JP2003298077A - 太陽電池 - Google Patents

太陽電池

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JP2003298077A JP2002096228A JP2002096228A JP2003298077A JP 2003298077 A JP2003298077 A JP 2003298077A JP 2002096228 A JP2002096228 A JP 2002096228A JP 2002096228 A JP2002096228 A JP 2002096228A JP 2003298077 A JP2003298077 A JP 2003298077A
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孝博 三島
Naoki Ishikawa
直揮 石川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電効率等の電気的な特性が良好で、かつ良
好な生産性で製造が可能な太陽電池を提供する。 【解決手段】 ホットワイヤーＣＶＤで形成した炭素を
含むシリコン層を、単結晶または多結晶シリコン層上に
形成した。また、炭素を含むシリコン層には、微細なシ
リコンの柱状結晶が存在していることが好ましく、炭素
を含むシリコン層は、高導電率の導電性を備えることが
好ましい。また、炭素を含むシリコン層の単結晶または
多結晶シリコン層との界面に高水素含有層を備えること
が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池に係り、特
に２つの異なるバンドギャップを有する半導体を接合し
た、いわゆるヘテロ接合型の太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】太陽電池の一般的な構造は、アモルファ
ス（非晶質）シリコンに不純物をドープしてＰＮ接合を
形成したものである。この形式の太陽電池は、量産性が
高く比較的低い製造コストで製造が可能であるが、発電
効率が比較的低いという問題がある。これに対して、単
結晶または多結晶シリコン基板に不純物をドープしてＰ
Ｎ接合を形成した太陽電池が知られている。係る構造の
太陽電池によれば、太陽電池を構成する基板の厚さが厚
くなり、生産性は上述したアモルファスシリコンの太陽
電池と比較して低いが、発電効率が高くなる。
【０００３】さらに、２つの異なるバンドギャップを有
する半導体を接合させた、いわゆるヘテロ接合型の太陽
電池が知られている。この太陽電池は、例えば、シリコ
ンと、バンドギャップがシリコンよりも広いＳｉＣ等の
半導体膜を組み合わせて接合を形成することで、より高
い発電効率が期待できる。このようなヘテロ接合型太陽
電池の製造方法として、アモルファスシリコン膜上にプ
ラズマＣＶＤ法またはＥＣＲ（Electron Cyclotron Res
onance）ＣＶＤ法等でバンドギャップが異なる材料を堆
積する技術が知られている。しかしながら、これらのヘ
テロ接合型太陽電池の製造方法は、成膜速度が低いこ
と、装置が非常に高価であること等から生産効率及び製
造コスト面で問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した事情
に鑑みてなされたもので、発電効率等の電気的な特性が
良好で、かつ良好な生産性で製造が可能な太陽電池を提
供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の太陽電池は、ホ
ットワイヤーＣＶＤで形成した炭素を含むシリコン層
を、単結晶または多結晶シリコン層上に形成したことを
特徴とする。
【０００６】ここで、前記炭素を含むシリコン層には、
微細なシリコンの柱状結晶が存在していることが好まし
い。また、前記炭素を含むシリコン層は、高導電率の導
電性を備えることが好ましい。さらに、前記炭素を含む
シリコン層の単結晶または多結晶シリコン層との界面に
高水素含有層を備えることが好ましい。
【０００７】上述した本発明によれば、ホットワイヤー
ＣＶＤで形成した炭素を含むシリコン層を単結晶または
多結晶シリコン層上に形成するので、ヘテロ接合型の太
陽電池を容易に形成することができる。この太陽電池
は、ヘテロ接合型の太陽電池であるので、高い開放電圧
および短絡電流特性と、高い発電効率等の良好な電気的
特性が得られる。また、炭素を含むシリコン層をホット
ワイヤーＣＶＤで形成するので、良好な膜質の太陽電池
