(57)【要約】【課題】アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比の高い微結晶シリコン層を短時間で形成することができ、製造時間の短期化を図ることのできる太陽電池の製造方法及び太陽電池を提供する。【解決手段】ガラス基板にアモルファスシリコン層を形成する工程と、前記アモルファスシリコン層に積層するように、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比が所定値より少ない微結晶シリコン層を形成する工程と、アモルファスシリコンより微結晶シリコンの吸収係数が高い所定波長域の光を照射し、前記微結晶シリコン層を加熱して結晶化を行い、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比を前記所定値とする結晶化工程と、を具備する太陽電池の製造方法。【選択図】図２
2012015412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板にアモルファスシリコン層を形成する工程と、
前記アモルファスシリコン層に積層するように、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比が所定値より少ない微結晶シリコン層を形成する工程と、
アモルファスシリコンより微結晶シリコンの吸収係数が高い所定波長域の光を照射し、前記微結晶シリコン層を加熱して結晶化を行い、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比を前記所定値とする結晶化工程と、
を具備することを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の太陽電池の製造方法であって、
前記所定波長域が、９００ｎｍ〜１２００ｎｍであることを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の太陽電池の製造方法であって、
前記所定波長域の光を、ＬＥＤ光源から照射することを特徴とする太陽電池の製造方法。
【請求項４】
ガラス基板と、
前記ガラス基板に形成された第１透明電極と、
前記第１透明電極と積層するように形成されたアモルファスシリコン層と、
前記アモルファスシリコン層と積層するように形成された微結晶シリコン層と、
前記微結晶シリコン層と積層するように形成された第２透明電極と、
前記第２透明電極と積層するように形成された反射電極とを具備した太陽電池であって、
前記微結晶シリコン層は、
アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比が所定値より少ない微結晶シリコン層を形成した後、アモルファスシリコンより微結晶シリコンの吸収係数が高い所定波長域の光を照射して加熱することによって結晶化を行い、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比を前記所定値としたものである
ことを特徴とする太陽電池。
【請求項５】
請求項４記載の太陽電池であって、
前記所定波長域が、９００ｎｍ〜１２００ｎｍであることを特徴とする太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池の製造方法及び太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、各種のシリコンを用いた太陽電池が知られている。このようなシリコンを用いた太陽電池の1つとして、ガラス基板にアモルファスシリコン層と、アモルファスシリコンとナノサイズ（５０ｎｍ程度）の微小な結晶粒とが混在する微結晶シリコン層と、を積層させたタンデム型の太陽電池が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−５３４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のガラス基板にアモルファスシリコン層と微結晶シリコン層とを積層させたタンデム型の太陽電池では、微結晶シリコン層を形成する際に、ＳｉＨ４ガスとＨ２ガスを用いたＣＶＤ等によって成膜を行う。そして、微結晶シリコン層のアモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比（微結晶シリコンの含有率）を高めるためには、少量のＳｉＨ４ガスに対して、多量のＨ２ガスを流しながら成膜を行う必要がある。