(57)【要約】【課題】要求性能を満たした太陽電池を効率よく製造できる技術を提供する。【解決手段】ある態様の太陽電池の製造方法は、太陽電池に含まれる薄膜層を形成する所定の成膜条件を、該薄膜層の膜質と相関のあるパラメータに基づいて所定のタイミングで更新し、更新した新たな成膜条件で太陽電池を製造する。この製造方法は、太陽電池を構成する膜を所定の成膜条件で形成する通常工程と、通常工程以外の所定のタイミングで、太陽電池を構成する少なくとも一種の膜を検査膜として形成する検査膜形成工程と、検査膜の膜質と相関のあるパラメータを取得する取得工程と、パラメータが所定の範囲に含まれるように所定の成膜条件を新たに更新し、新たに更新した成膜条件で太陽電池の製造を行うとよい。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池に含まれる薄膜層を形成する所定の成膜条件を、該薄膜層の膜質と相関のあるパラメータに基づいて所定のタイミングで更新し、更新した新たな成膜条件で太陽電池を製造する太陽電池の製造方法。
【請求項２】
前記太陽電池を構成する膜を所定の成膜条件で形成する通常工程と、
前記通常工程以外の所定のタイミングで、太陽電池を構成する少なくとも一種の膜を検査膜として形成する検査膜形成工程と、
前記検査膜の膜質と相関のあるパラメータを取得する取得工程と、
前記パラメータが所定の範囲に含まれるように前記所定の成膜条件を新たに更新し、更新した新たな成膜条件で太陽電池の製造を行う更新工程と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項３】
前記取得工程において、前記検査膜の表面形状を測定し、測定した表面形状のデータに基づいて前記パラメータを算出することを特徴とする請求項２に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項４】
前記取得工程において、原子間力顕微鏡を用いて前記検査膜を測定することを特徴とする請求項３に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項５】
前記太陽電池は、アモルファスシリコン膜と微結晶シリコン膜を有し、
前記検査膜は、微結晶シリコン膜である、
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項６】
前記検査膜形成工程において、前記検査膜は、前記通常工程において形成される、検査膜と同種の膜の厚みよりも薄く形成されることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の太陽電池の製造方法。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、いわゆる太陽電池の開発が各方面で精力的に行われている。太陽電池は、クリーンで無尽蔵なエネルギー源である太陽からの光を直接電気に変換できることから、新しいエネルギー源として期待されている。
【０００３】
太陽電池の製造には種々の方法が考案されている。例えば、アモルファスシリコン薄膜型の太陽電池を製造する場合、プラズマＣＶＤ装置などの半導体プロセス装置を用いた方法が知られている（特許文献１参照）。このような半導体プロセス装置は、太陽電池を構成する薄膜を所定の製造条件で繰り返し成膜できるが、成膜が繰り返されると、一定の製造条件にもかかわらず、製造される薄膜の特性が徐々に変化する場合がある。そこで、前述の方法では、薄膜特性の変化が許容範囲を超える前に装置のメンテナンスやクリーニングが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０２８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、装置のメンテナンスやクリーニングには、装置の停止が必要であり、結果としてダウンタイムが増加し、製造効率の低下を招くことになる。一方、装置のメンテナンスやクリーニングを行わずに成膜を続けると、いずれ要求される性能を満たさない太陽電池が製造されることとなる。
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、要求性能を満たした太陽電池を効率よく製造できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の太陽電池の製造方法は、太陽電池に含まれる薄膜層を形成する所定の成膜条件を、該薄膜層の膜質と相関のあるパラメータに基づいて所定のタイミングで更新し、更新した新たな成膜条件で太陽電池を製造する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、要求性能を満たした太陽電池を効率よく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る太陽電池の断面の模式図である。
