JP3776606B2 - 透明電極基板の作製方法 - Google Patents
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- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透光性基板に透明導電性膜を形成して構成される透明電極基板及びその作製方法、並びに、そのような透明電極基板を用いる光起電力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板側から光を入射させて電気エネルギを取り出す構成の光起電力素子では、ガラス板等の透光性基板上に透明導電性膜を光入射側電極として積層してなる透明電極基板が利用される。この透明導電性膜の材料としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），酸化錫（ＳｎＯ2 ）が一般的であり、これ以外に、高光透過率及び低抵抗率を実現するべく、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）を含む酸化亜鉛（特開平５−２７５７２７号公報）も知られている。
【０００３】
そして、この透明電極基板の作製には、量産性に優れていて低コストである点を考慮して、一般的にスパッタリング法が検討されている。即ち、透光性基板を陽極とし、上記のような透明導電性膜の材料（ターゲット）を陰極として、１０-2Ｔｏｒｒ程度の不活性ガス（例えばＡｒガス）中で陰極に負の高周波電圧を印加することによってグロー放電を行い、放電で生じたイオン（例えばＡｒ+ ）をターゲットに当てて、その際に起こるスパッタリング作用を利用して透光性基板上にその材料を成膜して透明導電性膜を形成する。
【０００４】
ところで、光起電力素子にあっては、光入射側電極（透明導電性膜）の表面が凹凸化している構造（テクスチャ構造）を有していると大きな電流を出力できることが知られている。即ち、透光性基板側から入射してきた光が凹凸形状を有する光入射側電極（透明導電性膜）と光電変換層との界面で散乱された後に光電変換層に入射するので、光電変換層に斜めに光が入射して光路の実質的な距離が延びて光の吸収が増大し、この結果、光起電力素子の光電変換特性が向上して出力電流が増加する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタリング法を用いて透光性基板上に透明導電性膜を形成する方法は、処理工程が簡便であるが、光起電力素子の光入射側電極に期待されるような凹凸形状（テクスチャ構造）を実現することはできない。よって、スパッタリング法を用いて光入射側電極（透明導電性膜）を形成した光起電力素子の光電変換特性の向上が妨げられているという問題がある。
【０００６】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、スパッタリング法を用いて透明導電性膜を作製する場合にあっても、その表面を凹凸形状にできる透明電極基板及びその作製方法を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、スパッタリング法を用いて光入射側電極を形成する場合において、その光電変換特性の向上を図れる光起電力素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る透明電極基板の作製方法は、スパッタリング法にて透明導電性膜を透光性基板に形成してなる透明電極基板を作製する方法において、前記透光性基板にアルミニウム膜を形成する工程と、形成したアルミニウム膜をエッチングして凹凸化する工程と、アルミニウム膜をアルミニウム化合物膜に変化させる工程と、アルミニウム化合物膜にスパッタリング法にて透明導電性膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１５】
エッチング処理により凹凸化されたアルミニウム化合物膜上にスパッタリング法にて透明導電性膜を形成することにより、スパッタリング法を用いても、アルミニウム化合物膜の凹凸形状に応じて透明導電性膜が凹凸化する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の透明電極基板の構成図である。図１において、１はガラス製の透光性基板である。透光性基板１上には、表面が凹凸形状をなす酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるアルミニウム化合物膜２（厚さ：１０００Å）が形成され、その上には、表面が凹凸形状をなす、即ち表面にテクスチャ構造を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）または酸化錫（ＳｎＯ2 ）からなる透明導電性膜３（厚さ：６０００Å）が形成されている。