を比較的高い生産性で形成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
添付図面を参照しながら説明する。
【０００９】図１は、本発明の第１の実施形態の太陽電
池を示す。この太陽電池は、単結晶または多結晶のシリ
コン基板１１にホットワイヤーＣＶＤで形成した炭素を
含むシリコン層１２を被着している。これにより、ヘテ
ロ接合型の太陽電池が形成される。ここで、単結晶また
は多結晶シリコン基板１１は、例えば厚さが１５０μｍ
以下のデンドリックウェブ（リボン結晶）から形成した
ものであることが好ましい。係る単結晶又は多結晶シリ
コン基板は、所定温度に調整されたシリコン原料を溶融
したるつぼから、所定方位の結晶軸に沿って種結晶を引
上げることで、薄い帯状（シート状）の結晶を成長させ
て生産することができる。即ち、この結晶をエンドレス
ベルトに挟んで引上げることで、長尺の結晶を連続的に
引上げることができる。そして、薄い帯状の結晶を適当
な寸法で裁断することにより、厚さ１５０μｍ以下の矩
形シート形状の単結晶又は多結晶シリコン基板が得られ
る。この詳細については、本出願人の特願２０００−２
７５３１５号を参照されたい。
【００１０】シリコン基板１１は、面方位＜１００＞の
単結晶シリコン基板であり、Ｎ型にドープされ、抵抗率
は一例として２Ωｃｍである。シリコン基板１１上に
は、ホットワイヤーＣＶＤで形成した炭素を含むシリコ
ン層１２が形成されている。このシリコン層１２はアモ
ルファス（非結晶）炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）に微結晶
シリコン（μｃ−Ｓｉ）を含むもので、ａ−ＳｉＣと微
結晶Ｓｉとが混在したヘテロ構造導電膜となっている。
この炭素を含むシリコン層１２の厚さは１〜５０ｎｍ程
度であり、シリコン基板１１と反対導電型（Ｐ型）に不
純物がドープされている。従って、シリコン基板１１と
シリコン層１２との間にＰＮ接合が形成され、太陽電池
としての発電動作を行う。
【００１１】炭素を含むシリコン層１２には、図３に示
すように、微細なシリコンの柱状結晶である微結晶シリ
コン柱１２ｂが存在している。この微結晶シリコン柱１
２ｂは、アモルファス状態の炭素を含むシリコン層（Ｓ
ｉＣ層）１２中に存在し、成膜面に垂直な柱状の結晶体
である。この微結晶シリコン柱は直径が１〜５０ｎｍ程
度であり、１０〜２０ｎｍが代表的である。そして、こ
の微結晶シリコン柱１２ｂはその周囲のアモルファス状
態のＳｉＣ層に対して高い導電性を呈する。なお、微結
晶シリコン柱の含有率は０．１％〜８０％程度までその
含有率を調整することができる。従って、この含有率に
より導電性の調整が可能である。
【００１２】さらに、炭素を含むシリコン層１２におけ
る炭素の含有比率は広い範囲で調整が可能であり、例え
ば０．１％〜７０％程度に調整が可能である。炭素の含
有量により、導電性に大きな影響が与えられる。
【００１３】上述したように、微結晶シリコン柱１５の
含有率および炭素の含有率が制御可能であり、更にドー
プ材の濃度の調整が可能であるので、これによりシリコ
ン層１２の導電率と実効的なバンドギャップを広範囲に
調整することができる。例えば、Ｐ型のシリコン層１２
の場合には、導電率を５×１０−６〜５×１００（Ｓ／
ｃｍ）程度、実効的なバンドギャップを１．７〜２．６
ｅＶ程度に調整することが可能である。これにより、ヘ
テロ接合型の太陽電池において、シリコン層１２に高い
導電性が得られ、発電効率、短絡電流、開放電圧等の電
気的特性を改善することができる。
【００１４】ホットワイヤーＣＶＤ法は、図３（ａ）に
示すように、減圧可能な真空容器内にガス供給系装置２
１、高温ホットワイヤー２２、成膜対象の基板２３、基
板ホルダ２４等を備える。ここで、高温ホットワイヤー
２２は、タングステンまたはモリブデン等の線材を１５
００〜２４００℃に加熱して、対象ガスを活性化して基
板２３の表面に気相成長被膜を形成するものであり、触
媒ＣＶＤとして一般的に知られているものと、装置の基
本構造等は同一である。なお、ホットワイヤーとは熱線
の総称であり、その形状は、面形状その他の２次元、３
次元の形状を取り得るものである。これに対して、図３
（ｂ）に比較例として示すプラズマＣＶＤ装置は、電極
２５，２６間に高周波電源２７より高周波電圧を供給す
ることで、成膜対象のガス分子２８をプラズマ化して図
中の矢印方向に振動させ、これにより成膜対象の基板２
３の表面上に気相成長被膜を形成するものである。
