JP2007281156A - 裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池ならびにその製造方法と製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体と、その発生した電子及びホールを収集する領域を構成するｎ型及びｐ型半導体とを有する太陽電池であって、ｎ型半導体及びｐ型半導体が、前記活性領域を構成する半導体とは結晶構造、基本組成が異なるものである裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池の生産性、変換効率の向上を図る。
【解決手段】電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体と、それぞれに接続されている電流取り出し電極のいずれもが、太陽光の照射面とは反対側にある裏面に設置されていると共に、前記ｎ型半導体及びｐ型半導体が触媒化学気相堆積法により形成されている。
【選択図】図１
【解決手段】電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体と、それぞれに接続されている電流取り出し電極のいずれもが、太陽光の照射面とは反対側にある裏面に設置されていると共に、前記ｎ型半導体及びｐ型半導体が触媒化学気相堆積法により形成されている。
【選択図】図１
Description
本発明は変換効率が高い裏面電極型太陽電池を安価に製造する方法と装置、およびそれにより作られた太陽電池に関する。
（裏面電極型太陽電池）
裏面電極型太陽電池は、表面側（すなわち、太陽光の照射面側）に従来形成されている電極も含め、ｐ型半導体領域、ｎ型半導体領域及びそれぞれに接続された電流取り出し電極を、太陽光の照射面とは反対側になる裏面に設置したものである。
裏面電極型太陽電池は、表面側（すなわち、太陽光の照射面側）に従来形成されている電極も含め、ｐ型半導体領域、ｎ型半導体領域及びそれぞれに接続された電流取り出し電極を、太陽光の照射面とは反対側になる裏面に設置したものである。
この裏面電極型太陽電池は、表面電極の陰による照射光の損失を無くすことができるという長所がある。また、特に、従来の結晶シリコン系太陽電池構造で懸念されている、裏面全面にアルミニウムペーストを印刷焼成した際に起こる結晶の反りの問題も解決でき、更に、モジュール化する際の配線が非常に容易になるという特徴も備えている（非特許文献１〜３）。
（半導体へテロ接合太陽電池）
現在、市販の結晶シリコン系太陽電池の中で、最も高い変換効率（10cm角で21.5%）を得られているのが、ＨＩＴ構造（Heterojunction with Intrinsic Thin layer）を有する半導体へテロ接合太陽電池である（非特許文献４）。
現在、市販の結晶シリコン系太陽電池の中で、最も高い変換効率（10cm角で21.5%）を得られているのが、ＨＩＴ構造（Heterojunction with Intrinsic Thin layer）を有する半導体へテロ接合太陽電池である（非特許文献４）。
この半導体へテロ接合太陽電池は、ｎ型単結晶シリコンの表面に緩衝層としての非晶質シリコン膜およびｐ型非晶質シリコン膜、裏面に緩衝層としての非晶質シリコン膜およびｎ型非晶質シリコン膜を堆積したヘテロ構造を有している。
この半導体へテロ接合太陽電池は従来の結晶シリコン太陽電池より高い変換効率を有する。これは、結晶シリコンと緩衝層としての非晶質シリコン界面の特性が良く、キャリアの再結合抑制効果が大きいためである。また、従来の結晶シリコン太陽電池形成時に必要な、ｎ層拡散および電極焼成の、９００℃程度の熱プロセスが必要無く、結晶シリコン中の欠陥数の増大が抑制されているためである。
（裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池）
上記２つの太陽電池を組み合わせた裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池は、裏面電極型太陽電池と半導体へテロ接合型太陽電池の長所を兼ね備えており、近年多くの機関で研究が行われている。
上記２つの太陽電池を組み合わせた裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池は、裏面電極型太陽電池と半導体へテロ接合型太陽電池の長所を兼ね備えており、近年多くの機関で研究が行われている。
（短時間熱処理による多結晶化）
化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition )法、等の堆積により作製される多結晶膜は、一般に非晶質相を含んでいるため、バルクの結晶と比較して移動度が小さくなってしまう。なお、本明細書において、化学気相堆積法を「CVD法」と表すことがあり、CVD法に用いられる化学気相堆積装置を「CVD装置」と表すことがある。
化学気相堆積(Chemical Vapor Deposition )法、等の堆積により作製される多結晶膜は、一般に非晶質相を含んでいるため、バルクの結晶と比較して移動度が小さくなってしまう。なお、本明細書において、化学気相堆積法を「CVD法」と表すことがあり、CVD法に用いられる化学気相堆積装置を「CVD装置」と表すことがある。
