JPH11298015A

JPH11298015A - 非晶質シリコン太陽電池

Info

Publication number: JPH11298015A
Application number: JP10093262A
Authority: JP
Inventors: Shoji Morita; 章二森田; Yoshiaki Takeuchi; 良昭竹内; Masayoshi Murata; 正義村田; Tatsufumi Aoi; 辰史青井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 1999-10-29
Anticipated expiration: 2018-04-06
Also published as: JP3245111B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ｐ／ｉ層界面付近の欠陥準位を減少させ、もっ
て短絡電流及び形状因子を改善しうることを課題とす
る。【解決手段】ｐｉｎ接合を有する非晶質シリコン太陽電
池において、ｐｉｎ接合はｐ層(33)上にバッファ層(34
，35) 、ｉ層(36)及びｎ層(37)を順次成膜してなり、
前記ｐ層(33)にｉ層(36)よりも光学的禁制帯幅の大きな
アモルファスシリコンカーバイトを用い、かつ前記バッ
ファ層(34 ，35) の組成がｐ層とｉ層の中間的なＣＨ₄
比を有するとともに、ｉ層側界面のみＣＨ₄ が徐々に小
さくなることを特徴とする非晶質シリコン太陽電池。

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は非晶質シリコン太陽
電池に関し、特にｐｉｎ接合を基本構成とする非晶質シ
リコン太陽電池に関する。【０００２】【従来の技術】非晶質シリコン（以下、ａ−Ｓｉと呼
ぶ）太陽電池は、ガラス、ステンレスなどの金属あるい
はポリイミド系の高分子フィルムなど、種々の材料を基
板として用いることができるとともに、２００℃以下の
低温で形成できるため、低コスト化が可能な太陽電池と
して有望視されている。【０００３】図４は、典型的な例として、従来技術によ
るガラス基板上のａ−Ｓｉ太陽電池の基本構成を示す。
図中の符番１は、例えばガラスからなる基板である。こ
の基板１上には、例えば酸化スズ（ＳｎＯ₂ ）あるいは
ＩＴＯ（Ｉndium Ｔin Ｏxide）からなる透明電極２が
形成されている。この透明電極２は、通常、熱ＣＶＤ法
あるいはスパッタ法等の手法で形成される。前記透明電
極２上には、ａ−Ｓｉあるいはアモルファスシリコンカ
ーバイト（ａ−ＳｉＣ）からなるｐ層３、ａ−Ｓｉから
なるｉ層４、ａ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣあるいは微細な結晶
を含むａ−Ｓｉからなるｎ層５が順次形成されている。
前記ｎ層５上には、銀（Ａｇ）あるいはアルミニウム
（Ａｌ）等からなる金属電極６が形成されている。ここ
で、金属電極６は、通常、真空蒸着法、スパッタ法ある
いは印刷法等の手法で形成される。【０００４】図４の構成のａ−Ｓｉ太陽電池において、
入射光は基板１側から入射し、透明電極２及びｐ層３を
透過し、ｉ層４で吸収され、電子・正孔対を生ずる。発
生した電子及び正孔は、ｉ層４内に生じた内部電界によ
り各々ｎ層５及びｐ層３側に分極、移動し、電流として
外部回路に取り出される。【０００５】図４に示したａ−Ｓｉ太陽電池は、ｐ層
３、ｉ層４及びｎ層５の内、最も厚いｉ層４でも、その
膜厚は高々５００ｎｍ程度の薄膜積層型デバイスである
ため、その特性には各層間の界面特性が大きな影響を及
ぼす。【０００６】ｐ層３、ｉ層４およびｎ層５は、通常、シ
ラン（ＳｉＨ₄ ）あるいはジシラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）等の
Ｓｉを含む原料ガスを高周波グロー放電プラズマによっ
て分解するプラズマＣＶＤ法で形成される場合が多い。
ｐ層３は、成膜の際、原料ガスに３価のドーパントとし
てジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）等を添加して価電子制御を行
い、ｐ型半導体とする。同様に、ｎ層５は、成膜の際、
原料ガスに５価のドーパントとしてフォスフィン（ＰＨ
₃ ）を添加して価電子制御を行い、ｎ型半導体とする。
発電層であるｉ層４は、基本的に不純物を含まない真性
半導体である。【０００７】ｐ層３、ｉ層４及びｎ層５の成膜では、予
め真空排気された真空容器に、シランあるいは水素（Ｈ
