DE10141090A1

DE10141090A1 - Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung, kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10141090A1
Application number: DE10141090A
Authority: DE
Inventors: Fumihito Oka; Shinichi Muramatsu; Yasushi Minagawa
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Auf einem Glassubstrat ist eine transparente Elektrode vorgesehen. Auf der transparenten Elektrode ist eine amorphe Siliziumschicht vorgesehen. Eine Nickelschicht ist als Metallkatalysatorelement in oder in Kontakt mit der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht vorgesehen. Danach wird eine Wärmebehandlung ausgeführt, um die amorphe Siliziumschicht zu kristallisieren, wodurch eine polykristalline Siliziumschicht vom p-Typ gebildet wird. Diese polykristalline Siliziumschicht ist kristallographisch orientiert und weist eine hohe Kristallinität auf. Die polykristalline Siliziumschicht wird als ein Keimkristall genutzt, um eine polykristalline Siliziumschicht vom p-Typ zu bilden, welche kristallographisch orientiert ist und gleichzeitig eine hohe Kristallinität aufweist. Des weiteren werden nacheinander eine polykristalline Siliziumschicht vom i-Typ und eine polykristalline Siliziumschicht vom n-Typ auf der polykristallinen Siliziumschicht gebildet. Durch die beschriebene Konstruktion sind eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung, eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung geschaffen, welche eine hohe Kristallinität des polykristallinen Siliziums, eine kristallographische Orientierung, gute Eigenschaften und exzellente Produktivität realisieren.

Description

Hintergrund der Erfindung

Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung, eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung, insbesondere eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung, eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer kristallinen Silizium-Dünnschicht- Halbleitervorrichtung, wobei eine polykristalline Silizium-Dünnschicht mit Hilfe amorphen Siliziums als Keimkristall gebildet wird.

Stand der Technik

In Halbleitervorrichtungen, beispielsweise Solarzellen, sollte ein Keimkristall hoher Qualität direkt auf einem Glassubstrat ausgebildet werden, auf welchem eine leitende Schicht angeordnet ist, um eine kristalline Silizium-Vorrichtung hoher Qualität mit einer Dicke von etwa 1-4 µm auf dem Glassubstrat mit dem hierauf angeordneten leitenden Film (Schicht) zu bilden. Beim Ausbilden dieses Keimkristalls sind die folgenden Forderungen zu erfüllen:

1. hohe Kristallinität (hoher Grad der Kristallisation);
2. kristallographische Orientierung;
3. großer Durchsatz zu einer Zeit; und
4. Niedrigtemperaturverfahren, welches die Nutzung allgemeiner bzw. unspezifischer Glassubstrate erlaubt.

Bei der Produktion von Solarzellen wurde bisher ein Herstellungsverfahren angewendet, bei dem eine polykristalline Silizium-Dünnschicht auf einem Kontaktsubstrat ausgebildet wird, beispielsweise Glas. Gemäß diesem Herstellungsverfahren besteht keine Notwendigkeit, Silizium-Kristallsubstrate hoher Qualität und großer Fläche zu nutzen. Deshalb ist eine deutliche Verminderung der Kosten zu erwarten. Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit guten Eigenschaften sollte jedoch die Qualität polykristalliner Silizium-Dünnschichten bwz. -filme verbessert werden. Bisher wird allgemein Quarz oder dergleichen, welches hohe Temperaturen aushalten kann, als das Substrat genutzt. Dieses Substrat wird einer Hochtemperatur-Ablagerungsbehandlung unterzogen, um eine Silizium-Dünnschicht mit einer guten Kristallinität zu bilden. Bei diesem Herstellungsprozeß kann eine Verminderung der Kosten jedoch nicht realisiert werden, weil teure Substrate, wie Quarz genutzt werden.

Um dieses Problem zu lösen, wurde in K. Yamomoto et al.: IEEE "First World Conference on Photovoltaik Energy Conversation", 1575-1578 (1994), ein Verfahren vorgeschlagen. Gemäß diesem Verfahren wird amorphes Dünnschichtsilizium geschmolzen und kristallisiert, beispielsweise mit Hilfe des Erwärmens mittels Laser, um auf der Oberfläche eines Substrats einen Film bzw. eine Schicht zu bilden, wodurch polykristallines Dünnschichtsilizium mit einer guten Kristallinität erzeugt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Nutzung von kostengünstigen Substratmaterialien ermöglicht wird, weil der Temperaturanstieg des Substrats unterdrückt werden kann. Darüber hinaus wurde der Versuch unternommen, polykristallines Silizium direkt, beispielsweise auf einem Glassubstrat mit einer hierauf angeordneten leitenden Schicht, mit Hilfe Plasma-CVD (chemisches Plasma-Dampfablagern) zu bilden.

Ein anderes Verfahren zum Lösen des oben genannten Problems wurde in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 82997/1997 offenbart. Gemäß diesem Verfahren wird amorphes Silizium mit Hilfe eines Metallkatalysators kristallisiert, um alle kristallinen Schichten desselben p- oder n-Leitfähigkeitstyps oder alle kristalline Schichten desselben p- oder n- Leitfähigkeitstyps, einschließlich einer BSF-Schicht (Rückflächenfeld), zu kristallisieren.

Bei der herkömmlichen kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung und der herkömmlichen, kristallinen Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung kann jedoch nicht eine große Anzahl von Substraten ohne Probleme gleichzeitig behandelt werden, wenn das amorphe Silizium mittels Laserglühens auf dem Glassubstrat kristallisiert wird. Dieses führt zu einem Problem hinsichtlich des Durchsatzes. Speziell zum Umwandeln amorphen Dünnschichtsiliziums mittels Schmelzkristallisation in eine polykristalline Schicht mit einem gleichmäßigen bzw. ausgeglichenen Korndurchmesser sollte ein Verfahren genutzt werden, welches das Ausbilden amorphen Dünnschichtsiliziums mittels Plasma-CVD, das thermische Lösen von Wasserstoff, welches in dem amorphen Dünnschichtsilizium enthalten ist, und anschließend das Ausführen eines Laserglühens umfaßt. Deshalb bestehen bei der Herstellung von Produkten eine Menge von Problemen und wird viel Zeit verbraucht, was zu erhöhten Kosten führt.

Andererseits besteht bei dem Herstellungsverfahren, bei dem polykristallines Silizium direkt auf Glassubstraten oder dergleichen mittels Plasma-CVD gebildet wird, ein Problem bezüglich der Qualität, beispielsweise einer niedrigen Kristallinität des sich ergebenen polykristallinen Siliziums. In einer pn-Struktur und einer Pin-Struktur, welche in Solarzellen üblicherweise angewendet werden, sollte eine polykristalline Silizium-Dünnschicht vom p- Leitfähigkeitstyp oder vom n-Leitfähigkeitstyp direkt auf einem Glassubstrat gebildet werden, auf dessen Oberfläche eine leitfähige Schicht bzw. ein leitfähiger Film aufgebracht ist. Es ist jedoch bekannt, daß die polykristalline Siliziumschicht, welche mittels Plasma-CVD direkt auf dem Glassubstrat gebildet ist, zu Problemen führt, beispielsweise bzgl. einer niedrigen Kristallinität und einer kurzen Trägerlebensdauer. Insbesondere polykristalline Silizium- Dünnschichten vom p-Leitfähigkeitstyp, die mittels Plasma-CVD gebildet sind, führen zu Problemen sehr niedriger Kristallinität und schlechter kristallographischer Orientierung, welches ernsthafte technische Probleme sind.