このため、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比の高い微結晶シリコン層を成膜する際には、成膜速度が遅くなり、例えば１ｎｍ／ｓｅｃ以下程度となる。一方、通常のタンデム型の太陽電池に必要とされる微結晶シリコン層の厚さは１．５μｍ〜３．０μｍ程度となるため、微結晶シリコン層の成膜に数千秒の時間を必要とし、製造に要する時間が長期化するという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比の高い微結晶シリコン層を短時間で形成することができ、製造時間の短期化を図ることのできる太陽電池の製造方法及び太陽電池を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の太陽電池の製造方法は、ガラス基板にアモルファスシリコン層を形成する工程と、前記アモルファスシリコン層に積層するように、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比が所定値より少ない微結晶シリコン層を形成する工程と、アモルファスシリコンより微結晶シリコンの吸収係数が高い所定波長域の光を照射し、前記微結晶シリコン層を加熱して結晶化を行い、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比を前記所定値とする結晶化工程と、を具備することを特徴とする。
【０００７】
本発明の太陽電池は、ガラス基板と、前記ガラス基板に形成された第１透明電極と、前記第１透明電極と積層するように形成されたアモルファスシリコン層と、前記アモルファスシリコン層と積層するように形成された微結晶シリコン層と、前記微結晶シリコン層と積層するように形成された第２透明電極と、前記第２透明電極と積層するように形成された反射電極とを具備した太陽電池であって、前記微結晶シリコン層は、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比が所定値より少ない微結晶シリコン層を形成した後、アモルファスシリコンより微結晶シリコンの吸収係数が高い所定波長域の光を照射して加熱することによって結晶化を行い、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比を前記所定値としたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比の高い微結晶シリコン層を短時間で形成することができ、製造時間の短期化を図ることのできる太陽電池の製造方法及び太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る太陽電池の要部断面構成を示す図。
【図２】本発明の一実施形態の工程を説明するための図。
【図３】アモルファスシリコンと微結晶シリコンと単結晶シリコンの光の吸収スペクトルを示すグラフ。
【図４】本発明の一実施形態に用いるアニール装置の構成例を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽電池１００の要部断面概略構成を模式的に示すものである。なお、図１は、太陽電池１００の構成を模式的に示すであって、各部の厚さ及びその比率は実際のものとは相違している。同図に示すように、太陽電池１００は、太陽光を入射可能とするガラス基板１０１を具備している。太陽電池１００においては、ガラス基板１０１が上側（太陽側）を向くように配置される。
【００１２】
上記ガラス基板１０１の下部には、ＩＴＯ膜からなる透明電極（第１透明電極）１０２が形成されており、この透明電極１０２の下側にはアモルファスシリコン層１０３が形成されている。このアモルファスシリコン層１０３は、透明電極１０２側から順に、アモルファスシリコンｐ層１０３ａ、アモルファスシリコンｉ層１０３ｂ、アモルファスシリコンｎ層１０３ｃの３層構造となっている。このアモルファスシリコン層１０３は、厚さが、例えば０．２μｍ〜０．３μｍ程度とされている。
【００１３】
また、上記のアモルファスシリコン層１０３の下側には、微結晶シリコン層１０４が形成されている。この微結晶シリコン層１０４は、アモルファスシリコン層１０３側から順に、微結晶シリコンｐ層１０４ａ、微結晶シリコンｉ層１０４ｂ、微結晶シリコンｎ層１０４ｃの３層構造となっている。前述したとおり、微結晶シリコン層１０４は、アモルファスシリコンと、ナノオーダーの大きさの微小なシリコン結晶粒とを含む層である。この微結晶シリコン層１０４は、厚さが、例えば１．５μｍ〜３．０μｍ程度とされている。
