JPH07263731A

JPH07263731A - 多結晶シリコンデバイス

Info

Publication number: JPH07263731A
Application number: JP6050844A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Ishihara; 俊一石原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-03-22
Filing date: 1994-03-22
Publication date: 1995-10-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】多結晶シリコンの欠陥を抑えて光電変換効率
等の特性を改善した、低コストの多結晶シリコンデバイ
スを提供する。【構成】結晶シリコンとは異なる材料の基板１上に多
結晶シリコン４を堆積したデバイスにおいて、前記基板
と前記多結晶シリコンとの間に、ＺｎＯ層３が存在する
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多結晶シリコンデバイス
に係わり、特に多結晶シリコン太陽電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコンは、特性及びコストを考
えたとき、太陽電池用の材料として有望である。

【０００３】従来の多結晶シリコン太陽電池は、例えば
次のようにして作製される。まず、キャスト内に高純度
のシリコン粉末あるいは砕片を入れ、熱して溶融した
後、冷却することにより、多結晶シリコンのインゴット
を作製する。次に、キャストをこわして、取り出したイ
ンゴットを一定の厚さでスライスし、ポリシングするこ
とにより、多結晶シリコンのウエハを作製する。この多
結晶シリコンウエハに不純物を拡散してｐｎ接合を形成
し、その上に集電電極を印刷法等により形成し、さらに
反射防止用の層をコートして、多結晶シリコン太陽電池
を完成する。

【０００４】以上の作製方法の欠点は、製造コストにあ
り、特にインゴットのスライシング及びポリシング工程
にある。この問題を解決するために、ガラスあるいは金
属の基板上に薄膜の多結晶シリコンを作製しようと試み
が種々行われている。

【０００５】例えば、ガラスあるいはステンレス等の金
属基板上にＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、液相法により
直接多結晶シリコン薄膜を形成する方法、あるいはＣＶ
Ｄ法、プラズマＣＶＤ法、蒸着法、スパッター法で非晶
質シリコン膜あるいは、小粒径の多結晶シリコン膜を形
成した後、レーザーあるいは赤外ランプ等で該シリコン
膜を溶融あるいは固相成長させ、多結晶シリコン薄膜を
形成する方法等が提案されている。これらの方法はスラ
イシング及びポリシング工程が不要のためコスト面で極
めて有利である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多結晶
シリコン薄膜の作製温度は通常室温よりかなり高いた
め、ガラス、金属等の異種の基板上に作製した後、室温
まで温度を下げる時に、熱膨張係数の違いのため、界面
において歪みが生じ、多結晶シリコン薄膜に欠陥が発生
する。この欠陥は、電荷の走行をさまたげ、再結合中心
として作用するために、太陽電池の光電変換効率が低下
するという問題がある。

【０００７】そこで、本発明は、多結晶シリコンの欠陥
を抑えて光電変換効率等の特性を改善した、低コストの
多結晶シリコンデバイスを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の多結晶シリコン
デバイスは、結晶シリコンとは異なる材料の基板上に多
結晶シリコンを堆積したデバイスにおいて、前記基板と
前記多結晶シリコンとの間に、ＺｎＯ層が存在すること
を特徴とする。

【０００９】さらには、前記多結晶シリコンにｐｎ接合
が形成されていることを特徴とする。

【００１０】本発明の多結晶シリコンデバイスの他の形
態は、前記ＺｎＯ層上に、ｎ型（あるいはｐ型）の伝導
型の多結晶シリコン層と、真性の伝導型を有する多結晶
シリコン層と、前記ｎ型（あるいはｐ型）の多結晶シリ
コン層とは反対の伝導型の半導体層が形成されているこ
とを特徴とする。

【００１１】本発明において、前記ＺｎＯ層の膜厚方向
の抵抗率が１０⁵Ω・ｃｍ以下であるのが好ましい。ま
た、本発明において、前記多結晶シリコンデバイスは太
陽電池であることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明によれば、ガラスあるいは金属等の基板
上に熱膨張係数の異なる多結晶シリコンからなるデバイ
スを作製する際、まずＺｎＯ膜を形成し、その上に多結
晶シリコン層を形成することにより、多結晶シリコン形
成時の温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の違い
により生じる応力歪みをＺｎＯ層が吸収するように働
き、応力歪に起因する欠陥の発生を抑えることが可能と
なる。その結果、例えば太陽電池の光電変換効率等のデ
バイス特性を向上させることが可能となる。

【００１３】以下に、本発明の構成を太陽電池を例に挙
げて説明する。

【００１４】図１は、本発明の太陽電池の一構成例であ
る。図において、１は基板、２は金属層、３はＺｎＯ
層、４は多結晶シリコン層、５は多結晶シリコン層４と
反対導電型の半導体層、６は集電電極、７は反射防止膜
である。