Darüber hinaus ist es gemäß dem in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 82997/1997 offenbarten Verfahren wahrscheinlich, daß Nickelsilicid (Legierung von Silizium mit Nickel) in einer Übergangszone mit anderen Leitfähigkeitstypen zurückbleibt. Des weiteren ist es wahrscheinlich, daß Defekte auftreten, auch wenn das verbleibende Nickelsilicid mittels Ätzens entfernt wird. Deshalb nimmt die Rekombination in der Übergangszone zu. Es besteht die Befürchtung, daß die Eigenschaften von Solarzellenvorrichtungen wesentlich verschlechtert werden.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung, eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung zu schaffen, bei dem eine hohe Kristallinität polykristallinen Siliziums, eine sehr gute kristallographische Orientierung, gute Eigenschaften und eine hohe Produktivität realisiert werden.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung geschaffen. Die kristalline Siliziumdünnschicht-Halbleitervorrichtung umfaßt:
ein leitendes Substrat oder ein Substrat mit einer leitenden Schicht auf seiner Oberfläche;
eine kristallographisch orientierte, erste polykristalline Siliziumschicht, welche mit Hilfe des Einführens eines Metallkatalysatorelements in eine amorphe, auf der Oberfläche des leitenden Substrats oder der leitenden Schicht ausgebildete Siliziumschicht gebildet wird, um mit dem Oberflächenabschnitt der amorphen Siliziumschicht in Kontakt zu kommen, und mit Hilfe einer Wärmebehandlung der amorphen Siliziumschicht, um die amorphe Siliziumschicht zu kristallisieren; und
eine zweite polykristalline Siliziumschicht, welche so gebildet ist, daß sie denselben Leitfähigkeitstyp wie die erste polykristalline Siliziumschicht aufweist, wobei die erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird.

Gemäß dieser Konstruktion wird ein Metallkatalysatorelement in eine amorphe Siliziumschicht eingeführt, welche auf dem Substrat vorgesehen ist, oder mit der amorphen Siliziumschicht in Kontakt gebracht. Anschließend wird eine Wärmebehandlung ausgeführt, um die amorphe Siliziumschicht bei einer niedrigen Temperatur durch das Wirken des Metallkatalysatorelements in eine kristallographisch orientierte, erste polykristalline Siliziumschicht umzuwandeln. Wenn diese erste Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird, um eine zweite polykristalline Siliziumschicht auf der Oberfläche der ersten Siliziumschicht zu bilden, weist die resultierende, zweite polykristalline Siliziumschicht dieselbe kristallographische Orientierung wie die erste polykristalline Siliziumschicht und das Substrat und eine hohe Kristallinität auf. In ähnlicher Weise weist die dritte polykristalline Siliziumschicht, die mit Hilfe der Nutzung der zweiten polykristallinen Siliziumschicht als Substrat gebildet wird, eine hohe Kristallinität auf und ist kristallographisch orientiert. Im Ergebnis kann eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung erzeugt werden, bei der eine hohe Kristallinität, eine sehr gute kristallographische Orientierung, gute Eigenschaften und eine hohe Produktivität realisiert sind. Darüber hinaus bleibt in einer Übergangszone mit einem anderen Leitfähigkeitstyp kein Silicid zurück. Es besteht deshalb nicht die Notwendigkeit, einen Schritt zum Entfernen von Silicid vorzusehen. Des weiteren tritt kein Defekt auf, der dem Silicid zugeordnet werden kann.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung geschaffen. Die kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung umfaßt:
ein leitendes Substrat oder ein isolierendes Substrat mit einer leitenden Schicht auf seiner Oberfläche;
eine erste polykristalline Siliziumschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, welche mit Hilfe des Einführens eines Metallkatalysatorelements in eine amorphe Siliziumschicht, welche auf der Oberfläche des leitenden Substrats oder der leitenden Schicht ausgebildet ist, oder mit Hilfe des Kontaktierens mit dem Oberflächenabschnitts der amorphen Siliziumschicht sowie einer Wärmebehandlung der amorphen Siliziumschicht zum Kristallisieren der amorphen Siliziumschicht ausgebildet ist;
eine zweite polykristalline Siliziumschicht, welche so gebildet ist, daß sie denselben Leitfähigkeitstyp wie der erste Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird;
eine dritte polykristalline Siliziumschicht, die im wesentlichen einen I-Typ aufweist und auf der zweiten polykristallinen Siliziumschicht gebildet ist;
eine vierte polykristalline Siliziumschicht, die auf der dritten polykristallinen Siliziumschicht gebildet ist und von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, welcher von dem ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist; und
ein Elektrodenteil, das auf der vierten polykristallinen Siliziumschicht vorgesehen ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung geschaffen. Die kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung umfaßt:
ein isolierendes Substrat mit einer Elektrode auf seiner Oberfläche;
eine erste polykristalline Siliziumschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, welche mit Hilfe des Einführens eines Metallkatalysatorelements in eine amorphe Siliziumschicht, die auf der Elektrode des isolierenden Materials gebildet ist, oder mit Hilfe des Kontaktierens des Oberflächenabschnitts der amorphen Siliziumschicht sowie einer Wärmebehandlung der amorphen Siliziumschicht zum Kristallisieren der amorphen Siliziumschicht gebildet ist;
eine zweite polykristalline Siliziumschicht, welche so gebildet ist, daß sie denselben Leitfähigkeitstyp wie der erste Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird;
eine dritte polykristalline Siliziumschicht, welche auf der zweiten polykristallinen Siliziumschicht vorgesehen ist und von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, welcher von dem ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist, und
ein Elektrodenteil, das auf der dritten polykristallinen Siliziumschicht vorgesehen ist.

In den Konstruktionen nach dem zweiten und dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Metallkatalysatorelement in eine amorphe Siliziumschicht, welche auf dem Substrat vorgesehen ist, eingeführt oder in Kontakt mit der amorphen Siliziumschicht gebracht. Anschließend wird eine Wärmebehandlung zum Umwandeln der amorphen Siliziumschicht bei einer niedrigen Temperatur durch die Wirkung des Metallkatalysatorelements in eine kristallographisch orientierte, erste polykristalline Siliziumschicht ausgeführt. Wenn diese erste Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird, um eine zweite polykristalline Siliziumschicht auf der Oberfläche der ersten Siliziumschicht zu bilden, weist die sich ergebende, zweite polykristalline Siliziumschicht dieselbe kristallographische Orientierung wie die erste polykristalline Siliziumschicht und das Substrat und eine hohe Kristallinität auf. In ähnlicher Weise hat die dritte polykristalline Siliziumschicht, die mit Hilfe der Nutzung der zweiten polykristallinen Siliziumschicht als ein Substrat gebildet wird, eine hohe Kristallinität und ist kristallographisch orientiert. Deshalb kann eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung erzeugt werden, bei der eine hohe Kristallinität, eine kristallographische Orientierung, gute Eigenschaften und eine sehr gute Produktivität realisiert sind.

Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren der Herstellung einer kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung geschaffen, das Verfahren die folgenden Schritte aufweisend:
Vorsehen eines leitenden Substrats oder eines Substrats mit einer leitenden Schicht auf seiner Oberfläche und Ausbilden einer amorphen Silizium-Dünnschicht auf der Oberfläche des leitenden Substrats oder der Oberfläche der leitenden Schicht in dem Substrat;
Einführen eines Metallkatalysatorelements in die amorphe Siliziumschicht oder Ausbilden eines Kontakts des Metallkatalysatorelements mit dem Oberflächenabschnitt der amorphen Siliziumschicht und Wärmebehandeln der amorphen Siliziumschicht, um die amorphe Siliziumschicht zu kristallisieren und eine erste kristallographisch orientierte, polykristalline Siliziumschicht zu bilden;
Ausbilden einer zweiten polykristallinen Siliziumschicht auf der ersten polykristallinen Siliziumschicht mit demselben Leitfähigkeitstyp wie die erste polykristalline Siliziumschicht, wobei die erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird; und
Ausbilden einer dritten polykristallinen Siliziumschicht mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp auf der zweiten polykristallinen Siliziumschicht, wobei der zweite Leitfähigkeitstyp von dem Leitfähigkeitstyp der zweiten polykristallinen Siliziumschicht verschieden ist.

Gemäß diesem Herstellungsverfahren wird eine amorphe Silizium-Dünnschicht auf der Oberfläche eines Substrats gebildet und ein Metallkatalysatorelement in die amorphe Siliziumschicht eingeführt oder mit dem Oberfächenabschnitt der amorphen Siliziumschicht in Kontakt gebracht. Anschließend wird die amorphe Siliziumschicht wärmebehandelt. Dieses kann die amorphe Siliziumschicht bei einer niedrigen Temperatur kristallisieren, um eine kristallographisch orientierte, erste polykristalline Siliziumschicht zu bilden. Wenn diese erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird, um auf der ersten polykristallinen Siliziumschicht eine zweite polykristalline Siliziumschicht mit demselben Leitfähigkeitstyp wie die erste polykristalline Siliziumschicht zu bilden, weist die zweite polykristalline Siliziumschicht dieselbe kristallographische Orientierung wie die erste polykristalline Siliziumschicht auf. Des weiteren wird auf der zweiten polykristallinen Siliziumschicht eine dritte polykristalline Siliziumschicht mit dem Leitfähigkeitstyp gebildet, welcher von dem der zweiten polykristallinen Siliziumschicht verschieden ist, um eine Halbleitervorrichtung mit einer pn-Struktur auszubilden. Deshalb kann ein kristalline Silizium-Dünnschicht- Halbleitervorrichtung erzeugt werden, bei der eine hohe Kristallinität, eine kristallograhische Orientierung, gute Eigenschaften und eine sehr gute Produktivität realisiert sind.

Die Erfindung wir im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Halbzeugs bei der Herstellung einer Solarzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung bei Fertigstellung der Solarzelle nach Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Halbzeugs bei der Herstellung einer Solarzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung bei Fertigstellung der Solarzelle gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Halbzeugs bei der Herstellung einer Solarzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Solarzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

(Erste bevorzugte Ausführungsform)