【００１４】
上記微結晶シリコン層１０４の下側には、ＩＴＯ膜からなる透明電極（第２透明電極）１０５が形成されており、この透明電極１０５の下側にはＡｇ等からなる反射電極１０６が形成されている。
【００１５】
上記の太陽電池１００を製造する際には、ガラス基板１０１を上記した図１に示した状態とは上下が反対となるよう配置し、図２（ａ）に示すように、まず、ガラス基板１０１に透明電極１０２を形成する。
【００１６】
次に、図２（ｂ）に示すように、透明電極１０２上に、アモルファスシリコンｐ層１０３ａ、アモルファスシリコンｉ層１０３ｂ、アモルファスシリコンｎ層１０３ｃを順次形成する。このアモルファスシリコン層１０３の形成は、例えばＣＶＤ法によって行う。
【００１７】
次に、図２（ｃ）に示すように、上記アモルファスシリコン層１０３の上に、微結晶シリコンｐ層１０４ａ、微結晶シリコンｉ層１０４ｂ、微結晶シリコンｎ層１０４ｃを順次形成する。この微結晶シリコン層１０４の形成は、例えばＳｉＨ４ガスとＨ２ガスを用いたＣＶＤによって行う。ここで、前述したとおり微結晶シリコン層１０４は、アモルファスシリコンとナノサイズ（５０ｎｍ程度）の微小なシリコン結晶粒とが混在する状態となっており、その組成は、ラマン分光における約４８０ｎｍに存在するアモルファスシリコンのピーク（Ｉａ）と、約５２０ｎｍに存在する結晶シリコンのピーク（Ｉｃ）のピーク強度の比として表される。太陽電池の特性としては、一般的にＩｃ／Ｉａ＞３が望ましいとされている。
【００１８】
この微結晶シリコン層１０４の成膜の際、前述したとおり、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比を高めるためには、Ｈ２ガス流量を多くし、ＳｉＨ４ガス流量を少なくする必要がある。しかしながら、このようにすると、Ｓｉの原料であるＳｉＨ４ガス流量が少なくなるため、微結晶シリコン層１０４の成膜速度が遅くなる。このため、本実施形態では、微結晶シリコン層１０４の成膜の際に、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比が、所定値（完成品の太陽電池のアモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比（Ｉｃ／Ｉａ＞３））よりも少なくなる条件で成膜を行い、微結晶シリコン層１０４の成膜に要する時間を短縮する。
【００１９】
次に、図２（ｄ）に示すように、アモルファスシリコンより微結晶シリコンの吸収係数が高い（吸収量が多い）所定波長域の光を照射し、微結晶シリコン層１０４を加熱して結晶化を行いアモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比を所定値（Ｉｃ／Ｉａ＞３）とする結晶化工程を行う。この際、加熱温度を６００℃以上とすることによって、微結晶シリコン層１０４内のアモルファスシリコンの結晶化が進む。
【００２０】
ここで、縦軸を吸収量、横軸をエネルギー及び波長とした図３のグラフに示すように、アモルファスシリコン（図中ａ−Ｓｉで示す。）は、波長の短い（エネルギーの高い）光は多く吸収するが、波長の長い（エネルギーの低い）光の吸収量は少ない。これに対して微結晶シリコン（図中μｃ−Ｓｉで示す。）は、波長の長い（エネルギーの低い）光に対してもある程度吸収量が多い。このため、例えば９００ｎｍ〜１２００ｎｍ程度の波長域の光を用いて上記の結晶化工程を行う。これによって、アモルファスシリコン層１０３は加熱されず、微結晶シリコン層１０４のみが加熱されて、微結晶シリコン層１０４のみの結晶化を行うことができる。このような光の照射による加熱工程には、後述するようにＬＥＤ光源を用いたアニール装置を好適に使用することができる。
【００２１】
なお、図３において、破線は微結晶シリコンの含有率が６％の場合、点線は微結晶シリコンの含有率が４１％の場合、一点鎖線は微結晶シリコンの含有率が７３％の場合を示している。これらの曲線に示されるように、微結晶シリコンの含有率（アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比）が低い場合であっても、含有率が高い場合と略同様な光の吸収特性を有している。図３には、単結晶シリコン（図中ｃ−Ｓｉで示す。）の場合の吸収特性も示してある。
【００２２】
上記の微結晶化工程の後、図２（ｅ）に示すように、透明電極（第２透明電極）１０５、反射電極１０６を順次形成する。
【００２３】