【００１５】基板１は、通常は金属、ガラスあるいは合
成樹脂等が使用され、太陽電池の構成物質の支持体とし
ての役割を果たす。

【００１６】基板が絶縁体で構成されている場合は、そ
の表面に電極の役割をする金属層２が形成されている。
金属層の形成には、通常の蒸着法、スパッタリング法、
印刷法、塗布法等が用いられる。基板が金属等導電材料
で形成されている場合は、基板を電極として兼用しても
良い。また、電極の抵抗を低くしたいとき、あるいは電
極で光を反射させ、多結晶シリコン層での光の吸収を促
進したい場合には、基板上に低抵抗率のＡｇ，Ａｌ等の
金属を単層あるいは積層して形成し、電極及び反射層と
すれば良い。

【００１７】ＺｎＯ層３は、熱膨張係数が結晶シリコン
に非常に近いため、熱による歪みの緩衝層としての役割
を果たしている。

【００１８】ＺｎＯ層は通常、ＤＣ、あるいはＲＦのス
パッタリングにより作製され、ターゲットとしてはＺｎ
Ｏ、あるいはＺｎの焼結体が用いられる。スパッタガス
としてはターゲットがＺｎＯのときは、Ａｒ，Ｈｅ，Ｏ
₂が用いられ、ターゲットがＺｎのときはＯ₂が用いられ
る。この層の抵抗、特に膜厚方向の抵抗は、電流を取り
出すときの直列抵抗として大きく作用するので、できる
限り低く抑えるのが好ましい。

【００１９】単位面積当たりの抵抗値として、好ましく
は５Ω／ｃｍ²以下になるように層の抵抗率及び膜厚の
上限が決定される。また膜厚の下限は、上記緩衝層とし
て機能するためには、５０Åが好ましく、より好ましく
は１００Å、最も好ましくは５００Åである。

【００２０】ＺｎＯ層３の抵抗率は作製条件によって決
まり、好ましい抵抗率は１０⁵Ω・ｃｍ以下である。こ
れ以下の抵抗率であるとＺｎＯの膜厚も５００Å以上に
設定でき、十分な熱歪みに対する緩衝層としての役割を
担い得る。

【００２１】ＺｎＯの結晶形は六方晶系であるため、特
に基板温度が３００℃以上で成膜すると、柱状の構造が
膜厚方向に並ぶ。このような膜は、膜厚方向には結晶粒
界のない構造のため、電気伝導度は高くなる。一方、横
方向には、多数の結晶粒界が存在するために、電気伝導
度は低くなる。例えば、３００℃以上で成膜した場合、
膜厚方向の導電率は１０^-1Ｓ／ｃｍ以上となり、膜厚が
１００μｍ以下の場合、膜厚方向の単位面積当たりの抵
抗は１０^-1Ω以下となり、実用上問題にはならない。但
し、更に低い抵抗値を要求する場合は、Ａｌ等のIII族
元素をドナーとして添加すれば良い。Ａｌ等の元素の添
加方法としては、ターゲットの中に例えばＡｌ₂Ｏ₃の形
でＺｎＯターゲットに加えることにより容易に行なえ
る。

【００２２】また、ＺｎＯ膜の厚さの下限は５０Åであ
り、結晶シリコン層中に熱歪みによる欠陥の発生を効果
的に抑えるには１００Å以上の膜厚が好ましい。

【００２３】ＺｎＯ層は結晶シリコンにほぼ等しい熱膨
張係数を有するため、ＺｎＯ層上に結晶シリコン層を積
層させた構造の膜を温度変化させても、ＺｎＯ層と結晶
シリコン層との間には熱膨張係数の違いに起因する歪み
がほとんど生じない。そのために高温で作製した結晶シ
リコン膜を、作製後室温に冷却しても欠陥の小さい膜を
得ることができる。

【００２４】一方、ガラス、金属等の基板とＺｎＯ膜の
間には、熱膨張係数には大きな違いがある。しかしなが
ら、ＺｎＯ膜と基板との熱膨張係数の違いにより、作製
温度から室温に冷却したときに生じる欠陥は、大きな問
題にはならない。その理由は、ＺｎＯ膜内にはＯの空孔
が多数存在し、強いｎ型になっており、フェルミレベル
が伝導帯側に寄っているため、熱的な過程で生じた欠陥
が自由電子によって埋められ、電荷のトラップとして寄
与しないためと考えられる。

【００２５】特に強いｎ型にするためには、III族のＡ
ｌ等の元素を添加すれば更に効果がある。

【００２６】多結晶シリコン層４は、光吸収を行い電荷
を発成させ、発電を行う層である。多結晶シリコン層の
厚さは、入射した光を吸収するのに十分な厚さを要す
る。あまり厚いと電荷の走行距離が増大し、外部へ取り
出せる電流及び電圧が減少する。また、コストを考えた
場合、層が厚くなると生産時間が長くなりまた材料の使
用量が増える分不利である。多結晶シリコン層４は、金
属反射層２との組み合わせにより、入射した光を効率よ
く吸収させることが可能となり、その結果、膜厚を薄く
することができる。好ましい膜厚は１μｍ以上５０μｍ
以下である。

