JPH0227775A - 太陽電池の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く技術分野〉 本発明は、化学的気相分解により非晶質半導体層を形成
する所定数の反応室のプラズマ雰囲気中を通って基板を
搬送し、該基板上に順次所定の導電型の非晶質半導体層
を成膜して、０１０等所定構造の光起電力層を形成する
ようにした太陽電池の製造装置に関する。

〈従来技術〉 化学的気相分解（ＣＶＤ）によるプラズマ雰囲気中で基
板上に薄膜半導体層等を成膜して半導体装置等を製造す
るプラズマ気相成長装置は、例えばシラン（Ｓｉ　Ｈ４
）ガスを放電分解して非晶質シリコン太陽電池を製造す
る方法として広く実用化された公知の技術である。

かかる製造方法において、効率よく非晶質シリコン薄膜
半導体層を成膜するものとして、特開昭５８−２１６４
７５号公報、特面昭５９−３４６６８号公報等で公知の
プラズマｃｖｏ装置を用いてロール・ツ・ロール方式に
より搬送する基板上に連続的に非晶質シリコンＩＩＩの
成膜を行うことが知られている。

この方式で非晶質シリコン太陽電池を作成する場合は少
なくともｐ、ｉ、ｎの非晶質シリコンあるいは微結晶化
非晶質シリコンをそれぞれ独立の反応室で成膜する為複
数の専用反応室を連結して反応室ごとに反応ガスを変え
て成膜し、順次基板を移送させる方法が行われている。

これは単一の反応室内ではプラズマ雰囲気中のガス組成
は空間的にほぼ均一であり、反応室内に組成の異なった
ガス雰囲気を適当に分布させることができないためであ
る。

ところで、かかる複数の反応室間′Ｃ艮尺の可撓性基板
を連続搬送するロール・ツ・ロール方式においては、各
反応室は完全に分離・独立している訳ではなく、基板の
通路で連結されている。このため、隣接した反応室間で
該基板通路を経由して各反応室の反応ガスの相互混合を
さけることができない。この相互混合が作成しようとす
る非晶質シリコン太陽電池の特性を劣化させる場合には
反応室間の基板通路に一方向性のガスの流れを形成した
り、特開昭５８−２１６４７５号公報、特開昭５９３４
６６８号公報等に開示の如く、反応室間に専用のｍｍ室
を設けて油気又は差動排気して必要な程度迄ガス分離を
行っていた。しかし、かかる従来方法ではひとたびこれ
らガス分離機構を越えて侵入した隣接反応室の反応ガス
は反応室全域に拡散して反応室内で均一となり、非晶質
シリコン太陽電池の特性向上に有効な隣接層との界面の
膜厚方向の組成分布や不純物分布のプロファイルの制御
性、例えばゆるやかな傾斜接合にするか、シャープな階
段接合にするかと云った制御性にとぼしかった。

さらに、非晶質シリコン太陽電池の特性向上において、
少なくとも太陽光入射ｉｐ層あるいは０層は１００Ａ　
ＩＦｉ後と極めて薄い微結晶化シリコン層を均一にｆ［
する必要があることが知られてきた。

ところで、これらの微結晶化シリコン簿膜を前述のロー
ル・ツ・ロール方式で堆積する場合、その＋１＃！の膜
質及びＩＩ厚調整を行う為に、一般にはマスクを設け、
基板面に達するブラズ７ｍをその開口部幅によって調整
し、堆積膜質及びＩＩ厚を制御しＣいる。又、所定のパ
ターンに形成するためにもマスクが用いられている。

しかしながら、このように基板と放電電極との間にマス
クが設置されたプラズマＣＶＤ装置を用い、微結晶化非
晶質シリコン膜を成膜したところ、マスクの開口エッヂ
部に近い部分では微結晶化しているが、中央部に近づく
に従って徐々に導電率が低下し、ついにはアモルファス
膜のままで微結晶化がおこらないことが確認された。

すなわち、マスク設置によりマスク開口部の中央部具体
的には基板中央部とマスク開口部のエツジに近い部分す
なわち基板両端部では得られる膜質が大きく変化する問
題が生じることを見出した。

