(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と、この透明基板上に形成された透明電極と、この透明電極上に形成されたｐ層と、このｐ層上に順次形成された、ｉ層初期膜、高速成膜されたｉ層バルク膜、及びｉ層後期膜を有したｉ層と、このｉ層上に形成されたｎ層と、このｎ層上に形成された金属電極とを具備し、該ｉ層初期膜は、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成され、その膜厚が５〜５０ｎｍの範囲であり、その欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、前記ｉ層後期膜は、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成され、前記ｉ層バルク膜の膜厚方向の亀裂発生を抑制するように設けられており、その欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、その表面粗さが２００〜３００ｎｍの範囲であることを特徴とする非晶質シリコン太陽電池。
【請求項２】
透明基板上に透明電極を形成する工程と、この透明電極上にｐ層を形成する工程と、このｐ層上に成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成されるｉ層初期膜、高速成膜されるｉ層バルク膜、及び該ｉ層バルク膜の膜厚方向の亀裂発生を抑制するように設け、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成されるｉ層後期膜を有したｉ層を形成する工程と、このｉ層上にｎ層を形成する工程と、このｎ層上に金属電極を形成する工程とを具備し、前記ｉ層初期膜の膜厚が５〜５０ｎｍの範囲であり、その欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、前記ｉ層後期膜の欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、その表面粗さが２００〜３００ｎｍの範囲であることを特徴とする非晶質シリコン太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に太陽電池発電システムで使用される非晶質シリコン太陽電池及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ｐｉｎ型ａ−Ｓｉ太陽電池としては、図３に示す構成のものが知られている（特公平５−１０８３５号）。
図中の符番１はガラス基板（又は透明フィルム）である。このガラス基板１上には、ＳｎＯ2 からなる透明電極２が形成されている。ここで、透明電極２の表面Ｓは、光閉じ込め効果を向上させる目的でヘイズ率１０％程度の凹凸を有している。この透明電極２上には、ｐ層３，ｉ層４及びｎ層５からなる非晶質シリコン層６がプラズマＣＶＤ法により形成されている。この非晶質シリコン層６上には、真空蒸着などの手段により金属電極７が形成されている。
【０００３】
こうした構成の太陽電池において、光はガラス基板１側から入射された後、透明電極２，ｐ層３を通過してｉ層４に達し、このｉ層４で光エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【０００４】
ところで、上記太陽電池において、生産性向上による低コスト化を図るためには、最も膜厚の厚いｉ層４の高速成膜化が必須である。そして、非晶質シリコン成膜方法であるプラズマＣＶＤ法において成膜速度を増大させるには高周波電力を増大させ、プラズマ密度を高める方法が最も一般的かつ直接的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の太陽電池によれば、下記の問題点を有していた。
(1) 高速成膜のためにプラズマを発生させる高周波電力を増大させると、プラズマ中のイオンエネルギーも増大する。ｉ層４成膜初期に高エネルギーイオンがｐ層３／ｉ層４界面に衝突すると、欠陥準位を生じ、キャリア再結合損失が増大するため、短絡電流が増大する。
【０００６】
(2) 高速成膜したｉ層４は表面の凹凸が大きいため、ｉ層４とｎ層５の密着性が低下し、隙間を生じ、電池としての有効面積が減少する。
【０００７】
(3) 凹凸を有する透明電極２上に高速でａ−Ｓｉ太陽電池を構成すると、透明電極２を構成する結晶粒間の谷からｉ層５の膜厚方向に微細な亀裂が生じ、キャリアの再結合中心となるため短絡電流が低下する。
【０００８】