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der kristallinen Silizium- Dünnschicht-Halbleitervorrichtung (eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung, das heißt eine Solarzelle vom pin-Typ) gemäß der Erfindung. Fig. 1 zeigt ein Halbzeug der ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 zeigt den Endzustand der kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Fig. 1. Die Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform umfaßt: ein Substrat mit einem Glassubstrat, eine transparente Elektrode, die auf einer Seite des Glassubstrats vorgesehen ist und hauptsächlich aus Zinnoxid besteht; und eine auf der transparenten Elektrode vorgesehene Solarzellen.
Gemäß Fig. 1 umfaßt das Substrat auf seiner Hauptoberfläche eine 800 nm dicke, transparente Elektrode 2, die auf einem Glassubstrat 1 vorgesehen ist. SnO₂ wurde für die transparente Elektrode 2 genutzt, und konkave und konvexe Ausbildungen sind auf der Oberfläche der transparenten Elektrode 2 vorgesehen (die konkaven und konvexen Ausbildungen sind in Fig. 1 nicht dargestellt). Eine 20 nm dicke, amorphe Siliziumschicht 3 vom p-Typ mit Dotierungsmaterial ist mittels P-CVD (Plasma-CVD) bei einer Frequenz von 60 MHz unter Bedingungen gebildet, derart, daß ein gemischtes Gas aus H₂, SiH₄ (Silan) und B₂H₆ (Diboran) auf der Oberfläche der transparenten Elektrode 2 eingebracht wurde, daß der Druck auf 0,5 Torr gehalten wurde und daß die Substrattemperatur auf 420°C gebracht wurde. Die Dicke der amorphen Siliziumschicht 3 betrug nicht mehr als 50 nm und ist vorzugsweise so klein wie möglich. Dieses ist so, weil die amorphe Siliziumschicht 3 bei der Kristallisierung mittels eines Metallkatalysatorelements als ein Keimkristall genutzt wird.
Danach wurde eine 1 nm dicke Schicht 4 aus Nickel als ein Metallkatalysatorelement mittels Vakuumverdampfens gebildet. Anschließend wird eine Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 450 bis 700°C (insbesondere in einem Temperaturbereich von 500 bis 600°C) ausgeführt, um das Metallkatalysatorelement (Nickel) zu diffundieren bzw. zu zerstreuen. Die Wärmebehandlung ist nicht auf die Behandlung in der Stickstoffatmosphäre begrenzt. Derselbe Kristallisierungseffekt, wie er mit Hilfe der Wärmebehandlung in der Stickstoffatmosphäre erreicht wird, wurde bei einer Wärmebehandlung in einer Vakuumatmosphäre, einer Wasserstoffatmosphäre, einer Argonatmosphäre oder einer Hologenidatmosphäre erhalten.
Darüber hinaus wurde die Wärmebehandlung in zwei Stufen ausgeführt. Das Heizen bzw. Erwärmen wurde zunächst in einer Wasserstoffatmosphäre bei 400°C ausgeführt, um den Wasserstoffgehalt der amorphen Siliziumschicht 3 auf nicht mehr als 1% zu bringen, vorzugsweise nicht mehr als 0,3%. Danach wurde ein Erwärmen bzw. Erhitzen bei 550°C ausgeführt. Im Ergebnis wurde eine kristallographisch hoch orientierte, polykristalline Siliziumschicht 3A vom p-Typ (vgl. Fig. 2) gebildet. Die kristallographische Orientierung der polykristallinen Siliziumschicht 3A war (110). Bei dem oben beschriebenen Verfahren wurde eine amorphe Siliziumschicht 3 zunächst auf dem Glassubstrat 1 gebildet, und ein Metallkatalysatorelement wurde dann eingeführt. Alternativ kann ein Verfahren angewendet werden, bei dem eine Metallkatalysatorschicht (eine Nickelschicht 4) zunächst direkt auf dem Glassubstrat 1 abgelagert wird und anschließend eine amorphe Siliziumschicht 3 gebildet wird.
Darüber hinaus können neben Nickel Eisen, Kobald, Platin, Kupfer, Gold oder dergleichen als Metallkatalysatorelement genutzt werden. Die Verfahren, welche zum Ausbilden der Metallkatalysatorschicht genutzt werden können, umfassen: Beim Ausbilden der Metallkatalysatorschicht in einer Film- bzw. Schichtform eine Plasmabehandlung, Vakuumverdampfen, Spinnbeschichten und dergleichen; und beim Ausbilden der Metallkatalysatorschicht in einer Linien- oder Inselform das Vakuumverdampfen in einen solchen Zustand, daß Abschnitte, die nicht bedeckt werden sollen, mit einer Metallmaske bedeckt sind.
Verfahren, die zum Einführen in die Schicht genutzt werden können umfassen beispielsweise die Ionenimplantation und das Plasmadotieren. Weil die Metallkatalysatorschicht für einen katalytischen Wirkzweck genutzt wird, kann die Konzentration des Elements sehr gering sein. Im Allgemeinen weist die Metallkatalysatorschicht eine Mehrschichtstruktur mit zwei oder drei Schichten und einer Gesamtdicke von einigen Angström (Å) auf. Die Metallkatalysatorschicht kann jedoch eine Einzelschichtstruktur aufweisen, sofern sich das Katalysatormetall bei Fortsetzung der Reaktion durch die zu kristallisierende Oberflächenschicht fortsetzt und die gesamte Oberflächenschicht in einem kristallisierten Zustand ist, wenn das Katalysatormetall die entgegengesetzte Seite erreicht hat. Wenn die Qualität des Keimkristalls nicht von Bedeutung ist, kann die Kristallisation unter Bedingungen ausgeführt werden, bei denen das Katalysatormetall in der Schicht verbleibt.
Bei der oben beschriebenen Wärmebehandlung diffundiert das Metallkatalysatorelement in die amorphe Siliziumschicht 3 und setzt sich um einen Abschnitt der amorphen Siliziumschicht 3 auf seiner entfernten Seite von der Metallkatalysatorschicht und der transparenten Elektrodenschicht 2 ab (das heißt, daß Metallkatalysatorelement verteilt sich zu der äußersten Oberfläche der polykristallinen Siliziumschicht 3A vom p-Typ). Nur eine Spurenmenge des Metallkatalysatorelements verbleibt innerhalb der polykristallinen Siliziumschicht 3A. Deshalb kann eine polykristalline Siliziumschicht 3A vom p-Typ mit hoher Qualität gebildet werden. Wenn die Kristallisierbarkeit schlecht ist, verbleibt das Nickelatom in der Schicht. Weil jedoch nicht mehr als 2% der Dicke der gesamten Solarzelleneinrichtung für den Keimkristallabschnitt verantwortlich sind, beeinflußt das Verbleiben des Nickelatoms in der Schicht die Leistung der Solarzellenvorrichtung nicht besonders.
Auch wenn die Dicke der polykristallinen Siliziumschicht 3A des Keimkristalls, welches Nickel enthält, nicht mehr als 5nm beträgt, ist die Qualität dann nicht verschlechtert, und eine Vorrichtung hoher Qualität kann erzeugt werden, wobei ein Hauptabschnitt, welcher zu der Spannungserzeugung beiträgt, kein Nickel enthält. Des weiteren sind in einer Übergangszone, welche für die Solarzellenvorrichtung von Bedeutung ist und in welcher kristalline Schichten mit einem jeweils verschiedenen Leitfähigkeitstyp miteinander in Kontakt treten, weder Restmetallkatalysator noch eine Beschädigung vorhanden, die hier beispielsweise dem Ätzen dieses Bereiches zuordbar ist. Deshalb kann die Ausbildung einer idealen Übergangszone realisiert werden.
Danach wird eine 40 nm dicke, polykristalline Siliziumschicht 5 vom p-Leitfähigkeitstyp mittels 60 MHz-p-CVD unter Bedingungen ausgebildet, derart, daß ein Mischgas aus B₂H₆, H₂ und SiH₄ eingeführt wird, daß der Druck auf 0,5 Torr gehalten wird und daß die Substrattemperatur 200°C beträgt. Anschließend wird mittels 60 MHz-p-CVD eine polykristalline Schicht 6 vom i-Typ unter den Bedingungen gebildet, daß H₂ und SiH₄ eingeführt werden und daß die Substrattemperatur 300°C beträgt. In diesem Fall ist die Dicke eine Notwendigkeit für Lichtabsorbtion und beträgt wenigstens nicht weniger als 500 nm, vorzugsweise etwa 10 µm. Eine Dicke von bis zu etwa 500 µm kann jedoch angewendet werden. Zu dieser Zeit beträgt der Wasserstoffgehalt der Schicht entsprechend den Bedingungen 0,5 bis 8%. Weil die polykristalline Siliziumschicht 5 auf der Siliziumschicht 3A gebildet wird, welche mit Hilfe des Metallkatalysators kristallisiert ist, wie auch das Substrat, ist auch die kristallographische Orientierung dieselbe wie die der Siliziumschicht 3, das heißt (110). Im Vergleich zum Ausbilden der Siliziumschicht direkt auf einem Glassubstrat oder dergleichen war die Kristallinität sehr gut. Der Aufbau war deshalb geeignet für Solarzellenvorrichtungen.
Weiterhin wurde eine 50 nm dicke polykristalline Siliziumschicht 7 vom n-Typ auf der polykristallinen Siliziumschicht 6 vom i-Typ mittels 13,56 MHz-p-CVD unter Bedingungen gebildet, derart, daß ein Mischgas aus H₂, SiH₄ und PH₃ (Phosphin) eingeführt wurde, der Druck auf 0,3 Torr gehalten wurde und die Substrattemperatur 200°C betrug. Die optimale Dicke der polykristallinen Siliziumschicht 7 variiert in Abhängigkeit von der Kristallinität. Die geeignete Dicke betrug jedoch 10 nm bis 100 nm, vorzugsweise 30 nm bis 60 nm. Abschließend wurde eine 1 µm dicke Aluminiumschicht 8 als Rückseitenelektrode mittels Vakuumverdampfens gebildet.
Für Vorrichtungen von dem oben beschriebenen Typ wurde eine 50-Stufenverbindung mit Hilfe eines herkömmlichen Verbindungsverfahrens ausgeführt, wobei die Oberflächenelektrode und die Rückseitenelektrode in den unabhängigen Vorrichtungen auf dem Substrat in Reihe verbunden sind. Im Ergebnis waren die Eigenschaften so, daß die Ausgangsspannung im wesentlichen die Summe von Ausgangsspannungen in den jeweiligen Blöcken war.
Bei der oben beschriebenen Konstruktion umfassen die Substratmaterialien beispielsweise Keramik, Quarz und Saphir. Obwohl der Aluminiumfilm bzw. die Aluminiumschicht als Rückseitenelektrode genutzt wurde, können auch Silber, Molybden oder andere Metalle genutzt werden.
Bei der Konstruktion nach der ersten Ausführungsform wird ein Glassubstrat genutzt und wird Licht durch dieses Glassubstrat eingeführt. Alternativ kann eine Konstruktion angewendet werden, bei der ein Metallsubstrat anstelle des Glassubstrats genutzt wird und Licht durch die Oberfläche der Dünnschicht eingeführt wird. Beispiele für diese Konstruktion werden unten beschrieben.

