JP5101029B2 - 光電変換素子製造装置および光電変換素子製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＳiＨ４／Ｈ２等の材料ガスをプラズマ化して基板上に光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造装置および光電変換素子製造方法に関するものである。
光電変換素子として、アモルファスシリコン半導体を使用した太陽電池が開発されており、その製造装置としてプラズマＣＶＤ装置が知られている。
具体的には、原料となる元素を含んだ材料ガスをプラズマで分解して化学反応を生じさせ、加熱された基材表面に高純度の薄膜を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ装置の中に基板と電極を設置しておき、プラズマＣＶＤ装置内を真空にする。次に、アモルファスシリコンの原料となるＳiＨ４／Ｈ２ガスをプラズマＣＶＤ装置内に注入し、同時に基板を200℃程度までヒータで温める。電極間に高周波電圧をかけることにより、材料ガスが電離してプラズマ状態となり、基板上にアモルファスシリコンの薄膜が蒸着され、光電変換層が形成される。
具体的には、原料となる元素を含んだ材料ガスをプラズマで分解して化学反応を生じさせ、加熱された基材表面に高純度の薄膜を形成する。例えば、プラズマＣＶＤ装置の中に基板と電極を設置しておき、プラズマＣＶＤ装置内を真空にする。次に、アモルファスシリコンの原料となるＳiＨ４／Ｈ２ガスをプラズマＣＶＤ装置内に注入し、同時に基板を200℃程度までヒータで温める。電極間に高周波電圧をかけることにより、材料ガスが電離してプラズマ状態となり、基板上にアモルファスシリコンの薄膜が蒸着され、光電変換層が形成される。
このようなプラズマＣＶＤ装置では、基板に高速に成膜するために、プラズマ密度を向上するとともに、電極と基板との間への材料ガスの供給量を増大する必要がある。
しかし、プラズマ密度が増大すると、材料ガスの分解速度も大きくなり、また、材料ガスの流量増大によりガス圧が高くなると、ガス流速がガス拡散速度と同等かそれ以上となるため、その結果、膜分布が不均一になる傾向がある。これに対し、基板（全体）において、供給ガスのガス混合やガス供給量、あるいは電極と基板との間のギャップ長を局所的に変えて、膜分布の均一性を確保する方法がある。しかし、基板全体にわたって均一性を確保するために各種調整を実施することは、プロセス条件にも大きく影響を及ぼす問題であり容易ではない。
そこで、このような問題を解決するために、特許文献１には、電極からガス供給を行うとともに、電極にガス排気のための隙間（スリット）を設けた局所ガス給排気により均一性を確保する局所ガス給排気方式が提案されている。
上記特許文献１による局所ガス給排気方式によれば、局所的なガス給排気のため、基板全体で各種調整をせずに膜質の均一性を確保できるメリットがある。しかしながら、以下に示すように、プラズマ密度の増大や、ガス圧、ガス流量条件によっては、局所ガス給排気方式でも、膜質の均一性が劣化する場合がある。
図４は、局所ガス給排気方式において、およそ１０10cm-3以上のプラズマ密度が大きく、およそ１０15cm-3s-1以上のガス分解速度が大きい場合に、成膜に寄与する（膜分布に関係する）ガス分子（ＳiＨ３、Ｈ）の分布の数値計算結果を示した図である。ここでは、材料ガスとしてＳiＨ４とＨ２の混合ガスが用いられている。
材料ガスが供給されると、ＳiＨ４と解離したＨの反応によりＳiＨ３が生成し、このＳiＨ３が成膜に寄与する。したがって、上流６０から下流６２にかけてＳiＨ４の密度が少なくなるに伴い、ＳiＨ３の濃度も小さくなる（図４(a))。
これに対して、Ｈ２の分子が解離してＨが生成する。Ｈは、プラズマ反応により生成するため、ほぼプラズマ分布を反映した生成量となる。そうすると、Ｈの反応相手であるＳiＨ４の数は上述のように下流６２にかけて少なくなってくるために、Ｈが消費されずに下流６２にかけて増加する(図４(b))。
その結果、例えば微結晶シリコン成膜の場合、Ｈの存在比が大きいほど結晶性は高くなるので、ガス供給路付近６４では結晶性が低下し、ガス排気路付近６６では結晶性が高い膜分布となる。
このように、局所ガス給排気方式においても、不均一な膜分布が生じる。
材料ガスが供給されると、ＳiＨ４と解離したＨの反応によりＳiＨ３が生成し、このＳiＨ３が成膜に寄与する。したがって、上流６０から下流６２にかけてＳiＨ４の密度が少なくなるに伴い、ＳiＨ３の濃度も小さくなる（図４(a))。
これに対して、Ｈ２の分子が解離してＨが生成する。Ｈは、プラズマ反応により生成するため、ほぼプラズマ分布を反映した生成量となる。そうすると、Ｈの反応相手であるＳiＨ４の数は上述のように下流６２にかけて少なくなってくるために、Ｈが消費されずに下流６２にかけて増加する(図４(b))。
その結果、例えば微結晶シリコン成膜の場合、Ｈの存在比が大きいほど結晶性は高くなるので、ガス供給路付近６４では結晶性が低下し、ガス排気路付近６６では結晶性が高い膜分布となる。
このように、局所ガス給排気方式においても、不均一な膜分布が生じる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、局所ガス給排気方式において、プラズマ中でのガス分解によるガス分圧比のばらつきを抑制し、均一な成膜を実現する光電変換素子製造装置及び光電変換素子製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の光電変換素子製造装置及び光電変換素子製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる光電変換素子製造装置は、第一電極と、前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造装置において、前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記ガス排気路側の前記電極面と前記基板との距離が、ガス供給路側の前記電極面と前記基板との距離よりも大きく設けられていることを特徴とする。