そこで、非晶質相を含まない条件で多結晶膜を作製すると、欠陥密度の増大にともない、酸素等不純物の取り込み量が増加し、かえって電気特性を悪化させるという問題がある。
しかしながら、非晶質膜を短時間熱処理することにより作製される多結晶膜は、直径約５０ｎｍの粒子が密に存在し、アモルファス相を含まず、酸素の吸引もないため、堆積型の多結晶膜と比較し、格段に高い電気伝導特性を示す（非特許文献５）。
（高圧水蒸気熱処理）
多結晶シリコン膜を、３気圧以上の高圧水蒸気雰囲気中で熱処理すると、結晶粒界に存在する未結合手が終端され、欠陥密度を減少できることが近年注目を集めている。
多結晶シリコン膜を、３気圧以上の高圧水蒸気雰囲気中で熱処理すると、結晶粒界に存在する未結合手が終端され、欠陥密度を減少できることが近年注目を集めている。
例えば、短時間熱処理により作製した多結晶シリコン膜を例に取ると、３×１０１７／ｃｍ３以上あった欠陥密度を、２×１０１５／ｃｍ３まで低減させることができる（非特許文献５）。
J. Dicker et al., J. Appl Phys. 91, 4355 (2002) K. M. Lee et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 75, 439 (2003) K. Nakamura et al., Proceedings of the 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference (PVSEC-15) , Shanghai, China 2005, p. 869 A. Terakawa et al., Proceedings of the 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference (PVSEC-15), Shanghai, China 2005, p. 661 H. Matsumura et al., Proceedings of the 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference (PVSEC-15), Shanghai, China 2005, p. 776
J. Dicker et al., J. Appl Phys. 91, 4355 (2002) K. M. Lee et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 75, 439 (2003) K. Nakamura et al., Proceedings of the 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference (PVSEC-15) , Shanghai, China 2005, p. 869 A. Terakawa et al., Proceedings of the 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference (PVSEC-15), Shanghai, China 2005, p. 661 H. Matsumura et al., Proceedings of the 15th International Photovoltaic Science & Engineering Conference (PVSEC-15), Shanghai, China 2005, p. 776
裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池を製造する場合、通常、非晶質層の成膜、微結晶層の成膜にプラズマＣＶＤ法が用いられる。しかし、プラズマＣＶＤ法によれば、成膜時のプラズマによる基板の損傷が太陽電池の効率低下を引き起こすと考えられている。そこで、損傷を抑えるために、出力を低下させて堆積速度を下げなければならず、結果的に生産性の低下が引き起こされている。
また、裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池においては、ｎ型半導体およびｐ型半導体を、１００乃至５００ミクロン間隔で櫛型に作製する必要があり、生産性が低く、煩雑なフォトリソグラフィー等のプロセスが必要であるという問題がある。
さらに、電子とホールを発生させる活性領域の半導体についても、原材料不足、コスト高といった問題をかかえており、安価で簡便な製造法が求められている。
そこで、本発明は、低コストで生産することが可能で、生産性がよく、高い変換効率を発揮できる裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池を製造する方法及び製造装置と、これによって製造した生産性がよく、高い変換効率を発揮できる裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池を提供することを目的にしている。
