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JP2007305826A - Silicon-based thin film solar cell - Google Patents

Silicon-based thin film solar cell Download PDF

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JP2007305826A
JP2007305826A JP2006133387A JP2006133387A JP2007305826A JP 2007305826 A JP2007305826 A JP 2007305826A JP 2006133387 A JP2006133387 A JP 2006133387A JP 2006133387 A JP2006133387 A JP 2006133387A JP 2007305826 A JP2007305826 A JP 2007305826A
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silicon
layer
photoelectric conversion
refractive index
solar cell
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JP2006133387A
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Mitsuru Ichikawa
満 市川
Kenji Yamamoto
憲治 山本
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Kaneka Corp
Original Assignee
Kaneka Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly efficient and inexpensive silicon-based thin film solar cell capable of exerting a predominant light confinement effect and keeping a carrier recombination in the solar cell few even though the layer having low refraction factor is arranged, by arranging a layer having a refraction factor lower than that of a photoelectric layer at the rear of the photoelectric conversion layer from a view of light entering side without using a facility different from that forming the phtotelectric conversion layer. <P>SOLUTION: This invention can form the silicon-based low reafraction factor layer having the refraction factor lower than that of the photoelectric conversion layer at the rear of the photoelectric conversion layer from the view of light enterng side, without using the facility different from that forming the photoelectric conversion layer to be able to exert the predominant light confinement effect. Further, the arrangement of the thin conductive silicon-based interface layer at the rear of the silicon-based low refcation factor layer can keep the series resistance of the solar cell small. This can provide the highly efficient and inexpensive silicon-based thin film solar cell. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はシリコン系薄膜太陽電池に関し、特に、光入射側から見た光電変換層の後方に光電変換層よりも屈折率の小さい層を薄く配置することによって、光閉じ込め効果と太陽電池内でのキャリア再結合低減効果を同時に発揮する薄膜太陽電池に関するものである。   The present invention relates to a silicon-based thin film solar cell, and in particular, by arranging a thin layer having a refractive index smaller than that of the photoelectric conversion layer behind the photoelectric conversion layer viewed from the light incident side, The present invention relates to a thin film solar cell that simultaneously exhibits an effect of reducing carrier recombination.

近年、光電変換装置の低コスト化、高効率化を両立するために使用原材料が少なくてすむ薄膜太陽電池が注目され、開発が精力的に行われている。現在、従来の非晶質薄膜太陽電池に加えて結晶質薄膜太陽電池も開発され、これらを積層したハイブリッド太陽電池と称される積層型薄膜太陽電池も実用化されている。   In recent years, thin film solar cells that require less raw materials to achieve both cost reduction and high efficiency of photoelectric conversion devices have attracted attention and are being developed vigorously. At present, in addition to conventional amorphous thin-film solar cells, crystalline thin-film solar cells have also been developed, and stacked thin-film solar cells called hybrid solar cells in which these are stacked have been put into practical use.

薄膜太陽電池は、一般に、基板上に順に積層された第1電極、1以上の半導体薄膜光電変換ユニット、および第2電極を含んでいる。そして、1つの光電変換ユニットはp型層とn型層でサンドイッチされたi型層を含んでいる。   A thin film solar cell generally includes a first electrode, one or more semiconductor thin film photoelectric conversion units, and a second electrode that are sequentially stacked on a substrate. One photoelectric conversion unit includes an i-type layer sandwiched between a p-type layer and an n-type layer.

