JP5156379B2 - シリコン系薄膜光電変換装置、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図6に、比較例1の非晶質光電変換装置の断面図を示す。透明基板1は、ガラス基板を用いた。透明基板1の上に、微小なピラミッド状の表面凹凸を含みかつ平均厚さ700nmのSnO2膜が透明電極層2として熱CVD法にて形成された。得られた透明電極層2のシート抵抗は約9Ω/□であった。またC光源で測定したヘイズ率は12%であり、表面凹凸の平均高低差dは約100nmであった。
比較例2として、図7に示すような非晶質光電変換装置が作製された。この図7に示された比較例2の装置は、図6のn型微結晶シリコン層36に代えて、n型層製膜チャンバーであるP5室を用いて、n型微結晶シリコン層37/n型Si1-xOx層34/n型微結晶シリコン層35を順次積層した構造にしたことが、比較例1の装置と異なっている。n型微結晶シリコン層37は厚さ20nm、n型Si1-xOx層は厚さ60nm、n型微結晶シリコン層35は厚さ5nmである。n型Si1-xOx層の製膜条件は、ガス流量はSiH4/CO2/PH3/H2=80/180/2/20000sccm、電源周波数は13.56MHz、パワー密度は100mW/cm2、圧力は350Pa、そして基板温度は200℃であった。
Jscの増加は、n型Si1-xOx層による光閉じ込め効果によって、光電流が増えたためといえる。VocとFFの増加の原因は定かではないが、n型微結晶シリコン層37、n型Si1-xOx層34、n型微結晶シリコン層35の3層を合計したn型層の膜厚が厚くなって光電変換ユニットの内部電界が強くなったためと考えられる。
実施例1として、図4に示すような単接合の非晶質光電変換装置が作製された。この図4に示された実施例1の装置は、図7のn型微結晶シリコン層37に代えて、実質的にi型の主に水素化非晶質シリコンからなるバッファ層33を用いたことが、比較例2の装置と異なっている。バッファ層33の膜厚は5nmである。バッファ層33の製膜条件は、n型層製膜チャンバーであるP5室を用いて、H2/SiH4流量比=80、ガス流量はH2/SiH4=12800/160sccm、電源周波数は13.56MHz、パワー密度は100mW/cm2、圧力は600Pa、そして基板温度は200℃であった。バッファ層の光電変換層側の界面で、SIMSで測定した水素濃度は1.37×1022atoms/ccであった。また、光電変換層の水素密度は8.5×10 21 atoms/ccであった。このとき、P5室のタクトは15分で、P5室のタクトに律速されてCVD装置の製造タクトが15分になった。
実施例2として、実施例1と同様の構造の光電変換装置を作製した。ただし、バッファ層33を、i型層製膜チャンバーであるP4室で作製した点のみが、実施例1と異なる。光電変換層32をP2室、P3室、P4室で製膜し、P4室の余った時間内でバッファ層33を製膜したのでP4室のタクトは10分であった。また、P5室でn型Si1-xOx層34とn型微結晶シリコン層35を製膜し、P5室のタクトは11分であった。このため、P4室、P5室ともに製造タクトを律速せず、CVD装置の製造タクトは比較例1と同じ12分であった。
実施例3として、実施例1と同様の構造および作製方法の非晶質光電変換装置において、バッファ層33の膜厚のみを変化させて光電変換装置を作製した。このとき、バッファ層のH2/SiH4は80倍とした。図8〜11に、実施例3の光電変換装置の各種出力特性とバッファ層の膜厚の相関図を、比較例2の光電変換装置の出力特性に対する相対値で示す。
実施例4として、実施例1と同様の構造および作製方法の非晶質光電変換装置において、バッファ層33のH2/SiH4流量比を変化させて光電変換装置を作製した。バッファ層33の膜厚は10nmとしたことと、H2/SiH4流量比を変化させたこと以外は、実施例1と同様の構造および作製方法とした。図12〜15に、実施例4の光電変換装置の各種出力特性とバッファ層のH2/SiH4流量比の相関図を、比較例2の光電変換装置の出力特性に対する相対値で示す。
図5に、実施例5の積層型光電変換装置の断面図を示す。透明基板1、透明電極層2は、比較例1と同様に作製した。透明電極層2の上に、厚さ15nmのp型非晶質炭化シリコン層51、厚さ350nmの実質的にi型の水素化非晶質シリコンの光電変換層52、厚さ20nmの実質的にi型の主に水素化非晶質シリコンからなるバッファ層53、厚さ50nmのn型Si1-xOx層54からなる非晶質光電変換ユニットの前方光電変換ユニット5を形成し、さらに、厚さ15nmのp型微結晶シリコン層61、厚さ2.5μmの実質的にi型の結晶質シリコン層の光電変換層62、及び厚さ15nmのn型微結晶シリコン層63からなる結晶質シリコン光電変換層ユニットの後方光電変換ユニット6を順次プラズマCVD法で形成した。その後、裏面電極層4として、厚さ90nmのAlドープされたZnO膜と厚さ300nmのAg膜がスパッタ法にて順次形成形成し、積層型光電変換装置を作製した。
実施例6として、n型Si1-xOx層の屈折率を1.9にした積層型光電変換装置が作製された。実施例6の光電変換装置は、n型Si1-xOx層の条件を除いて、実施例5の光電変換装置と同一の構造、作製方法とした。n型Si1-xOx層の製膜条件は、CO2のガス流量を220sccmに変更した点を除いて、実施例5と同一にした。また、これと同一の製膜条件でガラス上に200nm堆積したn型Si1-xOx層の諸特性は、以下の通りであった。分光エリプソメトリにより測定した波長600nmの光に対する屈折率が1.9であった。導電率は、1×10-5S/cmであった。さらに、ラマン散乱で測定した非晶質シリコン成分のTOモードピークに対する結晶シリコン成分のTOモードピークの強度比が1.5であった。X線光電子分光法で測定した酸素濃度は47原子%であった。