この発明は、前記課題を解決するため、太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体と、その発生した電子及びホールを収集する領域を構成するｎ型及びｐ型半導体とを有する太陽電池であって、ｎ型半導体及びｐ型半導体が、前記活性領域を構成する半導体とは結晶構造、基本組成が異なるものである裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池と、これを製造する方法、装置に関して以下の提案を行なうものである。
すなわち、本願発明の裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池と、これを製造する方法は、電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体と、それぞれに接続されている電流取り出し電極のいずれもが、太陽光の照射面とは反対側になる裏面に設置されていると共に、前記ｎ型半導体及びｐ型半導体が触媒化学気相堆積(Catalytic Chemical Vapor Deposition)法により形成されている点に特徴を有する。
なお、本明細書において、触媒化学気相堆積法を「Cat-CVD法」、Cat-CVD法が行なわれる触媒化学気相堆積装置を「Cat-CVD装置」と表すことがある。
前記本発明の裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池と、これを製造する方法において、Cat-CVD法により形成されているｎ型半導体及びｐ型半導体の両方または一方は非晶質半導体とすることができる。
前記のように、本発明によれば、活性領域を構成する半導体の部分で発生された電子及びホールを収集する領域を構成するｎ型半導体及びｐ型半導体を成膜する際にプラズマを使用していない。そこで、成膜時の基板損傷の影響を回避することができ、界面特性を向上させ、ひいては変換効率の向上を図ることができる。
前記本発明の裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池と、これを製造する方法において、太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体と、電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体との間に半導体層が形成されている形態にすることができる。
当該活性領域を構成する半導体と、ｎ型半導体及びｐ型半導体との間に形成される半導体層は、前記ｎ型半導体及びｐ型半導体をCat-CVD法によって太陽光の照射面とは反対側になる裏面に形成する前に、例えば、Cat-CVD法を用いて形成することができる。
前記の活性領域を構成する半導体と、ｎ型半導体及びｐ型半導体との間に形成される半導体層は、緩衝層としての役割を果たすものである。
このように、活性領域を構成する半導体と、ｎ型半導体及びｐ型半導体との間に半導体層が挿入されている構造にすれば、活性領域を構成する半導体や、ｎ型半導体及びｐ型半導体と、緩衝層との間の界面におけるキャリアの再結合の抑制を期待することができる。
前述したように、この緩衝層となる半導体も、Cat-CVD法によって堆積させて作製すると、Cat-CVD法の適用により、プラズマによる基板の損傷を回避でき、活性領域を構成する半導体や、ｎ型半導体及びｐ型半導体と、緩衝層との間の界面特性の向上、ひいては変換効率の向上を図ることができる。
前記本発明の裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池と、これを製造する方法において、太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体、発生した電子及びホールを収集する領域を構成するｎ型半導体及びｐ型半導体、前記活性領域を構成する半導体と前記ｎ型半導体及びｐ型半導体との間に形成されている半導体層のすべて、またはその一部が、シリコン系半導体からなるようにすることができる。
なお、前記のCat-CVD法により形成されているｎ型半導体及びｐ型半導体は、Cat-CVD法により半導体層を堆積する際に、ハードマスクを用いて半導体を堆積する領域を限定して形成することができる。
このように、Cat-CVD法を用い、しかも、ハードマスクを利用してｎ型半導体及びｐ型半導体を選択的に堆積することによって、加工プロセスの簡便化、生産性の向上を期待することができる。
Cat-CVD法においては、原料ガスの分解に放電プラズマを用いないので、プラズマの安定な発生と維持が難しい１Pa以下の低圧でも容易に原料ガスが分解できる。
そして、このような低圧では生成された堆積種の多くが触媒体から基板に向かって平均的には直線的に飛行するようになる。そこで、ハードマスクによる堆積領域の選択性が向上する。
プラズマを用いる場合で、例えば、金属製のハードマスクを使用すると、マスクの微細な開口パターンや凹凸部分で電界集中による堆積分布の局部的変位が起こる。しかし、プラズマを用いないCat-CVD法にはその心配もなく、ハードマスクのパターンが忠実に転写される。