以上に述べた様にロール・ツ・ロール法を用いて＾性能
な非晶質シリコン太陽電池を能率よく作成する為には上
述の問題点を解決しなければならない。

〈発明の目的〉 本発明はかかる現状に鑑みなされたもので、１層形成に
おいて隣接半導体層との界面急峻性を制御し、ｎつ層内
でも組成や不純物分布に所望のデプスプロファイルをも
たせることを可能とすると共に、微結晶化半導体層の形
成において、膜質膜厚の分布なく均一な膜形成を可能と
する通産に適した太陽電池の製造装置を提供することを
目的とする。

〈発明の構成〉 上述の目的は以下の本発明によって達成される。

すなわち、本発明は、基板がその放電電極間を通って搬
送できるように連結された化学的気相分解法により所定
の非晶質半導体膜を形成する所定数の反応室を備え、該
基板を各反応室を通して搬送し、該基板上に少なくとも
一層の微結晶化非晶質半導体層とｉ型非晶質半導体層と
を有する光起電力層を形成するようになした太陽電池の
製造装置において、反応ガスを遮断する仕切板を基板搬
送方向に所定間隔で放電電極面に垂直方向に配設して、
少なくともプラズマ雰囲気を基板通路等の限られた隙間
を除いて基板搬送方向にガス拡散のない複数の区域に区
画した、前記ｉ型非晶質半導体層を形成するｉ層反応室
と、基板と放電Ｎ極との間にマスクを配置すると共にそ
の開口部に開口部の電界分布を調節するための電界調整
部材を設けた前記微結晶化非晶質半導体層を形成する微
結晶化反応室とを具備したことを特徴とする太陽電池の
製造装置である。

上述の本発明において、基板を合成樹脂フィルム等の長
尺の可撓性帯状基板とし、前記連結された反応室の前後
に巻出室と巻取室とを連結し、該基板をロール・ツ・ロ
ールで搬送しつつ各非晶質半導体薄膜を基板上に形成す
るようにした構成により、特に量産に適した生産性の良
い太陽電池の製造装置が得られる。

以下本発明の詳細な説明する。

まず、本発明のｉ層反応室について説明する。

ｉ層反応室の構成は以下のようにして得られたものであ
る。

すなわち、放電電極間に垂直にガスを遮断する仕切板を
設けてプラズマ雰囲気を区画してもプラズマ放電は影響
されず安定製膜ができることを見出すと共に、ガスを遮
断できる仕切板により区画されたプラズマ雰囲気の各区
域間の反応ガスの流路を基板表面近傍等に限定すること
により、ガス導入口と排気口の基板搬送方向の位置によ
り基板搬送方向のガス組成分布を制御できることを見出
しなされたものである。

なお、この理由は前記仕切板により区画されたプラズマ
雰囲気の各区域間の基板搬送方向のガスの相互拡散が限
定され、各区域のガス組成は略独立したものとなるため
と思われる。

従って、本発明の仕切板はガスを遮断できるものであれ
ば良く、その材質は特に限定されないが、中でもプラズ
マ損傷のないものが好ましく、ステンレス等が使用され
る。なお、仕切板は反応室と共に接地するのが一般であ
るが、浮遊もしくは適当なバイアス電圧を印加させても
良い。そしてその形状は、基板搬送方向のガスの拡散が
無視できるものであれば良く１通常は基板搬送路及び６
１Ｂ４ｆｆｆｉ面との間に微小な間隙を有するのみで、
その他の部分は完全に遮断し、前記間隔以外ではガス移
動のない形状が選定される。このようにすると間隙部で
ガス流速が大となり、ガス拡散の防止がより完全となる
点で好ましい。しかし、反応室内の部材の配置によりガ
ス流路が限定される場合には該ガス流路を遮断するよう
に仕切板は設置すれば良いことは云うまでもない。なお
、仕切板は少なくとも基板前面との間にガス流路となる
スリットを有する必要がある。

