JPH10107302A - 太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価な基板の上に容易に大型のシリコン結晶
を形成でき、かつ一度の熱処理で高効率の太陽電池を製
造する方法を提供する。 【解決手段】 ガラスや金属をはじめとする基板１上
に、第一の多結晶層２を形成した後に、第一の多結晶層
２上に酸化シリコンやチッ化シリコンをはじめとする第
一の非晶質膜３を形成し、つぎにこの第一の非晶質膜３
に所定の間隔と形状で穴４を開けて第一の多結晶層２を
露出させ、第一の非晶質膜３上に第二の非晶質膜を堆積
させた後に、第二の非晶質膜を加熱して結晶化させて第
二の多結晶層６を形成する。これにより、安価な基板の
上に容易に大型のシリコン結晶を形成でき、かつ一度の
熱処理で高効率特性を有する太陽電池構造を得ることが
可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に形成され
た積層構造により構成される太陽電池の製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年のエネルギー需要の増加と石油や石
炭等の化石エネルギーの埋蔵量の減少により、従来十分
に活用されていなかった太陽光エネルギーを有効利用す
る太陽電池の重要性が増している。なかでも原料が豊富
で毒性物質を含有しないシリコンやゲルマニウム等を用
いたタイプの太陽電池は重要である。以下においてはシ
リコンを原料とした場合について中心に述べるが、他の
材料系においても全く同じことがいえる。太陽電池の中
でもより少ない原料で作製できる薄膜型の太陽電池は重
要であり、なかでも安定な特性の期待できる薄膜型の結
晶シリコンを用いた太陽電池は期待が大きくその形成の
ため多くの方法が提案されている。例えば基板を加熱し
ながらシランをはじめとしたシリコンを主成分とするガ
スを供給し結晶シリコンを堆積させる化学気相堆積法
（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）や、基板上にアモルファスシリコンを堆積させた
後、加熱して結晶化させる方法等がある。また、シリコ
ン太陽電池においては電極とシリコンが接する面積にお
いてはこれをできるだけ小さくし、他の面を誘電体で覆
うことにより効率を向上できることが知られている。ま
た、シリコンの表面を内部より高濃度のドーピングとす
ることによっても効率を向上できることが知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、化学気
相堆積法や固相成長法を用いてガラス等の基板上に薄膜
状の結晶シリコンを形成した場合、形成された薄膜状の
結晶シリコンの結晶の大きさは通常２μｍ以下であり、
一方薄膜の厚さは１０μｍ程度であり、結晶粒界近傍で
光により発生する電子正孔対の割合は大きく、結晶粒界
においては電子正孔対の結合が生じやすいため、太陽電
池特性を劣化させる要因となっており、結晶粒径の拡大
が必要である。さらに、電極とシリコンが接する面積を
小さくし、他の面を誘電体で覆う構造を基板上の薄膜シ
リコンに適用することはその作成上困難があった。これ
らの事情は他の材料系においても全く同様である。

【０００４】本発明の目的は上記の問題点に鑑み、安価
な基板の上に容易に大型のシリコン結晶を形成でき、か
つ一度の熱処理で高効率の太陽電池構造を得ることので
きる太陽電池の製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明においては、基板
上に形成した多結晶の結晶の大きさを大きくするために
次の方法をとっている。すなわち、ガラスや金属をはじ
めとする基板上に、第一の多結晶層を形成した後に、第
一の多結晶層上に酸化シリコンやチッ化シリコンをはじ
めとする第一の非晶質膜を形成し、次に、この第一の非
晶質膜に所定の間隔と形状で穴を開けて多結晶層を露出
させ、第一の非晶質膜上に第二の非晶質膜を堆積させた
後に、第二の非晶質膜を加熱して結晶化させて第二の多
結晶層を形成する。また、第一の多結晶層が第二の多結
晶層の導電性と同一の導電性の半導体であり、かつ第二
の多結晶層よりも高キャリア濃度にドーピングしてお
く。また、第一の非晶質膜に、第二の多結晶層を形成す
る半導体と同一の導電性を第二の多結晶層に与え得る元
素を含有させておく。また、第一の非晶質膜に、第二の
多結晶層を形成する半導体と異なる導電性を第二の多結
晶層に与え得る元素を含有させておく。また、次の方法
もとる。すなわち、ガラスや金属をはじめとする基板上
に、第一の多結晶層を形成した後、第一の多結晶層の一
部をエッチングして一部の結晶を残し、次に、この基板
と残存する結晶上に非晶質膜を堆積させた後、この非晶
質膜を加熱して残存する結晶を核として結晶化させて第
二の多結晶層を形成する。また、これらの工程を組み合
わせて複数回繰り返す。