【００２７】多結晶シリコン層４には、半導体層５との
間でｐｎ接合を形成するために価電制御用の不純物を導
入してある。伝導の型は、半導体層５と逆の伝導型にす
る必要がある。また、ＺｎＯ層３とは、接合をつくらな
いでオーミックな接触が得られるように同じ伝導型にす
るのが好ましい。即ち、ＺｎＯ層の伝導の型がｎ型であ
ることから、多結晶シリコン層４はｎ型とし、従って、
半導体層５はｐ型になる。

【００２８】本発明に使用する多結晶シリコン膜の作製
方法は、使用する基板によって種々の方法が適宜用いら
れる。代表的なものとして、例えば、原料ガス（ＳｉＨ
₄，ＳｉＣｌ₂Ｈ₂，Ｓｉ₂Ｆ₆，ＳｉＦ₂Ｈ₂等のガス）を
加熱した基板上で分解し、多結晶シリコン膜を得るＣＶ
Ｄ法；ＳｉＨ₄，ＳｉＦ₄等の原料ガスを多量にＨ₂した
雰囲気中で、ＲＦ，ＬＦ，ＶＨＦ，マイクロ波等の電力
を印加してプラズマ放電を起こし、堆積するプラズマ放
電法；Ｓｎ，Ｉｎ，Ｇａ等の金属溶媒中にＳｉを飽和状
態まで溶かし込み、基板の表面に金属溶媒が接するよう
に基板を金属溶媒中に挿入し、基板表面の溶媒温度が挿
入前に比べ多少低くなるように温度設定を行った状態
で、基板表面のＳｉの溶解を過飽和状態にして、基板表
面上に多結晶Ｓｉ膜を形成する液相法；等がある。

【００２９】価電子制御用の不純物の導入方法として
は、イオン打ち込み法や拡散法等、膜を堆積した後に多
結晶シリコン層に導入させる方法、成膜時に原料ガスあ
るいは溶媒の中に混合させ、堆積と共に不純物を導入さ
せる方法等があり、適宜用いられる。

【００３０】ｐｎ接合を形成したとき、空乏層が多結晶
シリコン層４全体に拡がるように不純物の導入量は多過
ぎても良くない。しかし少な過ぎると、直列抵抗成分が
大きくなるため、外部へ取り出すときに損失になってし
まう。そのため、一般的には多結晶シリコン層４の抵抗
率が０．１Ω・ｃｍ〜１００Ω・ｃｍの範囲になるよう
に不純物の導入量を調整する。

【００３１】半導体層５は、多結晶シリコン層４とｐｎ
接合を形成するための層である。

【００３２】多結晶シリコン層４とｐｎ接合を形成した
ときに、多結晶シリコン層４で光が吸収され、十分な電
荷を発生するためには、半導体層５の厚さは薄いのが好
ましい。望ましい厚さは２０００Å以下である。また多
結晶シリコン層４と開放電圧の大きいｐｎ接合を作るた
めには、III族の価電制御用の不純物が多量に導入する
必要があり、また導入された不純物により、ホールが効
率よく作られ、フェルミレベルが価電子帯側に十分に動
かされることが重要である。一般には、抵抗率が１Ω・
ｃｍ以下になるように、III族元素不純物が多量に導入
される。

【００３３】半導体層５としては、通常は非晶質シリコ
ン、非晶質シリコンカーバイト、多結晶シリコン、多結
晶シリコンカーバイトが適している。

【００３４】集電電極６は、半導体層５に集められた電
荷を外部回路に流すために用いられる。集電電極は、導
電率の高いＡｇ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属をグリッド状ある
いはくし形状に蒸着法、ペースト塗布法等で形成する
か、あるいはワイヤー状の金属を半導体層５の上に張り
付けることにより形成される。

【００３５】集電電極の巾は、できる限り細く、間隔は
広い方が多結晶シリコン層４に入射する光量が多くなり
望ましいが、逆にあまり巾を細く、間隔を広くすると直
列抵抗が高くなり、外部回路へ効率よく発生電荷を取り
出せなくなる。従って、通常は巾０．０２〜１ｍｍで間
隔１ｍｍ〜５ｃｍに選ばれる。実際の集電電極の巾、間
隔は半導体層５及び反射防止層７の表面抵抗の値によっ
て、適宜決められる。

【００３６】反射防止層７は、太陽電池セルに入射した
光が効率よく多結晶シリコン層４の中へ入射するよう
に、半導体層５の上に設けられる層である。通常金属酸
化物、例えばＩｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₂，ＴｉＯ₂，ＺｎＯ，Ｚ
ｒＯ等が用いられる。膜厚は、材料の屈折率を考慮し、
反射が最も小さくなるような厚さに設定される。

【００３７】なお、反射防止層に抵抗率の低い材料を用
い、その表面抵抗が半導体層５の表面抵抗より低いとき
は、集電電極６が反射防止層７の上に配置された構造で
も良い。