又仕切板の数及びその間隙は、形成する膜の膜厚方向の
プロファイルに応じて選定される。この選定は実験によ
る。

一方反応ガスの導入口、排気口の配置も、同様に形成す
る膜厚方向のプロファイルに応じて実験により選定され
る。例えば膜内の組成を変化させたい場合は夫々の反応
ガスの導入口を反応室の基板搬送方向の両端部に配置し
、その一端に共通の排気口を設けること等により適当な
勾配の組成分布を得ることができる。

次に本発明のもう一つの要件である微結晶化反応室につ
いて説明する。

微結晶化反応室の構成は以下のようにしてなされたもの
である。すなわち、前述のマスクによる膜質変化の原因
を検討したところ、マスクの開口エッヂ部に電界の集中
が生じ、基板とマスク間口エッヂ部との間に局部放電が
発生して強いプラズマが生じ、一方これによって基板中
央部の電界強度が弱められることが原因と判明した。

そこで、該マスク開口エッヂ部での電界集中を緩和する
ため、エッチ周辺部を等電位面に沿ったものに近い形に
丸める、マスクを極力基板に近づける、印加パワーをな
るべく抑える等種々の方法を検討したが大きな効果を得
られなかった。そして、電極と基板の間に設置されたマ
スクの開口中央部に、電界が集中するような電界調整部
材を設け、マスクの開口部の電界分布を均一化すること
により解決することを見出し前記構成に想到したもので
ある。

従って、本発明のマスクの開口部に設ける電界調整部材
は開口部の機能を損わない範囲で、開口部の電界分布を
均一化できるものであれば特に限定されないが、膜厚分
布等への影響がなく効果的に電界分布を調整できる点か
ら線状材が好ましい。

そして線材の配置は、単なる間口部の中央配置、あるい
は適当な間隔の平行配置、格子状配置、更には同心円状
配置等開口部の大きさ、形状に応じて実験的に選定する
のが好ましい。又その材質は、ＲＦＭ電中で゛電界を集
中させることができ、開口部の電界分布を調整できるも
のなら如何なる物質でもよいが、好ましくは加工性のよ
い導電性物質がよく、更に好ましくは放電中膜ガスが少
ない金属が好ましく、ステンレス、タングステン、チタ
ン、モリブデン等の対プラズマ耐性のある金属材料の中
から選択される。

なお、良好な微結晶化非晶質半導体膜を得る為には、基
板表面に印加されるパワーがいかなる箇所においても少
なくとも５　ｍＷ／ｄ以上必要であるのでこの条件を満
すために好ましくは直径０．５〜２１１１１．、更に好
ましくは直径１〜１，５＃ｌＩ程度の線状材（単線でも
撚線でも良い）で電界調整部材を構成することが望まし
い。

又、その電界強度の調整は、電界調整部材と基板との距
離で自由に調整できる。

本発明の適用できる放電電極の形状は、平行平板型、キ
ャンを用いた平行曲面型はもちろんのこと、非平行な電
極においても電界調整部材の形状。

位置、材質等を変えることによって不平等電界の緩和が
でき、適用できる。

以上本発明の特徴要件であるｉ層反応室及び微結晶化反
応室について説明した。

本発明はこれらｉ層反応室及び微結晶化反応室を具備す
るものであるが、全体としては製造する太陽電池の光起
電力層の構成に応じて従来より公知の反応室をこれら反
応室に組み合わせるものであることは云うまでもない。

又必要な各反応室の数、その配列等は特に限定されず、
製造する太陽電池の光起電力層及びその形成法により決
定すべきであることは本発明の趣旨より明らかである。

更に本発明が適用できる太陽電池の構成は、少なくとも
ｉ形の非晶質半導体層及び微結晶化半導体厨を有するも
のであればよい。代表例としては非晶質シリコン半導体
からなるｐｉＯ構成のｐ層あるいは０層のいずれかの層
又はこの両層を微結晶化層としたもの、あるいはこれの
タンデム構成等挙げることができるが、いずれの構成に
おいても少なくとも光入射側のｐ層あるいは０層を微結
晶化層とすることが太陽光の利用効率の面からは好まし
い。