以上のとおり、本実施形態では、微結晶シリコン層１０４の成膜の際に、アモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比が所定値（完成品の太陽電池のアモルファスシリコンに対する微結晶シリコンの存在比（Ｉｃ／Ｉａ＞３））よりも少なくなる条件で成膜を行い、この後、例えば９００ｎｍ〜１２００ｎｍ程度の波長域の光を用いて、アモルファスシリコン層１０３を結晶化することなく、選択的に微結晶シリコン層１０４のみ結晶化するので、微結晶シリコン層１０４の成膜に要する時間を短縮することができ、製造時間の短期化を図ることができる。
【００２４】
次に、上記の微結晶化工程を行うアニール装置の構成例について、図４を参照して説明する。図４は、アニール装置の概略構成を示す断面図である。このアニール装置２００は、気密に構成され、ガラス基板Ｇが搬入されるチャンバー（処理容器）１を有している。
【００２５】
チャンバー１の底部からは支持柱２が立設しており支持柱２の上端から内側に延びるようにガラス基板Ｇを水平に支持する支持部材３が設けられている。チャンバー１の天壁および底壁のガラス基板Ｇに対応する部分には、それぞれ開口部１ａ，１ｂが形成されており、開口部１ａ，１ｂを覆うように光透過部材５ａ，５ｂが気密に取り付けられている。また、チャンバー１の側壁には、図示しない処理ガス供給機構から所定の処理ガスが導入される処理ガス導入口２２と図示しない排気装置が接続された排気口２３が設けられている。さらに、チャンバー１の側壁には、チャンバー１に対するガラス基板Ｇの搬入出を行うための搬入出口２４が設けられており、この搬入出口２４はゲートバルブ２５により開閉可能となっている。チャンバー１の内部には、支持部材３上に載置されたガラス基板Ｇの温度を測定するための温度センサー２６が設けられている。また、温度センサー２６はチャンバー１の外側の計測部２７に接続されており、この計測部２７から後述するプロセスコントローラ６０、コントローラ５６に温度検出信号が出力されるようになっている。
【００２６】
チャンバー１の上部には、光透過部材５ａを囲繞するように第１ハウジング６ａが設けられており、またチャンバー１の底部には光透過部材５ｂを囲繞するように第２ハウジング６ｂが設けられている。
【００２７】
第１ハウジング６ａの内部には、複数のＬＥＤ素子を有し、全体としてガラス基板Ｇに対向して水平に設けられた加熱源７ａが設けられており、第２ハウジング６ｂの内部にも、同様に複数のＬＥＤ素子を有し、全体としてガラス基板Ｇに対向して設けられた加熱源７ｂが設けられている。これら加熱源７ａ，７ｂのＬＥＤ素子には、給電部１０から電力が給電されるようになっている。そして、ＬＥＤ素子に給電することによりＬＥＤ素子が発光して、その光によりガラス基板Ｇが表裏面から加熱される。
【００２８】
加熱源７ａ，７ｂは、棒状部材に複数のＬＥＤ素子が取り付けられたＬＥＤアレイを有する光源が複数配列されて構成されている。また、各光源は、ＬＥＤアレイの背面側にリフレクタを有している。ＬＥＤ素子としては、射出される光の波長が９００ｎｍ〜１２００ｎｍ程度の範囲のものを使用する。
【００２９】
第１ハウジング６ａの側壁には、冷却媒体導入口１１ａおよび冷却媒体排出口１２ａが設けられており、第２ハウジング６ｂの側壁には、冷却媒体導入口１１ｂおよび冷却媒体排出口１２ｂが設けられている。そして、冷却媒体導入口１１ａ，１１ｂにはそれぞれ冷却媒体供給配管１３ａ，１３ｂが接続されており、冷却媒体排出口１２ａ，１２ｂには冷却媒体排出配管１４ａ，１４ｂが接続されている。冷却媒体供給配管１３ａ，１３ｂは冷却媒体供給機構２０に接続されており、この冷却媒体供給機構２０により冷却媒体供給配管１３ａ，１３ｂを介して第１および第２ハウジング６ａ，６ｂ内に液体状の冷却媒体２１が供給され、第１および第２ハウジング６ａ，６ｂ内が冷却媒体２１で充填される。また、第１および第２ハウジング６ａ，６ｂの冷却媒体２１は冷却媒体排出配管１４ａ，１４ｂを介して回収される。すなわち、冷却媒体２１は冷却媒体供給機構２０により循環されるようになっている。
【００３０】
冷却媒体２１としては、ＬＥＤ素子を十分に冷却可能な冷却能力を有し、絶縁性であり、ＬＥＤ素子から照射される光の波長に対して透過性を有する液体であり、屈折率が１より大きくＬＥＤ素子を構成する材料よりも小さい値の物質を用いる。効率の観点から、ＬＥＤ素子から照射される光の波長に対する透過率は９０％以上が好ましく、ＬＥＤ素子から照射される光に対して透明（透過率がほぼ１００％）であることがより好ましい。このような物質としては、フッ素系不活性液体（商品名フロリナート、ガルデン等）を挙げることができる。この冷却媒体２１は、第１および第２ハウジング６ａ，６ｂにおいて、加熱源７ａ，７ｂを構成する各光源のＬＥＤ素子に接触するようになっている。