₂ ）もしくはアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）など
で希釈したシランあるいはジシランなどの原料ガスを所
定流量導入し、圧力を調整した後、放電用電極に通常周
波数１３．５６ＭＨｚの高周波電界を印加し、グロー放
電プラズマを発生させ、原料ガスを分解し、予め透明電
極２を形成した基板１上にａ−Ｓｉを成膜する。成膜
中、基板１は所定温度に加熱されている。【０００８】ところで、図４の構成のａ−Ｓｉ太陽電池
において、光電流を発生するのは、ｉ層４である。十分
な光を吸収するためのｉ層４の膜厚は、ｉ層４内に含ま
れる不純物の量や電子的な欠陥密度など、その膜質にも
依存するが、通常３００〜５００ｎｍ程度である。これ
に対し、発電層であるｉ層４により多くの光を入射させ
るためには、集電層であるｐ層３及びｎ層５での光吸収
は、可能な限り低減する必要がある。このため、ｐ層３
及びｎ層５の膜厚は、導電率にも依存するが、通常７〜
３０ｎｍ程度であり、ｉ層４に比べて薄い。【０００９】さらに、ｐ層３は光学的禁制帯幅を拡大し
て吸収損失を低減するため、成膜の際、原料ガスとして
シランあるいはジシランとともにメタンあるいはエチレ
ンなどの炭化水素系ガスを用い、アモルファスシリコン
カーバイトとする手法が一般的に用いられている。【００１０】ｐ層３にアモルファスシリコンカーバイト
を用いた場合、成膜条件を適正化することにより、光学
的禁制帯幅はａ−Ｓｉの１．７５ｅＶ程度に対し、２．
０ｅＶ程度になるため、ｐ層単膜としては、光吸収損失
が低減し、光入射層としての特性は向上する。しかし、
太陽電池として図４に示す積層構造を構成した場合、下
記の問題点を生じる。【００１１】(1) ｐ層３にアモルファスシリコンカーバ
イト、ｉ層４にカーボンを含まないアモルファスシリコ
ンを用いるため、ｐ層／ｉ層界面に組成不整合に伴う欠
陥が発生する。アモルファスシリコンは非晶質材料であ
るため、結晶系材料と比較して、組成不整合に伴う欠陥
発生の程度は小さいものの、前述したように薄膜積層型
デバイスであるため、変換効率に及ぼす影響は極めて大
きい。【００１２】ｐ層／ｉ層界面近傍に欠陥が発生した場
合、ｉ層４で光発生した電子−正孔対のうち、ｐ層側に
ドリフトしてきた正孔が界面欠陥に捕捉されるため、短
絡電流が低下するとともに、シリーズ抵抗が増加し、形
状因子が低下するため、変換効率が低下し、ｐ層３に光
学的禁制帯幅の大きなアモルファスシリコンカーバイト
を用いた利点が十分には活かし切れないという問題があ
る。【００１３】(2) 上記(1) の問題点に対する対策とし
て、ｐ層３とｉ層４の間に組成傾斜型のバッファ層を挿
入する方法がある。即ち、この方法は、ｐ層３側からｉ
層４側へ向かって、カーボン成分を徐々に減少させた組
成傾斜型のバッファ層を設けることにより、前述した組
成不整合に伴う欠陥発生を抑制し、界面特性を改善する
手法である。【００１４】バッファ層は、原料ガスである例えばシラ
ンと例えばメタンの流量比を成膜時間とともに変化させ
ることで形成することができる。この方法の場合、ｐ層
／ｉ層界面特性が改善され、太陽電池としての初期特性
は向上する。しかし、組成傾斜型のバッファ層は不安定
な材料であり、光照射によって電気導電率が大きく低下
するため、組成傾斜型のバッファ層を用いて太陽電池を
構成した場合、光劣化率が大きくなり、光照射後の太陽
電池の安定化効率は十分には改善されないという問題点
がある。【００１５】【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした事情
を考慮してなされたもので、ｐｉｎ接合の一部を構成す
るｐ層にアモルファスシリコンカーバイトを用いるとと
もに、ｐ層とｉ層間のバッファ層の組成をｐ層とｉ層の
中間的なＣＨ₄ 比を有するとともに、ｉ層側界面のみＣ
Ｈ₄ が徐々に小さくなる構成とすることにより、光照射
後も高い変換効率を有する非晶質シリコン太陽電池を提
供することを目的とする。【００１６】【課題を解決するための手段】本発明は、ｐｉｎ接合を
有する非晶質シリコン太陽電池において、ｐｉｎ接合は
ｐ層上にバッファ層、ｉ層及びｎ層を順次成膜してな
り、前記ｐ層にｉ層よりも光学的禁制帯幅の大きなアモ
ルファスシリコンカーバイトを用い、かつ前記バッファ
層の組成がｐ層とｉ層の中間的なＣＨ₄ 比を有するとと
もに、ｉ層側界面のみＣＨ₄ が徐々に小さくなることを