以上の点より本発明の好ましい基本的な態様としては、
導電形がｐ形又はｎ形の非晶質半導体層を形成する第−
層反応室と、ｉ形の非晶質半導体層を形成するｉ層反応
室と、第−層反応室と逆の導電形の非晶質半導体層を形
成する微結晶化反応室を基板搬送方向にこの順序で配置
したものであり、中でも第−層反応室の前に巻出苗を、
微結晶化反応室の後に巻取室を連結してロール・ツ・ロ
ール方式により長尺の帯状基板を連続的に移送しつつ膜
形成するようにしたものが、生産性面、安定した連続膜
形成面で好ましい。

以下、本発明の詳細を窓側に微結晶化ｎ層を配したｐｉ
０構成の非晶質シリコン太陽電池の製造に適用した実施
例に基いて説明する。

〈実施例〉 第１図は上記実施例の構成図である。

その基本構成は前述の特開昭５８−２１６４７５号公報
。

特開昭５９−３４６６８号公報開示のものと同じで、ｐ
型。

型及び微結晶化ｎ　（０（μＣ））型の各非晶質シリコ
ン層を形成するＣＶＤプラズマ放電の第層反応室１．ｉ
層反応室２．微結晶化反応室３及び巻出室１８並びに巻
取室１９を排気系（図示省略）により所定のガス圧まで
排気されるガス隔離のための緩衝室１３で連結し、巻出
しロール２０から巻取りロール２込１板１７をロール・
ツ・ロール方式で移送しつつ、ｐ、ｉ、ｎ（μＣ）の３
層を連続形成する構成となっている。なお、図の４〜９
は放電電極で、図の１０は各放電電極に高周波電力を供
給する高周波電源具体的にはＲＦ主電源あり、各反応室
１．２．３は夫々ガス導入口１５と排気ボート１６を有
し、所定のガスを導入してＣＶＤ法により所定の非晶質
半導体膜が形成できるようになっている。

ところで、ｉ形非晶質シリコンを形成する１層反応室２
は本発明に従い以下の構成となっている。

対向する放電電極６．７の中間のプラズマ雰囲気を基板
搬送方向に必要な通路を除いて区画する仕切板１１を電
極面に垂直かつ第２図の通り隙間１４を除いて反応室の
全断面を遮断するように基板の搬送方向に所定間隔にな
るように５枚設置した。従って該仕切板１１によりプラ
ズマ空間は、電極間で複数の区域に区分され、反応室２
の基板搬送方向下流端に設けたガス導入口１５から供給
された反応ガスはその上流端部の排気ボート１６に達す
るためには必ず該仕切板１１で設定された隙間１４を通
って流れる。

なお、前述の通り仕切板１１は隙間１４を形成するよう
に対向する放電電橋の双方に対して若干の距離を離して
設置されている。この隙間１４は１つには反応ガスの通
路として、また、図で下方のパワー電１４７に対して電
極絶縁のため、そして図で上方のアース電極６に対して
は基板１７の通路を目的としており、本実施例では３履
とした。ガス仕切板１１の材料は電気的に導体、不導体
のいずれであっても本発明の目的を達するが、プラズマ
雰囲気中に不純物を放出しないことが必要である。本例
ではステンレス合金で作成し、電気的にはアースに接続
した。

さらに太陽電池の窓層としてｎ　（μＣ）層の微結晶化
非晶質シリコンを形成する微結晶化反応室３は本発明に
従い以下の構成となっている。すなわち、第３図にその
反応室内の側断面を示した如く、８は基板側電極でアー
スされている。１７は高分子フィルム基板で矢印の方向
に移動走行する。

３０は開口部（３０ａ）を有する堆積膜厚調整用のマス
クで、本例では接地したが浮遊していても良い。

なお、開口部の大きさは本例では５０＃ｌＩ　Ｌ　Ｘ　
２５０＃ＩＩＩＷである。３１の点線はプラズマである
。９．１０は航述の通り、放電電極とそのＲＦ主電源あ
り、よって放電周波数は公知の通り１３．５６　Ｍ　Ｈ
ｚである。

