結晶Siの結晶方位に依存しない微細かつランダムな凹凸形状を形成し、光利用効率を高めて素子変換効率を向上させる場合は、pn接合を形成する前に、第2のSi層(光活性層)4に対してRIE法による処理を適用し、その後第3のSi層5を形成する。このRIE処理により、少なくとも発電に寄与する光波長400nm〜1000nmの範囲で、ベアSi表面の反射率を10%以下にすることが可能である。
【0029】
また、第1のSi層(下地層)3の膜厚を0.1〜1μmとし、第2のSi層(光活性層)4の膜厚を1〜30μmとし、さらに第3のSi層5の膜厚を1μm以下とすることが望ましい。第1のSi層(下地層)3の膜厚は、BSF機能を最大限に発揮させるのに好適な値であり、第2のSi層(光活性層)4および第3のSi層5の膜厚は、光電流を最大限生成させるのに好適な値である。
【0030】
次に、第3のSi層5上に、ITOやSnO2 などの導電性、あるいは窒化Si膜や酸化Si膜などの絶縁性の反射防止膜6を、プラズマCVD法やスパッタ法などの真空製膜法を用いて600〜1000nm程度の膜厚で製膜する。
【0031】
次に、反射防止膜6上に表取り出し電極7を、真空製膜技術、プリントおよび焼成技術、さらにメッキ技術などを用いて形成する。なお、絶縁性の反射防止膜を第3のSi層5上に成膜した場合は、バッファードフッ酸などの適当な薬液によるエッチング技術によって表取り出し電極7を形成する領域について絶縁性反射防止膜を除去して第3のSi層5を露出させ、ここに表取り出し電極7を接触させるようにすればよい。
【0032】
また、裏取り出し電極8についても、裏電極2上に真空製膜技術、プリントおよび焼成技術、さらにメッキ技術などを用いて形成することができる。
【0033】
以上によって、多結晶Siから成る第1のSi層(下地層)3と多結晶Siから成る第2のSi層(光活性層)4との界面に存在する界面準位密度が極めて小さい高効率な薄膜多結晶Si太陽電池を得ることができる。
【0034】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に係る薄膜多結晶Si太陽電池によれば、多結晶Siから成る下地層と多結晶Si光活性層間の界面準位密度を低減でき、高効率な薄膜多結晶Si太陽電池の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る薄膜半導体装置の一実施形態を示す図である。
【図2】成膜圧力を7Paに設定して第2のSi層(光活性層)を形成したときの配向特性を示す図である。
【符号の説明】
1‥‥‥基板、2‥‥‥Ti、Ni、W、Mo、Cu、Ag、またはAlのうちの少なくとも1種からなる金属膜、またはその窒化膜あるいはシリサイド膜、3‥‥‥第1のSi層、4‥‥‥第2のSi層、5‥‥‥第3のSi層
Claims (4)
- 基板上に、Ti膜、TiN膜、多結晶Siから成る第1のSi層、該第1のSi層と同じ導電型の多結晶Siから成る第2のSi層、および前記第1のSi層とは異なる導電型の非単結晶Siから成る第3のSi層を順次積層して成り、かつ前記第1のSi層と前記第2のSi層がともに(111)面の結晶配向特性を有することを特徴とする薄膜多結晶Si太陽電池。
- 前記第1のSi層は、Alを含んだ金属薄膜層とSiとを反応させて形成したものであることを特徴とする請求項1に記載の薄膜多結晶Si太陽電池。
- 前記第1のSi層がAlまたはBを1×1018〜1022atoms/cm3含有したp型半導体層であり、前記第2のSi層がBを1×1016〜1019atoms/cm3含有したp型半導体層であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜多結晶Si太陽電池。
- 前記第1のSi層の膜厚が0.1〜1μmであり、前記第2のSi層の膜厚が1〜30μmであり、前記第3のSi層の膜厚が1μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜多結晶Si太陽電池。
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