前記本発明の裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池と、これを製造する方法において、太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体は結晶半導体とすることができる。
この場合、当該結晶半導体は、例えば、Cat-CVD法で形成した非晶質半導体を６０秒以下の熱処理により多結晶化して得られた多結晶半導体、あるいは、非晶質半導体を６０秒以下の熱処理により多結晶化して得られた多結晶半導体に対して、３００℃以上、３気圧以上の高圧水蒸気熱処理が加えられたものとすることができる。
ここで、前記の６０秒以下の熱処理は、６０秒以下のランプ光照射による短時間高温熱処理とすることができる。
非晶質半導体を６０秒以下の熱処理のように短時間熱処理することにより多結晶化させた半導体層は、堆積型の半導体薄膜と比較して高い電気伝導特性をもつ。本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の製造方法で製造した本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池は、このように短時間熱処理することにより多結晶化させた半導体を活性領域に使用しているので、高い変換効率を達成することができる。
また、前記のように、非晶質半導体を６０秒以下の熱処理により多結晶化して得られた多結晶半導体に対して、３００℃以上、３気圧以上の高圧水蒸気熱処理することにより、太陽電池の活性領域に使用される半導体に、欠陥密度を低減させたものを使用することができる。
すなわち、非晶質半導体を短時間熱処理することにより作製された多結晶半導体は、３００℃以上、３気圧以上の高圧水蒸気で熱処理することにより、欠陥密度を低減させることができる。本発明においては、これを活性層に利用することで、変換効率の高い裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池を作製できる。
以上に説明した本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池を製造する方法と、これによって製造される本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の製造には、従来公知のCat-CVD装置において、太陽光の照射面とは反対側になる裏面側に対して、ｎ型半導体及びｐ型半導体を選択的に堆積することに用いられるハードマスクを備えているCat-CVD装置を用いることができる。
Cat-CVD法、Cat-CVD装置は、この技術分野において公知のものであって、ＬＳＩ（大規模集積回路）を始めとする各種半導体デバイスやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の作製において、基板上に所定の薄膜を形成するプロセスの一つとして広く用いられているCVD法、当該CVD法に用いられるCVD装置の中の一種である。
CVD法には、放電プラズマ中で原料ガスを分解又は活性化、又はその双方を行い、成膜を行うプラズマCVD法や、基板を加熱してその熱により化学反応を生じさせて成膜を行う熱CVD法等がある。この他にも、所定の高温に維持した発熱体により原料ガスを分解又は活性化、又はその双方を行い、成膜を行う方式のCVD法（以下、発熱体CVD法と呼ぶ）がある。
発熱体CVD法を行う成膜処理装置（発熱体CVD装置）は、真空排気可能な処理室内に設けられたタングステン等の高融点金属からなる発熱体を１０００〜２０００℃程度の高温に維持しながら原料ガスを導入するよう構成されている。導入された原料ガスは、発熱体の表面を通過する際に分解や活性化される。ついで、この分解や活性化された原料ガスが基板に到達することにより、最終的な目的物である材料の薄膜が基板の表面に堆積する。このような発熱体CVD法のうち、ワイヤ状の発熱体を用いるものについてはホットワイヤ（Hot Wire）CVD法と呼ばれ、発熱体によって原料ガスの分解又は活性化、又はその双方を行う際に発熱体の触媒反応を利用しているものがCat-CVD法と呼ばれている。
本発明に用いられるCat-CVD法、Cat-CVD装置は、このような従来公知のCat-CVD法、Cat-CVD装置を利用するものである。
すなわち、本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池製造装置は、成膜対象の表面に半導体層を選択的に堆積することに用いられるハードマスクを備えているCat-CVD装置からなるものである。ここで、Cat-CVD装置は、真空に排気する排気系と、内部に半導体成膜処理用の所定の原料ガスを供給する原料ガス供給系とが接続されている処理容器内に、当該処理容器内に供給された原料ガスが表面を通過するように触媒体が配置され、当該触媒体に、これを所定の高温に加熱、維持するように、電力を与える電力供給機構が接続され、前記処理容器内において、高温に維持されている触媒体によって分解又は活性化、又はその双方が行われた原料ガスにより成膜対象の表面に半導体成膜処理が行われるものである。