i型層は実質的に真性の半導体層であって光電変換ユニットの厚さの大部分を占め、光電変換作用は主としてこのi型層内で生じる。このため、このi型層は通常i型光電変換層または単に光電変換層と呼ばれる。光電変換層は真性半導体層に限らず、ドープされた不純物によって吸収される光の損失が問題にならない範囲で微量にp型またはn型にドープされた層であってもよい。光電変換層は光吸収のためには厚い方が好ましいが、必要以上に厚くすればその製膜のためのコストと時間が増大することになる。   The i-type layer is a substantially intrinsic semiconductor layer and occupies most of the thickness of the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion action mainly occurs in the i-type layer. For this reason, this i-type layer is usually called an i-type photoelectric conversion layer or simply a photoelectric conversion layer. The photoelectric conversion layer is not limited to an intrinsic semiconductor layer, and may be a layer doped in a small amount of p-type or n-type within a range where loss of light absorbed by a doped impurity does not cause a problem. The photoelectric conversion layer is preferably thicker for light absorption, but if it is thicker than necessary, the cost and time for film formation will increase.

他方、p型やn型の導電型層は光電変換ユニット内に拡散電位を生じさせる役目を果たし、この拡散電位の大きさによって薄膜太陽電池の重要な特性の1つである開放電圧(Voc)の値が左右される。しかし、これらの導電型層は光電変換に直接寄与しない不活性な層であり、導電型層にドープされた不純物によって吸収される光は発電に寄与しない損失となる。したがって、p型とn型の導電型層は、十分な拡散電位を生じさせ得る範囲内であれば、できるだけ小さな厚さにとどめておくことが好ましい。p型やn型の導電型層としては、光電変換層と同一の材料を用いる場合もあるが、例えば、シリコンに対するシリコンカーバイドのように、光電変換層よりもバンドギャップの広い材料を用いることにより、導電型層と光電変換層の界面に新たな電界を形成し、光吸収に伴って発生したキャリアが界面で再結合するのを抑制する技術も広く用いられている。   On the other hand, the p-type and n-type conductive layers serve to generate a diffusion potential in the photoelectric conversion unit, and the open circuit voltage (Voc), which is one of the important characteristics of the thin-film solar cell, depending on the magnitude of this diffusion potential. The value of depends on. However, these conductive layers are inactive layers that do not directly contribute to photoelectric conversion, and light absorbed by impurities doped in the conductive layer results in a loss that does not contribute to power generation. Therefore, it is preferable to keep the p-type and n-type conductive layers as small as possible as long as they are within a range in which a sufficient diffusion potential can be generated. For the p-type and n-type conductive layers, the same material as the photoelectric conversion layer may be used. For example, by using a material having a wider band gap than the photoelectric conversion layer, such as silicon carbide for silicon. A technique for forming a new electric field at the interface between the conductive type layer and the photoelectric conversion layer and suppressing recombination of carriers generated along with light absorption at the interface is also widely used.

ここで、上述のようなpin(nip)型の光電変換ユニットまたは薄膜太陽電池は、それに含まれるp型とn型の導電型層が非晶質か結晶質かにかかわらず、その主要部を占める光電変換層が非晶質のものは非晶質ユニットまたは非晶質薄膜太陽電池と称され、光電変換層が結晶質のものは結晶質ユニットまたは結晶質薄膜太陽電池と称される。   Here, the pin (nip) type photoelectric conversion unit or thin film solar cell as described above has its main part regardless of whether the p-type and n-type conductive layers contained therein are amorphous or crystalline. An amorphous photoelectric conversion layer is referred to as an amorphous unit or an amorphous thin film solar cell, and a crystalline photoelectric conversion layer is referred to as a crystalline unit or a crystalline thin film solar cell.

薄膜太陽電池の変換効率を向上させる方法として、2以上の光電変換ユニットを積層してタンデム型にする方法がある。この方法においては、薄膜太陽電池の光入射側に広いバンドギャップを有する光電変換層を含む前方ユニットを配置し、その後方に順に狭いバンドギャップを有する光電変換層を含む後方ユニットを配置することにより、入射光の広い波長範囲にわたって光電変換を可能にし、これによって太陽電池全体としての変換効率の向上が図られる。このようなタンデム型太陽電池の中でも、特に非晶質光電変換ユニットと結晶質光電変換ユニットを積層したものはハイブリッド薄膜太陽電池と称される。   As a method for improving the conversion efficiency of the thin-film solar cell, there is a method of stacking two or more photoelectric conversion units into a tandem type. In this method, a front unit including a photoelectric conversion layer having a wide band gap is disposed on the light incident side of the thin film solar cell, and a rear unit including a photoelectric conversion layer having a narrow band gap is sequentially disposed behind the front unit. The photoelectric conversion is enabled over a wide wavelength range of the incident light, thereby improving the conversion efficiency of the entire solar cell. Among such tandem solar cells, a laminate in which an amorphous photoelectric conversion unit and a crystalline photoelectric conversion unit are stacked is called a hybrid thin film solar cell.