特徴とする非晶質シリコン太陽電池である。【００１７】【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例について
説明する。まず、本発明に係る非晶質シリコン太陽電池
の製造に使用されるプラズマＣＶＤ装置について図２を
参照して説明する。【００１８】図中の符番11は反応容器である。この反応
容器11内には、基板ホルダ（図示せず）により支持され
たガラス基板12を加熱する基板加熱ヒータ13、放電用電
極14が互いに対向して配置されている。前記放電用電極
14には、インピーダンス整合器15を介して高周波電源16
が接続されている。前記基板加熱ヒータ13と放電用電極
14間には、ラジカル加熱用電源17に接続されたラジカル
加熱ヒータ18が配置されている。前記ラジカル加熱用電
源17よりラジカル加熱ヒータ18にバイアス電圧を印加で
きるようになっている。前記ラジカル加熱ヒータ18にバ
イアス電圧を印加することにより、プラズマとガラス基
板12との距離が変化するため、成膜速度を制御すること
が可能である。前記ラジカル加熱ヒータ18は、プラズマ
中のラジカルを活性化して、高品質のｉ層を形成する目
的で設けている。前記反応容器11には、前記放電用電極
14部分に原料ガスを供給する反応ガス導入管19が連結さ
れている。また、反応容器11には該反応容器11内を排気
する排気管20が連結され、該排気管20には真空ポンプ21
が接続されている。前記放電用電極14はアース線22を介
して接地されている。【００１９】次に、こうした構成のプラズマＣＶＤ装置
を用いてｐｉｎ型ａ−Ｓｉ太陽電池を製造する方法に図
１を参照して説明する。 (1) 予め、透明基板32として予め熱ＣＶＤ法で酸化スズ
（ＳｎＯ₂ ）を形成したガラス基板31を中性洗剤及び有
機溶剤で洗浄、乾燥した後、図２に示すプラズマＣＶＤ
法装置により、膜厚１０ｎｍのｐ層33を形成した。【００２０】即ち、まず、ガラス基板31を真空中でｐ層
成膜室に搬送し、基板加熱用ヒータ13上にセットした。
次に、真空ポンプ21により、反応容器11内を５．０×１
０
^{−７Ｔｏｒｒまで排気した後、基板加熱用ヒータ１３に}
^{通電し、基板を所定温度、通常１００〜２００℃に加熱}
^{し、温度を十分安定させた後、反応容器11内に反応ガス}
^{導入管19を介してｐ層33成膜用の原料ガスを導入した。} ^{【００２１】ここで、ｐ層33成膜には、原料ガスとして}
^{、シラン（ＳｉＨ} 4^{）、メタン（ＣＨ}4^{）、水素（Ｈ}2
^{）及びジボラン（Ｂ}2^Ｈ6
^{）を用いた。メタンの流量比（ＣＨ}4^{／（ＳｉＨ}4
^＋ＣＨ4
^{））は、０．７５とした。所定流量の原料ガスを導入}
^{した反応容器11内の圧力は、図示しない圧力調整機構に}
^{よって、所定圧力、通常３０〜５００ｍＴｏｒｒに制御}
^{されている。} ^{【００２２】(2) 次に、反応容器11内の温度及び圧力を}
^{十分安定させた後、高周波電源16から、インピーダンス}
^{整合器15を介して放電用電極14に１０Ｗの高周波電力を}
^{印加してグロー放電プラズマを発生させ、基板12上にｐ}
^{層33を成膜した。ここで、ｐ層33の膜厚は１０ｎｍとし}
^た。 ^{【００２３】(3) 次に、ｐ層を成膜した後、ジボランの}
^{供給を停止するとともにメタンの流量比（（ＣＨ} 4
^{／（ＳｉＨ}4^＋ＣＨ4
^{））を０．５に変化させ、第１バッファ層34を成膜し}
^{た。ここで、第１バッファ層34の膜厚は６ｎｍとした。} ^{【００２４】(4) 次に、第１バッファ層34を形成した後}
^{、プラズマを停止することなく、メタンの流量比（（Ｃ}
^Ｈ 4^{／（ＳｉＨ}4^＋ＣＨ4
^{））を徐々に０まで減少させ、第のバッファ層35を成}
^{膜した。ここで、第２バッファ層35の膜厚は３ｎｍとし}
^た。 ^{【００２５】なお、第１バッファ層34及び第２バッファ}
^{層35の膜厚は、本実施例に記載した値に限定する必要は}
^{ない。即ち、第１バッファ層34は３〜１５ｎｍの範囲に}
^{あれば、本実施例と同様の効果がある。ここで、第１バ}
^{ッファ層34の膜厚が１５ｎｍを越えると、第１バッファ}
^{層34での光吸収が大きくなり、短絡電流が低下する。一}
^{方、第２バッファ層35の膜厚は、１．５〜５ｎｍの範囲}
^{であれば、本実施例と同様の効果がある。組成傾斜層で}
^{ある第２バッファ層35の膜厚が５ｎｍを越えると、前述}
^{した光照射に伴う電気導電率の低下の影響が大きくなり}
^{、第２バッファ層35の挿入の効果が小さくなる。} ^{【００２６】(5) 次に、ｐ層33、第１バッファ層34及び}