【図２】本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。
【図３】本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。
【図４】凹凸のある表面形態の一例を関数化した図である。
【図５】高さ−高さ相関関数の一例をプロットした図である。
【図６】パラメータαおよびｗの大小による表面形態の相違を説明するための模式図である。
【図７】微結晶シリコン層の粗さ指数と、同じ成膜条件の微結晶シリコン層を有する太陽電池の変換効率との関係を示す図である。
【図８】本実施の形態に係る太陽電池の製造工程のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の各図に示す各層、各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。
【００１１】
（太陽電池）
はじめに、本実施の形態に好適な太陽電池について説明する。太陽電池は種々のタイプが考案されているが、以下では薄膜型の太陽電池について説明する。図１は、本実施の形態に係る太陽電池の断面の模式図である。
【００１２】
本実施の形態に係る太陽電池１０は、第１電極層１２、半導体層１４、透明導電膜１６および第２電極層１８を有する。第１電極層１２、半導体層１４、透明導電膜１６および第２電極層１８は、周知のレーザパターニングを施されながら基板２０上に順次積層される。
【００１３】
第１電極層１２は、基板２０の主面上に形成されており、導電性および透光性を有する。本実施の形態に係る第１電極層１２は、高い光透過性、低抵抗性を有し、低価格であるＺｎＯが用いられる。
【００１４】
半導体層１４は、第１電極層１２側からの入射光により電荷（電子および正孔）を生成する。半導体層１４としては、例えば、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合を基本構造として有するアモルファスシリコン半導体層や微結晶シリコン半導体層の積層体を用いることができる。本実施の形態に係る半導体層１４は、第１電極層１２側から順に積層された非晶質シリコン半導体および微結晶シリコン半導体により構成されている。なお、本明細書において、「微結晶」の用語は、完全な結晶状態のみならず、部分的に非結晶状態を含む状態をも意味するものとする。
【００１５】
透明導電膜１６は、少なくとも半導体層１４上に形成される。透明導電膜１６により、半導体層１４と第２電極層１８が合金化することを防止し、半導体層１４と第２電極層１８の接続抵抗を減少させることができる。
【００１６】
第２電極層１８は、透明導電膜１６上に形成される。一の太陽電池１０の透明導電膜１６と第２電極層１８は、一の太陽電池１０に隣接する他の太陽電池１０の第１電極層１２に接触する。これにより、一の太陽電池１０と他の太陽電池１０とが電気的に直列に接続される。このように、複数の太陽電池１０が接続されることで太陽電池モジュールが構成される。
【００１７】
（太陽電池モジュールの製造方法）
次に、上述の太陽電池を備える太陽電池モジュールの製造方法について説明する。なお、以下では、太陽電池を複数備える太陽電池モジュールについて説明するが、太陽電池を一つ備える太陽電池モジュールであってもよい。
【００１８】
図２および図３は、本実施の形態に係る太陽電池モジュールの製造方法の工程を説明するための断面の模式図である。
【００１９】
はじめに、図２（ａ）に示すように、４ｍｍ厚のガラスからなる透光性の基板２０上に、スパッタリングにより６００ｎｍ厚のＺｎＯからなる第１電極層１２を形成する。そして、基板２０の第１電極層１２側からＹＡＧレーザを照射して、第１電極層１２を短冊状にパターニングする。当該レーザ分離加工には、波長約１．０６μｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数３ｋＨｚのＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。
【００２０】
次に、図２（ｂ）に示すように、プラズマ処理装置により半導体層１４を形成する。半導体層１４は、膜厚１５ｎｍのｐ型非晶質シリコン半導体膜、膜厚２００ｎｍのｉ型非晶質シリコン半導体膜、膜厚３０ｎｍのｎ型非晶質シリコン半導体膜、膜厚３０ｎｍのｐ型微結晶シリコン半導体膜、膜厚２０００ｎｍのｉ型微結晶シリコン半導体膜および膜厚３０ｎｍのｎ型微結晶シリコン半導体膜を、第１電極層１２上に順次積層したものである。
【００２１】
ｐ型非晶質シリコン半導体膜は、ＳｉＨ４、ＣＨ４、Ｈ２およびＢ２Ｈ６との混合ガスを原料ガスとして形成される。ｉ型非晶質シリコン半導体膜は、ＳｉＨ４とＨ２との混合ガスを原料ガスとして形成される。ｎ型非晶質シリコン半導体膜は、ＳｉＨ４、Ｈ２およびＰＨ４との混合ガスを原料ガスとして形成される。