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、透明電極上のｐ層上に低欠陥密度のｉ層初期膜及びｉ層バルク膜からなるｉ層を設けることにより、ｐ層／ｉ層界面付近の欠陥準位を低減させ、短波長感度を改善して短絡電流を増大しえる非晶質シリコン太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、透明電極上のｐ層上にｉ層バルク膜及び低欠陥で表面被覆性に優れたｉ層後期膜を有するｉ層を設けることにより、ｉ層／ｎ層界面の密着性を向上し、長波長感度を改善して短絡電流を増大しえるとともに、ｎ層も膜厚分布を改善しｉ層内の内部電界の均一性を向上して開放電圧を増大しえる非晶質シリコン太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
更に、本発明は、透明電極上のｐ層上に低欠陥密度のｉ層初期膜及び低欠陥で表面被覆性に優れたｉ層後期膜を設けることにより、ｉ層の膜厚方向の亀裂発生を抑制し、ｉ層内でのキャリア再結合を低減し、短絡電流を増大しえる非晶質シリコン太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願第１の発明は、透明基板と、この透明基板上に形成された透明電極と、この透明電極上に形成されたｐ層と、このｐ層上に順次形成された、ｉ層初期膜、高速成膜されたｉ層バルク膜、及びｉ層後期膜を有したｉ層と、このｉ層上に形成されたｎ層と、このｎ層上に形成された金属電極とを具備し、該ｉ層初期膜は、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成され、その膜厚が５〜５０ｎｍの範囲であり、その欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、前記ｉ層後期膜は、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成され、前記ｉ層バルク膜の膜厚方向の亀裂発生を抑制するように設けられており、その欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、その表面粗さが２００〜３００ｎｍの範囲であることを特徴とする非晶質シリコン太陽電池である。
【００１５】
本願第２の発明は、透明基板上に透明電極を形成する工程と、この透明電極上にｐ層を形成する工程と、このｐ層上に成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成されるｉ層初期膜、高速成膜されるｉ層バルク膜、及び該ｉ層バルク膜の膜厚方向の亀裂発生を抑制するように設け、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成されるｉ層後期膜を有したｉ層を形成する工程と、このｉ層上にｎ層を形成する工程と、このｎ層上に金属電極を形成する工程とを具備し、前記ｉ層初期膜の膜厚が５〜５０ｎｍの範囲であり、その欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、前記ｉ層後期膜の欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、その表面粗さが２００〜３００ｎｍの範囲であることを特徴とする非晶質シリコン太陽電池の製造方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例に係る非晶質シリコン太陽電池について図１を参照して説明する。
図中の符号１１は、透明基板としてのガラス基板を示す。このガラス基板１１上には、酸化スズからなる表面粗さ４００〜５００ｎｍの透明電極１２が形成されている。この透明電極１２上には、ｐ層１３と、バッファ層１４と、膜厚５〜５０ｎｍのｉ層初期膜１５と、ｉ層バルク膜１６と、膜厚１０〜５０ｎｍのｉ層後期膜１７と、ｎ層１８からなる非晶質シリコン層１９が形成されている。
【００１７】
なお、ｉ層初期膜１５の膜厚が５ｎｍ未満の場合、ｐ層／ｉ層界面特性を改善する効果が小さい。一方、ｉ層初期膜１５の膜厚が５０ｎｍを超えると、ｐ層／ｉ層界面特性を改善する効果は飽和する。また、ｉ層後期膜１７の膜厚が５ｎｍ未満の場合、ｉ層／ｎ層界面特性を改善する効果が小さい。一方、ｉ層後期膜１７の膜厚が５０ｎｍを超えると、ｉ層／ｎ層界面特性を改善する効果は飽和する。
【００１８】
前記ｉ層初期膜１５の欠陥密度は、８×１０14個／ｃｃ以下である。ここで、ｉ層初期膜１５の欠陥密度が８×１０14個／ｃｃを超えると、ｉ層初期膜としてのｐ層／ｉ層界面特性を改善する効果が低減する。前記ｉ層後期膜１７の欠陥密度は、８×１０14個／ｃｃ以下である。ここで、ｉ層後期膜１７の欠陥密度が８×１０14個／ｃｃを超えると、ｉ層後期膜としてのｉ層／ｎ層界面特性を改善する効果が低減する。前記非晶質シリコン層１９上には、Ａｌからなる金属電極２０が形成されている。
【００１９】