(Zweite bevorzugte Ausführungsform)

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen, kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung (einer Solarzelle vom pin-Typ). Fig. 3 zeigt das Halbzeug bei der Herstellung der Solarzelle. Fig. 4 zeigt den Endzustand der Solarzelle.
Eine 200 nm dicke SiO₂-Schicht 10 wurde auf einer Isolierschicht auf einem flexiblen SUS- Substrat 9 gebildet. Dann wurde eine 500 nm dicke SUS-Schicht 11 als eine Rückseitenelektrode auf der Oberfläche der SiO₂-Schicht 10 gebildet. Als nächstes wurde eine 10 nm dicke, amorphe Siliziumschicht 12 vom p-Typ mit Dotierungsmaterial gesputtert, wobei ein Siliziumtarget auf der SUS-Schicht 11 genutzt wurde. Der Wasserstoffgehalt in der SiO₂-Schicht 10 war nicht größer als 0,1%. Weiterhin wurde auf die Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 12 eine Nickel-Salzlösung spinnbeschichtet. Die Beschichtung wurde getrocknet, um eine Nickelschicht 13 zu bilden.
Anschließend wurde der Aufbau wärmebehandelt in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1 Torr und 540°C für 30 Minuten, um die amorphe Siliziumschicht 12 zu kristallisieren, wodurch die amorphe Siliziumschicht 12 in eine polykristalline Siliziumschicht 12A vom p-Typ umgewandelt wurde (vgl. Fig. 4). Zu dieser Zeit fällt Nickel in der Nickelschicht 13 um die Zwischenstelle der SUS-Schicht 12 und die polykristallinen Siliziumschicht 12A vom p-Typ aus und verbleibt im wesentlichen nicht in der polykristallinen Siliziumschicht 12A vom p- Typ. Darüber hinaus setzt sich die Kristallisierung langsam fort, weil Wasserstoff in der polykristallinen Siliziumschicht 12A vom p-Typ im wesentlichen nicht vorhanden war. Eine 40 nm dicke, polykristalline Siliziumschicht 14, die im wesentlichen vom p-Leitfähigkeitstyp ist, wurde mittels 60 MHz-p-CVD unter solchen Bedingungen gebildet, daß ein Mischgas aus B₂H₆, H₂ und SiH₄ auf der polykristallinen Siliziumschicht 12A vom p-Typ eingeführt wurde, der Druck auf 0,5 Torr gehalten wurde und die Substrattemperatur 200°C betrug. Anschließend wurde mittels 60 MHz-p-CVD eine 2 µm dicke, polykristalline Siliziumschicht 15, die im wesentlichen vom i-Typ ist, unter solchen Bedingungen gebildet, daß ein Mischgas aus H₂ und SiH₄ eingeführt wurde und die Substrattemperatur 300°C betrug.
Des weiteren wurde mittels 13,56 MHz-p-CVD eine 20 nm dicke, polykristalline Siliziumschicht 16 vom n-Typ unter solchen Bedingungen gebildet, daß ein Mischgas aus H₂, SiH₄ und PH₃ eingeführt wurde, der Druck auf 0,3 Torr gehalten wurde und die Substrattemperatur 300°C betrug. Eine 70 nm dicke ITO-Schicht 17 (Indium-Zinnoxid) wurde als transparente Elektrode gebildet. Eine 1 µm dicke Metallelektrode 18 aus Aluminium wurde auf einem Teil der transparenten Elektrode ausgebildet. In diesem Fall war die kristallographische Orientierung jeder der polykristallinen Siliziumschichten 14, 15, 16 (110). Die kristallographische Orientierung der polykristallinen Siliziumschicht 16 kann gemäß p-CVD-Bedingungen auch auf (111) gebracht werden. In polykristallinem Silizium mit der kristallographischen Orientierung (110) war die Oberfläche im Vergleich zu dem polykristallinen Silizium mit der kristallographischen Orientierung mit (111) natürlicherweise texturiert bzw. verwachsen.

(Erstes Vergleichsbeispiel)

Beim Präparieren einer polykristallinen Silizium-Dünnschicht-Solarzellenvorrichtung besteht ein häufig genutztes, herkömmliches Verfahren darin, alle polykristallinen Siliziumschichten mittels p-CVD zu bilden. Eine polykristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzelle mit denselben Strukturen wie die erste Ausführungsform der Erfindung wurde mit Hilfe dieses Verfahrens hergestellt, welches im Folgenden im Detail beschrieben wird, und mit der polykristallinen Silizium-Dünnschicht-Solarzelle gemäß der Erfindung verglichen.
Insbesondere wurde die polykristalline Siliziumschicht vom p-Typ mit Hilfe von 50 MHz-p- CVD unter solchen Bedingungen gebildet, daß ein Mischgas aus H₂, SiH₄ und B₂H₂ eingeführt wurde, der Druck auf 0,5 Torr gehalten wurde und die Substrattemperatur 200°C betrug. Die i-Shicht wurde mittels 60 MHz-p-CVD unter solchen Bedingungen gebildet, daß ein Mischgas mit H₂ und SiH₄ eingeführt wurde, der Druck auf 0,5 Torr gehalten wurde und die Substrattemperatur 300°C betrug. Die n-Schicht wurde mit Hilfe von 13,56 MHz-p-CVD unter solchen Bedingungen gebildet, daß ein Mischgas mit H₂, SiH₄ und PH₃ eingeführt wurde, der Druck auf 0,3 Torr gehalten wurde und die Substrattemperatur 300°C betrug.
Für die dann gebildete Solarzellenvorrichtung wurde die Strom-Spannungsmessung ausgeführt. Als Ergebnis ergab sich eine Veränderung eines Kurvenfüllfaktors FF als ein Maß der Leistung der Solarzellen. FF = P_max/(V_oc × J_sc), wobei P_max den maximalen Ausgang, V_oc die Auslösespannung und J_sc die Kurzschluß-Photostromdichte repräsentieren. Speziell für die polykristalline Silizium-Solarzellenvorrichtung nach der ersten Ausführungsform betrug der Füllfaktor FF das 1,47-fache des Füllfaktors der polykristallinen Silizium- Solarzellenvorrichtung nach dem ersten Vergleichsbeispiel. Durch die Nutzung der p-Schicht (polykristalline Siliziumschicht 12A), welche mit Hilfe des Metallkatalysators kristallisiert wird, als ein Keimkristall hat die polykristalline Silizium-Solarzellenvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung bessere Eigenschaften als die Solarzellenvorrichtung nach dem ersten Vergleichsbeispiel, wobei alle polykristallinen Siliziumschichten mit Hilfe von p-CVD gebildet sind.