【０００６】本発明においては、第一の多結晶層が微小
な結晶の集合であっても、その一部のみが開口してお
り、その開口部の結晶性を第二の多結晶層に伝えること
により第二の多結晶層は開口部及び第一の非晶質膜上の
一部領域まで含めた範囲での結晶となることが可能で、
第二の多結晶層は第一の多結晶層に比べて大きな結晶粒
となることができる。さらに、第一の多結晶層が第二の
多結晶層の導電性と同一の導電性であり、かつ第二の多
結晶層よりも高キャリア濃度にドーピングしておくこと
により、固相成長中に第一の多結晶層から第二の多結晶
層に開口部より拡散し、第二の多結晶層中の他の部分よ
りもドーピング濃度が高くなり、いわゆるポイントコン
タクトとすることができる。このポイントコンタクトは
第一の多結晶層がその役目を担っている電極と光吸収層
である第二の多結晶層との接続点で生ずるキャリアの消
滅を最小限にとどめることが可能であり、太陽電池の高
効率化の一手法として知られている。さらに、第一の非
晶質膜に、第二の多結晶層を形成する半導体と同一の導
電性を第二の多結晶層に与え得る元素を含有させておく
ことにより、固相成長中に非晶質膜から第二の多結晶層
中に元素が拡散し、いわゆるバックサーフェスフィール
ドを形成できる。このバックサーフェスフィールドはマ
イノリティキャリアを押し返す力として働き、太陽電池
の高効率化の一手法として知られている。さらに、第一
の非晶質膜に、第二の多結晶層を形成する半導体と異な
る導電性を第二の多結晶層に与え得る元素を含有させて
おくことにより、固相成長中に非晶質膜から第二の多結
晶層中に元素が拡散し、一度の熱処理でｐｎ接続を形成
することができる。また、本発明においては第一の多結
晶層が微小な結晶の集合であっても、その一部を残して
他をエッチングにより除去し、その残存する結晶の結晶
性を第二の多結晶層に伝えることにより第二の多結晶層
は少ない数の種結晶より結晶化することが可能で、第二
の多結晶層は第一の多結晶層に比べて大きな結晶粒とな
ることができる。さらに、前記工程を組み合わせて複数
回行うことにより、第一の多結晶層より大きな第二の多
結晶層と、その上の第二の多結晶層よりも大きい第三の
多結晶層とすることができ、第一の多結晶層に比べ十分
大きな結晶粒の多結晶層を最上層に得られる。また、ｐ
ｎ接続の多層に形成された構造なども容易に得られる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を説明す
る。以下の実施形態においては、シリコンを原料に用い
た場合について述べてあるが、例えばゲルマニウムやこ
れらの合金であっても同様である。

【０００８】図１は本発明の第一の実施形態を示すもの
である。図１において１は基板、２は第一の結晶シリコ
ン層、３は非晶質膜、４は非晶質膜３に開けた穴、５は
アモルファスシリコン層、６は第二の結晶シリコン層で
ある。基板１は熱処理温度に耐えられる材質であるなら
ばガラスでも金属板でもよい。