すなわち、本発明にかかる光電変換素子製造装置は、第一電極と、前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造装置において、前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記ガス排気路側の前記電極面と前記基板との距離が、ガス供給路側の前記電極面と前記基板との距離よりも大きく設けられていることを特徴とする。
ガス排気路側の電極面と基板との距離（以下、電極面と基板との距離を「ギャップ長」という。）が、ガス供給路側のギャップ長よりも大きくなる電極面を設けることとしたので、ガス排気路側のギャップ長に比べてガス供給路側のギャップ長が小さくなる。そうすると、ガス供給路側でのプラズマ中の電子エネルギーが大きくなるので、Ｈ２の解離反応速度が増大してＨの生産量を増やすことができる。また、ギャップ長を小さくすることで、ＨとＳiＨ４が反応することができる空間が小さくなり、Ｈの反応が抑制されるので、ガス供給路側でのＨの損失を抑えることができる。
これにより、ガス供給路側の基板へのＨのフラックス量を増大させ、もともとＨ原子の量が多くなる傾向があるガス排気路側におけるＨのフラックス量と同程度とすることができる。すなわち、ギャップ長の調整により、ガス供給路側の結晶性を高くすることで、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気路側とのバランスをとることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、ガス排気路側のギャップ長をガス供給路側のギャップ長より大きくするために、例えば電極面を、ガス供給路側からガス排気路側にかけてギャップ長が大きくなるようにテーパとすればよい。または同様に、Ｒ（アール）形状や階段状にしてもよい。
これにより、ガス供給路側の基板へのＨのフラックス量を増大させ、もともとＨ原子の量が多くなる傾向があるガス排気路側におけるＨのフラックス量と同程度とすることができる。すなわち、ギャップ長の調整により、ガス供給路側の結晶性を高くすることで、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気路側とのバランスをとることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、ガス排気路側のギャップ長をガス供給路側のギャップ長より大きくするために、例えば電極面を、ガス供給路側からガス排気路側にかけてギャップ長が大きくなるようにテーパとすればよい。または同様に、Ｒ（アール）形状や階段状にしてもよい。
また、本発明にかかる光電変換素子製造装置は、第一電極と、前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造装置において、前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記第一電極の中央部から噴出される材料ガスの流量が、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくされていることを特徴とする。
第一電極の中央部から噴出される材料ガスの流量が、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくされることとしたので、電極中央部のガスの流量をガス排気部のガス流量に比べて小さくすることができる。そうすると、電極中央部は、ガス排気部に比べてガスが枯れ気味（ガス供給律速）となり、例えば微結晶シリコン成膜の場合、電極中央部は、ＳiＨ４とＨの反応が抑制されるので、結果として結晶性が高くなる。これにより、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気部とのバランスをとることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、電極中央部から噴出されるガス流量を、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくするためには、例えば電極中央部のガス噴出口の穴数が該中央部の側方のガス噴出口の穴数より少ない多孔板、または電極中央部のガス噴出口の穴径が該中央部の側方のガス噴出口の穴径より小さい多孔板、あるいはこれらを組み合わせた多孔板を、基板に対向した第一電極の電極面に設置すればよい。
なお、電極中央部から噴出されるガス流量を、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくするためには、例えば電極中央部のガス噴出口の穴数が該中央部の側方のガス噴出口の穴数より少ない多孔板、または電極中央部のガス噴出口の穴径が該中央部の側方のガス噴出口の穴径より小さい多孔板、あるいはこれらを組み合わせた多孔板を、基板に対向した第一電極の電極面に設置すればよい。