(Zweites Vergleichsbeispiel)

Eine polykristalline Silizium-Solarzellenvorrichung nach dem zweiten Vergleichsbeispiel mit derselben Struktur wie die gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wurde mit Hilfe von p-CVD in derselben Weise wie das erste Vergleichsbeispiel präpariert. Die so erhaltenen, polykristalline Silizium-Solarzellenvorrichtung wurde mit der polykristallinen Solarzellenvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung verglichen. Im Ergebnis ist der Füllfaktor FF der polykristalline Silizium-Solarzellenvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung 1,44-mal größer als der der polykristallinen Silizium- Solarzellenvorrichtung nach dem zweiten Vergleichsbeispiel. Wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform weist die Solarzellenvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung durch die Nutzung der mit Hilfe des Metallkatalysators kristallisierten p- Schicht bessere Eigenschaften als die Solarzellenvorrichtung auf, die mit Hilfe des herkömmlichen Verfahrens erzeugt wird.

(Dritte bevorzugte Ausführungsform)

Im Folgenden wird die dritte Ausführungsform der Erfindung erklärt. Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform war die kristallographische Orientierung der resultierenden kristallinen Schichten für die amorphen Siliziumschichten 3,12, welche mittels des Einführens eines Metallkatalysators kristallisiert werden, (110). Bei der dritten Ausführungsform wurden eine 18 nm dicke, amorphe Siliziumschicht vom p-Leitfähigkeitstyp mit Dotierungsmaterial auf der transparenten Elektrode 2 der ersten Ausführungsform und eine etwa 2 mm dicke, polykristalline Siliziumschicht mit Hilfe von p-CVD in einem VHF-Bereich (sehr hohe Frequenz) auf der amorphen Siliziumschicht gebildet, während ein Mischgas mit H₂, SiH₄ und B₂H₆ unter solchen Bedingungen eingeführt wird, daß die kristallographische Orientierung auf (111) gebracht wird. Anschließend wird auf der polykristallinen Siliziumschicht mit der kristallographischen Orientierung (111) mit Hilfe Vakuumverdampfens eine etwa 2 nm dicke Nickelschicht gebildet. Danach wird eine Wärmebehandlung bei 500°C für eine Stunde ausgeführt. Die kristallographische Orientierung der polykristallinen Siliziumschicht, welche mit Hilfe der Wärmebehandlung aus der amorphen Siliziumschicht gebildet wird, ist (111). Eine pin-Struktur wurde dann in der gleichen Weise gebildet wie bei der ersten Ausführungsform. Im Ergebnis ist die kristallographische Orientierung für alle Siliziumschichten (111). Es wurden die elektrischen Eigenschaften dieser Solarzellenvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform gemessen. Im Ergebnis wurde gefunden, daß der Füllfaktor FF dem 0,98-fachen des Füllfaktors der Solarzellenvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung entsprach.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden Solarzellenvorrichtungen mit einer pin-Struktur präpariert. Weil jedoch das nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erzeugte, kristalline Silizium gute Eigenschaften aufweist, wird die Herstellung von Solarzellen vom pn-Typ möglich. Diese Solarzelle vom pn-Typ wird als vierte Ausführungsform beschrieben.

(Vierte bevorzugte Ausführungsform)

Fig. 5 zeigt die vierte Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Solarzelle vom pn-Typ als eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung auf einem Glassubstrat geschaffen ist. Eine 200 nm dicke SiO₂-Schicht 19 wurde auf einer isolierenden Schicht auf einem Glassubstrat 27 gebildet. Weiterhin wurde eine 500 nm dicke SUS-Schicht 20 als Rückseitenelektrode ausgebildet. Danach wurde mittels Sputterns eine 10 nm dicke, amorphe Siliziumschicht 21 vom n-Typ mit Dotierungsmaterial geschaffen. Eine 2 nm dicke Nickelkatalysatorschicht (nicht dargestellt) wurde auf der amorphen Siliziumschicht 21 gemäß Fig. 2 oder 4 gebildet. Anschließend wurde eine Wärmebehandlung bei 500°C ausgeführt, um die amorphe Siliziumschicht 21 in eine polykristalline Siliziumschicht 22A umzuwandeln. VHF p-CVD wurde ausgeführt, wobei diese polykristalline Siliziumschicht 22A als ein Keimkristall genutzt wurde, um eine 2 µm dicke, polykristalline Siliziumschicht (nicht dargestellt) vom n-Typ zu bilden. Diese polykristalline Siliziumschicht vom n-Typ hat einen Widerstand von 20 bis 100 Ωcm. Weiterhin wurde eine 500 nm dicke, polykristalline Siliziumschicht 23 vom p-Typ mit Hilfe von VHF p-CVD auf der polykristallinen Siliziumschicht vom n-Typ gebildet. Diese polykristalline Siliziumschicht 23 vom p-Typ hat einen Widerstand von 0,1 bis 30 Ωcm. Darüber hinaus wurde auf der polykristallinen Siliziumschicht 23 vom p-Typ eine 70 nm dicke ITO-Schicht 24 als eine transparente Elektrode gebildet. Eine Aluminiumschicht 25 wurde auf der ITO-Schicht 24 als eine Elektrode gebildet. Eine Metallelektrode 26 wurde auf einem Teil der Aluminiumschicht 25 gebildet.
Für die Solarzelle gemäß der vierten Ausführungsform wurde ein 50-stufige Verbindung derart ausgeführt, daß die Rückseitenelektrode und die Oberflächenelektrode in Reihe verbunden wurden. Es ergaben sich Eigenschaften, derart, daß die Ausgangsspannung gleich der Summe von Ausgangsspannungen der jeweiligen Blöcke ist.
Fig. 6 zeigt die fünfte Ausführungsform der Erfindung, wobei auf einem Glassubstrat eine Solarzellen vom pin-Typ als eine Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung geschaffen ist. Eine transparente Elektrode 29 wurde auf einem Glassubstrat 28 gebildet. SnO₂ wurde für die transparente Elektrode 29 genutzt. Es wurde eine Nickelkatalysatorschicht auf der transparenten Elektrode 29 gebildet. Danach wurde eine 20 nm dicke, amorphe Siliziumschicht vom n-Typ mit Dotierungsmaterial gebildet. Anschließend wurde die amorphe Siliziumschicht mit Hilfe der Diffusion einer Nickelmetallkatalysatorschicht in einer Stickstoffatmosphäre von -550°C kristallisiert. Danach wurde ein 40 nm dicke, polykristalline Siliziumschicht 31 vom p-Typ mit Hilfe von Plasma-CVD in einem VHF-Bereich (sehr hohe Frequenz) gebildet, während ein Mischgas mit H₂, SiH₄ und B₂H₆ eingeführt wurde. Die kristallographische Orientierung dieser polykristallinen Siliziumschicht 31 war (111). Des weiteren wurde mit Hilfe von VHF-Plasma-CVD eine 1 µm dicke, polykristalline Siliziumschicht 32 vom i-Typ gebildet, während ein Mischgas mit H₂ und SiH₄ eingeführt wurde. Eine 50 nm dicke, polykristalline Siliziumschicht 33 vom n-Typ wurde dann mit Hilfe von VHF-Plasma-CVD gebildet, während ein Mischgas mit PH₃, H₂ und SiH₄ eingeführt wurde. Die kristallographische Orientierung der i-Schicht und der n-Schicht konnte unter diesen Umständen auf (110) gebracht werden. Abschließend wurde eine 1 µm dicke Aluminiumschicht 34 mit Hilfe von Vakuumverdampfen als eine Rückseitenelektrode gebildet. Die Oberfläche dieser polykristallinen Silizium-Dilunschicht hat eine texturierte bzw. verwachsenen Struktur, welche als eine Photovoltaikvorrichtung geeignet ist. Darüber hinaus hat diese Vorrichtung bessere Eigenschaften als die Vorrichtung, bei der die p-Schicht direkt auf SnO₂ mit Hilfe von Plasma-CVD gebildet wird, weil die p-Schicht, wie das Substrat, eine hohe Kristallinität aufweist.