【０００９】図１（ａ）に示す如く、基板１上に化学気
相堆積法（ＣＶＤ）等により第一の結晶シリコン層２を
形成し、ついでその上に非晶質膜３を堆積する。非晶質
膜３はシリコン酸化膜やシリコンチッ化膜等であり、熱
処理温度に耐えられるものであればよい。次にこの非晶
質膜３にフォトリソグラフィとエッチングを用いて穴４
を開ける。次に、残存する非晶質膜３と穴４の上にプラ
ズマＣＶＤ等でアモルファスシリコン層５を堆積する。
これを例えば不活性雰囲気中等で６００℃で加熱する。
不活性雰囲気等としては必要に応じアルゴン、ヘリウ
ム、窒素、水素等を用いることができ、また真空中でも
良い。ここではアモルファスシリコン層５上に何も付け
ていないが、必要に応じ例えばシリコン酸化膜等を付け
ても良い。この加熱により、アモルファスシリコン層５
は穴４より露出した第一の結晶シリコン層２の結晶状態
を引き継ぎ、固相成長する際に穴４から成長するために
結晶化の種の数は少なく、図１（ｂ）に示す如く大きな
結晶が成長できる。この第二の結晶シリコン層６に拡散
もしくは成長や堆積法によりｐｎ接続を形成し、太陽電
池を製造する。第一の結晶シリコン層２は電極として用
いることができ、光吸収層に用いるのでなければ低純度
の材料を用いることも可能である。この様に、大きな結
晶ができるため、太陽電池の効率を向上させるのに有効
である。

【００１０】図２は本発明の第二の実施形態を示すもの
である。図中、７は高濃度の拡散領域である。その他の
構成は第一の実施形態と同様である。第一の結晶シリコ
ン層２のドーピング濃度を高くしておくことにより、加
熱中にドーパントの一部が第二の結晶シリコン層６中に
拡散し、第二の結晶シリコン層６の第一の結晶シリコン
膜２との接続部に第二の結晶シリコン層６よりも高濃度
にドーピングされた領域７が形成される。

【００１１】この様な構造はポイントコンタクトと呼ば
れ、第一の結晶シリコン層２と第二の結晶シリコン層６
との界面で生ずるキャリアの再結合を減少させることが
できる。この第二の結晶シリコン層６に拡散もしくは成
長や堆積法によりｐｎ接続を形成し、太陽電池を製造す
る。第一の結晶シリコン層２は電極として用いることが
でき、光吸収層に用いるのでなければ低純度の材料を用
いることも可能である。この様に、一度の熱処理でポイ
ントコンタクトも形成されるので、太陽電池を容易に製
造できかつ効率を向上させるのにも有効である。

【００１２】図３は本発明の第三の実施形態を示すもの
である。図中、８は高濃度の拡散領域である。その他の
構成は第一の実施形態と同様である。第一の非晶質膜３
に第二の結晶シリコン層６と同一導電性のドーパントを
混入しておくことにより、加熱中にドーパントの一部が
第二の結晶シリコン層６中に拡散し、第二の結晶シリコ
ン層６の非晶質膜３側に第二の結晶シリコン層６よりも
高濃度にドーピングされた領域８が形成される。

【００１３】この様な構造はバックサーフェスフィール
ドと呼ばれ、第二の結晶シリコン層６中のマイノリティ
キャリアを有効に働く方向に押し返す働きをする。この
第二の結晶シリコン層６に拡散もしくは成長や堆積法に
よりｐｎ接続を形成し、太陽電池を製造する。第一の結
晶シリコン層２は電極として用いることができ、光吸収
層に用いるのでなければ低純度の材料を用いることも可
能である。

【００１４】この様に、一度の熱処理でバックサーフェ
スフィールドが形成されるため、太陽電池を容易に製造
できかつ効率を向上させるのにも有効である。このとき
図２に示す方法をも併用することにより、より高効率な
太陽電池として好ましい形状を製造できることはいうま
でもない。

【００１５】図４は本発明の第四の実施形態を示すもの
である。図中、９は第二の導電性の拡散領域である。そ
の他の構成は第一の実施形態と同様である。第一の非晶
質膜３に第二の結晶シリコン層６と異なる導電性のドー
パントを混入しておくことにより、加熱中にドーパント
の一部が第二の結晶シリコン層６中に拡散し、第二の結
晶シリコン層６中にｐｎ接合が形成される。このとき第
一の結晶シリコン層２には非晶質膜３と同一の導電性に
ドーピングされている。この様に、一度の熱処理でｐｎ
接合が形成されるため、太陽電池を容易に製造するのに
有効である。

