JPH0719911B2

JPH0719911B2 - 太陽電池の製造装置

Info

Publication number: JPH0719911B2
Application number: JP63176939A
Authority: JP
Inventors: 健司中谷; 多嘉之石崎; 宏岡庭
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 1988-07-18
Filing date: 1988-07-18
Publication date: 1995-03-06
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: JPH0227775A

Description

【発明の詳細な説明】〈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、pin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（SiH₄）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58−216475号公
報，特開昭59−34668号公報等で公知のプラズマCVD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薄膜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で長尺の可撓性基板を
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59−34668号公報等に
開示の如く、反応室間に専用の緩衝室を設けて抽気又は
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側ｐ層あるいはｎ層は100Å前後
と極めて薄い微結晶化シリコン層を均一に堆積する必要
があることが知られてきた。ところで、これらの微結晶
化シリコン薄膜を前述のロール・ツ・ロール方式で堆積
する場合、その薄膜の膜質及び膜厚調整を行う為に、一
般にはマスクを設け、基板面に達するプラズマ量をその
開口部幅によって調整し、堆積膜質及び膜厚を制御して
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ッヂに近い部分す
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・ロール法を用いて高性能
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、ｉ層形成に
おいて隣接半導体層との界面急崚性を制御し、且つ層内
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
する量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
装置である。

上述の本発明において、基板を合成樹脂フイルム等の長
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。

以下本発明の詳細を説明する。

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、通常は基板搬送路及び放
電電極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、基板とマスク開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、エッヂ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、単なる開口
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、RF
放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
放電中脱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5mW/cm²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0.5〜2mm、，更に好ましくは直径１
〜1.5mm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層を有するも
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pin構成のｐ層あるいはｎ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ｎ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一
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、第一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、中でも第一層反応室の前に巻出室を、
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pin
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,i型及び微
結晶化ｎ（ｎ（μｃ））型の各非晶質シリコン層を形成
するCVDプラズマ放電の第一層反応室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21へ基板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電
源であり、各反応室1,2,3は夫々ガス導入口15と排気ポ
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ｉ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
流端部の排気ポート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
向する放電電極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極７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3mm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は高分子フイ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50mmL×250mmWで
ある。31の点線はプラズマである。9,10は前述の通り、
放電電極とそのRF電源であり、よって放電周波数は公知
の通り13.56MHzである。この装置を用いてまず、比較の
ため第４図に示された単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1Torr,基板温度が160℃，印加パワ
ーが0.05W/cm²の条件下で、基板の走行を停止して30分
間静止状態で形成した。その結果、マスク開口部（30
a）のエッヂ部付近では、導電率が約5S・cm^-1と微結晶
化していることが認められたが、中央部では９×10^-4Ｓ
・cm^-1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）の基板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1mmφのステンレス線を用いた。印加パワーは、0.0
1〜0.04W/cm²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、黒丸印を暗
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
微結晶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/cm²程度で十分微結晶化するこ
とも合せて確認され、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ｉ層を形成するｉ層反応室
２へB₂H₆及びＰH₃ガスが緩衝室13を経由して微量混入す
る。

これに対してｉ層反応室２は前述の構成としてあるの
で、ｉ形非晶質シリコンを形成するｉ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ｐ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。

この点を確認するため、本実施例において、100μｍ厚
のポリエチレンテレフタレートフイ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B₂H₆とSiH₄の混合ガスを、ｉ層反応室２にSiH₄ガス
を、微結晶化反応室３に水素ガス希釈のＰH₃とSiH₄の混
合ガスを供給し、p,i,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（SiMS）
で測定した。その結果を第７図に実線Ａで示す。比較の
ために、他の条件は同じで、仕切板11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B₂H₆ガスがｉ層反応室２全体に均一に拡散
する結果、ｉ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崚になっており、また、ｉ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ｉ層反応室２
のプラズマ空間を区分することにより、同一反応室内で
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つ反応室内の反応ガスに必要な空間分布が実
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能とする優れた効果のあることを示
している。

次に上記で得られた光起電力層上にITO（Indium Tin
Oxide）からなる透明電極,Agからなる収集電極を積層
し、その太陽電池性能を調べた。

その結果表１に見られるごとく、ｉ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ｉ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。

【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:i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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。
【請求項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。
【請求項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。