【００１８】
次に、このような構成を有する本発明の透明電極基板の作製手順を、その工程を示す図２を参照して説明する。まず、ガラス製の透光性基板１上に、スパッタリング法にて、厚さ１０００Åのアルミニウム（Ａｌ）膜２１を形成する（図２（ａ））。次に、塩酸：水＝１：１のエッチャントを用いてアルミニウム膜２１を部分的にエッチング除去してその表面を凹凸化する（図２（ｂ））。
【００１９】
次に、大気中または窒素雰囲気中で５０℃で加熱して、アルミニウム膜２１を酸化または窒化させて、結晶化された酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムのアルミニウム化合物膜２を形成する（図２（ｃ））。最後に、スパッタリング法にて、酸化亜鉛または酸化錫を厚さ６０００Åだけ成膜して、透明導電性膜３を形成する（図２（ｄ））。この際、下地となるアルミニウム化合物膜２の表面が凹凸形状をなすので、その上に形成される透明導電性膜３も凹凸化し、テクスチャ構造を有することになる。
【００２０】
ところで、スパッタリング法にて透光性基板１上に直接形成した酸化亜鉛または酸化錫の透明導電性膜を直接エッチングしてその表面を凹凸化するような手法も考えられるが、酸化亜鉛または酸化錫のエッチング加工は容易でないという問題がある。これに対して、アルミニウムは、これらの酸化亜鉛または酸化錫と比較してエッチング加工が容易であるので、本発明は簡単にテクスチャ構造の透明導電性膜を持った透明電極基板を作製できる。
【００２１】
図３は、上述したような透明電極基板を用いた本発明の光起電力素子の構成図である。図３において、１，２，３は、図１と同様のガラス製の透光性基板，アルミニウム化合物膜，透明導電性膜（光入射側電極）である。透明導電性膜３上には、ｐ型非晶質シリコン層４（厚さ：２００Å）、ｉ型非晶質シリコン層５（厚さ：７５０Å）、ｎ型微結晶シリコン層６（厚さ：２５０Å）、ｐ型非晶質シリコン層７（厚さ：２００Å）、ｉ型非晶質シリコン層８（厚さ：３０００Å）、ｎ型非晶質シリコン層９（厚さ：３００Å）、ＺｎＯまたはＩＴＯからなる拡散防止層１０（厚さ：１０００Å）、Ａｇからなる裏面電極膜１１（厚さ：２０００Å）がこの順に積層形成されている。
【００２２】
このようなアルミニウム化合物膜２は透光性を有するので、透光性基板１と透明導電性膜３との間のアルミニウム化合物膜２の存在が光電変換特性に悪影響を及ぼすことはなく、例えば酸化アルミニウムの屈折率（１．６２）が、ガラスの屈折率（１．５）とＺｎＯまたはＩＴＯの屈折率（２．０）との間であるので、このアルミニウム化合物膜２の存在によって反射防止効果が得られる。
【００２３】
このような構成の光起電力素子は、以下のようにして製造できる。まず、上述したような工程（図２参照）にて透明電極基板を作製し、その透明電極基板上に、プラズマＣＶＤ法にて各シリコン層４〜９を順次形成し、その上に、スパッタリング法にて、拡散防止層１０，裏面電極膜１１を形成する。
【００２４】
次に、本発明による透明電極基板及び光起電力素子の特性について説明する。
（実施例１）
図１，図３におけるアルミニウム化合物膜２として酸化アルミニウムを用いた透明電極基板，光起電力素子を製造し、夫々の特性を測定した。また、比較例として、酸化アルミニウムからなるアルミニウム化合物膜を設けない透明電極基板，光起電力素子を製造し、夫々の特性も測定した。これらの測定結果を表１（透明電極基板の特性），表２（１ｃｍセルの光起電力素子の特性）に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
比較例の透明電極基板にあっては、透明導電性膜の表面が平坦であって充分なヘイズ率が得られていない。これに対して、表面が凹凸のアルミニウム化合物膜（酸化アルミニウム膜）を設けた本発明の透明電極基板では、透明導電性膜の表面が凹凸化して充分なヘイズ率を達成できている。この結果、これを用いる本発明の光起電力素子では、特に短絡電流（ＩSC）及び最大起電力Ｐmax が大幅に向上している。
【００２８】
（実施例２）