【００３８】図２に本発明の太陽電池の他の構成例を示
す。図１と異なる点はＺｎＯ層２３、多結晶シリコン層
２４、ｐ型半導体層２５でｐｉｎ接合を形成している点
にある。多結晶シリコン層２４には、価電制御用の不純
物は導入されていない。従ってフェルミ準位はバンドギ
ャップの中央付近にあり、真性の伝導を示す。この構成
は多結晶シリコン層において、少数電荷の拡散長が短
く、有効に光を吸収する程度に多結晶シリコン層を厚く
すると、拡散電流が十分とれないときに一般に用いられ
る。内部電界によるドリフトによって電流をとろうとす
る方法である。２１，２２，２６，２７はそれぞれ図１
の１，２，６，７に対応したものである。

【００３９】図３は本発明の太陽電池の他の構成例であ
る。図２と異なる点は、ＺｎＯ層３３の上に、ｎ型のＶ
族の価電制御用元素を導入した多結晶シリコン層３８を
形成し、その上に不純物を導入していない多結晶シリコ
ン層３４を形成し、その上にｐ型の伝導型のIII族の価
電制御用元素を導入した半導体層３５を形成してある。
半導体層３５を多結晶シリコンによって形成すれば、す
べて多結晶シリコンで形成されたｐｉｎ構造の太陽電池
になる。

【００４０】本構成は、ＺｎＯ膜３３の機能を熱的歪み
の緩衝層、多結晶シリコン層３８の機能をｐｉｎの接合
形成のドーピング層とし、機能を分離している点に特徴
がある。これにより、ＺｎＯ膜３３と多結晶シリコン層
３８との膜厚、不純物のドーピング量をそれぞれ独立に
最適な値に設定することが可能となる。従って、積層順
を逆にしたｎｉｐ構造としても良いことは言うまでもな
い。

【００４１】

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明をより詳細に
説明する。

【００４２】（実施例１）図１の構成の太陽電池を下記
の手順で作製した。

【００４３】厚さ１ｍｍ、面積５ｃｍ×５ｃｍのステン
レス基板をアセトン、イソプロピルアルコールで超音波
洗浄し、十分乾燥した後、スパッタリング装置に装着し
た。Ａｇターゲットを装着した装置内を十分に排気した
後、基板温度を３００℃にし、Ａｒを３０ｓｃｃｍ流し
て、０．２７Ｐａの圧力に調整した。続いて、５００Ｗ
のＤＣ電力を印加し、２０分で約２０００Åの厚さのＡ
ｇ膜の金属反射膜２を成膜した。

【００４４】次に、ＡｇターゲットをＺｎＯターゲット
に代え、基板温度を４００℃に上げ、Ａｒを３０ｓｃｃ
ｍ流して０．２７Ｐａの圧力に調整した。続いて、７０
０ＷのＤＣ電力を印加し、６０分でＺｎＯ膜を約１μｍ
成膜した。

【００４５】基板１を取り出し、図４に示すプラズマ成
膜装置の基板ホルダー５７上に設置した。以下本実施例
で用いたプラズマ成膜装置について記す。

【００４６】図４において、４１は真空チャンバー、４
２は真空排気管で、不図示のターボポンプ及びロータリ
ーポンプに接続され、真空チャンバー内を真空に排気す
る。４３は原料ガスの吹き出し口で、原料ガスの供給管
４４を通じて原料ガスが供給される。原料ガスの供給管
の途中には、圧縮空気で動作するバルブ４５が取り付け
られており、ポンプの停止等の非常時に原料ガスがチャ
ンバー内に導入されるのを防止している。原料ガスの供
給管４４には、それぞれのガスのマスフローコントロー
ラー４７〜５０が接続され、それぞれのガスが必要な流
量でチャンバーに供給される。また、本実施例で用いた
マスフローコントローラーは、圧電材料を流量制御用バ
ルブに用いたもので、応答速度は０．２秒程度である。
４７，４８，４９，５０はそれぞれＳｉＦ₄ガス，Ｈ₂ガ
ス，Ｈ₂で５％に希釈したＰＨ₃ガス、Ｈ₂で５％に希釈
したＢＦ₃ガスのマスフローコントローラーであり、５
２，５３，５４，５５はそれぞれのガスのそれぞれのマ
スフローコントローラーへのガス供給管で、不図示のガ
スボンベと接続されている。

【００４７】５６はプラズマ生起用の電極であり、マッ
チングボックス５８を介して１３．５６ＭＨｚの高周波
電源５９と接続されている。５７は基板ホルダーで、ア
ースに接続されている。原料ガスを流し、高周波電源５
９より高周波を印加すると、電極５６と基本ホルダー５
７との間でプラズマ放電が起こる。基本ホルダー５７の
表面には基板が取り付けられ、内部には加熱用ヒーター
６０と熱電対６１が取り付けられている。

【００４８】加熱ヒーター６０と熱電対６１のそれぞれ
のリード線は、温度コントローラー６２に接続され、基
板ホルダー５７は設定した温度に保たれる。６３はチャ
ンバー内の圧力を測定するための圧力計で、６４はチャ
ンバー内の圧力をコントロールするための圧力コントロ
ールバルブである。６５は圧力をコントロールするため
の制御系であり、これにより、原料ガスの流量が変化し
てもチャンバー内の圧力は設定された一定値に保たれ
る。