【００１６】図５は本発明の第五の実施形態を示すもの
である。図５において１は基板、２は第一の結晶シリコ
ン層、５はアモルファスシリコン層、６は第二の結晶シ
リコン層、１０は微細な結晶である。基板１は熱処理温
度に耐えられる材質であるならばガラスでも金属板でも
よい。但し、シリコンと熱処理温度で反応しないもので
あることが望ましい。

【００１７】図５（ａ）に示す如く、基板１上に化学気
相堆積法（ＣＶＤ）等により第一の結晶シリコン層２を
形成し、ついで図５（ｂ）に示す如く第一の結晶シリコ
ン層２のうち一部の結晶のみが残るようにエッチングを
行う。このとき例えばＨＦ，ＨＮＯ3等のうち少なくと
も一つを主成分とする等方エッチング液でもよいし、で
きればＫＯＨ溶液、ヒドラジン、エチレンジアミン、ア
ンモニウム水酸化物等のうち少なくとも一つを主成分と
する選択エッチング溶液を用いることが好ましい。選択
エッチング溶液を用いることにより、より容易に一部の
結晶を残すことが可能になる。次に、図５（ｃ）に示す
如く残存する結晶１０の上にプラズマＣＶＤ等でアモル
ファスシリコン層５を堆積する。これを例えば不活性雰
囲気中等で６００℃で加熱する。不活性雰囲気等として
は必要に応じアルゴン、ヘリウム、窒素、水素等を用い
ることができ、また真空中でも良い。ここではアモルフ
ァスシリコン層５上に何も付けていないが、必要に応じ
例えばシリコン酸化膜等を付けても良い。この加熱によ
り、アモルファスシリコン層５は残存する結晶１０の結
晶状態を引き継ぎ、結晶化の種の数は少ないため、図５
（ｄ）に示す如く大きな結晶が成長できる。この第二の
結晶シリコン層６に拡散もしくは成長や堆積法によりｐ
ｎ接続を形成し、太陽電池を製造する。この様に、大き
な結晶ができるため、太陽電池の効率を向上させるのに
有効である。

【００１８】図６は本発明の第六の実施形態を示すもの
である。図６において１１は非晶質膜、１２は穴、１３
は第二のアモルファスシリコン層、１４は第三の結晶シ
リコン層である。他の構成は第一の実施形態と同様であ
る。まず、第一の実施形態で説明した方法により、図６
（ａ）に示す構造を作製する。次に、図６（ｂ）に示す
如く、第一の実施形態で説明した方法と同様に図６
（ａ）の構造の上に非晶質膜１１を堆積する。次に、こ
の非晶質膜１１にフォトリソグラフィとエッチングを用
いて穴１２を開ける。次に、残存する非晶質膜１１と穴
１２の上にプラズマＣＶＤ等でアモルファスシリコン層
１３を堆積する。これを例えば不活性雰囲気中等で６０
０℃で加熱する。不活性雰囲気等としては必要に応じア
ルゴン、ヘリウム、窒素、水素等を用いることができ、
また真空中でも良い。ここではアモルファスシリコン層
５上に何も付けていないが、必要に応じ例えばシリコン
酸化膜等を付けても良い。この加熱により、アモルファ
スシリコン層１３は穴１２より露出した第二の結晶シリ
コン層６の結晶状態を引き継ぎ、図６（ｃ）に示す如く
固相成長により大きな結晶が成長できる。このとき第一
の結晶シリコン層２に比べ第二の結晶シリコン層６の結
晶粒径が大きいため、穴４に比べ穴１２のピッチを大き
くとることができる。そのため第三の結晶シリコン層１
４は第一の実施形態に比べさらに粒径を大きくすること
が可能である。また、第二の結晶シリコン層６は第一の
実施形態に比べ薄くて良い。また、穴１２は第二の結晶
シリコン層６の粒径が大きいため、穴４に比べ大きくで
きる。この第三の結晶シリコン層１４に拡散もしくは成
長や堆積法によりｐｎ接続を形成し、太陽電池を製造す
る。