【００２２】
また、ｐ型微結晶シリコン半導体膜は、ＳｉＨ４、Ｈ２およびＢ２Ｈ６との混合ガスを原料ガスとして形成される。ｉ型微結晶シリコン半導体膜は、ＳｉＨ４とＨ２との混合ガスを原料ガスとして形成される。ｎ型微結晶シリコン半導体膜は、ＳｉＨ４、Ｈ２およびＰＨ４との混合ガスを原料ガスとして形成される。以下にプラズマ処理装置による各膜の成膜条件の詳細を表１に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
積層された半導体層１４、第１電極層１２のパターニング位置の横に第１電極層１２側からＹＡＧレーザを照射することにより基板２０の裏面側に形成された半導体層１４を分離するように除去し、短冊状にパターニングする。当該レーザ分離加工には、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数３ｋＨｚのＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。
【００２５】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＺｎＯからなる透明導電膜１６を半導体層１４上にスパッタリングにより形成する。透明導電膜１６は、半導体層１４がパターニングにより除去された領域や側端部にも成膜される。
【００２６】
そして、図３（ａ）に示すように、２００ｎｍ厚のＡｇ膜を透明導電膜１６上にスパッタリングにより成膜し、第２電極層１８を形成する。
【００２７】
次に、図３（ｂ）に示すように、半導体層１４のパターニング位置の横の部分に、裏面側からＹＡＧレーザを照射することにより半導体層１４、透明導電膜１６および第２電極層１８を分離し、短冊状にパターニングする。当該レーザ分離加工には、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数４ｋＨｚのＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。こにより、複数の太陽電池１０と取り出し電極２２とが形成される。
【００２８】
次に、図３（ｃ）に示すように、第１電極層１２や半導体層１４の側部に回り込んだ透明導電膜１６と第２電極層１８は、レーザにより除去される。当該レーザ除去加工には、波長約１．０６μｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数３ｋＨｚのＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する。
【００２９】
以上により、互いに直列接続された複数の太陽電池１０、取り出し電極２２が基板２０上に形成される。
【００３０】
前述のプラズマ装置をはじめ半導体製造装置で製造された太陽電池およびそれを備えた太陽電池モジュールは、同じ成膜条件でも特性が徐々に変化することがある。そのため、同じ成膜条件で繰り返し太陽電池を製造すると、所望の特性の範囲を満たさなくなることがある。
【００３１】
本発明者らは、半導体層の特性に影響を与えるものの一つとして、半導体層を構成する微結晶シリコン膜の表面凹凸形状に着目した。特に、ＡＦＭによる表面凹凸形状の測定データは、膜最表面の情報を含んでおり、成長過程の変化に対して非常に敏感である。そこで、本発明者らは、表面凹凸形状の高さデータの解析から得られた粗さ指数αを指標として用いることで、微結晶シリコン膜の成長過程を制御し、変換効率の向上とともに、安定した性能の太陽電池の製造を実現できることに想到した。
【００３２】
（粗さ指数）
従来、ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）やＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により測定した各種材料の表面形態を示す指標として、以下の式（１）に示す高さ−高さ相関関数というものが知られている。
【００３３】
Ｈ（ｒ）＝＜（（ｈ（ｒ）−ｈ（ｒ’＋ｒ））２＞ｒ’
＝Ｈ０ｒ２α（ｒ＜＜ξ） or ２ｗ２（ｒ＞＞ξ）・・・式（１）
【００３４】
ここで、パラメータの値α（０≦α≦１）が粗さ指数と呼ばれているものであり、パラメータの値ｗが表面粗さと呼ばれているものである。ここで、ξは、相関長を示している。
【００３５】
図４は、凹凸のある表面形態の一例を関数化した図である。図４に示す表面形態において、高さ−高さ相関関数を算出するためには、任意の位置ｒ’における高さｈ（ｒ’）と、任意の位置ｒ’から距離ｒ離れた位置ｒ’＋ｒにおける高さｈ（ｒ’＋ｒ）との差を二乗し、ｒ’について平均をとった値Ｈ（ｒ）を、距離ｒを変えてそれぞれプロットする。
【００３６】
図５は、高さ−高さ相関関数の一例をプロットした図である。図５に示すように、相関長ξより十分に小さいｒの範囲では、Ｈ（ｒ）は、ｒ２αに比例している。一方、相関長ξより十分に大きいｒの範囲では、Ｈ（ｒ）は、ほぼ一定の値２ｗ２をとる。