【００１５】この図３（ａ）に示すホットワイヤーＣＶ
Ｄ法は、図３（ｂ）に示すプラズマＣＶＤ法と比較する
と、成膜対象基板へのプラズマダメージがほとんど存在
しない、装置の構造が簡単でかつ低コストとなる、スケ
ールアップが容易である等の特徴がある。特に、成膜速
度が、例えば５〜１０ｎｍ／秒程度と比較的高く、アモ
ルファスシリコン膜や微結晶シリコン膜等の形成で品質
が高い膜が比較的短時間で得られる。
【００１６】このシリコン層１２の下側は高水素Ｐ層で
あり、上側はＰ層である。高水素Ｐ層を形成するガス比
は、一例として、 ＣＨ４：０．９、ＳｉＨ４：０．１、Ｈ２：９、Ｂ２Ｈ
６：０．００２、 であり、ホットワイヤーの温度は２１００℃であり、基
板温度は１５０℃である。また、反応圧力は１０Ｐａで
あり、膜厚は５ｎｍである。なお、高水素濃度Ｐ層の膜
中水素濃度は６ａｔ％以上である。
【００１７】この高水素Ｐ層１２ａの上側にＰ層１２が
形成され、ガス比は、 ＣＨ４：０．１、ＳｉＨ４：０．１、Ｈ２：１、Ｂ２Ｈ
６：０．００５、 であり、ホットワイヤーの温度は２１００℃であり、基
板温度は２５０℃である。また、この時の反応圧力は１
０Ｐａであり、膜厚は１５ｎｍである。
【００１８】シリコン基板１１の裏面側には、高濃度シ
リコン層（Ｎ＋層）１１ａを同様にホットワイヤーＣＶ
Ｄ法で形成している。このときのガス比は、 ＳｉＨ４：０．１、Ｈ２：９、ＰＨ３：０．００５、 であり、ホットワイヤーの温度が１８００℃であり、基
板温度が２００℃である。また、反応圧力は１０Ｐａで
あり、膜厚は２０ｎｍである。炭素を含むシリコン層１
２の上部には反射防止膜１５が形成され、この反射防止
膜１５はＩＴＯ膜からなり、厚さが０．０５μｍ程度で
ある。また、表面電極はＡｌの蒸着膜が用いられ、厚さ
が３μｍ程度である。裏面側の電極としては、同様にＡ
１の蒸着膜が用いられ、厚さが５μｍ程度である。
【００１９】図２は、本発明の第２の実施形態の太陽電
池を示す。上記第１の実施形態と同様の構成を備え、相
違するのは単結晶または多結晶シリコン基板１１がＰ型
であり、炭素を含むシリコン層１２がＮ型に不純物ドー
プされている点である。このシリコン層１２のドーピン
グガスとしては、ＰＨ３が用いられ、導電率は５×１０
−６〜８×１０１（Ｓ／ｃｍ）に調整することが可能で
ある。また、シリコン基板１１としてＮ型基板を用いる
場合には、裏面電極としてＴｉ／Ｐｄ／Ａｇ層が用いら
れている。
【００２０】これらの太陽電池の製造においては、炭素
を含むシリコン層１２の形成に、シリコン系の原料ガス
として、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６等が用いられ、炭素系原
料ガスとして、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２等が用いら
れ、Ｎ型またはＰ型の不純物をドープするドーピングガ
スとして、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６等が用いられる。これらの
原料ガスが熱線（ホットワイヤー）の触媒的分解作用に
より活性化して、ａ−ＳｉＣ／μｃ−Ｓｉ柱ヘテロ構造
導電膜がシリコン基板１１上に形成される。これによ
り、炭素を含むシリコン層１２は、２ｅＶ程度の広いバ
ンドギャップが得られて、シリコン基板１１との間に、
ヘテロ接合が形成される。
【００２１】成膜対象の基板として、例えば単結晶また
は多結晶シリコン基板を用いてヘテロ接合を形成する場
合に、シリコン基板の表面付近には一般に界面準位が多
数形成されている。従って、ホットワイヤーＣＶＤ法に
より薄膜を被着する際に、最初に高水素濃度層の薄膜１
２ａを形成することで、シリコン基板１１に対してダメ
ージを与えずに効果的に基板及びその表面を水素パッシ
ベーションしてバルク及び界面の欠陥準位を低減するこ
とができる。このときの水素濃度としては、６〜２４ａ
ｔ（atomic）％が適当であり、８ａｔ（atomic）％以上
が好ましい。
【００２２】次に、上記原料ガスの好ましい構成比につ
いて説明する。シリコンを含む原料ガスとしてＳｉＨ４
を用い、炭素を含む原料ガスとしてＣＨ４を用い、不純
物のドーピングガスとしてＰＨ３またはＢ２Ｈ６を用
い、希釈ガスとしてＨ２ガスを用いた場合について説明
する。原料ガスにおける炭素系ガスの比率は、 ＣＨ４／（ＳｉＨ４＋ＣＨ４）＝０．０１〜９５％ とすることが好ましい。また水素ガスの希釈率として
は、 Ｈ２／（ＳｉＨ４＋ＣＨ４）＝０〜５０（注：％で言う