また、本発明にかかる光電変換素子製造装置は、第一電極と、前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造装置において、前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記第一電極の中央部から噴出される材料ガスの水素含有量が、該中央部の側方から噴出される材料ガスの水素含有量よりも大きくされていることを特徴とする。
上述したように、ガス分布の影響により、電極中央部では結晶性が低く、ガス排気部では結晶性が高くなる傾向がある。また、微結晶シリコン成膜の材料ガスとしてＳiＨ４／Ｈ２の混合ガスを用いた場合、結晶性はＳiＨ４とＨ２のガス流量比で調整可能であり、Ｈ２の流量比が大きいほど結晶性は高くなる。
第一電極の中央部から噴出される材料ガスの水素含有量が、該中央部の側方から噴出される材料ガスの水素含有量よりも大きくされていることとしたので、電極中央部のＨ２の流量比が大きくなり、電極中央部の結晶性を高くすることができる。これにより、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気部とのバランスを取ることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、電極中心部のＨ２流量比を大きくするために、例えば基板に対向した第一電極の電極面の材料ガスの流れ方向に、ガスの供給を独立にした少なくとも３つのガス噴出口を有する多孔版を設置する。そして、材料ガスとしてＳiＨ４／Ｈ２の混合ガスを用いた場合に、電極中央部のガス噴出口にはＨ２を多めに供給し、該中央部の側方のガス噴出口にはややＳiＨ４を多く供給すればよい。
第一電極の中央部から噴出される材料ガスの水素含有量が、該中央部の側方から噴出される材料ガスの水素含有量よりも大きくされていることとしたので、電極中央部のＨ２の流量比が大きくなり、電極中央部の結晶性を高くすることができる。これにより、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気部とのバランスを取ることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、電極中心部のＨ２流量比を大きくするために、例えば基板に対向した第一電極の電極面の材料ガスの流れ方向に、ガスの供給を独立にした少なくとも３つのガス噴出口を有する多孔版を設置する。そして、材料ガスとしてＳiＨ４／Ｈ２の混合ガスを用いた場合に、電極中央部のガス噴出口にはＨ２を多めに供給し、該中央部の側方のガス噴出口にはややＳiＨ４を多く供給すればよい。
また、本発明にかかる光電変換素子製造方法は、第一電極と、前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造方法において、前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記ガス排気路側の前記電極面と前記基板との距離が、ガス供給路側の前記電極面と前記基板との距離よりも大きく設けられていることを特徴とする。
ガス排気路側の電極面と基板との距離（以下、電極面と基板との距離を「ギャップ長」という。）が、ガス供給路側のギャップ長よりも大きくなる電極面を設けることとしたので、ガス排気路側のギャップ長に比べてガス供給路側のギャップ長が小さくなる。そうすると、ガス供給路側でのプラズマ中の電子エネルギーが大きくなるので、Ｈ２の解離反応速度が増大してＨの生産量を増やすことができる。また、ギャップ長を小さくすることで、ＨとＳiＨ４が反応することができる空間が小さくなり、Ｈの反応が抑制されるので、ガス供給路側でのＨの損失を抑えることができる。
これにより、ガス供給路側の基板へのＨのフラックス量を増大させ、もともとＨ原子の量が多くなる傾向があるガス排気路側におけるＨのフラックス量と同程度とすることができる。すなわち、ギャップ長の調整により、ガス供給路側の結晶性を高くすることで、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気路側とのバランスをとることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、ガス排気路側のギャップ長をガス供給路側のギャップ長より大きくするために、例えば電極面を、ガス供給路側からガス排気路側にかけてギャップ長が大きくなるようにテーパとすればよい。または同様に、Ｒ（アール）形状や階段状にしてもよい。
これにより、ガス供給路側の基板へのＨのフラックス量を増大させ、もともとＨ原子の量が多くなる傾向があるガス排気路側におけるＨのフラックス量と同程度とすることができる。すなわち、ギャップ長の調整により、ガス供給路側の結晶性を高くすることで、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気路側とのバランスをとることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、ガス排気路側のギャップ長をガス供給路側のギャップ長より大きくするために、例えば電極面を、ガス供給路側からガス排気路側にかけてギャップ長が大きくなるようにテーパとすればよい。または同様に、Ｒ（アール）形状や階段状にしてもよい。
また、本発明にかかる光電変換素子製造方法は、第一電極と、前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造方法において、前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記第一電極の中央部から噴出される材料ガスの流量が、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくされていることを特徴とする。