例えば、i型非晶質シリコンが光電変換し得る光の波長は長波長側において800nm程度までであるが、i型結晶質シリコンはそれより長い約1100nm程度の波長までの光を光電変換することができる。ただし、光吸収係数の大きな非晶質シリコン光電変換層が十分に光吸収するためには0.3μm程度以下の厚さでも十分であるが、光吸収係数の小さな結晶質シリコン光電変換層は長波長の光をも十分に吸収するためには1.5〜3μm程度の厚さを有することが好ましい。すなわち、結晶質光電変換層は、通常は非晶質光電変換層に比べて5〜10倍程度の厚さを有することが望まれる。   For example, the wavelength of light that can be photoelectrically converted by i-type amorphous silicon is up to about 800 nm on the long wavelength side, but i-type crystalline silicon photoelectrically converts light up to a wavelength of about 1100 nm longer than that. Can do. However, a thickness of about 0.3 μm or less is sufficient for an amorphous silicon photoelectric conversion layer having a large light absorption coefficient to absorb light sufficiently, but a crystalline silicon photoelectric conversion layer having a small light absorption coefficient is long. In order to sufficiently absorb light having a wavelength, it is preferable to have a thickness of about 1.5 to 3 μm. That is, the crystalline photoelectric conversion layer is usually desired to have a thickness of about 5 to 10 times that of the amorphous photoelectric conversion layer.

非晶質シリコン単層の薄膜太陽電池においても、前述のハイブリッド薄膜太陽電池においても、光電変換層の厚さをできるだけ小さく保つことが生産性の向上すなわち低コスト化の点からは望ましい。このため、光入射側から見て光電変換層の後方に光電変換層よりも屈折率の小さな層を配置して特定波長の光を有効に反射させる、いわゆる光閉じ込め効果を利用した構造が一般的に用いられている。光入射側から見て光電変換層の後方に配置する、というのは、光電変換層に接してその裏面側に配置されていること、もしくは光電変換層の裏面に別の層を配置し、その層を挟んで裏面側に配置されていることを指す。   In both the amorphous silicon single-layer thin-film solar cell and the hybrid thin-film solar cell described above, it is desirable to keep the thickness of the photoelectric conversion layer as small as possible from the viewpoint of productivity improvement, that is, cost reduction. For this reason, a structure using a so-called light confinement effect that effectively reflects light of a specific wavelength by arranging a layer having a smaller refractive index than the photoelectric conversion layer behind the photoelectric conversion layer when viewed from the light incident side is common. It is used for. Arranged behind the photoelectric conversion layer when viewed from the light incident side is that it is in contact with the photoelectric conversion layer on the back side, or another layer is arranged on the back side of the photoelectric conversion layer, It is arranged on the back side with the layer in between.

従来技術として、特許文献1には、光入射側から、透光性第1電極、非晶質シリコン半導体薄膜(以下単に半導体薄膜と呼ぶ)、厚さ1200Å未満の酸化亜鉛膜、不透光性第2電極(金属電極)が順に積層された太陽電池の構造を開示している。   As a conventional technique, Patent Document 1 discloses, from the light incident side, a translucent first electrode, an amorphous silicon semiconductor thin film (hereinafter simply referred to as a semiconductor thin film), a zinc oxide film having a thickness of less than 1200 mm, and an opaqueness. A structure of a solar cell in which a second electrode (metal electrode) is sequentially laminated is disclosed.