【００３７】
次に、パラメータαおよびｗについて説明する。図６は、パラメータαおよびｗの大小による表面形態の相違を説明するための模式図である。図６に示すように、αが大きくなると、短周期の微細な凹凸が減少し、表面が滑らかになる。一方、ｗが大きくなると、凹凸の高さが増加する。
【００３８】
（粗さ指数と変換効率との関係）
次に、本実施の形態に係る太陽電池の半導体層のうち、微結晶シリコン層の表面凹凸形状が変換効率に与える影響について説明する。例えば、太陽電池の状態で微結晶シリコン層の表面凹凸形状を測定し、その際の太陽電池の変換効率を測定し、互いに比較することも可能である。しかしながら、本実施の形態に係る微結晶シリコン層は、太陽電池の状態ではアモルファスシリコン層の上に成膜されている。そのため、太陽電池の最表面にある微結晶シリコン層の凹凸形状を測定しても、下地のアモルファスシリコン層の影響が無視できないため、正確に微結晶シリコンの膜質を予測できない可能性がある。
【００３９】
そこで、より簡便に、かつ、アモルファスシリコン層の影響を受けないように、太陽電池を製造する場合と同じ成膜条件でガラス基板上に直接微結晶シリコン層を成膜した。具体的には、ガラス基板上に微結晶シリコンｉ層の単膜を５００ｎｍ成膜した。そして、ＡＦＭで微結晶シリコンｉ層の表面を測定し、粗さ指数αを算出した。
【００４０】
なお、ＡＦＭによる測定は、時間短縮のため、一次元スキャンで行うことが好ましい。その際のスキャン長は、０．１〜１００μｍの範囲が好ましい。また、測定の際の解像度は、２５６ピクセル以上が好ましく、より好ましくは４０９６ピクセル以上であるとよい。
【００４１】
ＡＦＭのカンチレバーに設けられている探針の先端の曲率半径は、測定対象が微結晶シリコン層の場合には、その微細な凹凸形状を精度良く測定するために、１５ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは２ｎｍ以下であるとよい。
【００４２】
次に、前述の微結晶シリコンｉ層の単膜と同じ成膜条件で成膜した微結晶シリコンｉ層を含む太陽電池を製造し、変換効率を測定した。なお、太陽電池の製造においては、微結晶シリコンｉ層の厚みは２０００ｎｍとしている。
【００４３】
図７は、微結晶シリコン層の粗さ指数と、同じ成膜条件の微結晶シリコン層を有する太陽電池の変換効率との関係を示す図である。具体的には、ガラス基板上に成膜した微結晶シリコンｉ層（膜厚５００ｎｍ）における表面凹凸の高さデータから計算した粗さ指数αと、アモルファスシリコン／微結晶シリコン太陽電池（微結晶シリコンｉ層２μｍの成膜条件は単膜と同一）に適用した場合の変換効率Ｅｆｆとの関係を示している。
【００４４】
本実施の形態では、７つの微結晶シリコン層の単膜の粗さ指数αおよびその単膜に対応する太陽電池の変換効率を測定した。ここで、単膜に対応する太陽電池とは、単膜と同じ成膜条件で成膜された微結晶シリコンｉ層を含んでいる太陽電池をいう。なお、図７の縦軸は、最も変換効率の高い太陽電池の変換効率を１．００とした相対値である。
【００４５】
図７に示すように、微結晶シリコン層表面の粗さ指数αと、対応する太陽電池の変換効率とは相関が見られる。具体的には、微結晶シリコン層の単膜（膜厚５００ｎｍ）の表面凹凸の高さデータから計算した粗さ指数αが、０．３５≦α≦０．５５の範囲にある（より好ましくは０．４≦α≦０．５）場合、微結晶シリコン層の単膜の成膜条件と同じ条件で成膜した微結晶シリコン層を含む太陽電池の変換効率が良好であることがわかる。これは、粗さ指数αが前述の範囲である微結晶シリコン層の成膜条件は、ボイドの発生や結晶粒の異常成長の抑制に適したものであったと考えられる。そのため、粗さ指数αが前述の範囲となる成膜条件で製造した太陽電池の変換効率は、最高値よりも５％以内の低下に抑えられている。
【００４６】
このことから、変換効率の高い太陽電池の製造に適した成膜条件を、実際に太陽電池を製造することなく、太陽電池に含まれる一部の薄膜の測定データから粗さ指数を算出することで予測することが可能となる。また、粗さ指数αに基づいて成膜条件を制御することで、特性（変換効率）の良好な太陽電池を製造し続けることも可能となる。
【００４７】
（成膜条件の更新）
以上の知見に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池の製造方法について説明する。本実施の形態に係る太陽電池の製造方法は、太陽電池に含まれる薄膜層を形成する所定の成膜条件を、該薄膜層の膜質と相関のあるパラメータに基づいて所定のタイミングで更新し、更新した新たな成膜条件で太陽電池を製造する。
【００４８】
これにより、一定の成膜条件で太陽電池を製造する場合と比較して、所望の性能を満たした太陽電池をより長期間製造し続けることができる。これにより、装置のメンテナンスやクリーニングによるダウンタイムを少なくできる。