前記において、触媒体としては、例えば、タングステン線が用いられ、この触媒体が電力供給されて加熱、維持される前記の所定の高温は、Cat-CVD法に要求される所定の温度、例えば、１６００〜２０００℃程度の高温である。
なお、本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池製造装置には、処理対象を加熱用ランプを用いて加熱処理する加熱処理室と、処理対象を３００℃以上、３気圧以上で高圧水蒸気処理を行なう高圧水蒸気処理室とが更に配備されている形態にすることができる。
この加熱処理室、高圧水蒸気処理室において、太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する結晶半導体を形成する際の、非晶質半導体に対する短時間加熱処理、多結晶半導体に対する３００℃以上、３気圧以上の高圧水蒸気熱処理が行なわれる。
この発明によれば、低コストで生産することが可能で、生産性がよく、高い変換効率を発揮できる裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池を製造する方法及び製造装置と、これによって製造した生産性がよく、高い変換効率を発揮できる裏面電極型半導体ヘテロ接合太陽電池を提供することができる。
本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池及びその製造方法と、製造装置構造により、入射光のロスの低減、高温プロセスによるシリコン結晶の劣化の抑制、薄板ウェーハを用いた際のペースト焼成による反りの問題の低減、配線の簡易化、緩衝層の導入による結晶と薄膜の界面におけるキャリアの再結合の抑制が期待される。
また、Cat-CVD法の適用により、プラズマによる基板の損傷を回避でき、活性領域を構成する半導体や、ｎ型半導体及びｐ型半導体と、緩衝層との間の界面特性の向上、ひいては変換効率の向上を図ることができる。
更に、ハードマスクを利用したCat-CVD法による選択堆積により、フォトリソグラフィー等の微細加工の工程を低減することができ、加工プロセスの簡便化、生産性の向上を期待することができる。
さらに、太陽電池の活性領域を、非晶質半導体の短時間熱処理および高圧水蒸気熱処理との組み合わせにより作製することで、裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の材料費の低減が期待できる。
本発明の実施の形態を以下の実施例により説明する。
図１に、本発明の製造方法によって製造される本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の構造の一例を示す。図１（ａ）が本発明の太陽電池を裏面側から見た平面図、（ｂ）が本発明の太陽電池の正面図で、本発明の太陽電池における積層構造を説明するものである。
太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体である結晶半導体２の上側、すなわち、太陽電池における太陽光の照射面（図１（ｂ）の上側）に、表面反射を抑制し、半導体結晶への照射光量を増加させる反射防止膜１が形成されている。反射防止膜１にはＳｉＮ膜を用いることができる。
結晶半導体２は、シリコン系半導体にすることができる。例えば、Cat-CVD装置によるCat-CVD法により、石英基板の上に非晶質Ｓｉ膜を堆積し、これを加熱用ランプを用いて、１０００℃で６０秒間熱処理することによって多結晶Ｓｉ膜とし、これに３００℃で、３気圧以上の高圧水蒸気処理を加えて得た結晶半導体とすることができる。
太陽光の照射面とは反対側になる裏面（図１（ｂ）の下側）には、電子およびホールを収集するｎ型半導体であるｎ型非晶質半導体層４と、ホールを収集するｐ型半導体であるｐ型非晶質半導体層５とが設置されている。
そして、これらｎ型非晶質半導体層４と、ｐ型非晶質半導体層５とには、それぞれ、電子、ホールを取り出すための電極６が、これも太陽光の照射面とは反対側にあたる裏面（図１（ｂ）の下側）になるように配備されている。電極６としては、蒸着による銀電極を用いることができる。
ｎ型非晶質半導体層４とｐ型非晶質半導体層５とは、Cat-CVD装置によるCat-CVD法により形成した非晶質Ｓｉ膜とすることができる。
なお、図示の実施形態では、結晶半導体２と、ｎ型非晶質半導体層４及びｐ型非晶質半導体層５との間に、界面での電子、ホール再結合を抑制する働きをもつ緩衝層である非晶質半導体層３が形成されている。
この非晶質半導体層３もCat-CVD装置によるCat-CVD法により形成することができる。
図１図示のように、本発明により製造される本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池によれば、光は図１の上部から照射するので、電極の陰による損失を完全に回避できる。
図２、図３、図４を用いて本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池を製造する本発明の製造工程の一例を説明する。