と０〜５０００％） 程度が好ましい。また、Ｐ型ドーピングガスの原料ガス
に対する比率は、 Ｂ２Ｈ６／（ＳｉＨ４＋ＣＨ４）＝０．００１〜１％ 程度が好ましい。また、Ｎ型ドーピングガスの原料ガス
に対する比率は、 ＰＨ３／（ＳｉＨ４＋ＣＨ４）＝０．００１〜１％ 程度が好ましい。
【００２３】このホットワイヤーＣＶＤ装置の運転条件
としては、以下の通りである。 成膜圧力：１０−１〜１０２Ｐａ ホットワイヤーの温度（タングステンまたはモリブデン
線）：１７５０〜２４００℃ 基板温度：１５０〜５００℃ 基板−ホットワイヤー間距離：１〜１０ｃｍ 成膜速度：０．１〜１０ｎｍ／秒
【００２４】上記条件によるホットワイヤーＣＶＤ法で
形成したシリコン層の特性は次の通りである。まず、高
水素濃度Ｐ層（水素濃度＞８ａｔ％）の成膜面の平行方
向の電気伝導度は、５×１０−６〜５×１００（Ｓ／ｃ
ｍ）であり、Ｐ層の成膜面平行方向の電気伝導度は５×
１０−６〜８×１０１（Ｓ／ｃｍ）である。また、膜中
の炭素濃度は０．１〜６０ａｔ％であるが、炭素濃度４
２ａｔ％以下で微結晶シリコン柱が析出する。また、析
出した微結晶シリコン柱の直径は１〜５０ｎｍであり、
ラマン分光法により測定した結晶化率は６０〜９０％で
ある。膜中水素濃度は２〜２４ａｔ％であり、光学的に
測定したバンドギャップは１．９〜２．６（ｅＶ）であ
る。ただし、このバンドギャップは炭素含有率が３０〜
４０％程度の場合のシリコン層１２についてのものであ
る。
【００２５】上記実施例の太陽電池においては、従来例
と比較して、変換効率が１０．８％から１２．２％に、
短絡電流密度が２７．８（ｍＡ／ｃｍ２）から３０．１
（ｍＡ／ｃｍ２）に、開放電圧が０．５４（ｍＶ）から
０．５５（ｍＶ）にそれぞれ向上している。
【００２６】なお、ヘテロ構造型太陽電池においては、
同一導電型の半導体層を接合し、バンドギャップの大き
さの相違による接合（High-Low接合）を用いることもで
きる。また、上述したホットワイヤーＣＶＤ法によるａ
−ＳｉＣ／μｃ−Ｓｉ柱ヘテロ構造導電膜は、太陽電池
以外でもディスプレイデバイスのＴＦＴ等のデバイスの
形成に用いることができる。
【００２７】これまで本発明の一実施形態について説明
したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技
術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施され
てよいことは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
開放電圧および短絡電流等の電気的特性が改良されたヘ
テロ接合型太陽電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の太陽電池の構成例を
示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の太陽電池の構成例を
示す図である。
【図３】シリコン微結晶柱についての説明のための図で
ある。
【図４】（ａ）はホットワイヤーＣＶＤ法を示す図であ
り、（ｂ）はプラズマＣＶＤ法を示す図である。
【符号の説明】
１１ シリコン基板 １１ａ Ｎ＋層 １１ｂ Ｐ＋層 １２ 炭素を含むシリコン層 １２ａ 高水素含有層 １３ 裏面電極 １５ 反射防止膜／透明電極 １６ 表面電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F051 AA02 AA03 AA04 AA05 CA02 CA05 CA14 DA03 DA07 DA20 FA04 FA23

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ホットワイヤーＣＶＤで形成した炭素を
    含むシリコン層を、単結晶または多結晶シリコン層上に
    形成したことを特徴とする太陽電池。
  2. 【請求項２】 前記炭素を含むシリコン層には、微細な
    シリコンの柱状結晶が存在していることを特徴とする請
    求項１記載の太陽電池。
  3. 【請求項３】 前記炭素を含むシリコン層は、高導電率
    の導電性を備えたことを特徴とする請求項１記載の太陽
    電池。
  4. 【請求項４】 前記炭素を含むシリコン層の単結晶また
    は多結晶シリコン層との界面に高水素含有層を備えたこ
    とを特徴とする請求項１記載の太陽電池。
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