従来技術として、特許文献2は、光電変換層/導電型シリコン系低屈折率層/導電型シリコン系界面層の構造を開示しており、本発明と同様の構造である。
公開特許公報特開平2−73672号 国際公開特許公報WO2005/011002号
As a conventional technique, Patent Document 2 discloses a structure of a photoelectric conversion layer / a conductive silicon-based low refractive index layer / a conductive silicon-based interface layer, which is the same structure as the present invention.
Japanese Patent Laid-Open No. 2-73672 International Patent Publication No. WO2005 / 011002

特許文献1には、光入射側から、透光性第1電極、非晶質シリコン半導体薄膜(以下単に半導体薄膜と呼ぶ)、厚さ1200Å未満の酸化亜鉛膜、不透光性第2電極(金属電極)が順に積層された太陽電池の構造を開示している。酸化亜鉛膜は、半導体薄膜と金属電極との界面に珪化物が生じて吸収ロスが増えるのを防止する作用を有する。また、酸化亜鉛膜と半導体薄膜との間に屈折率差があるため、酸化亜鉛膜の厚さを1200Å未満、好ましくは300〜900Åに限定すれば半導体薄膜/酸化亜鉛膜界面での反射率を向上させる効果を有する。このため、太陽電池の短絡電流密度が向上し、変換効率が向上する。しかしながら、酸化亜鉛膜はスパッタ、スプレーなどの手法で形成されるため、プラズマCVD法等で一般的に形成される半導体薄膜とは別設備を用いる必要があり、設備コストがかかり、生産タクトも長くなるという問題が発生する。さらに、特に酸化亜鉛膜の形成にスパッタ法を用いる場合、下地半導体薄膜へのスパッタダメージによる性能低下を引き起こす可能性がある、という問題も発生する。   In Patent Document 1, from the light incident side, a translucent first electrode, an amorphous silicon semiconductor thin film (hereinafter simply referred to as a semiconductor thin film), a zinc oxide film having a thickness of less than 1200 mm, and a translucent second electrode ( A structure of a solar cell in which metal electrodes) are sequentially stacked is disclosed. The zinc oxide film has a function of preventing an increase in absorption loss due to silicide generated at the interface between the semiconductor thin film and the metal electrode. Further, since there is a difference in refractive index between the zinc oxide film and the semiconductor thin film, if the thickness of the zinc oxide film is limited to less than 1200 mm, preferably 300 to 900 mm, the reflectance at the semiconductor thin film / zinc oxide film interface can be reduced. Has the effect of improving. For this reason, the short circuit current density of a solar cell improves, and conversion efficiency improves. However, since the zinc oxide film is formed by a technique such as sputtering or spraying, it is necessary to use equipment different from the semiconductor thin film generally formed by plasma CVD or the like, which requires equipment costs and increases production tact time. Problem arises. Furthermore, in particular, when a sputtering method is used for forming a zinc oxide film, there is a problem that the performance may be deteriorated due to sputtering damage to the underlying semiconductor thin film.

特許文献2は、光電変換層/導電型シリコン系低屈折率層/導電型シリコン系界面層の構造を開示しており、本発明と同様の構造である。しかしながら、特許文献2においては、シリコン系低屈折率層の厚さは光学的な見地から実質的に30nm以上に設計されている。更に、この厚さに加えて、シリコン系低屈折率層と裏面電極の間に生じる接触抵抗を低減させる役割を果たす、導電型シリコン系界面層の厚さをも加えると、導電型層のトータル厚さは実質的に40nm程度以上になる。このため、導電型層を通過する際の光の吸収ロスが無視できない場合もあった。   Patent Document 2 discloses the structure of a photoelectric conversion layer / a conductive silicon-based low refractive index layer / a conductive silicon-based interface layer, which is the same structure as the present invention. However, in Patent Document 2, the thickness of the silicon-based low refractive index layer is designed to be substantially 30 nm or more from an optical viewpoint. In addition to this thickness, adding the thickness of the conductive silicon-based interface layer, which plays a role in reducing the contact resistance generated between the silicon-based low refractive index layer and the back electrode, gives the total of the conductive layer. The thickness is substantially about 40 nm or more. For this reason, there is a case where the absorption loss of light when passing through the conductive layer cannot be ignored.