上記した構成の非晶質シリコン太陽電池は、図２に示す製造装置を用いて形成される。図中の符番２１は反応容器であり、内部に基板加熱用ヒータ２２，アース線２３に接続された放電用電極２４が対向して配置されている。前記放電用電極２４には、高周波電源２５がインピーダンス整合器２６を介して接続されている。前記基板加熱用ヒータ２２には、基板２７が支持されている。この基板２７と前記放電用電極２４間には、製膜表面ヒータ用電源２８に接続されたメッシュ状の製膜表面ヒータ２９が配置されている。前記反応容器２１には、放電用電極２４周辺に反応ガスを導入する反応ガス導入管３０が接続されている。また、前記反応容器２１には、排気管３１を介して真空ポンプ３２が接続されている。
【００２０】
次に、図２の製造装置を用いて図１の非晶質シリコン太陽電池を製造する方法について説明する。
まず、ガラス基板１１上に透明電極１２を形成した。つづいて、この透明電極１２上に、ｐ層１３と，バッファ層１４と，膜厚５〜５０ｎｍのｉ層初期膜１５と，ｉ層バルク膜１６と，膜厚１０〜５０ｎｍのｉ層後期膜１７と，ｎ層１８からなる非晶質シリコン層１９を形成した。前記ｉ層初期膜１５の形成に際しては、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓ，製膜表面ヒータ電力１５０〜２００Ｗ，放電周波数２７〜１００ＭＨｚの少なくともいずれかの条件を満たしながら、欠陥密度８×１０14個／ｃｃ以下とした。また、ｉ層バルク膜１６は、ｉ層初期膜１５を形成後、放電を維持したまま形成した。さらに、ｉ層後期膜１７はｉ層バルク膜１６を形成後、放電を維持したまま形成した。
【００２１】
ｉ層初期膜１５の成膜速度を上記のように設定したのは、０．１ｎｍ／ｓ未満では、放電が不安定となって品質の安定した太陽電池の製造が困難になるからであり、０．４ｎｍ／ｓを超えると、欠陥密度の小さい高品質膜が得られないため、ｉ層初期膜としてのｐ層／ｉ層界面特性の改善効果が小さいからである。
【００２２】
製膜表面ヒータ電力を上記のように設定したのは、次の理由による。即ち、電力が１５０Ｗ未満の場合、ラジカルに与えるエネルギーが小さいため、ラジカルの表面拡散が不十分となり、低欠陥密度膜が得られず、ｉ層初期膜としてのｐ層／ｉ層界面特性の改善効果が小さい。一方、電力が２００Ｗを超えると、基板が高温となるため、透明電極１２からｐ層１３、ｐ層１３からｉ層初期膜１５への不純物拡散が顕著になり、ｐ層１３及びｉ層初期膜１５の膜質が低下するからである。
【００２３】
放電周波数を上記のように設定したのは、次の理由による。即ち、放電周波数が２７ＭＨｚ未満の場合、プラズマの高周波数化に伴う電子温度低下の効果が小さいため、低欠陥密度膜が得られず、ｉ層初期膜としてのｐ層／ｉ層初期膜としてのｐ層／ｉ層界面特性の改善効果が小さい。一方、放電周波数が１００ＭＨｚを超えると、放電が局所的となり、均一なプラズマが得られないため、太陽電池特性がばらつく。
【００２４】
前記ｉ層後期膜１７の形成に際しては、ｉ層バルク膜１６の形成後、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓ，製膜表面ヒータ電力１５０〜２００Ｗ，放電周波数２７〜１００ＭＨｚの少なくともいずれかの条件を満たしながら、欠陥密度８×１０14個／ｃｃ以下とした。また、ｉ層後期膜１７の表面粗さは２００〜３００ｎｍとした。
【００２５】
ｉ層後期膜１７の成膜速度を上記の設定したのは、０．１ｎｍ／ｓ未満では、放電が不安定となって品質の安定した太陽電池の製造が困難になるからであり、０．４ｎｍ／ｓを超えると、欠陥密度の小さい高品質膜が得られないため、ｉ層後期膜としてのｉ層／ｎ層界面特性の改善効果が小さいからである。
【００２６】
ｉ層後期膜１７を形成する際の製膜表面ヒータ電力を上記のように設定したのは、次の理由による。即ち、電力が１５０Ｗ未満の場合、ラジカルに与えるエネルギーが小さいため、ラジカルの表面拡散が不十分となり、低欠陥密度膜が得られず、ｉ層後期膜としてのｉ層／ｎ層界面特性の改善効果が小さい。一方、電力が２００Ｗを超えると、基板が高温となるため、既に積層した層間の不純物拡散が顕著になるとともに最表面層であるｉ層１６の熱的変質が生じるからである。
【００２７】
ｉ層後期膜１７を形成する際の放電周波数を上記のように設定したのは、次の理由による。即ち、放電周波数が２７ＭＨｚ未満の場合、プラズマの高周波数化に伴う電子温度低下の効果が小さいため、低欠陥密度膜が得られず、ｉ層後期膜１７としてのｉ層／ｎ層界面特性の改善効果が小さい。一方、放電周波数が１００ＭＨｚを超えると、放電が局所的となり、均一なプラズマが得られないため、太陽電池特性がばらつくからである。
【００２８】
ｉ層後期膜１７の表面粗さを上記のように設定したのは、次の理由による。４００から５００ｎｍの表面粗さを有する透明電極１２上にｉ層を積層するが、ｉ層高速成膜条件であること及びｉ層の表面粗さが透明電極１２の影響を受けるため、その上に積層するｉ層後期膜１７の表面粗さは基本的には２００ｎｍ以下未満に制御することは困難である。一方、ｉ層後期膜１７の表面粗さが３００ｎｍを超えた場合、ｎ層１８との密着性が低下し、隙間が多くなるため発電有効面積が減少する。
