JPS5935016A - 含水素シリコン層の製造方法 - 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】 本発明は、シリコンまたはその合金の１種から成る層を
組込んだ電子デバイス、特に光子輻射線を電気エネルギ
ーに変換すべく使用し得る太陽電池に用いる含水素シリ
コン層の製造方法に関するものである。

従来の太陽電池の材料としては一般に結晶シリコンが使
用さ゛れてきたが、セル特性が良好な反面製造コストが
高いという欠点があった。一方、最近注目をあびている
非晶質シリコンについては、光吸収が大きいために薄く
てもよく、低温プロセスで作れるという特長を持つ反面
、成長速度が小さいために長時間の成長が必要でアシ、
長期使用の信頼性にも問題がある。また、太陽光スベク
トルからすれば波長感度幅が狭く、最適な材料とは真え
ない。

本発明の目的は、非晶質シリコンと微結晶シリコンとが
共に含まれるシリコン膜とすることにより両者の利点の
特性を持つ太陽電池を提供することにある。この膜は太
陽光スペクトルに近い波長感度を持ち光吸収の大きな材
料であり、局在準位が小さく易動度が大きいために高い
光電変換効率を示し、長期間安定な特性を示す様になる
。

非晶質シリコンを太陽電池として用いるためには、光導
仏性を持たせるために膜中に水素を含ませることが不可
欠であυ、通常グロー放電法により形成されている。形
成温度は２００〜３００Ｃであり、これ以上の温度で形
成されたものは水素の割合が極めて低く、太陽′電池と
しては適当でない。また、シリコンＪ摸形成時に水素を
含有させたものＫついでｉｊ：、３００Ｃ以上の熱処理
によって水素が放出されることがわかっておシ、従って
、水素含有シリコン膜は、膜形成時および形成後も３０
０Ｃ以上に加熱することは悪い影響を与えるとされてき
た。

しかし、シリコン膜を形成した後に水素プラズマ処理を
行なった場合には、処理温度は高いほど良く最高５５０
Ｃの温度まで充分な光導伝が得られた。一方、真空蒸着
あるいは減圧下での化学分解法・プラズマ分解法によっ
てシリコン膜を形成すれば、圧力と形成温度との関係に
よって非晶質シリコンと微結晶シリコンが共に含まれる
膜を形成することは容易である。こうして形成された膜
を微結晶化温度近傍の温度で水素プラズマ処理すれば、
高い光導仏性と非晶質シリコンに近い光吸収ケ示し、そ
の波長感度は、結晶シリコンと非晶質シリコンの中間的
な値となる。史に、グロー放電法によって低温で形成さ
れたものに較べ格段に信頼性の高い膜となる。微結晶化
の温度はシリコン膜の形成方法および条件により少しず
つ異なってくるが、真空蒸着法および減圧プラズマ分解
法の場合は４８０Ｃから５４０Ｃ，減圧下での化学分解
法の場合は５６０Ｃから６００Ｃであった。

シリコン膜の光吸収の割合は、結晶粒の大きさに依存す
る。波長０．５μｍにおける吸収係数値は、結晶シリコ
ンは１．　Ｉ　Ｘ　１０’　ｃｍ−”であり、不純物を
ドープしない２５０Ｃで真空蒸着した非晶質シリコンは
２Ｘ１０１１Ｃｒｎ−’に対して、５００Ｃで微結晶化
したシリコンは４Ｘ１０’ｃｒｎ″″１であった。形成
温度を上げるに従ってこの値は結晶シリコンに近づいて
小さくなシ、５５０Ｇで２．５　Ｘ　１０’ｃｍ−”と
なった。すなわち、これ以上の温度で形成した場合は、
太陽電池としては、膜厚が数μｍ以上が必要となシ利点
は小さいことになる。

膜形成後の水素プラズマ処理の効果は膜の結晶性に依存
し、結晶粒の小さなものほど低温処理でよい。この効果
については、赤外吸収測定等による膜中の水素量の測定
および導電率の変化によって確かめられる。種々のシリ
コン膜についてこの効果を調べた結果、非晶質シリコン
膜の場合は４００〜５００Ｃの温度範囲が最も効果があ
り、その他の微結晶シリコンを含んだ膜については、微
結晶化温度Ｔの±５０Ｃの温度範囲が最も効果的であっ
た。更に、この水素プラズマ処理は膜形成後に一度大気
に触れさせた場合には、表面ｔＷのシリコンが酸化され
でしまい、水素と結合できないために効果が減少する。

実施例　１ １０””’Ｊ’ｏｒｒの圧力下で蒸着ソースである結晶
シリコンに電子ビームを照射し、加熱された石英基板に
シリコン膜を蒸着した。この時、基板温度が４５０Ｃの
時は蒸着されたシリコン膜は非晶質であるが、５００ｃ
では微結晶化する。まず、４５０Ｃの温度において毎秒
１ｎｍの速度で０．５μｍの厚さに非晶質シリコンを蒸
着し、次いで５００Ｃの温度において毎秒１．５ｎｍの
速度で０．５μｍの厚さに微結晶シリコンを蒸着した。