上述のような状況に鑑み、本発明は、光電変換層に比べて低い屈折率を有するシリコン系の層を、光電変換層の形成と別種の設備を用いることなく、光入射側から見て光電変換層の後方にごく薄く配置することにより、十分な光閉じ込め効果を発揮した上でその層内での光の吸収ロスを小さく保ち、かつそのような低い屈折率を有する層が配置されていても太陽電池内で発生したキャリアの再結合損失を小さく保つことができる、高効率かつ低コストでシリコン系薄膜太陽電池を提供することを目的としている。   In view of the situation as described above, the present invention provides a photoelectric conversion layer in which a silicon-based layer having a refractive index lower than that of the photoelectric conversion layer is viewed from the light incident side without using a photoelectric conversion layer formation and other types of equipment. By arranging a very thin layer behind the conversion layer, the light absorption loss within the layer is kept small while exhibiting a sufficient light confinement effect, and a layer having such a low refractive index is disposed. Another object of the present invention is to provide a silicon-based thin film solar cell with high efficiency and low cost that can keep the recombination loss of carriers generated in the solar cell small.

本発明者らは、特許文献2の知見を元に、太陽電池の裏面構造を更に鋭意検討した。その結果、当業者が容易に想到できない顕著な効果を有する下記の発明を完成するに至った。   Based on the knowledge of Patent Document 2, the present inventors have further studied the back surface structure of the solar cell. As a result, the inventors have completed the following invention having remarkable effects that cannot be easily conceived by those skilled in the art.

本発明の第1は、
「光入射側から見て光電変換層の後方に導電型シリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置され、該導電型シリコン系低屈折率層および該導電型シリコン系界面層の厚さがそれぞれ0nmより大きく10nm以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。
The first of the present invention is
“A conductive silicon-based low refractive index layer and a conductive silicon-based interface layer are sequentially arranged behind the photoelectric conversion layer as viewed from the light incident side, and the conductive silicon-based low refractive index layer and the conductive silicon-based interface layer” The thickness of each is a silicon-based thin-film solar cell characterized in that it is greater than 0 nm and less than or equal to 10 nm.

本発明は、また、「前記シリコン系低屈折率層の波長600nmにおける屈折率が2.5以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。   The present invention is also “a silicon-based thin film solar cell characterized in that a refractive index of the silicon-based low refractive index layer at a wavelength of 600 nm is 2.5 or less”.

本発明は、また、「前記シリコン系低屈折率層中に占める、シリコンを除く最多構成元素は酸素であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。   The present invention is also “a silicon-based thin film solar cell characterized in that the most constituent element excluding silicon in the silicon-based low refractive index layer is oxygen”.

本発明は、また、「前記シリコン系低屈折率層は、その層中に結晶質シリコン成分を含むことを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。   The present invention is also “a silicon-based thin film solar cell characterized in that the silicon-based low refractive index layer contains a crystalline silicon component in the layer”.

本発明は、また、「前記導電型シリコン系界面層の厚さは5nm以上であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。   The present invention is also “a silicon-based thin film solar cell characterized in that the conductive silicon-based interface layer has a thickness of 5 nm or more”.

本発明は、また、「前記のシリコン系薄膜太陽電池であって、少なくとも非晶質光電変換ユニットを1以上備え、かつ、結晶質光電変換ユニットを1以上備える、ハイブリッド薄膜太陽電池」、である。   The present invention is also “the above-described silicon-based thin film solar cell, which is a hybrid thin film solar cell including at least one amorphous photoelectric conversion unit and at least one crystalline photoelectric conversion unit”. .