図１，図３におけるアルミニウム化合物膜２として窒化アルミニウムを用いた透明電極基板，光起電力素子を製造し、夫々の特性を測定した。また、比較例として、窒化アルミニウムからなるアルミニウム化合物膜を設けない透明電極基板，光起電力素子を製造し、夫々の特性も測定した。これらの測定結果を表３（透明電極基板の特性），表４（１ｃｍセルの光起電力素子の特性）に示す。
【００２９】
【表３】
【００３０】
【表４】
【００３１】
比較例の透明電極基板にあっては、透明導電性膜の表面が平坦であって充分なヘイズ率が得られていない。これに対して、表面が凹凸のアルミニウム化合物膜（窒化アルミニウム膜）を設けた本発明の透明電極基板では、透明導電性膜の表面が凹凸化して充分なヘイズ率を達成できている。この結果、これを用いる本発明の光起電力素子では、特に短絡電流（ＩSC）及び最大起電力（Ｐmax ）が大幅に向上している。
【００３２】
なお、上述した例では、アルミニウム膜を形成し、それをエッチングした後に酸化または窒化するようにしたが、酸化アルミニウムの粉末を使用することも可能である。この場合には、酸化アルミニウムの粉末を溶媒に溶かしたペーストを透光性基板上に塗布し、その塗布した膜にエッチング処理を施して表面を凹凸化すれば、全く同様に、テクスチャ構造を有する透明導電性膜を形成することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明では、スパッタリング法によって透明導電性膜を形成する場合にあっても、表面が凹凸形状をなす透明導電性膜を有する透明電極基板を得ることができ、高いヘイズ率を持つ透明電極基板を提供できる。
【００３４】
また、このような透明電極基板を用いるようにしたので、光の有効利用を図って優れた光電変換特性を持つ光電変換素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の透明電極基板の構成図である。
【図２】本発明の透明電極基板の作製方法の工程を示す図である。
【図３】本発明の光起電力素子の構成図である。
【符号の説明】
１ 透光性基板
２ アルミニウム化合物膜
３ 透明導電性膜
２１ アルミニウム膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、透光性基板に透明導電性膜を形成して構成される透明電極基板及びその作製方法、並びに、そのような透明電極基板を用いる光起電力素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板側から光を入射させて電気エネルギを取り出す構成の光起電力素子では、ガラス板等の透光性基板上に透明導電性膜を光入射側電極として積層してなる透明電極基板が利用される。この透明導電性膜の材料としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），酸化錫（ＳｎＯ2 ）が一般的であり、これ以外に、高光透過率及び低抵抗率を実現するべく、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）を含む酸化亜鉛（特開平５−２７５７２７号公報）も知られている。
【０００３】
そして、この透明電極基板の作製には、量産性に優れていて低コストである点を考慮して、一般的にスパッタリング法が検討されている。即ち、透光性基板を陽極とし、上記のような透明導電性膜の材料（ターゲット）を陰極として、１０-2Ｔｏｒｒ程度の不活性ガス（例えばＡｒガス）中で陰極に負の高周波電圧を印加することによってグロー放電を行い、放電で生じたイオン（例えばＡｒ+ ）をターゲットに当てて、その際に起こるスパッタリング作用を利用して透光性基板上にその材料を成膜して透明導電性膜を形成する。
【０００４】
ところで、光起電力素子にあっては、光入射側電極（透明導電性膜）の表面が凹凸化している構造（テクスチャ構造）を有していると大きな電流を出力できることが知られている。即ち、透光性基板側から入射してきた光が凹凸形状を有する光入射側電極（透明導電性膜）と光電変換層との界面で散乱された後に光電変換層に入射するので、光電変換層に斜めに光が入射して光路の実質的な距離が延びて光の吸収が増大し、この結果、光起電力素子の光電変換特性が向上して出力電流が増加する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタリング法を用いて透光性基板上に透明導電性膜を形成する方法は、処理工程が簡便であるが、光起電力素子の光入射側電極に期待されるような凹凸形状（テクスチャ構造）を実現することはできない。よって、スパッタリング法を用いて光入射側電極（透明導電性膜）を形成した光起電力素子の光電変換特性の向上が妨げられているという問題がある。