【００４９】まず、基板１を基板ホルダー５７に設置し
た後、チャンバー内を１×１０^-4Ｐａ以下に排気した。
その後、基板の温度を５５０℃に加熱した。ＳｉＦ₄ガ
スのマスフローコントローラー７よりＳｉＦ₄ガスを１
００ｓｃｃｍ、同様にＨ₂ガスを２０ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガス
で５％に希釈したＰＨ₃ガスを０．２ｓｃｃｍ流して、
チャンバー内の圧力を圧力コントローラーで５０Ｐａに
設定した。

【００５０】この状態で１３．５６ＭＨｚの高周波電力
３５０Ｗを電極５６に印加し、電極５６と基板ホルダー
５７との間にプラズマを生起した。ＳｉＦ₄とＨ₂ガスで
５％に希釈したＰＨ₃ガスは、各マスフローコントロー
ラーへの信号を制御することにより、５秒ごとに導入及
び遮断を繰り返し、チャンバー内に導入した。一方、Ｈ
₂ガスは常にチャンバーに２０ｓｃｃｍ導入した。その
結果、５秒ごとに膜の堆積とＨ₂プラズマ処理が行われ
ることとなり、結晶性の優れた多結晶シリコン膜を形成
することができた。

【００５１】以上を３時間繰り返し、ＺｎＯ膜３の上に
厚さ約１２μｍの多結晶シリコン層４を形成した。得ら
れた多結晶シリコンと同条件でガラス基板上に作製した
多結晶シリコンの抵抗率は５Ω・ｃｍであり、またＸ線
回折の結果から、（１１０）面が強く配向した多結晶シ
リコンであることが確認された。

【００５２】次に、基板温度は５５０℃に加熱したまま
チャンバー内を十分に真空排気した後、ＳｉＦ₄ガスを
２０ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガスを５ｓｃｃｍ、Ｈ₂で５％に希釈
したＢＦ₃ガスを０．４ｓｃｃｍ流して、チャンバー内
の圧力を５０Ｐａに設定した。高周波電源より１３．５
６ＭＨｚの高周波電力１００Ｗを印加した。ＳｉＦ₄ガ
スとＢＦ₃ガスは６０秒ごとに導入と遮断を繰り返し、
一方、Ｈ₂ガスは連続して導入した。この導入と遮断を
３回繰り返して、多結晶シリコン層４の上に厚さ２５０
Åのｐ型の多結晶Ｓｉ層を成膜した。

【００５３】なお、この層の評価は、膜厚が非常に薄い
ため、ガラス基板上に膜の堆積とＨ ₂プラズマ処理の繰
り返しを６０回行って成膜した試料を用いて行った。そ
の結果、暗抵抗率は０．０２Ω・ｃｍで、反射電子線回
折の結果は多結晶であった。

【００５４】以上のようにして、ステンレス基板１上に
Ａｇの反射膜２、ＺｎＯ膜３、ｎ型の非晶質シリコン層
４、ｐ型の多結晶シリコン層５を形成した。

【００５５】多結晶シリコンのｐｎ接合を形成した基板
をプラズマ成膜装置より取り出し、電子ビーム蒸着機の
中に取り付け、マスクを基板の表面に装着し、Ｃｒ／Ａ
ｇ／Ｃｒの三層構造で、巾０．１ｍｍ、間隔５ｍｍのく
し型集電電極を形成した。

【００５６】次に上記基板をスパッター装置に設置し、
１０Ｐａの酸素雰囲気中で、Ｉｎ₂Ｏ₃ターゲットを用い
てスパッターして、集電電極６の上に厚さ６５０Åの反
射防止層７を堆積した。

【００５７】このようにして、図１に示す構造の太陽電
池を作製した。以下、本発明の太陽電池１と呼ぶ。

【００５８】比較のために同じ作製手順で、ＺｎＯ膜の
堆積を省略した構造の太陽電池も作製した。以下、比較
太陽電池１と呼ぶ。

【００５９】作製した太陽電池の特性をＡＭ１．５シミ
ュレーター下で１００ｍＷ／ｃｍ²の光を照射し、Ｉ−
Ｖ特性を測定した。

【００６０】その結果、太陽電池１は、比較太陽電池１
に比べ電流が大きく、曲線因子も良好であった。また、
太陽電池１の光電変換効率は、比較太陽電池１に比べ、
約２５％程高い値となり、本発明により優れた光電変換
特性が得られることが分かった。

【００６１】また、長時間（約１００時間）連続してＡ
Ｍ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ²の光を照射しても、特性
の変化はいずれの太陽電池においても観られなかった。