第一電極の中央部から噴出される材料ガスの流量が、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくされることとしたので、電極中央部のガスの流量をガス排気部のガス流量に比べて小さくすることができる。そうすると、電極中央部は、ガス排気部に比べてガスが枯れ気味（ガス供給律速）となり、例えば微結晶シリコン成膜の場合、電極中央部は、ＳiＨ４とＨの反応が抑制されるので、結果として結晶性が高くなる。これにより、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気部とのバランスをとることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、電極中央部から噴出されるガス流量を、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくするためには、例えば電極中央部のガス噴出口の穴数が該中央部の側方のガス噴出口の穴数より少ない多孔板、または電極中央部のガス噴出口の穴径が該中央部の側方のガス噴出口の穴径より小さい多孔板、あるいはこれらを組み合わせた多孔板を、基板に対向した第一電極の電極面に設置すればよい。
なお、電極中央部から噴出されるガス流量を、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくするためには、例えば電極中央部のガス噴出口の穴数が該中央部の側方のガス噴出口の穴数より少ない多孔板、または電極中央部のガス噴出口の穴径が該中央部の側方のガス噴出口の穴径より小さい多孔板、あるいはこれらを組み合わせた多孔板を、基板に対向した第一電極の電極面に設置すればよい。
また、本発明にかかる光電変換素子製造方法は、第一電極と、前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造方法において、前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記第一電極の中央部から噴出される材料ガスの水素含有量が、該中央部の側方から噴出される材料ガスの水素含有量よりも大きくされていることを特徴とする。
上述したように、ガス分布の影響により、電極中央部では結晶性が低く、ガス排気部では結晶性が高くなる傾向がある。また、微結晶シリコン成膜の材料ガスとしてＳiＨ４／Ｈ２の混合ガスを用いた場合、結晶性はＳiＨ４とＨ２のガス流量比で調整可能であり、Ｈ２の流量比が大きいほど結晶性は高くなる。
第一電極の中央部から噴出される材料ガスの水素含有量が、該中央部の側方から噴出される材料ガスの水素含有量よりも大きくされていることとしたので、電極中央部のＨ２の流量比が大きくなり、電極中央部の結晶性を高くすることができる。これにより、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気部とのバランスを取ることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、電極中心部のＨ２流量比を大きくするために、例えば基板に対向した第一電極の電極面の材料ガスの流れ方向に、ガスの供給を独立にした少なくとも３つのガス噴出口を有する多孔版を設置する。そして、材料ガスとしてＳiＨ４／Ｈ２の混合ガスを用いた場合に、電極中央部のガス噴出口にはＨ２を多めに供給し、該中央部の側方のガス噴出口にはややＳiＨ４を多く供給すればよい。
第一電極の中央部から噴出される材料ガスの水素含有量が、該中央部の側方から噴出される材料ガスの水素含有量よりも大きくされていることとしたので、電極中央部のＨ２の流量比が大きくなり、電極中央部の結晶性を高くすることができる。これにより、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気部とのバランスを取ることができ、結果として膜分布を均一にすることができる。
なお、電極中心部のＨ２流量比を大きくするために、例えば基板に対向した第一電極の電極面の材料ガスの流れ方向に、ガスの供給を独立にした少なくとも３つのガス噴出口を有する多孔版を設置する。そして、材料ガスとしてＳiＨ４／Ｈ２の混合ガスを用いた場合に、電極中央部のガス噴出口にはＨ２を多めに供給し、該中央部の側方のガス噴出口にはややＳiＨ４を多く供給すればよい。
本発明によれば、局所ガス給排気方式に加えて、プラズマ中でのガス分解によるガス分圧比のばらつきを抑制することとしたので、成膜の均一性を向上させ、ガス利用効率を高くすることができる
［第一実施形態］
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図５には、本実施形態にかかるプラズマＣＶＤ装置（光電変換素子製造装置）１０（図６参照）によって製造される太陽電池（光電変換装置）１が示されている。
太陽電池１は、図において下方から、基板２（ガラス基板）、透明電極３、ｐ層４、ｉ層５、ｎ層６及び裏面電極７が順に積層された構造とされている。
透明電極３は、例えば、約５００〜１０００ｎｍの厚さを有するＳｎＯ２とされている。
ｐ層４は、例えば、約２０〜５０ｎｍの厚さを有するｐ型半導体とされている。
ｉ層５は、例えば、約１．２〜１．６μｍの厚さを有する微結晶シリコンとされている。
ｎ層６は、例えば、約２０〜５０ｎｍの厚さを有するｎ型半導体とされている。
これらｐ層４、ｉ層５及びｎ層６がｐｉｎ接合を形成し、光電変換層として機能する。