【００１９】図７は本発明の第七の実施形態を示すもの
である。図７において、１５は第一のゲルマニウム層、
１６は第一の導電性のゲルマニウム層、１７は第二の導
電性のゲルマニウム層、１８は第二の非晶質膜、１９は
第一の導電性のシリコン層、２０は第二の導電性のシリ
コン層、２１は第三の導電性のシリコン層である。他の
構成は第一の実施形態と同様である。符号１９までの層
の作製方法は図６に示す方法と同様で、その上にＣＶＤ
により第二の導電性のシリコン層２０、第三の導電性の
シリコン層２１の層を形成している。第一の導電性のゲ
ルマニウム層１６は例えばｐ型で、第二の非晶質膜１８
中の成分の拡散により、第二の導電性のゲルマニウム層
１７はｎ型となっている。また、第一の導電性のシリコ
ン層１９はｐ＋型で、第二の非晶質膜１８中の成分の拡
散によってもｎ型にはなってない。このようにしてシリ
コン太陽電池とゲルマニウム太陽電池の積層構造を形成
することができる。

【００２０】本発明は基本的には多結晶膜の製造方法で
あり、本発明方法による多結晶膜を用いてＴＦＴ（ｔｈ
ｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を作製したりも
しくはＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏ
ｒ）基板として用いることができることはいうまでもな
い。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、安
価な基板の上に容易に大型のシリコン結晶を形成でき、
かつ一度の熱処理で太陽電池構造を高効率の太陽電池構
造とすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態を説明するための概略
構成図

【図２】本発明の第二の実施形態を説明するための概略
構成図

【図３】本発明の第三の実施形態を説明するための概略
構成図

【図４】本発明の第四の実施形態を説明するための概略
構成図

【図５】本発明の第五の実施形態を説明するための概略
構成図

【図６】本発明の第六の実施形態を説明するための概略
構成図

【図７】本発明の第七の実施形態を説明するための概略
構成図

【符号の説明】

１；基板、２；第一の結晶シリコン層、３；非晶質膜、
４；非晶質膜に開けた穴、５；アモルファスシリコン
層、６；第二の結晶シリコン層、７、８；高濃度の拡散
領域、９；第二の導電性の拡散領域、１０；微細な結
晶、１１；非晶質膜、１２；第二のアモルファスシリコ
ン層、１３；穴、１４；第三の結晶シリコン層、１５；
第一のゲルマニウム層、１６；第一の導電性のゲルマニ
ウム層、１７；第二の導電性のゲルマニウム層、１８；
第二の非晶質膜、１９；第一の導電性のシリコン層、２
０；第一の導電性のシリコン層、２１；第二の導電性の
シリコン層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 巧 東京都新宿区西新宿３丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に第一の多結晶層を形成する工程
   と、該第一の多結晶層上に第一の非晶質膜を形成する工
   程と、該第一の非晶質膜に所定の間隔と形状で穴を開け
   る工程と、該第一の非晶質膜上に第二の非晶質膜を堆積
   させる工程と、該第二の非晶質膜を加熱して結晶化させ
   て第二の多結晶層を形成する工程とを、少なくとも一回
   以上有する、 ことを特徴とする太陽電池の製造方法。
2. 【請求項２】 第一の多結晶層が、第二の多結晶層の導
   電性と同一の導電性の半導体であり、かつ第二の多結晶
   層よりも高キャリア濃度にドーピングされた、 ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方
   法。
3. 【請求項３】 第一の非晶質膜に、第二の多結晶層を形
   成する半導体の導電性と同一の導電性を第二の多結晶層
   に与え得る元素が含有されている、 ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方
   法。
4. 【請求項４】 第一の非晶質膜に、第二の多結晶層を形
   成する半導体と異なる導電性を第二の多結晶層に与え得
   る元素が含有されている、 ことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の製造方
   法。
5. 【請求項５】 基板上に第一の多結晶層を形成する工程
   と、該第一の多結晶層の一部をエッチングして一部の結
   晶を残す工程と、該基板と残存する結晶上に非晶質膜を
   堆積させる工程と、該非晶質膜を加熱して結晶化させて
   第二の多結晶層を形成する工程とを、少なくとも一回以
   上有する、 ことを特徴とする太陽電池の製造方法。