比較例3として、図5の光電変換装置のバッファ層53を厚さ20nmのn型微結晶シリコンに代えたことのみが異なる積層型光電変換装置を作製した。
図18に、実施例7の積層型光電変換装置の断面図を示す。透明基板1、透明電極層2は、比較例1と同様に作製した。透明電極層2の上に、厚さ15nmのp型非晶質炭化シリコン層71、厚さ100nmの実質的にi型の水素化非晶質シリコンの光電変換層72、厚さ20nmの実質的にi型の主に水素化非晶質シリコンからなるバッファ層73、厚さ30nmのn型Si1-xOx層74からなる非晶質光電変換ユニットの第一光電変換ユニット7をプラズマCVDで形成した。さらに、厚さ15nmのp型非晶質炭化シリコン層81、厚さ350nmの実質的にi型の水素化非晶質シリコンゲルマニウムの光電変換層82、厚さ20nmの実質的にi型の主に水素化非晶質シリコンからなるバッファ層83、厚さ50nmのn型Si1-xOx層84からなる非晶質光電変換ユニットの第二光電変換ユニット8をプラズマCVDで形成した。続けて、厚さ15nmのp型微結晶シリコン層91、厚さ2.0μmの実質的にi型の結晶質シリコン層の光電変換層92、及び厚さ15nmのn型微結晶シリコン層93からなる結晶質シリコン光電変換層ユニットの第三光電変換ユニット9を順次プラズマCVD法で形成した。その後、裏面電極層4として、厚さ90nmのAlドープされたZnO膜と厚さ300nmのAg膜がスパッタ法にて順次形成形成し、積層型光電変換装置を作製した。
実施例8として、図18の光電変換装置のバッファ層73を厚さ20nmのn型微結晶シリコンに代えたことのみが異なる積層型光電変換装置を作製した。
比較例4として、図18の光電変換装置のバッファ層73およびバッファ層83を、それぞれ厚さ20nmのn型微結晶シリコンに代えたことのみが異なる積層型光電変換装置を作製した。
2 透明電極層
3 非晶質光電変換ユニット
31 p型非晶質炭化シリコン層
32 水素化非晶質シリコンの実質的にi型の光電変換層
33 バッファ層
34 n型Si1-xOx層
35 n型微結晶シリコン層
36 n型微結晶シリコン層
37 n型微結晶シリコン層
4 裏面電極層
5 前方光電変換ユニット
51 p型非晶質炭化シリコン層
52 水素化非晶質シリコンの実質的にi型の光電変換層
53 バッファ層
54 n型Si1-xOx層
6 後方光電変換ユニット
61 p型微結晶シリコン層
62 実質的にi型の結晶質シリコン層の光電変換層
63 n型微結晶シリコン層
7 第一光電変換ユニット
71 p型非晶質炭化シリコン層
72 水素化非晶質シリコンの実質的にi型の光電変換層
73 バッファ層
74 n型Si1-xOx層
8 第二光電変換ユニット
81 p型非晶質炭化シリコン層
82 水素化非晶質シリコンゲルマニウムの実質的にi型の光電変換層
83 バッファ層
84 n型Si1-xOx層
9 第三光電変換ユニット
91 p型微結晶シリコン層
92 実質的にi型の結晶質シリコン層の光電変換層
93 n型微結晶シリコン層
Claims (8)
- 順に積層された、水素化非晶質シリコンまたは水素化非晶質シリコン合金からなる実質的にi型の光電変換層、主に水素化非晶質シリコンからなり実質的にi型のバッファ層、及びn型Si1-xOx層(xは0.25〜0.6)を含むシリコン系薄膜光電変換装置であって、該バッファ層は、該光電変換層側の界面において水素濃度が前記光電変換層より高く、かつ、その膜厚が5nm以上、50nm以下であることを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置。
- 請求項1に記載のシリコン系薄膜光電変換装置であって、前記バッファ層は、前記光電変換層側の界面においてSIMSで測定した水素濃度が1×1022atoms/cc以上であることを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置。
- 請求項1または2に記載のシリコン系薄膜光電変換装置であって、前記バッファ層は、前記n型Si1-xOx層側の界面において水素濃度が前記光電変換層より低いことを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のシリコン系薄膜光電変換装置であって、前記バッファ層は、前記n型Si1-xOx層側の界面において結晶相を含むことを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のシリコン系薄膜光電変換装置であって、前記n型Si1-xOx層が、シリコンと酸素の非晶質合金相中にシリコンリッチな相を含むことを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のシリコン系薄膜光電変換装置であって、前記シリコンリッチな相は、シリコン結晶相を含むことを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載のシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法であって、前記バッファ層を、原料ガスとして少なくとも水素とシランを含む混合ガスを用い、その水素/シランの流量比が40〜300の範囲で製膜することを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法。
- 請求項7に記載のシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法であって、さらに、前記光電変換層の少なくとも一部と前記バッファ層とを同一の製膜チャンバー内で製膜することを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法。
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