裏面電極７は、例えば、約２００〜５００ｎｍの厚さを有するＡｇ（銀）またはＡｌ（アルミニウム）とされている。裏面電極７としてＡｇを用いる場合には、変質防止のために表面に約１０〜３０ｎｍの厚さを有するＴｉ（チタン）を積層することが望ましい。また、ｎ層６と裏面電極７との間に約５０〜１５０ｎｍの厚さを有する第２の透明電極（ＧＺＯ）を設け、裏面電極７側からの光反射を増加させるようにしても良い。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図５には、本実施形態にかかるプラズマＣＶＤ装置（光電変換素子製造装置）１０（図６参照）によって製造される太陽電池（光電変換装置）１が示されている。
太陽電池１は、図において下方から、基板２（ガラス基板）、透明電極３、ｐ層４、ｉ層５、ｎ層６及び裏面電極７が順に積層された構造とされている。
透明電極３は、例えば、約５００〜１０００ｎｍの厚さを有するＳｎＯ２とされている。
ｐ層４は、例えば、約２０〜５０ｎｍの厚さを有するｐ型半導体とされている。
ｉ層５は、例えば、約１．２〜１．６μｍの厚さを有する微結晶シリコンとされている。
ｎ層６は、例えば、約２０〜５０ｎｍの厚さを有するｎ型半導体とされている。
これらｐ層４、ｉ層５及びｎ層６がｐｉｎ接合を形成し、光電変換層として機能する。
裏面電極７は、例えば、約２００〜５００ｎｍの厚さを有するＡｇ（銀）またはＡｌ（アルミニウム）とされている。裏面電極７としてＡｇを用いる場合には、変質防止のために表面に約１０〜３０ｎｍの厚さを有するＴｉ（チタン）を積層することが望ましい。また、ｎ層６と裏面電極７との間に約５０〜１５０ｎｍの厚さを有する第２の透明電極（ＧＺＯ）を設け、裏面電極７側からの光反射を増加させるようにしても良い。
上記構成の太陽電池１に対して、ガラス基板２側から太陽光８が入射すると、ｉ層５において電子と正孔の対が生成される。これら電子および正孔が、ｐ層４とｎ層６との間の電界によって、透明電極３や裏面電極７に引き寄せられる。そして、透明電極３と裏面電極７との間を所定の配線で接続することによって、電流が取り出される。
なお、太陽電池１としては、上述のようなｐｉｎ構造に限らず、ｎｉｐ構造でもよい。また、微結晶シリコンに代えて、アモルファスシリコンや微結晶シリコンゲルマニウムを用いてもよい。
また、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造の微結晶シリコン層と、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造のアモルファスシリコン層とを積層して２層構造としたいわゆるタンデム型としてもよい。さらに、微結晶シリコン層とアモルファスシリコン層との間に、適正な電流バランスを得るためにＧＺＯ等の中間層を設けても良い。
また、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造のアモルファスシリコン層、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造の微結晶シリコン層、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造の別の微結晶シリコン層を積層して３層構造としたいわゆるトリプル型としてもよい。さらに、各シリコン層間に、適正な電流バランスを得るためにＧＺＯ等の中間層を設けても良い。
また、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造の微結晶シリコン層と、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造のアモルファスシリコン層とを積層して２層構造としたいわゆるタンデム型としてもよい。さらに、微結晶シリコン層とアモルファスシリコン層との間に、適正な電流バランスを得るためにＧＺＯ等の中間層を設けても良い。
また、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造のアモルファスシリコン層、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造の微結晶シリコン層、ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造の別の微結晶シリコン層を積層して３層構造としたいわゆるトリプル型としてもよい。さらに、各シリコン層間に、適正な電流バランスを得るためにＧＺＯ等の中間層を設けても良い。
図６(a)は、プラズマＣＶＤ装置１０を表す概略図である。
プラズマＣＶＤ装置１０は、反応容器２６と、放電電極（第一電極）１２と、放電電極１２に対向するように基板１６を保持する第二電極１４と、プラズマ励起電源３１を主に備えている。
反応容器２６は、内部が真空可能となるように気密に形成された容器となっており、図において上部に設けられたガス排気管２４を介して内部ガスが排気されるようになっている。この反応容器２６内に、基板１６が設置され、プラズマＣＶＤによって光電変換層がこの基板１６上に蒸着される。
プラズマＣＶＤ装置１０は、反応容器２６と、放電電極（第一電極）１２と、放電電極１２に対向するように基板１６を保持する第二電極１４と、プラズマ励起電源３１を主に備えている。
反応容器２６は、内部が真空可能となるように気密に形成された容器となっており、図において上部に設けられたガス排気管２４を介して内部ガスが排気されるようになっている。この反応容器２６内に、基板１６が設置され、プラズマＣＶＤによって光電変換層がこの基板１６上に蒸着される。