【０００６】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、スパッタリング法を用いて透明導電性膜を作製する場合にあっても、その表面を凹凸形状にできる透明電極基板及びその作製方法を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、スパッタリング法を用いて光入射側電極を形成する場合において、その光電変換特性の向上を図れる光起電力素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る透明電極基板の作製方法は、スパッタリング法にて透明導電性膜を透光性基板に形成してなる透明電極基板を作製する方法において、前記透光性基板にアルミニウム膜を形成する工程と、形成したアルミニウム膜をエッチングして凹凸化する工程と、アルミニウム膜をアルミニウム化合物膜に変化させる工程と、アルミニウム化合物膜にスパッタリング法にて透明導電性膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１５】
エッチング処理により凹凸化されたアルミニウム化合物膜上にスパッタリング法にて透明導電性膜を形成することにより、スパッタリング法を用いても、アルミニウム化合物膜の凹凸形状に応じて透明導電性膜が凹凸化する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の透明電極基板の構成図である。図１において、１はガラス製の透光性基板である。透光性基板１上には、表面が凹凸形状をなす酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるアルミニウム化合物膜２（厚さ：１０００Å）が形成され、その上には、表面が凹凸形状をなす、即ち表面にテクスチャ構造を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）または酸化錫（ＳｎＯ2 ）からなる透明導電性膜３（厚さ：６０００Å）が形成されている。
【００１８】
次に、このような構成を有する本発明の透明電極基板の作製手順を、その工程を示す図２を参照して説明する。まず、ガラス製の透光性基板１上に、スパッタリング法にて、厚さ１０００Åのアルミニウム（Ａｌ）膜２１を形成する（図２（ａ））。次に、塩酸：水＝１：１のエッチャントを用いてアルミニウム膜２１を部分的にエッチング除去してその表面を凹凸化する（図２（ｂ））。
【００１９】
次に、大気中または窒素雰囲気中で５０℃で加熱して、アルミニウム膜２１を酸化または窒化させて、結晶化された酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムのアルミニウム化合物膜２を形成する（図２（ｃ））。最後に、スパッタリング法にて、酸化亜鉛または酸化錫を厚さ６０００Åだけ成膜して、透明導電性膜３を形成する（図２（ｄ））。この際、下地となるアルミニウム化合物膜２の表面が凹凸形状をなすので、その上に形成される透明導電性膜３も凹凸化し、テクスチャ構造を有することになる。
【００２０】
ところで、スパッタリング法にて透光性基板１上に直接形成した酸化亜鉛または酸化錫の透明導電性膜を直接エッチングしてその表面を凹凸化するような手法も考えられるが、酸化亜鉛または酸化錫のエッチング加工は容易でないという問題がある。これに対して、アルミニウムは、これらの酸化亜鉛または酸化錫と比較してエッチング加工が容易であるので、本発明は簡単にテクスチャ構造の透明導電性膜を持った透明電極基板を作製できる。
【００２１】
図３は、上述したような透明電極基板を用いた本発明の光起電力素子の構成図である。図３において、１，２，３は、図１と同様のガラス製の透光性基板，アルミニウム化合物膜，透明導電性膜（光入射側電極）である。透明導電性膜３上には、ｐ型非晶質シリコン層４（厚さ：２００Å）、ｉ型非晶質シリコン層５（厚さ：７５０Å）、ｎ型微結晶シリコン層６（厚さ：２５０Å）、ｐ型非晶質シリコン層７（厚さ：２００Å）、ｉ型非晶質シリコン層８（厚さ：３０００Å）、ｎ型非晶質シリコン層９（厚さ：３００Å）、ＺｎＯまたはＩＴＯからなる拡散防止層１０（厚さ：１０００Å）、Ａｇからなる裏面電極膜１１（厚さ：２０００Å）がこの順に積層形成されている。