（太陽光の照射面の製造）
図３を参照して太陽光の照射面、すなわち、太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体が形成される工程の一例を説明する。
図３を参照して太陽光の照射面、すなわち、太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体が形成される工程の一例を説明する。
図４は、Cat-CVD装置からなる本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池製造装置が組み込まれている、本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池を製造する設備の構成概要の一例を説明するものである。
内部に基板搬送用ロボット２６を備えた搬送室２７に、搬入室２１ａ、搬出室２１ｂ、加熱処理室２２、Cat-CVD室２３、Cat-CVD室２４、高圧水蒸気処理室２５が、それぞれ、ゲートバルブ２０を介して接続されている。
Cat-CVD室２３、Cat-CVD室２４は、いずれも、次のように構成されている。真空に排気する排気系と、内部に半導体成膜処理用の所定の原料ガスを供給する原料ガス供給系とが処理容器に接続されている。この処理容器内に、当該処理容器内に供給された原料ガスが表面を通過するように触媒体（たとえば、タングステン線）が配置されている。そして、当該触媒体に、これをCat-CVD法に要求される所定の温度（１６００〜２０００℃程度の高温）に加熱、維持するように、電力を与える電力供給機構が接続されている。処理容器内では、高温に維持されている触媒体によって分解又は活性化、又はその双方が行われた原料ガスによって成膜対象の基板などの上に半導体成膜処理が行われる。
特に、Cat-CVD室２４には、ｎ型半導体及びｐ型半導体を選択的に堆積することに用いられるハードマスクが内蔵されており、このCat-CVD室２４が、Cat-CVD装置からなる本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池製造装置を構成している。
加熱処理室２２は、加熱用ランプを用いて、加熱処理対象の基板を１０００℃程度の温度で所定の時間、加熱処理するものである。
高圧水蒸気処理室２５は、処理対象の基板に対して、３００℃以上、３気圧以上で高圧水蒸気処理を行なうものである。
まず、石英基板２８の表面（図３中、上側面）に、Cat-CVD室２３でCat-CVD法により非晶質シリコン膜を形成する（図３の工程１）。
次いで、加熱処理室２２で、加熱用ランプによるランプ光照射によって、前記の工程１で形成した非晶質シリコン膜に対して、１０００℃にて６０秒間高温熱処理を加える。こうして、前記非晶質シリコン膜を多結晶化して、多結晶シリコン膜を形成する（図３の工程２）。
図６は、石英基板２８の表面（図３中、上側面）に、Cat-CVD室２３でCat-CVD法により形成した非晶質シリコン膜に、前記のように、加熱用ランプによるランプ光照射によって、１０００℃にて６０秒間高温熱処理を加えた場合のラマン散乱スペクトルを示すものである。５２０ｃｍ−１の鋭いピークが存在し、薄膜が結晶化していることが確認されている。
次に、前記の工程２で形成した多結晶シリコン膜に対して、高圧水蒸気処理室２５において３００℃以上、３気圧以上の高圧水蒸気処理が加えられる（図３の工程３）。これによって、前記の工程２で形成した多結晶シリコン膜の内部の欠陥密度を減少させる。
太陽光の照射面、すなわち、太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体は以上のようにして形成することができる。
次に、図２を用いて、Cat-CVD法により、電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体と、それぞれに接続されている電流取り出し電極を、太陽光の照射面とは反対側にある裏面に形成する工程を説明する。
図２（ａ）図示のように、Cat-CVD室２３、あるいは、Cat-CVD室２４において、Cat-CVD法により石英基板２の裏面側（図２中、上側面）に、非晶質シリコン膜３を形成する。
次いで、ハードマスクが内蔵されているCat-CVD室２４において、ハードマスク９を用い、ｐ型半導体となるｐ型非晶質半導体層５を選択的に成膜する（図２（ｂ））。すなわち、不図示の触媒体により分解等されたガス種が、微細なパターンをもつハードマスク９の隙間を通って非晶質シリコン膜３へ到達し、非晶質シリコン膜３上に、ｐ型非晶質半導体層５が選択的に成膜される。
次に、同じく、ハードマスク９が内蔵されているCat-CVD室２４において、ハードマスク９を用い、ｎ型半導体となるｎ型非晶質半導体層４を選択的に成膜する（図２（ｃ））。すなわち、不図示の触媒体により分解等されたガス種が、微細なパターンをもつハードマスク９の隙間を通って非晶質シリコン膜３へ到達し、非晶質シリコン膜３上に、ｎ型非晶質半導体層４が選択的に成膜される。