^{第２バッファ層35を形成したガラス基板31を真空中でｉ}
^{層成膜室に搬送し、前述と同様のプラズマＣＶＤ法によ}
^{りｉ層36を成膜した。原料ガスにはシランを用いた。本}
^{実施例ではｉ層36の膜厚は３５０ｎｍとした。つづいて}
^{、ｉ層36を成膜した基板31は、ｎ層成膜室に搬送し、前}
^{述と同様のプラズマＣＶＤ法によりｎ層37を形成した。}
^{ｎ層37の成膜には、原料ガスとしてシッラン及びフォス}
^{フィンを用いた。本実施例では、ｎ層37の膜厚は３０ｎ}
^{ｍとした。} ^{【００２７】(6) 次に、ｎ層37を成膜した後、抵抗加熱}
^{式の真空蒸着法により、金属電極38として膜厚４００ｎ}
^{ｍのアルミニウム（Ａｌ）をｎ層38上に成膜し、ａ−Ｓ}
^{ｉ太陽電池を製作した。} ^{【００２８】このようにして製造されるａ−Ｓｉ太陽電}
^{池は、図１に示すようにガラス基板31上に、透明電極32}
^{、ｐ層33、第１バッファ層34、第２バッファ層35、ｉ層}
^{３６、ｎ層37及び金属電極38を順次設け、ｐ層33にアモ}
^{ルファスシリコンカーバイトを用い、第１バッファ層34}
^{はｐ層33とｉ層36の中間的な組成を有する層であり、第}
^{２バッファ層35は傾斜組成型の層である構成となってい}
^{る。しかるに、こうした構成のａ−Ｓｉ太陽電池は、次}
^{のような効果を有する。} ^{【００２９】1)ｐ層33として、アモルファスシリコンよ}
^{り光学的禁制帯幅の大きいアモルファスシリコンカーバ}
^{イトを用いているため、ｐ層33での光吸収が低減する。}
^{このため、多くの入射光がｉ層33に到達するため、下記}
^{表１に示すように短絡電流が増大する。} ^{【００３０】2)ｐ層33／ｉ層36界面にバッファ層を挿入}
^{し、ｉ層36側界面にはカーボン成分傾斜組成膜を採用し}
^{たため、ｐ層33とｉ層36の組成不整合に伴う界面欠陥の}
^{発生が抑制される。このため、バッファ層を有しない従}
^{来技術のａ−Ｓｉ太陽電池と比較して、表１に示したよ}
^{うに短絡電流及び形状因子が増大する。図３は、本実施}
^{例と後述する比較例１の分光感度特性を示す。図３によ}
^{れば、本実施例では、５００ｎｍ以下の短波長感度が向}
^{上しており、ｐ／ｉ界面特性が改善されたことが確認さ}
^れた。 ^{【００３１】3)ｐ層33／ｉ層36間のバッファ層は、基本}
^{的にｐ層とｉ層の中間的なＣＨ} 4
^{比を有するアモルファスシリコンカーバイトであり、}
^{カーボン成分傾斜組成膜はｉ層側界面のみとしているた}
^{め、従来技術によるカーボン成分傾斜組成バッファ層と}
^{比較して、光照射に伴う電気導電率の低下が小さい。こ}
^{のため、光照射後も高い変換効率を維持することができ}
^る。 ^{【００３２】事実、比較例１として、バッファ層を全く}
^{有しないａ−Ｓｉ太陽電池を作製した。また、比較例２}
^{として、従来型の組成傾斜バッファ層をｐ層33とｉ層26}
^{間に挿入したａ−Ｓｉ太陽電池も作製した。但し、比較}
^{例１及び比較例２において、透明電極32、ｐ層33、ｉ層}
^{３６、ｎ層37及び金属電極38の膜厚並びに各層の成膜条}
^{件は、前記した本実施例に係るａ−Ｓｉ太陽電池と全く}
^{同一とした。} ^{【００３３】以上のようにして作製した３種類のａ−Ｓ}
^{ｉ太陽電池の模擬太陽光を照射し、その電圧−電流特性}
^{を計測した。模擬太陽光照射条件は、下記の通りである}
^。 ^{スペクトル：ＡＭ１．５、} ^{照射強度：１００ｍＷ／ｃｍ} ² 、照射温度：２５℃ また、初期特性計測後、模擬太陽光を連続して５０時間
照射した後、安定化効率を計測した。計測結果は、下記
表１に示す通りである。【００３４】【表１】表１より、本実施例の方が、比較例１及び比較例２と比
べ、短絡電流、開放電圧、形状因子、及び効率の値が大
きく、改善されていることが確認できた。【００３５】【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ｐ
ｉｎ接合の一部を構成するｐ層にアモルファスシリコン
カーバイトを用いるとともに、ｐ層とｉ層間のバッファ
層の組成をｐ層とｉ層の中間的なＣＨ₄ 比を有するとと
もに、ｉ層側界面のみＣＨ₄ が徐々に小さくなる構成と
することにより、光照射後も高い変換効率を有する非晶
質シリコン太陽電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る非晶質シリコン太陽電
池の断面図。