放電電極１２は、複数のガス供給路１８と、複数のガス排気路２０とを備えている。ガス供給路１８及びガス排気路２０は、図６（ｂ）に示すように、交互に設けられている。
ガス供給路１８は、図６（ａ）に示すように、基板１６側に開口を有する凹所となっている。ガス供給路１８の上部にはガス導入路２８が紙面垂直方向に形成されている。ガス供給路１８とガス導入路２８との間には、複数のガス供給孔２９が所定の間隔にて形成されており（図６（ｂ）参照）、このガス供給孔２９を介して、ガス導入路２８からガス供給路１８へと材料ガスが流れるようになっている。図６（ｂ）に示すように、ガス供給路１８は、図において上下方向（例えば基板１６の幅方向）に延在している。
ガス排気路２０は、図６（ａ）に示すように、放電電極１２の厚さ方向に貫通したスリットとなっている。このスリットとされたガス排気路２０を通って、反応後のガスが反応容器２６の外部へと排出される。図６（ｂ）に示すように、ガス排気路２０は、ガス供給路１８と同様に、図において上下方向（例えば基板１６の幅方向）に延在している。
ガス供給路１８は、図６（ａ）に示すように、基板１６側に開口を有する凹所となっている。ガス供給路１８の上部にはガス導入路２８が紙面垂直方向に形成されている。ガス供給路１８とガス導入路２８との間には、複数のガス供給孔２９が所定の間隔にて形成されており（図６（ｂ）参照）、このガス供給孔２９を介して、ガス導入路２８からガス供給路１８へと材料ガスが流れるようになっている。図６（ｂ）に示すように、ガス供給路１８は、図において上下方向（例えば基板１６の幅方向）に延在している。
ガス排気路２０は、図６（ａ）に示すように、放電電極１２の厚さ方向に貫通したスリットとなっている。このスリットとされたガス排気路２０を通って、反応後のガスが反応容器２６の外部へと排出される。図６（ｂ）に示すように、ガス排気路２０は、ガス供給路１８と同様に、図において上下方向（例えば基板１６の幅方向）に延在している。
第二電極１４は、板状体とされており、基板１６を加熱するためのヒータ２２を内蔵している。
プラズマ起動電源３１は、放電電極１２に接続されており、例えばＶＨＦ（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）レベルの高周波電源とされている。
プラズマ起動電源３１は、放電電極１２に接続されており、例えばＶＨＦ（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）レベルの高周波電源とされている。
材料ガスは、シランガス（ＳiＨ４）および水素（Ｈ２）が用いられ、ガス導入路２８からガス供給孔２９を通して、ガス供給路１８へと供給される。その後、材料ガスは、放電電極１２と基板１６との間の領域に流入する。放電電極１２に、プラズマ起動電源３１によって高周波電圧が印加されると、プラズマ３０が放電電極１２と基板１６との間に発生する。
ガス排気路２０の図において下端が、プラズマ領域から排出される排出ガスを吸入するガス吸入口とされている。なお、吸入される排出ガスは、反応後のガスに加えて、未反応の材料ガスも含まれる。
ガス排気路２０の図において下端が、プラズマ領域から排出される排出ガスを吸入するガス吸入口とされている。なお、吸入される排出ガスは、反応後のガスに加えて、未反応の材料ガスも含まれる。
図１は、放電電極１２の先端形状が分かるように拡大した拡大図である。
放電電極１２の先端には、ガス供給路１８とガス排気路２０との間に挟まれた電極面３２が形成されている。この電極面３２は、ガス供給路１８側からガス排気路２０側にかけて、基板１６との距離（ギャップ長）が大きくなるように、テーパ形状となっている。すなわち、ガス供給路１８側におけるギャップ長Ｌ１が、ガス排気路２０側におけるギャップ長Ｌ２よりも小さくなるように電極面３２が設定されている。
放電電極１２の先端には、ガス供給路１８とガス排気路２０との間に挟まれた電極面３２が形成されている。この電極面３２は、ガス供給路１８側からガス排気路２０側にかけて、基板１６との距離（ギャップ長）が大きくなるように、テーパ形状となっている。すなわち、ガス供給路１８側におけるギャップ長Ｌ１が、ガス排気路２０側におけるギャップ長Ｌ２よりも小さくなるように電極面３２が設定されている。
このように、ガス排気路２０側のギャップ長Ｌ２を相対的に大きくすることにより、ギャップ長Ｌ１が小さいガス供給路１８側では、プラズマ中の電子エネルギー密度が大きくなるので、Ｈ２の解離反応速度が増大してＨの生産量を増やすことができる。また、ガス供給路１８側におけるギャップ領域ではＳiＨ４とＨのガスが反応できる空間が相対的に狭くなるため、材料ガスの反応が抑制されてＨの損失を抑えることができる。
これにより、ガス供給路１８側の基板１６へのＨのフラックス量が増大し、元来Ｈ原子の量が多くなる傾向があるガス排気路２０側におけるＨのフラックス量と同程度となる。このように、ギャップ長の調整により、ガス供給路１８側の結晶性を高くすることで、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気路２０側とのバランスをとることができる。その結果、均一な成膜を実現し、ガス利用効率を向上させることができる。
これにより、ガス供給路１８側の基板１６へのＨのフラックス量が増大し、元来Ｈ原子の量が多くなる傾向があるガス排気路２０側におけるＨのフラックス量と同程度となる。このように、ギャップ長の調整により、ガス供給路１８側の結晶性を高くすることで、元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気路２０側とのバランスをとることができる。その結果、均一な成膜を実現し、ガス利用効率を向上させることができる。