【００３１】
アニール装置２００の各構成部は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を備えたプロセスコントローラ６０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ６０には、工程管理者がアニール装置２００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、アニール装置２００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース６１が接続されている。さらに、プロセスコントローラ６０には、アニール装置２００で実行される各種処理をプロセスコントローラ６０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてアニール装置２００の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピを格納することが可能な記憶部６２が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性の記憶媒体に収容された状態で記憶部６２の所定位置にセットするようになっていてもよい。さらに、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース６１からの指示等にて任意のレシピを記憶部６２から呼び出してプロセスコントローラ６０に実行させることで、プロセスコントローラ６０の制御下で、アニール装置２００での所望の処理が行われる。
【００３２】
次に、以上のようなアニール装置２００におけるアニール動作について説明する。まず、ゲートバルブ２５を開にして搬入出口２４からガラス基板Ｇを搬入し、支持部材３上に載置する。その後、ゲートバルブ２５を閉じてチャンバー１内を密閉状態とし、排気口２２を介して図示しない排気装置によりチャンバー１内を排気するとともに、図示しない処理ガス供給機構から処理ガス導入口を介して所定の処理ガス、例えばアルゴンガスまたは窒素ガスをチャンバー１内に導入し、チャンバー１内の圧力を例えば１００〜１００００Ｐａの範囲内の所定の圧力に維持する。
【００３３】
この状態で、冷却媒体供給機構２０から、液体状の冷却媒体２１、例えばフッ素系不活性液体（商品名フロリナート、ガルデン等）をハウジング６ａ，６ｂに充填するとともに循環させる。
【００３４】
そして、給電部１０から光源を構成するＬＥＤ素子に所定の電流を供給してＬＥＤ素子を点灯させる。この際のＬＥＤ素子の光エネルギーにより、ガラス基板Ｇを１００〜１０００℃／ｓｅｃ程度の加熱速度で急速に加熱することができる。例えば、複数の光源に配置されている多数のＬＥＤ素子を１秒間点灯することにより、１０００℃程度の高温まで急速に加熱することができる。また、熱放射による加熱でないため、降温時にはＬＥＤ素子を消灯することにより、１００〜２００℃／ｓｅｃ程度の急速な冷却が可能である。これによって、短時間で微結晶シリコン層の結晶化を行うことができる。
【００３５】
ここで、ＬＥＤ素子自身の発熱等によりＬＥＤ素子の発光量が低下するが、冷却媒体２１をハウジング６ａ，６ｂに充填しかつ循環させることにより、ＬＥＤ素子を直接冷却するので、ＬＥＤ素子を十分に冷却することができる。
【００３６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態で用いたアニール装置は、ガラス基板Ｇの両側にＬＥＤ素子を有する加熱源を設けた構造のものであるが、いずれか一方に加熱源を設けたアニール装置を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１００……太陽電池、１０１……ガラス基板、１０２……透明電極（第１透明電極）、１０３……アモルファスシリコン層、１０４……微結晶シリコン層、１０５……透明電極（第２透明電極）、１０６……反射電極。
【図１】
2012015412.tif 000003
【図２】
2012015412.tif 000004
【図３】
2012015412.tif 000005
【図４】
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