【００４９】
図８は、本実施の形態に係る太陽電池の製造工程のフローチャートを示す図である。太陽電池の製造方法は、例えば、以下の各工程を備えることで実現できる。各工程は、太陽電池を構成する膜を所定の成膜条件で形成する通常工程（Ｓ１０）と、通常工程以外の所定のタイミングで、太陽電池を構成する少なくとも一種の膜を検査膜として形成する検査膜形成工程（Ｓ１２）と、検査膜の膜質と相関のあるパラメータを取得する取得工程（Ｓ１４）と、パラメータが所定の範囲に含まれるように所定の成膜条件を新たに更新し、新たに更新した成膜条件で太陽電池の製造を行う更新工程（Ｓ１６）と、で構成される。
【００５０】
本実施の形態に係る通常工程は、例えば、前述の図２および図３に示した、所定の成膜条件で太陽電池を製造する工程である。そして、所定数の太陽電池の製造後または所定時間経過した後の、通常工程以外の所定のタイミングで、太陽電池を構成する微結晶シリコンｉ層の単膜を検査膜として形成する。ここで、通常工程以外とは、例えば、太陽電池の製造に直接寄与しない工程である。
【００５１】
そして、取得工程において、検査膜である微結晶シリコンｉ層の表面形状がＡＦＭで測定され、測定した表面形状のデータに基づいて膜質と相関のあるパラメータが算出される。ＡＦＭは、装置の扱いが容易で測定も短時間で行われるため取得工程で用いるのに好適である。本実施の形態に係る取得工程では、パラメータとして粗さ指数αが取得される。なお、この取得工程は、製造ラインの途中にＡＦＭを設置してインラインで行ってもよいし、太陽電池の製造ラインから検査膜を抜き出して別の場所で行ってもよい。
【００５２】
このように取得工程で使用される検査膜は、太陽電池のようにアモルファスシリコン層が形成されていないため、検査膜の成膜時間や無駄になる材料費の低減に寄与する。なお、測定対象（検査膜）が過度に帯電している場合には、測定データにノイズが入る可能性がある。そこで、本実施の形態に係る製造方法は、ＡＦＭによる測定の前に測定対象を除電する工程を含むとよい。
【００５３】
更新工程は、粗さ指数αが所定の範囲に含まれるように、それまでの通常工程で設定されている所定の成膜条件を新たに更新し、新たに更新した成膜条件で太陽電池の製造を行う。具体的には、粗さ指数αが所定の範囲に含まれていない場合、それまでの成膜条件は、更新後の成膜条件で成膜した微結晶シリコン層の粗さ指数αが所定の範囲に含まれると予想される、新たな成膜条件に更新される。ここで、新たな成膜条件は、実験やシミュレーションによって粗さ指数αと予め関連付けされているテーブルや関数によって設定すればよい。
【００５４】
一方、粗さ指数αが所定の範囲に含まれている場合、成膜条件を変更する必要性が乏しいため、それまで設定された成膜条件でそのまま太陽電池の製造を行えばよい。したがって、成膜条件の更新とは、それまでの成膜条件と異なる成膜条件に変更した場合だけではなく、それまでの成膜条件を維持した場合も含む。
【００５５】
なお、取得した粗さ指数αが所定の範囲に含まれていない場合、特に、前述のように成膜条件を更新しても粗さ指数αが所定の範囲に含まれるようにできないと予想される場合、その後の通常工程による太陽電池の製造を停止させてもよい。
【００５６】
なお、本実施の形態に係る検査膜である微結晶シリコンｉ層は、膜厚が５００ｎｍであり、太陽電池を製造する通常工程において形成される微結晶シリコンｉ層の膜厚２０００ｎｍよりも薄く形成されている。これにより、検査膜を形成する時間や検査膜の材料費の低減が可能となる。
【００５７】
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【００５８】
上述の実施の形態では、アモルファスシリコン層と微結晶シリコン層とを積層した構成の太陽電池について説明した。しかしながら、本発明は、このような構成の太陽電池に限らず、一部に薄膜層を有している太陽電池であれば適用が可能である。
【００５９】
例えば、結晶半導体層の基板の片面または両面に薄膜アモルファスシリコン層を形成した太陽電池であっても、アモルファスシリコン層を検査膜とすることで、上述の実施の形態と同様の作用効果を奏し得る。
【符号の説明】
【００６０】
１０  太陽電池、  １２  第１電極層、  １４  半導体層、  １６  透明導電膜、  １８  第２電極層、  ２０  基板。
【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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【図７】
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【図８】
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