(Drittes Vergleichsbeispiel)

Eine Solarzellenvorrichtung des dritten Vergleichsbeispiels, welche dieselbe Struktur wie die Solarzellenvorrichtung nach der fünften Ausführungsform aufweist, wurde nur mittels Plasma-CVD geschaffen. Die Eigenschaften der Solarzellenvorrichtung nach dem dritten Vergleichsbeispiel wurden mit denen der Solarzellenvorrichtung nach dem fünften Ausführungsbeispiel verglichen. Im Ergebnis war der Füllfaktor FF der Solarzellenvorrichtung nach der fünften Ausführungsform 1,51-mal so groß wie der der Solarzellenvorrichtung nach dem dritten Vergleichsbeispiel. Deshalb weist die Solarzellenvorrichtung nach der fünften Ausführungsform wegen einer Kristallisation mit Hilfe eines Metallkatalysators bessere Eigenschaften als die Solarzellenvorrichtung auf, die mit Hilfe des herkömmlichen Verfahrens erzeugt wurde.
Die oben beschriebenen, erfindungsgemäßen, kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtungen und kristallinen Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtungen können bei der Anwendung auf Solarzellen in verschiedenen Anwendungen genutzt werden, beispielsweise bei Heimstromversorgungssystemen und zusätzlich in tragbaren Ausrüstungen, beispielsweise elektronischen Taschenrechnern und elektronischen Uhren.
Wie oben beschrieben, umfaßt die erfindungsgemäße, kristalline Silizium-Dünnschicht- Halbleitervorrichtung: eine erste polykristalline Siliziumschicht, welche mit Hilfe des Einführens eines Metallkatalysatorelements in eine amorphe, auf einem Substrat vorgesehene Siliziumschicht oder mit Hilfe des Kontaktierens mit der amorphen Siliziumschicht sowie mittels einer anschließenden Wärmebehandlung der amorphen Siliziumschicht zum Umwandeln der amorphen Siliziumschicht bei einer niedrigen Temperatur durch die Wirkung des Metallkatalysatorelements in eine kristallographisch orientierte, polykristalline Siliziumschicht gebildet wird; eine zweite polykristalline Siliziumschicht, welche mit Hilfe der Nutzung der ersten polykristallinen Siliziumschicht als ein Keimkristall so gebildet wird, daß sie eine hohe Kristallinität und dieselbe kristallographische Orientierung wie die erste polykristalline Siliziumschicht aufweist; und eine dritte polykristalline Siliziumschicht, welche mit Hilfe der Nutzung der zweiten polykristallinen Siliziumschicht als ein Substrat gebildet wird. Durch diese Konstruktion hat die kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung eine hohe Kristallinität, eine kristallographische Orientierung, gute Eigenschaften und eine exzellente Produktivität. Insbesondere eine Dünnschichtsolarzelle kann leicht auf einem preiswerten Substrat, beispielsweise einem Glassubstrat, gebildet werden, und eine kristalline Hochleistungs- Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung kann kostengünstig erzeugt werden. Darüber hinaus treten Defekte infolge von Silicid nicht auf, weil in einer Übergangszone mit anderen Leitfähigkeitstypen kein Silicid zurückbleibt.
Die erfindungsgemäße, kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung umfaßt: eine erste polykristalline Siliziumschicht, welche mit Hilfe des Einführens eines Metallkatalysatorelements in eine amorphe Siliziumschicht, die auf einem Substrat vorgesehen ist, oder mit Hilfe des Kontaktierens mit der amorphen Siliziumschicht sowie mittels einer anschließenden Wärmebehandlung der amorphen Siliziumschicht zum Umwandeln der amorphen Siliziumschicht mittels der Wirkung des Metallkatalysatorelements in eine kristallographisch orientierte, polykristalline Siliziumschicht gebildet wird; eine zweite polykristalline Siliziumschicht, welche mit Hilfe der Nutzung der ersten polykristallinen Siliziumschicht als ein Keimkristall auf der Oberfläche der ersten polykristallinen Siliziumschicht gebildet wird und dieselbe kristallographische Orientierung wie die erste polykristalline Siliziumschicht und eine hohe Kristallinität aufweist; und eine dritte polykristalline Siliziumschicht, welche auf der zweiten polykristallinen Siliziumschicht ausgebildet ist und eine hohe Kristallinität sowie eine kristallographische Orientierung aufweist. Durch diese Konstruktion besitzt die kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung eine hohe Kristallinität, eine exzellente kristallographische Orientierung, gute Eigenschaften und eine exzellente Produktivität.
Darüber hinaus weist das Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße, kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung die folgenden Schritte auf: Ausbilden einer amorphen Silizium-Dünnschicht auf der Oberfläche eines Substrats; Einführen eines Metallkatalysatorelements in die amorphe Siliziumschicht oder Ausbilden eines Kontakts mit einem Oberflächenabschnitt der amorphen Siliziumschicht und Wärmebehandeln der amorphen Siliziumschicht, um die amorphe Siliziumschicht bei einer niedrigen Temperatur umzuwandeln und eine kristallographisch orientierte, erste polykristalline Siliziumschicht zu bilden; Bilden einer zweiten polykristallinen Siliziumschicht auf der ersten polykristallinen Siliziumschicht mit demselben Leitfähigkeitstyp und derselben kristallographischen Orientierung wie die erste polykristalline Siliziumschicht, wobei die erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird; und Bilden einer dritten polykristallinen Siliziumschicht auf der zweiten polykristalline Siliziumschicht mit einem Leitfähigkeitstyp, welcher von dem Leitfähigkeitstyp der zweiten polykristallinen Siliziumschicht verschieden ist. Durch diesen Aufbau kann eine kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung erzeugt werden, welche eine hohe Kristallinität, eine kristallographische Orientierung, gute Eigenschaften und eine exzellente Produktivität aufweist. Insbesondere wenn die Erfindung für Dünnschichtsolarzellen angewendet wird, können kostengünstige Substrate genutzt werden, beispielsweise Glassubstrate. Dadurch ist die Herstellung von Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen bei niedrigen Kosten möglich.
Die Erfindung wurde im Detail unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Bereichs der Erfindung vorgenommen werden können, wie er in den zugehörigen Ansprüchen beschrieben ist.