ついで、レジストの塗布（図２（ｄ））、フォトマスク８を用いた描画（図２（ｅ））、引き続く現像（図２（ｆ））の後、電極形成用に銀蒸着を行い（図２（ｇ））、リフトオフ法を用いて、ｐ型非晶質半導体層５およびｎ型非晶質半導体層４上のみに電流取り出し電極６を形成する（図２（ｈ））。
こうして、図１に一例が示される本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池を製造することができる。
図５に、前記のようにして製造した本発明の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池において、ハードマスク９を用いて堆積させた際のｐ型非結晶半導体層５又はｎ型非結晶半導体層４のパターン幅の計算結果を示す。
図５中、ＤＣＣは触媒体‐触媒体間距離を、ＷＭはマスク幅を、ｔＭはマスク厚を、ＤＭＳはマスク‐基板間距離を、ＤＣＳは触媒体‐基板間距離をそれぞれ表している。触媒体‐触媒体間距離、マスク幅、マスク厚、マスク‐基板間距離、触媒体‐基板間距離に、ｐ型非結晶半導体層５又はｎ型非結晶半導体層４のパターン幅が依存していることが、それぞれ、図５（ａ）〜図５（ｅ）に示されている。
図５（ａ）〜（ｅ）より、線幅２００ミクロン以下のパターンでも、適当なマスクと基板の距離、およびマスクの厚みを選択することにより、マスクパターンを基板上の薄膜にほぼ転写できていることを確認できた。
以上、添付図面を用いて本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の形態に変更可能である。
１ 反射防止膜
２ 結晶半導体
３ 非晶質半導体層
４ ｎ型非晶質半導体層
５ ｐ型非晶質半導体層
６ 電極
７ レジスト
８ フォトマスク
９ ハードマスク
２０ ゲートバルブ
２１ａ 搬入室
２１ｂ 搬出室
２２ 加熱処理室
２３、２４ Cat-CVD室
２５ 高圧水蒸気処理室
２６ 基板搬送用ロボット
２７ 搬送室２７
２ 結晶半導体
３ 非晶質半導体層
４ ｎ型非晶質半導体層
５ ｐ型非晶質半導体層
６ 電極
７ レジスト
８ フォトマスク
９ ハードマスク
２０ ゲートバルブ
２１ａ 搬入室
２１ｂ 搬出室
２２ 加熱処理室
２３、２４ Cat-CVD室
２５ 高圧水蒸気処理室
２６ 基板搬送用ロボット
２７ 搬送室２７
Claims (18)
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体と、その発生した電子及びホールを収集する領域を構成するｎ型及びｐ型半導体とを有する太陽電池であって、ｎ型半導体及びｐ型半導体が、前記活性領域を構成する半導体とは結晶構造、基本組成が異なるものである半導体へテロ接合太陽電池において、電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体と、それぞれに接続されている電流取り出し電極のいずれもが、太陽光の照射面とは反対側になる裏面に設置されていると共に、前記ｎ型半導体及びｐ型半導体が触媒化学気相堆積法により形成されていることを特徴とする裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池。
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体と、電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体との間に半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池。
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体、発生した電子及びホールを収集する領域を構成するｎ型半導体及びｐ型半導体、前記活性領域を構成する半導体と前記ｎ型半導体及びｐ型半導体との間に形成されている半導体層のすべて、またはその一部が、シリコン系半導体であることを特徴とする請求項１又は２記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池。
- 触媒化学気相堆積法により形成されているｎ型半導体及びｐ型半導体は、触媒化学気相堆積法により半導体層を堆積する際に、ハードマスクを用いて半導体を堆積する領域を限定して形成されているものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池。
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体が結晶半導体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池。
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体が、非晶質半導体を６０秒以下の熱処理により多結晶化して得られた多結晶半導体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池。
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体が、非晶質半導体を６０秒以下の熱処理により多結晶化して得られた多結晶半導体に対して、３００℃以上、３気圧以上の高圧水蒸気熱処理が加えられたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池。