【００２９】
図４は、ｉ層初期膜〜ｉ層後期膜における成膜速度と時間の関係を示す特性図を示す。図４において、Ｔ1 はｉ層初期膜１５形成時間を、Ｔ2 及びＴ4 は移行膜形成時間を、Ｔ3 はｉ層バルク膜１６形成時間を、Ｔ5 はｉ層後期膜１７形成時間を示す。
【００３０】
図５は、ｉ層初期膜〜ｉ層後期膜における製膜表面ヒータ電力と時間の関係を示す特性図を示す。図５において、Ｔ1 はｉ層初期膜１５形成時間を、Ｔ2 はｉ層バルク膜１６形成時間を、Ｔ3 はｉ層後期膜１７形成時間を示す。
【００３１】
図６は、ｉ層初期膜〜ｉ層後期膜における放電周波数と時間の関係を示す特性図を示す。図６において、Ｔ1 はｉ層初期膜１５形成時間を、Ｔ2 はｉ層バルク膜１６形成時間を、Ｔ3 はｉ層後期膜１７形成時間を示す。
【００３２】
このようにして製造される非晶質シリコン太陽電池によれば、以下に述べる効果を有する。
1)低欠陥密度のｉ層初期膜１５をｐ層１３上にバッファ層１４を介して設けることにより、ｐ層１３／ｉ層バルク膜１６界面付近の欠陥準位が低減し、短波長感度を改善でき、短絡電流を増大できる。
【００３３】
2)低欠陥で表面被覆性に優れたｉ層後期膜１７をｉ層バルク膜１６上に設けることにより、ｉ層バルク膜１６／ｎ層１８界面の密着性を向上できる。その結果、長波長が改善され、短絡電流を増大できる。また、ｎ層１８の膜厚分布が改善され、ｉ層バルク膜１６内の内部電界の均一性が向上するため、開放電圧が増大する。
【００３４】
3)低欠陥密度のｉ層初期膜１５及び低欠陥で表面被覆性に優れたｉ層後期膜１７を設けることにより、ｉ層バルク膜１６の亀裂発生が抑制されるため、ｉ層バルク膜１６内でのキャリア再結合が向上低減し、短絡電流が増大する。
【００３５】
事実、ｉ層初期膜及びｉ層後期膜のいずれも設けない場合（比較例）の効率を１００とした場合、既述したような条件下でｉ層初期膜を設けた場合、ｉ層後期膜を設けた場合、ｉ層初期膜及びｉ層後期膜の両者を設けた場合の夫々の効率は、１１５、１２０、１２０であることが判明した。これにより、本発明に寄る効果が確認できた。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、透明基板と、この透明基板上に形成された透明電極と、この透明電極上に形成されたｐ層と、このｐ層上に順次形成された、ｉ層初期膜、高速成膜されたｉ層バルク膜、及びｉ層後期膜を有したｉ層と、このｉ層上に形成されたｎ層と、このｎ層上に形成された金属電極とを具備し、該ｉ層初期膜は、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成され、その膜厚が５〜５０ｎｍの範囲であり、その欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、前記ｉ層後期膜は、成膜速度０．１〜０．４ｎｍ／ｓで形成され、前記ｉ層バルク膜の膜厚方向の亀裂発生を抑制するように設けられており、その欠陥密度が８×１０１４個／ｃｃ以下であり、その表面粗さが２００〜３００ｎｍの範囲であることにより、ｐ層／ｉ層界面付近の欠陥準位を低減させて短波長感度を改善し、ｉ層／ｎ層界面の密着性を向上させて長波長感度を改善し、ｉ層の膜厚方向の亀裂発生を抑制してi層内でのキャリア再結合を低減し、短絡電流を増大しえる非晶質シリコン太陽電池及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る非晶質シリコン太陽電池の断面図。
【図２】図１の非晶質シリコン太陽電池の製造に用いた製造装置の説明図。
【図３】従来の非晶質シリコン太陽電池の断面図。
【図４】図１の非晶質シリコン太陽電池において、ｉ層初期膜〜ｉ層後期膜の成膜における成膜速度の特性図。
【図５】図１の非晶質シリコン太陽電池において、ｉ層初期膜〜ｉ層後期膜の成膜におけるラジカルヒータ電力の特性図。
【図６】図１の非晶質シリコン太陽電池において、ｉ層初期膜〜ｉ層後期膜の成膜に
おける放電周波数の特性図。
【符号の説明】
１１…ガラス基板、
１２…透明電極、
１３…ｐ層、
１４…バッファ層、
１５…ｉ層初期膜、
１６…ｉ層バルク膜、
１７…ｉ層後期膜、
１８…ｎ層、
１９…非晶質シリコン層、
２０…金属電極、
２１…真空容器、
２２…基板加熱用ヒータ、
２３…アース線、
２４…放電用電極、
２５…高周波電源、
２６…インピーダンス整合器、
２７…基板、
２８…製膜表面ヒータ用電源、
２９…製膜表面ヒータ、
３０…ガス導入管、
３１…排気管、
３２…真空ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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