この装置を用いてまず、比較のため第４図に示された中
に前述の面積の開口部（３０ａ）を設けた従来のマスク
で、ｎ型微結晶化非晶質シリコン膜を作成した。（水素
＋シラン＋ホスフィン）混合ガスを用い、放電圧力がＩ
　Ｔｏｒｒ　、基板温度が１６０℃、印加パワーが０．
０５　Ｗ／ＣＩｉの条件下で、基板の走行を停止して３
０分間静止状態で形成した。その結果、マスク開口部（
３０ａ）のエッチ部付近では、導電率が約５８−ＣＩｌ
−１と微結晶化していることが認められたが、中央部で
は９　ｘ　１０４Ｓ−１−電とかなり高い値を示し、ア
モルファス膜のままであることが確認された。

次に第５図に示す本発明の電界調整部材３２として開口
部（３０ａ）の塞板１７の移送方向の中央部に基板１７
の巾方向に一本の線材を設けたマスクを用いて印加パワ
ーを除いては、同じ条件で成膜を行った。ここで電界調
整部材３２には１ｓＩφのステンレス線を用いた。印加
パワーは、０．０１〜０．０４Ｗ／Ｃ！ｉと変化させて
行った。

第６図は上記条件で製膜した基板中央部の導電率を示し
たものである。この図で白丸印は光照射時、黒丸印は暗
中の測定値であり、この結果よりｎ型非晶質シリコンは
、中央部においても完全微結晶化がおこっていることが
確認され、且つ、開口部（３０ａ）全面で均一な特性の
微結品化非晶質シリコン膜が得られることが確認され、
所期の特性の改善がはかられることがわかった。

更に、印加パワーも従来のマスクを用いた場合に比し１
／２以下の低パワーの０．０２Ｗ／−捏度で十分微結晶
化することも合せてｌｉｖ認され、生産プロセス上有利
であることも判明した。なお、膜厚分布等は従来のマス
クと同様であり、全く問題ないことを確認した。

一方本例のロール・ツ・ロール方式では、通常、隣接す
るｐ、ｎ　　（μＣ）形非晶質シリコンを形成する第１
層反応室１と微結晶化反応室３から１層を形成する１層
反応室２へ８２８ｓ及びＰＨ３ガスが緩！ｉ室１３を経
由して微量混入する。

これに対して１層反応室２は前述の構成としであるので
、ｉ形非晶質シリコンを形成する１層反応室２において
反応ガスはｎ　（μＣ）層用の微結晶化反応室３寄りの
ガス導入口１５から導入され０層用の第１層反応室１寄
りの排気口１６の方向に流れる。従って前述の作用が得
られる。

この点をＦＩｌ認するため、本実施例において、１００
μｍ厚のポリエチレンテレフタレートフィルム上に下部
電極層としてアルミニウム層とステンレス層を順次積層
した基板を用い、公知の常法と同様第１反応室１に水素
ガス希釈のＢｚＨｓとＳｉト１４の混合ガスを、１層反
応室２に５ＩＨ４ガスを、微結晶化反応室３に水素ガス
希釈のＰ　Ｈ３とＳ！Ｈ４の混合ガスを供給し、ｐ。

ｎ　（μＣ）積層構造の非晶質シリコンからなる光起電
力層を形成し、以下のように評価した。すなわち、光起
電力層について、ボロン（Ｂ）原子のデプスプロファイ
ルを二次イオン質量分析法（Ｓｉ　ＭＳ）で測定した。

その結果を第７図に実Ｉ！Ａで示す。比較のために、他
の条件は同じで、仕切＃ｆ１１１及び電界調整部材３２
を設置しない従来装置の場合により形成した同じｐ、ｉ
、ｎ積層型の光起電力層の分析結果を破線Ｂで同図に示
した。