- ６０秒以下の熱処理が、６０秒以下のランプ光照射による短時間高温熱処理であることを特徴とする請求項６又は７記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池。
- 触媒化学気相堆積法により形成されているｎ型半導体及びｐ型半導体の両方または一方が非晶質半導体であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池。
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体と、その発生した電子及びホールを収集する領域を構成するｎ型及びｐ型半導体とを有する太陽電池であって、ｎ型半導体及びｐ型半導体が、前記活性領域を構成する半導体とは結晶構造、基本組成が異なるものである半導体へテロ接合太陽電池を製造する方法において、電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体を触媒化学気相堆積法によって、太陽光の照射面とは反対側になる裏面に形成すると共に、当該ｎ型半導体及びｐ型半導体にそれぞれ接続されている電流取り出し電極を太陽光の照射面とは反対側になる裏面に形成することを特徴とする裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の製造方法。
- 電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体を触媒化学気相堆積法によって、太陽光の照射面とは反対側になる裏面に形成する前に、
太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体と、電子及びホールを収集するｎ型半導体及びｐ型半導体との間に半導体層を形成することを特徴とする請求項１０記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の製造方法。 - ｎ型半導体及びｐ型半導体を触媒化学気相堆積法により形成する際に、ハードマスクを用いて半導体を堆積する領域を限定することを特徴とする請求項１０又は１１記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の製造方法。
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体が結晶半導体であることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の製造方法。
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体を、触媒化学気相堆積法により非晶質半導体層を形成した後、当該非晶質半導体層を６０秒以下の熱処理により多結晶化して形成することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の製造方法。
- 太陽光を吸収し電子とホールを発生させる活性領域を構成する半導体を、触媒化学気相堆積法により非晶質半導体層を形成した後、当該非晶質半導体層を６０秒以下の熱処理により多結晶化して多結晶半導体とし、ついで、当該多結晶半導体に対して、３００℃以上、３気圧以上の高圧水蒸気熱処理を加えて形成することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の製造方法。
- ６０秒以下の熱処理が、６０秒以下のランプ光照射による短時間高温熱処理であることを特徴とする請求項１４又は１５記載の裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池の製造方法。
- 真空に排気する排気系と、内部に半導体成膜処理用の所定の原料ガスを供給する原料ガス供給系とが接続されている処理容器内に、当該処理容器内に供給された原料ガスが表面を通過するように触媒体が配置され、当該触媒体に、これを所定の高温に加熱、維持するように、電力を与える電力供給機構が接続され、前記処理容器内において、高温に維持されている触媒体によって分解又は活性化、又はその双方が行われた原料ガスにより成膜対象の表面に半導体成膜処理が行われる触媒化学気相堆積装置であって、成膜対象の表面に半導体層を選択的に堆積することに用いられるハードマスクを備えていることを特徴とする触媒化学気相堆積装置からなる裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池製造装置。
- 処理対象を加熱用ランプを用いて加熱処理する加熱処理室と、処理対象を３００℃以上、３気圧以上で高圧水蒸気処理を行なう高圧水蒸気処理室とが更に配備されていることを特徴とする請求項１７記載の触媒化学気相堆積装置からなる裏面電極型半導体へテロ接合太陽電池製造装置。
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