Claims

1. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung mit:
einem leitendem Substrat oder einem Substrat mit einer leitenden Schicht auf seiner Oberfläche;
einer kristallographisch orientierten, ersten polykristallinen Siliziumschicht, welche mit Hilfe des Einführens eines Metallkataysatorelements in eine amorphe Siliziumschicht, die auf der Oberfläche des leitenden Substrats oder der leitenden Schicht ausgebildet ist, oder mit Hilfe des Kontaktierens des Metallkatalysatorelements mit dem Oberflächenabschnitt der amorphen Siliziumschicht sowie mittels einer Wärmebehandlung der amorphen Siliziumschicht zum Kristallisieren der ersten amorphen Siliziumschicht gebildet wird; und
einer zweiten polykristallinen Siliziumschicht, welche so gebildet wird, daß sie denselben Leitfähigkeitstyp wie die erste polykristalline Siliziumschicht aufweist, wobei die erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird.

2. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite polykristalline Siliziumschicht nicht weniger als 0,1% Wasserstoff enthält.

3. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite polykristalline Siliziumschicht in Richtung der Dicke kristallographisch orientiert ist.

4. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite polykristalline Siliziumschicht dieselbe kristallographische Orientierung wie die erste polykristalline Siliziumschicht aufweist.

5. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dritte polykristalline Siliziumschicht mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, welcher von dem Leitfähigkeitstyp der zweiten polykristallinen Siliziumschicht verschieden ist, wobei die dritte polykristallien Siliziumschicht auf der von der ersten polykristallinen Siliziumschicht abgewandten Seite der zweiten polykristallinen Siliziumschicht vorgesehen ist.

6. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine vierte polykristalline Siliziumschicht mit einem dritten Leitfähigkeitstyp, welcher von dem Leitfähigkeitstyp der zweiten polykristallinen Siliziumschicht und dem Leitfähigkeitstyp der dritten polykristallinen Siliziumschicht verschieden ist, wobei die vierte polykristalline Siliziumschicht zwischen der dritten polykristallinen Siliziumschicht und der zweiten polykristallinen Siliziumschicht angeordnet ist.

7. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte polykristalline Siliziumschicht dieselbe kristallographische Orientierung wie die zweite polykristalline Siliziumschicht aufweist.

8. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte polykristalline Siliziumschicht dieselbe kristallographische Orientierung wie die zweite polykristalline Siliziumschicht aufweist.

9. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte polykristalline Siliziumschicht dieselbe kristallographische Orientierung wie die dritte polykristalline Siliziumschicht aufweist.

10. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte und die vierte polykristalline Siliziumschicht nicht weniger als 0,1% Wasserstoff enthalten.

11. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung mit:
einem leitenden Substrat oder einem isolierenden Substrat mit einer leitenden Schicht auf seiner Oberfläche;
einer ersten polykristallinen Siliziumschicht mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, welcher mit Hilfe des Einführens eines Metallkatalysatorelements in eine amorphe Siliziumschicht, die auf der Oberfläche des leitenden Substrats oder der leitenden Schicht ausgebildet ist, oder mit Hilfe des Kontaktierens des Metallkatalysatorelements mit dem Oberflächenabschnitt der amorphen Siliziumschicht sowie mittels einer Wärmebehandlung der amorphen Siliziumschicht zum Kristallisieren der amorphen Siliziumschicht gebildet wird;
einer zweiten polykristallinen Siliziumschicht, welche so gebildet ist, daß sie denselben Leitfähigkeitstyp wie der erste Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird;
einer dritten polykristallinen Siliziumschicht, die im wesentlichen vom i-Typ ist und auf der zweiten polykristallinen Siliziumschicht ausgebildet ist;
einer vierten polykristallinen Siliziumschicht, die auf der dritten polykristallinen Siliziumschicht gebildet ist und einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, welcher von dem ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist; und
einem auf der vierten polykristallinen Siliziumschicht vorgesehenem Elektrodenteil.

12. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Substrat rostfreier Stahl ist und daß das Substrat mit einer leitenden Schicht auf seiner Oberfläche Glas ist.

13. Kristalline Silizium-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung mit:
einem isolierenden Substrat mit einer Elektrode auf seiner Oberfläche;
einer ersten polykristallinen Siliziumschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, welche mit Hilfe des Einführens eines Metallkatalysatorelements in eine amorphe Siliziumschicht, welche auf der Elektrode auf dem isolierenden Substrat ausgebildet ist, oder mit Hilfe des Kontaktierens des Metallkatalysatorelements mit dem Oberflächenabschnitt der amorphen Siliziumschicht sowie mittels einer Wärmebehandlung der amorphen Siliziumschicht zum Kristallisieren der amorphen Siliziumschicht gebildet ist;
einer zweiten polykristallinen Siliziumschicht, welche so gebildet ist, daß sie denselben Leitfähigkeitstyp wie der erste Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird;
einer dritten polykristallinen Siliziumschicht, welche auf der zweiten polykristallinen Siliziumschicht ausgebildet ist und einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, welcher von dem ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist; und
einem auf der dritten polykristallinen Siliziumschicht vorgesehenen Elekrodenteil.

14. Verfahren zum Herstellen einer kristallinen Silizium-Dünnschicht-Halbleitervorrichtung, das Verfahren die folgenden Schritte aufweisend:
Vorsehen eines leitenden Substrats oder eines Substrat mit einer leitenden Schicht auf seiner Oberfläche und Ausbilden einer amorphen Silizium-Dünnschicht auf der Oberfläche des leitenden Substrats oder der Oberfläche der leitenden Schicht in dem Substrat;
Einführen eines Metallkatalysatorelements in die amorphe Siliziumschicht oder Kontaktieren des Metallkatalysatroelements mit dem Oberflächenabschnitt der amorphen Siliziumschicht sowie Wärmebehandeln der amorphen Siliziumschicht zum Kristallisieren der amorphen Siliziumschicht und zum Ausbilden einer kristallographisch orientierten, ersten polykristallinen Siliziumschicht;
Ausbilden einer zweiten polykristallinen Siliziumschicht mit demselben Leitfähigkeitstyp wie die erste polykristalline Siliziumschicht auf der ersten polykristallinen Siliziumschicht, wobei die erste polykristalline Siliziumschicht als ein Keimkristall genutzt wird; und
Ausbilden einer dritten polykristallinen Siliziumschicht mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, welcher von dem Leitfähigkeitstyp der zweiten polykristallinen Siliziumschicht verschieden ist, auf der zweiten polykristallinen Siliziumschicht.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Siliziumschicht nicht mehr als 0,3% Wasserstoff enthält.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Siliziumschicht eine Dicke von nicht mehr als 50 nm aufweist.