仕切板１１を設けない従来装置の場合には第１層反応室
１から混入した８ｚＨ６ガスが１層反応室２全体に均一
に拡散する結果、１層中のＢ原子の膜厚方向の濃度プロ
ファイルはフラットになっている。一方、仕切板１１を
設置した実施例の場合はｐ層とｉ層との界面におけるＢ
原子の組成プロファイルは切れが急峻になっており、ま
た、１層中のプロファイルは一定の勾配の傾斜をもって
いることがわかる。この結果は、仕切板１１によって１
層反応室２のプラズマ空間を区分することにより、同−
反応至内であっても微結晶化反応室３寄りの部分から第
１層反応室１寄りの部分に亘ってプラズマ雰囲気中の反
応ガスの組成が一定の空間分布を有することを示してい
る。即ち本発明より１つ反応学内の反応ガスに必要な空
回分布が実現できることを意味しており、本発明が従来
不可能であって膜組成制御を可催とする優れた効果のあ
ることを示している。

次に一１ニ記で得られた光起電力層上にＩＴＯ（ｌ　ｎ
ｄｉｕｌ　Ｔ　ｉｎ　　０ｘｉｄｅ）からなる透明電場
。

ＡＱからなる収集電極を積層し、その太陽°虐池性能を
調べた。

その結果表１に見られるごとく、１層反応室２内へ仕切
板１１を設置せず、また微結晶化反応室へ電界調整部材
３２を設置しなかった場合を比較例としたとき、本発明
を適用して作成した太陽電池では短絡電流、及び、曲線
因子に向上が得られた。

この結果変換効率も大幅な向上を示し、本発明の有効性
が確認された。短絡電流の向上は、微結晶化ｎ層が完全
に微結晶化したことによる吸収の減少によるものであり
、一方、曲線因子の向上は１層中でのホウ素原子の分布
が改善されたためと考えられる。

表１　太陽電池性能の比較

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の非晶質シリコン太陽電池の製造装置の
構成説明図、第２図は第１図Ａ−Ａ’線での断面図、第
３図は微結晶化反応室の側断面図。 第４図は従来例のマスクの平面図、第５図は実施例のマ
スクの平面図、第６図は実施例で得られた微結晶化非晶
質シリコン半導体層のマスク中心部の導電率の測定結果
を示すグラフ、第７図は実施例で得られた太陽電池の起
電力層中でのＢ（ボロン）原子の膜厚方向分布の測定結
果を示すグラフである。 １：第１層反応室、　２：１層反応室。 ３：微結晶化反応室、１１：仕切板。 １３：緩衝室、１７：基板、３０：マスク。 ３２：電界調整部材 特許出願人　帝　人　株　式　会　社 冨Ｚ　１１ ３３図 ニドＯ チー 第４図 βＰ刀ロ パワー（Ｗ／ｃｍＪ 才気、ｍ　　力゛５の沼でｒ（ｐｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板がその放電電極間を通つて搬送できるように連
   結された化学的気相分解法により所定の非晶質半導体膜
   を形成する所定数の反応室を備え、該基板を各反応室を
   通して搬送し、該基板上に少なくとも一層の微結晶化非
   晶質半導体層とｉ型非晶質半導体層とを有する光起電力
   層を形成するようになした太陽電池の製造装置において
   、反応ガスを遮断する仕切板を基板搬送方向に所定間隔
   で放電電極面に垂直方向に配設して、少なくともプラズ
   マ雰囲気を基板通路等の限られた隙間を除いて基板搬送
   方向にガス拡散のない複数の区域に区画した、前記ｉ型
   非晶質半導体層を形成するｉ層反応室と、基板と放電電
   極との間にマスクを配置すると共にその開口部に開口部
   の電界分布を調節するための電界調整部材を設けた前記
   微結晶化非晶質半導体層を形成する微結晶化反応室とを
   具備したことを特徴とする太陽電池の製造装置。 ２、前記連結された反応室の前後に巻出室と巻取室とを
   連結して設け、長尺の可撓性の帯状基板をロール・ツ・
   ロール方式で搬送するようになした請求項第１項記載の
   太陽電池の製造装置。 ３、ｐ形又はｎ形の非晶質半導体層を形成する第１層反
   応室、前記ｉ型反応室、第１層反応室と逆の導電形の非
   晶質半導体層を形成する前記微結晶化反応室が巻出室か
   ら巻取室の間にこの順序で配置された請求項第１項又は
   第２項記載の太陽電池の製造装置。