【００６２】次に、太陽電池１及び比較太陽電池１と同
じ作製条件で、石英基板上にＺｎＯ膜及び多結晶シリコ
ンを積層した試料、及び石英基板上に多結晶シリコンの
みを積層した試料を作製し、セコエッチング（ＨＦの５
０％液１００ｃｃと重クロム酸カリウムの０．１５モル
％水溶液５０ｃｃを混合させたエッチング液によるエッ
チング）を行って欠陥を顕在化させ、膜の表面を走査型
電子顕微鏡で観察したところ、ＺｎＯ膜を形成せずに基
板上に直接多結晶シリコンを堆積した試料の欠陥密度
は、ＺｎＯ膜を基板と多結晶シリコン膜との間に堆積さ
せた試料の欠陥密度に比べ、１桁以上大きくなることが
分かった。

【００６３】（実施例２）図２及び図３の構造の太陽電
池を下記の手順で作製した。

【００６４】図２に示す太陽電池の場合、まず、実施例
１と同様に、ステンレス基板上にＡｇ膜をスパッタリン
グで堆積した後、ＺｎＯにＡｌ₂Ｏ₃を０．２％含んだタ
ーゲットを用い、実施例１と同様の条件でＡｌを含んだ
ＺｎＯ膜を約１μｍ成膜した。

【００６５】この試料を図４のプラズマ装置に設置し、
十分真空排気した後、多結晶シリコン層２４を堆積し
た。多結晶シリコン層２４を作製するときには、ＰＨ₃
ガスの導入は行わずに、また膜厚は２μｍになるように
堆積時間は３０分とした。その他の条件は実施例１と同
様にした。その後、実施例１と同様の手順でｐ型の多結
晶シリコン層２５、秀殿電極２６、反射防止層２７を形
成した。このような手順で作製した太陽電池を太陽電池
２と呼ぶ。

【００６６】図３の構造の太陽電池は、太陽電池２と同
様にして、ＡｌをドープしたＺｎＯを堆積した後、基板
を図４のプラズマチャンバーに移し、十分にチャンバー
内を真空排気し、基板温度を５５０℃にした。その後、
ＳｉＦ₄ガスを２０ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガスを５ｓｃｃｍ、Ｈ
₂で５％に希釈したＰＨ₃ガスを０．４ｓｃｃｍ流して、
チャンバー内の圧力を５０Ｐａに設定した。高周波電源
より、１３．５６ＭＨｚの高周波電力１００Ｗを電極５
６に印加した。ＳｉＦ₄ガスとＰＨ₃ガスは６０秒ごとに
導入と遮断を繰り返し、一方Ｈ₂ガスは連続して導入し
た。この導入と遮断を６回繰り返し、基板３１のＺｎＯ
膜３１の上に、厚さ５００Åのｎ型の多結晶シリコン層
３８を成膜した。

【００６７】なお、この層の評価は、膜厚が非常に薄い
ため、ガラス基板上に膜の堆積とＨ ₂プラズマ処理の繰
り返しを６０回行って成膜した試料を用いて行った。そ
の結果、暗抵抗率は０．０１Ω・ｃｍで、また反射電子
線回折の結果、多結晶シリコンであった。

【００６８】その後、太陽電池２と同様の手順にて、図
３の構造の太陽電池を作製した。

【００６９】以下、上記の手順で作製した構造の太陽電
池を太陽電池３と呼ぶ。比較のために、ＺｎＯ膜３３の
作製過程を省略した以外は、太陽電池３と同じ手順で太
陽電池を作製した。以下、この太陽電池を比較太陽電池
２と呼ぶ。

【００７０】以上のようにして作製した太陽電池を、Ａ
Ｍ１．５シミュレーター下で、１００ｍＷ／ｃｍ²の光
を照射し、Ｉ−Ｖ特性を測定した。その結果、太陽電池
２及び３いずれも比較太陽電池２に比べ、電流が大き
く、曲線因子も良好であった。また、太陽電池２及び３
の光電変換効率は、それぞれ比較太陽電池２の１．０５
倍、１．１８倍と優れた値を示した。

【００７１】また、長時間（約１００時間）連続してＡ
Ｍ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ²の光を照射しても特性の
変化はいずれの太陽電池においても観られなかった。

【００７２】（実施例３）図１の構造の太陽電池を下記
の手順で作製した。厚さ１ｍｍ、面積５ｃｍ×５ｃｍの
石英基板をアセトン、イソプロピルアルコールで洗浄
し、十分乾燥した後、スパッタリング装置に装着した。
Ａｇターゲットを取り付けた装置内を十分に排気した
後、基板温度を３００℃にし、Ａｒを３０ｓｃｃｍ流し
て、０．２７Ｐａの圧力に調整した。続いて、５００Ｗ
のＤＣ電力を印加し、２０分で約２０００Åの厚さのＡ
ｇ膜の金属反射膜２を成膜した。本実施例では、反射層
２は電極を兼ねている。

【００７３】次に、ＡｇターゲットをＺｎＯターゲット
に代え、基板温度を４００℃に上げ、Ａｒを３０ｓｃｃ
ｍ流し、０．２７Ｐａの圧力に調整した、続いて、７０
０ＷのＤＣ電力を印加し、６０分で約１μｍの厚さのＺ
ｎＯ膜３を成膜した。