【００２２】
このようなアルミニウム化合物膜２は透光性を有するので、透光性基板１と透明導電性膜３との間のアルミニウム化合物膜２の存在が光電変換特性に悪影響を及ぼすことはなく、例えば酸化アルミニウムの屈折率（１．６２）が、ガラスの屈折率（１．５）とＺｎＯまたはＩＴＯの屈折率（２．０）との間であるので、このアルミニウム化合物膜２の存在によって反射防止効果が得られる。
【００２３】
このような構成の光起電力素子は、以下のようにして製造できる。まず、上述したような工程（図２参照）にて透明電極基板を作製し、その透明電極基板上に、プラズマＣＶＤ法にて各シリコン層４〜９を順次形成し、その上に、スパッタリング法にて、拡散防止層１０，裏面電極膜１１を形成する。
【００２４】
次に、本発明による透明電極基板及び光起電力素子の特性について説明する。
（実施例１）
図１，図３におけるアルミニウム化合物膜２として酸化アルミニウムを用いた透明電極基板，光起電力素子を製造し、夫々の特性を測定した。また、比較例として、酸化アルミニウムからなるアルミニウム化合物膜を設けない透明電極基板，光起電力素子を製造し、夫々の特性も測定した。これらの測定結果を表１（透明電極基板の特性），表２（１ｃｍセルの光起電力素子の特性）に示す。
【００２５】
【表１】
【表２】
比較例の透明電極基板にあっては、透明導電性膜の表面が平坦であって充分なヘイズ率が得られていない。これに対して、表面が凹凸のアルミニウム化合物膜（酸化アルミニウム膜）を設けた本発明の透明電極基板では、透明導電性膜の表面が凹凸化して充分なヘイズ率を達成できている。この結果、これを用いる本発明の光起電力素子では、特に短絡電流（ＩSC）及び最大起電力Ｐmax が大幅に向上している。
【００２８】
（実施例２）
図１，図３におけるアルミニウム化合物膜２として窒化アルミニウムを用いた透明電極基板，光起電力素子を製造し、夫々の特性を測定した。また、比較例として、窒化アルミニウムからなるアルミニウム化合物膜を設けない透明電極基板，光起電力素子を製造し、夫々の特性も測定した。これらの測定結果を表３（透明電極基板の特性），表４（１ｃｍセルの光起電力素子の特性）に示す。
【００２９】
【表３】
【表４】
比較例の透明電極基板にあっては、透明導電性膜の表面が平坦であって充分なヘイズ率が得られていない。これに対して、表面が凹凸のアルミニウム化合物膜（窒化アルミニウム膜）を設けた本発明の透明電極基板では、透明導電性膜の表面が凹凸化して充分なヘイズ率を達成できている。この結果、これを用いる本発明の光起電力素子では、特に短絡電流（ＩSC）及び最大起電力（Ｐmax ）が大幅に向上している。
【００３２】
なお、上述した例では、アルミニウム膜を形成し、それをエッチングした後に酸化または窒化するようにしたが、酸化アルミニウムの粉末を使用することも可能である。この場合には、酸化アルミニウムの粉末を溶媒に溶かしたペーストを透光性基板上に塗布し、その塗布した膜にエッチング処理を施して表面を凹凸化すれば、全く同様に、テクスチャ構造を有する透明導電性膜を形成することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明では、スパッタリング法によって透明導電性膜を形成する場合にあっても、表面が凹凸形状をなす透明導電性膜を有する透明電極基板を得ることができ、高いヘイズ率を持つ透明電極基板を提供できる。
【００３４】
また、このような透明電極基板を用いるようにしたので、光の有効利用を図って優れた光電変換特性を持つ光電変換素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の透明電極基板の構成図である。
【図２】本発明の透明電極基板の作製方法の工程を示す図である。
【図３】本発明の光起電力素子の構成図である。
【符号の説明】
１ 透光性基板
２ アルミニウム化合物膜
３ 透明導電性膜
２１ アルミニウム膜
Claims (1)
- スパッタリング法にて透明導電性膜を透光性基板に形成してなる透明電極基板を作製する方法において、前記透光性基板にアルミニウム膜を形成する工程と、形成したアルミニウム膜をエッチングして凹凸化する工程と、アルミニウム膜をアルミニウム化合物膜に変化させる工程と、アルミニウム化合物膜にスパッタリング法にて透明導電性膜を形成する工程とを有することを特徴とする透明電極基板の作製方法。
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