なお、本実施形態では、ガス排気路２０側のギャップ長をガス供給路１８側のギャップ長よりも大きくするために、電極面３２をテーパ形状としたが、本発明のテーパ形状に限定されるものではなく、例えば、曲率を適宜変更したＲ（アール）形状や、複数の段差を有する階段状にしてもよい。
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図２を用いて説明する。本実施形態は、第一実施形態に対して、放電電極の先端の構造が異なる。その他の点については同様であるので、その説明を省略する。
図２（ａ）に示すように、放電電極１２の先端部には、多孔板４２が設けられている。具体的には、ガス供給路１８とされる凹所の開口部を塞ぐように、多孔板４２が配置されている。多孔板４２には、図２（ｂ）に示すように、複数の噴出口４４，４６が形成されている。材料ガスは、各噴出口４４，４６を介して、ガス供給路１８から基板１６側へと流れる。
多孔板４２に形成された噴出口は、放電電極１２の略中央に位置するように形成された中央噴出口４４と、この中央噴出口４４の両側に配置された側部噴出口４６とから構成されている。中央噴出口４４は、側部噴出口４６に比べて、小さな径とされている。
次に、本発明の第二実施形態について、図２を用いて説明する。本実施形態は、第一実施形態に対して、放電電極の先端の構造が異なる。その他の点については同様であるので、その説明を省略する。
図２（ａ）に示すように、放電電極１２の先端部には、多孔板４２が設けられている。具体的には、ガス供給路１８とされる凹所の開口部を塞ぐように、多孔板４２が配置されている。多孔板４２には、図２（ｂ）に示すように、複数の噴出口４４，４６が形成されている。材料ガスは、各噴出口４４，４６を介して、ガス供給路１８から基板１６側へと流れる。
多孔板４２に形成された噴出口は、放電電極１２の略中央に位置するように形成された中央噴出口４４と、この中央噴出口４４の両側に配置された側部噴出口４６とから構成されている。中央噴出口４４は、側部噴出口４６に比べて、小さな径とされている。
このように、放電電極１２の中央部に形成された中央噴出口４４の径を側部噴出口４６の径よりも小さくして、放電電極１２の中央部から流出する材料ガスの流量を、放電電極１２の側部から流出する材料ガスの流量に比べて小さくすることとした。これにより、微結晶シリコン成膜の場合、放電電極１２の中央部でのＳiＨ４とＨ２の反応が抑制され、電極中央部に対応する位置に成膜される微結晶シリコン膜の結晶性を高くすることができる。
したがって、電極中央部の結晶性と元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気部とのバランスをとることができる。その結果、均一な成膜を実現し、ガス利用効率を向上させることができる。
したがって、電極中央部の結晶性と元来結晶性が高くなる傾向があるガス排気部とのバランスをとることができる。その結果、均一な成膜を実現し、ガス利用効率を向上させることができる。
なお、本実施形態において、中央噴出口４４の径を側部噴出口４６の径よりも小さくすることにより、放電電極１２から流出する材料ガスの流量を調整することとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。要は、放電電極１２の先端から流出する材料ガスの流量を、中央部で少な目に、側部で多めにする構成であれば良く、例えば、中央噴出口４４の穴数を側部噴出口４６よりも少なくしても良い。また、穴数と穴径の組合せにより、電極中央部と側部の流量を調整するようにしても良い。
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図３を用いて説明する。本実施形態は、第一実施形態に比べて、放電電極の材料ガス供給方式が異なる。その他の点については同様であるので、その説明を省略する。
図３に示すように、放電電極１２には、複数のガス供給路４８，５０，５２が形成されている。具体的には、放電電極１２の略中央部に設けられた中央ガス供給路４８と、中央ガス供給路４８の両側に設けられた側部ガス供給路５０，５２とが設けられている。各ガス供給路４８，５０，５２には、それぞれ、ガス導入路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ及びガス供給孔２９ａ，２９ｂ，２９ｃが設けられている。これにより、各ガス供給路４８，５０，５２から供給される材料ガスの混合比や組成が独立して制御できるようになっている。
例えば、中央ガス供給路４８からは、側部ガス供給路５０，５２よりもＨ２が多い材料ガスを供給する。したがって、側部ガス供給路５０，５２からは、中央ガス供給路４８よりもＳiＨ４が多い材料ガスを供給する。
次に、本発明の第三実施形態について、図３を用いて説明する。本実施形態は、第一実施形態に比べて、放電電極の材料ガス供給方式が異なる。その他の点については同様であるので、その説明を省略する。
図３に示すように、放電電極１２には、複数のガス供給路４８，５０，５２が形成されている。具体的には、放電電極１２の略中央部に設けられた中央ガス供給路４８と、中央ガス供給路４８の両側に設けられた側部ガス供給路５０，５２とが設けられている。各ガス供給路４８，５０，５２には、それぞれ、ガス導入路２８ａ，２８ｂ，２８ｃ及びガス供給孔２９ａ，２９ｂ，２９ｃが設けられている。これにより、各ガス供給路４８，５０，５２から供給される材料ガスの混合比や組成が独立して制御できるようになっている。