本発明者らは、特許文献2の知見を元に、太陽電池の裏面構造を更に鋭意検討した結果、当業者が容易に想到できない顕著な効果を有する下記の発明を完成するに至った。   As a result of further intensive studies on the back surface structure of the solar cell based on the knowledge of Patent Document 2, the present inventors have completed the following invention having remarkable effects that cannot be easily conceived by those skilled in the art.

本発明の第1は、光入射側から見て光電変換層の後方に導電型シリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置され、該導電型シリコン系低屈折率層および該導電型シリコン系界面層の厚さがそれぞれ0nmより大きく10nm以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。   In the first aspect of the present invention, a conductive silicon-based low refractive index layer and a conductive silicon-based interface layer are sequentially disposed behind the photoelectric conversion layer as viewed from the light incident side, the conductive silicon-based low refractive index layer, The silicon-based thin film solar cell is characterized in that each of the conductive silicon-based interface layers has a thickness of greater than 0 nm and 10 nm or less.

本発明の第1の構成により、特許文献2当時の当業者の常識として特に期待をしていなかった、シリコン系低屈折率層の厚さが0nmより大きく10nm以下の範囲において、Vocと曲線因子(FF)が改善された。更に驚くべきことに、シリコン系低屈折率層の厚さが10nm以下では光閉じ込めによる短絡電流密度(Jsc)の改善は見込めないと当時は考えられていたが、本発明の構成により、Jscの改善も見られることがわかった。   According to the first configuration of the present invention, Voc and the fill factor are within the range where the thickness of the silicon-based low-refractive index layer is greater than 0 nm and less than or equal to 10 nm, which was not particularly expected as common sense of those skilled in the art at the time of Patent Document 2. (FF) was improved. Surprisingly, it was thought at that time that the short circuit current density (Jsc) could not be improved by optical confinement when the thickness of the silicon-based low refractive index layer was 10 nm or less. It was found that improvement was also seen.

シリコン系低屈折率層は光電変換層内に拡散電位を生じさせる役割を果たし、不純物によりn型にドープされた層である。本発明のシリコン系低屈折率層は、厚さが10nm以下に設定されるため、その表面で光を有効に光電変換層側に反射させ、かつその層中での光の吸収ロスをできる限り小さく保つことができる。   The silicon-based low refractive index layer plays a role of generating a diffusion potential in the photoelectric conversion layer, and is a layer doped n-type with impurities. Since the thickness of the silicon-based low refractive index layer of the present invention is set to 10 nm or less, light is effectively reflected on the photoelectric conversion layer side on the surface, and absorption loss of light in the layer is as much as possible. Can be kept small.

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層の波長600nmにおける屈折率が2.5以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。   The present invention is also the silicon-based thin film solar cell, wherein the silicon-based low refractive index layer has a refractive index of 2.5 or less at a wavelength of 600 nm.

本発明では、シリコン系低屈折率層の厚さを10nm以下と薄くすることにより、導電型シリコン系界面層の屈折率を下げた場合に顕在化していく、層内の欠陥に起因したキャリアの再結合を低減することができる。従い、本発明の第2の構成のような、「前記シリコン系低屈折率層の波長600nmにおける屈折率が2.5以下」であっても、本発明の課題を解決できる。   In the present invention, the thickness of the silicon-based low-refractive index layer is reduced to 10 nm or less, so that it becomes apparent when the refractive index of the conductive silicon-based interface layer is lowered. Recombination can be reduced. Therefore, even if the “refractive index of the silicon-based low refractive index layer at a wavelength of 600 nm is 2.5 or less” as in the second configuration of the present invention, the problem of the present invention can be solved.

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層中に占める、シリコンを除く最多構成元素は酸素であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。   The present invention is also the silicon-based thin-film solar cell, wherein the most constituent element excluding silicon occupied in the silicon-based low refractive index layer is oxygen.