【００７４】次に、スパッタリング成膜装置より取り出
し、図５のＣＶＤ成膜装置に装着した。

【００７５】図５は本実施例に使用したＣＶＤ成膜装置
である。５００はＣＶＤ成膜装置のチャンバー、５０１
は基板を支持するためのホルダー、５０２は基板ホルダ
ーを加熱するためのヒーター、５０３は基板ホルダーの
温度をモニターするための熱電対である。ヒーター５０
２及び熱電対５０３は、温度コントローラー５０７に接
続されており、これにより基板ホルダーは設定した温度
に保たれる。５０４は石英の反応管であり、その内部を
流れるガスを赤外ランプヒーター５０５により加熱でき
る構造になっている。５０６は反応管内の温度をモニタ
ーするための熱電対である。赤外ランプヒーター５０５
及び熱電対５０６は温度コントローラー５０８に接続さ
れ、反応管５０４内の温度がコントロールされる構造に
なっている。５２０は赤外ランプの光を反応管内部に集
光する反射板である。

【００７６】５１０は原料ガス吹き出し用ノズルであ
る。ガス導入管５１１より導入された原料ガスはノズル
５１０からチャンバー内に吹き出し、反応管５０４内で
ヒーター５０５で加熱され、分解され堆積膜用形成ラジ
カルとなって基板に衝突し、堆積する。未分解のガス
は、不図示の真空排気装置により、チャンバー５００内
より排出される。５０９はチャンバー内の圧力を測定す
るための圧力計である。圧力計５０９からの信号が圧力
コントローラー５１８に接続されており、圧力コントロ
ーラーからの出力により、圧力コントロールバルブ５１
９の開閉状態が制御され、チャンバー５００内の圧力が
設定した圧力に保たれる。５１４はＳｉＨ₄ガス用のマ
スフローコントローラーで、不図示のＳｉＨ₄ガスボン
ベより供給されるＳｉＨ₄ガスの流量を制御する。５１
２、５１６はバルブで、それぞれ、ガスボンベとマスフ
ローコントローラー及びマスフローコントローラーとガ
ス導入管との間のガスの流れの開閉を行う。

【００７７】５１５はＨ₂ガスで５％に希釈されたＰＨ₃
ガス用のマスフローコントローラーで、５１３、５１７
はバルブである。５１８はＨ₂ガスで５％に希釈された
Ｂ₂Ｈ ₆ガス用のマスフローコントローラーで、５１９、
５２０はバルブである。５２１はＨ₂ガス用のマスフロ
ーコントローラーで、５２２、５２３はバルブである。

【００７８】図５の装置において、ＳｉＨ₄ガスを５０
ｓｃｃｍ、Ｈ₂で５％に希釈したＰＨ ₃ガスを０．２ｓｃ
ｃｍ、Ｈ₂ガスを１００ｓｃｃｍ流した。チャンバー５
００内の圧力を圧力コントローラー５１８により１００
Ｐａに設定、制御した。

【００７９】赤外ランプヒーター５０５により、原料ガ
スであるＳｉＨ₄ガスとＰＨ₃ガスを８００℃に加熱して
分解した。分解された原料ガス、すなわちラジカルは、
５５０℃に加熱した基板上に堆積した。この状態を３時
間保ち、ＺｎＯ膜３の上に、厚さ約１５μｍの多結晶シ
リコン層４を形成した。

【００８０】得られた試料と同条件で、石英基板のみの
上に作製した膜の暗抵抗率を測定したところ、４Ω・ｃ
ｍとなり、また、Ｘ線回折の結果、（１１０）面が強く
配向した多結晶シリコンであることが分かった。

【００８１】次に、基板温度を５５０℃に保ったまま、
チャンバー内を十分に真空排気した後、ＳｉＨ₄ガスを
１０ｓｃｃｍ、Ｈ₂で５％に希釈したＢ₂Ｈ₆ガスを０．
２ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガスを１ｓｌｍ流した。チャンバー５
００内の圧力を圧力コントローラー５１８により１００
Ｐａに設定、制御した。

【００８２】赤外ランプヒーター５０５により、原料ガ
スであるＳｉＨ₄ガスとＢ₂Ｈ₆ガスを６５０℃に加熱し
て分解した。この状態を３０分保ち、厚さ２６０Åのｐ
型の多結晶シリコン層を成膜した。なお、この層の特性
評価は、膜厚が非常に薄いため、石英のみの基板上に同
じ成膜条件で８時間成膜した膜厚４０００Åの試料を用
いて行った。この結果、暗抵抗率は０．０５Ω・ｃｍで
あった。

【００８３】以上のようにした、ステンレス基板１上に
Ａｇの反射膜２、ＺｎＯ膜３、ｎ型の多結晶シリコン層
４、ｐ型の多結晶シリコン層５を形成した。

【００８４】多結晶シリコンのｐｎ接合を形成した基板
をＣＶＤ成膜装置より取り出し、電子ビーム蒸着機の中
に設置し、マスクを基板の表面に装着して、Ｃｒ／Ａｇ
／Ｃｒの三層構造で巾０．１ｍｍ、間隔５ｍｍのくし型
集電電極を形成した。