例えば、中央ガス供給路４８からは、側部ガス供給路５０，５２よりもＨ２が多い材料ガスを供給する。したがって、側部ガス供給路５０，５２からは、中央ガス供給路４８よりもＳiＨ４が多い材料ガスを供給する。
このように、各ガス供給路４８，５０，５２から流れる材料ガスの水素量を独立して制御することにより、放電電極１２の中央部での材料ガスの水素含有量を、ガス排気路２０側での材料ガスの水素含有量に比べて多くすることとして、電極中央部に対応する微結晶アモルファスシリコン膜の結晶性を高くすることができる。
これにより、電極中央部の結晶性と元来結晶性が高くなる傾向のあるガス排気部とのバランスをとることができる。その結果、均一な成膜を実現し、ガス利用効率を向上させることができる。
これにより、電極中央部の結晶性と元来結晶性が高くなる傾向のあるガス排気部とのバランスをとることができる。その結果、均一な成膜を実現し、ガス利用効率を向上させることができる。
１ 太陽電池（光電変換装置）
２ 基板（ガラス基板）
１０ プラズマＣＶＤ装置（光電変換素子製造装置）
１２ 放電電極（第一電極）
１４ 第二電極
１６ 基板
１８ ガス供給路
２０ ガス排気路
３２ 電極面
４２ 多孔板
４８，５０，５２ ガス供給路
Ｌ１，Ｌ２ ギャップ長
２ 基板（ガラス基板）
１０ プラズマＣＶＤ装置（光電変換素子製造装置）
１２ 放電電極（第一電極）
１４ 第二電極
１６ 基板
１８ ガス供給路
２０ ガス排気路
３２ 電極面
４２ 多孔板
４８，５０，５２ ガス供給路
Ｌ１，Ｌ２ ギャップ長
Claims (6)
- 第一電極と、
前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、
前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造装置において、
前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記ガス排気路側の前記電極面と前記基板との距離が、ガス供給路側の前記電極面と前記基板との距離よりも大きく設けられていることを特徴とする光電変換素子製造装置。 - 第一電極と、
前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、
前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造装置において、
前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記第一電極の中央部から噴出される材料ガスの流量が、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくされていることを特徴とする光電変換素子製造装置。 - 第一電極と、
前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、
前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造装置において、
前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記第一電極の中央部から噴出される材料ガスの水素含有量が、該中央部の側方から噴出される材料ガスの水素含有量よりも大きくされていることを特徴とする光電変換素子製造装置。 - 第一電極と、
前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、
前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造方法において、
前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記ガス排気路側の前記電極面と前記基板との距離が、ガス供給路側の前記電極面と前記基板との距離よりも大きく設けられていることを特徴とする光電変換素子製造方法。 - 第一電極と、
前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、
前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造方法において、
前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記第一電極の中央部から噴出される材料ガスの流量が、該中央部の側方から噴出されるガスの流量よりも小さくされていることを特徴とする光電変換素子製造方法。 - 第一電極と、
前記第一電極に対向するように基板を保持する第二電極と、を備え、
前記基板に対向する前記第一電極の先端には、材料ガスを供給するガス供給路と、材料ガスを排気するためのガス排気路とに挟まれた電極面が設けられ、前記第一電極および前記第二電極によって、前記電極面と前記基板との間に供給された材料ガスをプラズマ化して前記基板上に微結晶シリコン層を含む光電変換層を化学蒸着させる光電変換素子製造方法において、
前記電極面と前記基板との間における前記ガス供給路側と前記ガス排気路側との前記微結晶シリコン層の結晶性が略均等になるように、前記第一電極の中央部から噴出される材料ガスの水素含有量が、該中央部の側方から噴出される材料ガスの水素含有量よりも大きくされていることを特徴とする光電変換素子製造方法。
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| JP2010258103A (ja) | 光電変換デバイスの製造方法および製造装置 |
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