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層は、その層中に結晶質シリコン成分を含むことを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。   The present invention is also the silicon-based thin-film solar cell, wherein the silicon-based low refractive index layer includes a crystalline silicon component in the layer.

本発明のシリコン系薄膜太陽電池は、導電型シリコン系界面層の層中に結晶質シリコン成分を含むことにより、導電型シリコン系界面層に接して配置された透明酸化物層との接触抵抗を小さく保つことができる。また、導電型シリコン系界面層のシリコンを除く最多構成元素を酸素とすることにより導電型シリコン系界面層の結晶化率を維持しつつ導電型シリコン系界面層の屈折率を低下させることが可能となり、導電型シリコン系界面層の屈折率を低下させても界面層の導電率を維持することができる。   The silicon-based thin film solar cell of the present invention has a contact resistance with a transparent oxide layer disposed in contact with the conductive silicon-based interface layer by including a crystalline silicon component in the layer of the conductive silicon-based interface layer. Can be kept small. Moreover, the refractive index of the conductive silicon-based interface layer can be lowered while maintaining the crystallization ratio of the conductive silicon-based interface layer by using oxygen as the most abundant constituent element excluding silicon in the conductive silicon-based interface layer. Thus, the conductivity of the interface layer can be maintained even if the refractive index of the conductive silicon-based interface layer is lowered.

本発明は、また、前記導電型シリコン系界面層の厚さは5nm以上であることを特徴とする、シリコン系薄膜太陽電池である。   The present invention is also the silicon-based thin film solar cell, wherein the conductive silicon-based interface layer has a thickness of 5 nm or more.

導電型シリコン系界面層は、シリコンを主成分とする導電型層である。導電型シリコン系界面層はその層における光吸収損失をできるだけ小さく保つために、厚さが10nm以下に設定される。また、薄いシリコン系低屈折率層だけでは不十分な可能性のある、光電変換層内の拡散電位の発生を補うため、その厚さは5nm以上であることが好ましい。   The conductivity type silicon-based interface layer is a conductivity type layer mainly composed of silicon. The conductive silicon-based interface layer is set to a thickness of 10 nm or less in order to keep the light absorption loss in the layer as small as possible. Moreover, in order to compensate for the generation of a diffusion potential in the photoelectric conversion layer, which may be insufficient only with a thin silicon-based low refractive index layer, the thickness is preferably 5 nm or more.

本発明の第5の構成であることによって、すなわち、導電型シリコン系界面層の厚さが5nm以上であることによって、薄いシリコン系低屈折率層だけでは不十分な可能性のある、光電変換層内の拡散電位の発生を補うことができる。   Due to the fifth configuration of the present invention, that is, when the thickness of the conductive silicon-based interface layer is 5 nm or more, a thin silicon-based low-refractive index layer alone may be insufficient. Generation of a diffusion potential in the layer can be compensated.

特に、図1に示すようにシリコン系低屈折率層としてシリコンオキサイドを用い、その層中酸素量を増やして屈折率を2.5以下にまで下げた場合、シリコン系低屈折率層と裏面電極層の接触抵抗を下げるのは困難であるが、このような問題も導電型シリコン系界面層を挿入することにより解決することができる。   In particular, when silicon oxide is used as a silicon-based low refractive index layer as shown in FIG. 1 and the amount of oxygen in the layer is increased to lower the refractive index to 2.5 or less, the silicon-based low refractive index layer and the back electrode Although it is difficult to lower the contact resistance of the layer, such a problem can be solved by inserting a conductive silicon-based interface layer.