【図２】本発明に係る非晶質シリコン太陽電池の製造に
使用されるプラズマＣＶＤ装置の説明図。

【図３】図１の非晶質シリコン太陽電池及び従来の非晶
質シリコン太陽電池における量子効率と波長との関係を
示す特性図。

【図４】従来のｐｉｎ型ａ−Ｓｉ太陽電池の断面図。

【符号の説明】

11…反応容器、 12…基板、 13…基板加熱ヒータ、 14…放電用電極、 15…インピーダンス整合器、 16…高周波電源、 17…ラジカル加熱用電源、 18…ラジカル加熱ヒータ、 19…反応ガス導入管、 20…排気管、 21…真空ポンプ、 31…ガラス基板、 32…透明電極、 33…ｐ層、 34…第１バッファ層、 35…第２バッファ層、 36…ｉ層、 37…ｎ層、 38…金属電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青井辰史広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐｉｎ接合を有する非晶質シリコン太陽
電池において、ｐｉｎ接合はｐ層上にバッファ層、ｉ層及びｎ層を順次
成膜してなり、前記ｐ層にｉ層よりも光学的禁制帯幅の
大きなアモルファスシリコンカーバイトを用い、かつ前
記バッファ層の組成がｐ層とｉ層の中間的なＣＨ₄ 比を
有するとともに、ｉ層側界面のみＣＨ₄ が徐々に小さく
なることを特徴とする非晶質シリコン太陽電池。