【００８５】次に上記基板をスパッター装置に設置し、
１０Ｐａの酸素雰囲気中で、Ｉｎ₂Ｏ₃ターゲットを用い
てスパッターを行い、集電電極６の上に厚さ６５０Åの
反射防止層を堆積した。

【００８６】このようにして、図１に示す構造の太陽電
池を作製した。以下、太陽電池４と呼ぶ。

【００８７】比較のために同じ作製手順で、ＺｎＯ膜の
堆積を省略した構造の太陽電池も作製した。以下、比較
太陽電池３と呼ぶ。

【００８８】作製した太陽電池の特性をＡＭ１．５シミ
ュレーター下で１００ｍＷ／ｃｍ²の光を照射し、Ｉ−
Ｖ特性を測定した。

【００８９】その結果、太陽電池４は、比較太陽電池３
に比べ電流が大きく、曲線因子も良好であった。また、
太陽電池４の光電変換効率は比較太陽電池３に比べ、約
２０％程高い値となった。

【００９０】また、長時間（１００時間）連続してＡＭ
１．５、１００ｍＷ／ｃｍ²の光を照射しても、特性の
変化はいずれの太陽電池においても観られなかった。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように、ガラス、あるいは
金属等の結晶シリコンと熱膨張係数の大きく異なる基板
上に、多結晶シリコン層を形成する際に、多結晶シリコ
ン成膜前に、まずＺｎＯ膜を形成することにより、多結
晶シリコン形成時の温度から室温に冷却する時に、熱膨
張係数の違いにより生じる応力歪みに起因する欠陥の発
生を抑えることが可能となる。

【００９２】従って、本発明により、光電変換効率の極
めて優れた太陽電池その他の光電変換素子、並びに高特
性のスイッチング素子等の多結晶シリコンデバイスを低
コストで提供することが可能となる。

【図面の簡単の説明】

【図１】本発明の太陽電池の一構成例を示す概念図であ
る。

【図２】本発明の太陽電池の他の構成例を示す概念図で
ある。

【図３】本発明の太陽電池の他の構成例を示す概念図で
ある。

【図４】本発明の実施例で用いた多結晶シリコンデバイ
スの作製に適したプラズマＣＶＤ成膜装置の概念図であ
る。

【図５】実施例３で用いた多結晶シリコン膜を作製する
ためのＣＶＤ成膜装置の概念図である。

【符号の説明】

１、２１、３１基板、２金属反射膜、３ＺｎＯ膜、４多結晶シリコン膜、５多結晶シリコン膜（シリコン層４と反対伝導型）、６、２６、３６集電電極、７、２７、３７反射防止膜、２２、３２反射膜、２３、３３ＡｌをドープしたＺｎＯ膜、２４、３４ｉ型の多結晶シリコン膜、２５、３５ｐ型の多結晶シリコン膜、３８ｎ型の多結晶シリコン膜、４１プラズマＣＶＤ成膜用真空チャンバー、４２真空排気管、４３原料ガスの吹き出し管、４４原料ガスの供給管、４５真空バルブ、４７〜５０マスフローコントローラー５１〜５５ガス供給管、５６電極、５７基板ホルダー、５８マッチングボックス、５９高周波電源、６０ヒーター、６１熱電対、６２温度コントローラー、６３圧力計、６４圧力コントロールバルブ、６５圧力コントローラー、５００ＣＶＤ成膜装置真空チャンバー、５０１基板ホルダー、５０２ヒーター、５０３熱電対、５０４反応管、５０５赤外ランプヒーター、５０６熱電対、５０７、５０８温度コントローラー、５０９圧力計、５１０ガス吹き出し用ノズル、５１１ガス導入管、５１２、５１３、５１６、５１７、５１９、５２０、５
２２、５２３真空バルブ、５１４、５１４、５１８、５２１マスフローコントロ
ーラー、５１８圧力コントローラー、５１９圧力コントロールバルブ、５２０赤外光反射板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶シリコンとは異なる材料の基板上に
多結晶シリコンを堆積したデバイスにおいて、前記基板
と前記多結晶シリコンとの間に、ＺｎＯ層が存在するこ
とを特徴とする多結晶シリコンデバイス。
【請求項２】前記多結晶シリコンにｐｎ接合が形成さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリ
コンデバイス。
【請求項３】前記ＺｎＯ層上に、ｎ型（あるいはｐ
型）の伝導型の多結晶シリコン層と、真性の伝導型を有
する多結晶シリコン層と、前記ｎ型（あるいはｐ型）の
多結晶シリコン層とは反対の伝導型の半導体層が形成さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリ
コンデバイス。
【請求項４】ＺｎＯ層の膜厚方向の抵抗率が１０⁵Ω
・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいず
れか１項に記載の多結晶シリコンデバイス。
【請求項５】前記多結晶シリコンデバイスは太陽電池
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に
記載の多結晶シリコンデバイス。