次いで４６（Ｉ’、　０．１’ｌ’Ｏｒｒの圧力で３０
分間の水素プラズマ処理を行なった。この結果、暗導伝
率が３×１０″′ＱΩ−”ａｎ−”に対しＡＭＩの強さ
の光照射導伝率は５Ｘ１０”’Ω−１・ｃｌｎ−１と１
０１′倍以上の変化を示し、太陽電池として使用可能な
十分な自白キャリアが発生ずることがわかった。また、
波長０．５μｍに対する吸収係数値は６．５Ｘ１０’儒
−１と非晶質シリコンと結晶シリコンの中間的な値を示
した。

実施例　２ 第１図ｒ；）：　、シリコ／膜を形成するための減圧プ
ラズマＣＶ　Ｉ）装置の全体図である。反応管１は炉２
により外部より加熱されており、ステンレス基板３が電
極４に保持されている。５は高周波電源、６は真空ポン
プを示している。反応管１の内部を高真空に引いた後に
微結晶化する温度以下の３００Ｃの温度においてｓｉＨ
，とＰＨ３を８　’　Ｈ４：　Ｐ　Ｈｓ＝１０：１の割
合で流し、全体の圧力ｔｌＴＯｒ’とした。この状態に
おいて電極４に高周波電圧を印加し、反応管内部にプラ
ズマ放電させた。まず基板３にｎ型層を３９ｎｍ成長さ
せた後にＰＨ。

を止め、圧力ｆ：　Ｉ　Ｔｏｒｒに調整した後にノ／ド
ープ層ｆ：３０００ｍ成長させた。次に反応炉内の温度
を微結晶化の温度近傍の５０００として引き続きノンド
ープ層を４００ｎｍ成長させた。最後にこの温度におい
て８ｉＨ，とＢ、Ｈ６を８　’　８４　：　Ｂ　ｘ　Ｈ
ｅ＝２０：１４）割合で流し、Ｉ　Ｔｏｒｒ　（Ｄ圧力
テ１０ｎｍのｐｍ一層を成長させた。この状態で反応管
を高真空引きした後に水素を流し、０．１ＴＯｒｒの圧
力にしてプラズマ放電させ、１５分間の水素プラズマ処
理を行なった。

反応装置から取り出した後に表面に透明導伝膜を蒸着し
太陽電池を構成したところＡＭＩの擬似太陽光下で、開
放電圧０．８１Ｖ、短絡電流７．８ｍＡ／ｌｙｎ”　′
ｆＩ：得た。更に、太陽光スペクトルに対して３５Ｑｎ
ｍから９００１ｍまでの波長に対して感度を示し、結晶
シリコン太陽電池と非晶質太陽電池の中間的な特性を示
した。

本発明は化学分解法又はプラズマ分解法において有用で
ある。

本発明によれば、非晶質シリコン太陽電池と結晶シリコ
ン太陽電池の両方の長所を生かした太陽電池を作ること
ができる。すなわち、光の吸収が大きいので膜厚は数μ
ｍ以下でよく、用途によシ非晶質層と微結晶層の厚さの
割合を変えれば任意の波長感度のものが得られる。光電
変換効率の点では、表面側接合層を微結晶化することに
よって空乏層における局在準位密度の減少から結晶シリ
コン太陽電池に近い電流密度が可能となり、高い変換効
率となる。更に、微結晶化温度付近での熱処理を経てい
るので、素子の信頼性は格段に優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシリコン膜を形成するための減圧プラズマＣＶ
Ｄ装置の全体図である。 １・・・反応炉、２・・・加熱炉、３・・・基板、４・
・・高周波電極、５・・・高周波電源。 特許出願人 工業技術院長　石　坂　誠　−− ＶＪ　　１　　（２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　シリコン含有固形物の真空蒸着あるいは減圧下で
   のシラン含有気体混合物の化学分解法又はプラズマ分解
   法によるシリコン層の製造において、シリコンが微結晶
   化する温度を含む温度にてシリコン層を製造する第１段
   階と、水素またはその同位元素の１種を含むプラズマ雰
   囲気での熱処理をシリコンの微結晶化温度近傍の温度に
   て行なう第２段階を少なくとも有することを特徴とする
   含水素シリコン層の製造方法。 コツ層を製造し、前記第２段階をＴからＴ＋５０ｄの間
   の温度で製造することを特徴とする特許請求範囲第１項
   記載の含水素シリコン層の製造方法。 ３、前記第２段階をシリコンが微結晶化する温度をＴと
   しだ時Ｔ−５０１：’とＴ＋５（ｌの温度範囲で行なう
   ことを特徴とする特許請求範囲第１項記載含水素シリコ
   ン層の製造方法。 ４、前記第１段階と前記第２段階を大気に触れることな
   く連続して行なうことを特徴とする特許請求範囲第１項
   記載含水素シリコン層の製造方法。