本発明によれば、光電変換層よりも低い屈折率を有するシリコン系低屈折率層を、光電変換層の形成と別種の設備を用いることなく、光入射側から見て光電変換層の後方に形成することができるため、低コストで十分な光閉じ込め効果を発揮できる。さらにシリコン系低屈折率層の後方に薄い導電型シリコン系界面層を配置することで太陽電池の直列抵抗を小さく保つことができる。この結果、高効率かつ低コストでシリコン系薄膜太陽電池を提供することができる。   According to the present invention, a silicon-based low refractive index layer having a refractive index lower than that of the photoelectric conversion layer is formed behind the photoelectric conversion layer when viewed from the light incident side without using a separate type of equipment from the formation of the photoelectric conversion layer. Since it can be formed, a sufficient light confinement effect can be exhibited at low cost. Furthermore, the series resistance of the solar cell can be kept small by disposing a thin conductive silicon-based interface layer behind the silicon-based low refractive index layer. As a result, a silicon-based thin film solar cell can be provided with high efficiency and low cost.

本発明は、また、「前記のシリコン系薄膜太陽電池であって、少なくとも非晶質光電変換ユニットを1以上備え、かつ、結晶質光電変換ユニットを1以上備える、ハイブリッド薄膜太陽電池」、である。   The present invention is also “the above-described silicon-based thin film solar cell, which is a hybrid thin film solar cell including at least one amorphous photoelectric conversion unit and at least one crystalline photoelectric conversion unit”. .

以下に、本発明の実施の形態としてのシリコン系薄膜太陽電池を、図2を参照しつつ説明する。   Below, the silicon-type thin film solar cell as embodiment of this invention is demonstrated, referring FIG.

透光性基板1の上に透明電極層2が形成されている。透光性基板1としては、ガラス、透明樹脂等から成る板状部材やシート状部材が用いられる。透明電極層2はSnO2、ZnO等の導電性金属酸化物から成ることが好ましく、CVD、スパッタ、蒸着等の方法を用いて形成されることが好ましい。透明電極層2はその表面に微細な凹凸を有することにより、入射光の散乱を増大させる効果を有することが望ましい。透明電極層2の上には非晶質光電変換ユニット3が形成される。非晶質光電変換ユニット3は非晶質p型シリコンカーバイド層3p、ノンドープ非晶質i型シリコン光電変換層3i、n型シリコン系界面層3nから成り立っている。非晶質光電変換ユニット3の上に結晶質光電変換ユニット4が形成されている。非晶質光電変換ユニット3、および結晶質光電変換ユニット4(以下、この両方のユニットをまとめて単に光電変換ユニットと称する)の形成には高周波プラズマCVD法が適している。光電変換ユニットの形成条件としては、基板温度100〜300℃、圧力30〜1500Pa、高周波パワー密度0.01〜0.5W/cm2が好ましく用いられる。光電変換ユニット形成に使用する原料ガスとしては、SiH4、Si26等のシリコン含有ガスまたは、それらのガスとH2を混合したものが用いられる。光電変換ユニットにおけるp型またはn型層を形成するためのドーパントガスとしては、B26またはPH3等が好ましく用いられる。 A transparent electrode layer 2 is formed on the translucent substrate 1. As the translucent substrate 1, a plate-like member or a sheet-like member made of glass, transparent resin or the like is used. The transparent electrode layer 2 is preferably made of a conductive metal oxide such as SnO 2 or ZnO, and is preferably formed using a method such as CVD, sputtering, or vapor deposition. The transparent electrode layer 2 desirably has the effect of increasing the scattering of incident light by having fine irregularities on its surface. An amorphous photoelectric conversion unit 3 is formed on the transparent electrode layer 2. The amorphous photoelectric conversion unit 3 includes an amorphous p-type silicon carbide layer 3p, a non-doped amorphous i-type silicon photoelectric conversion layer 3i, and an n-type silicon-based interface layer 3n. A crystalline photoelectric conversion unit 4 is formed on the amorphous photoelectric conversion unit 3. A high-frequency plasma CVD method is suitable for forming the amorphous photoelectric conversion unit 3 and the crystalline photoelectric conversion unit 4 (hereinafter, both units are collectively referred to as a photoelectric conversion unit). As conditions for forming the photoelectric conversion unit, a substrate temperature of 100 to 300 ° C., a pressure of 30 to 1500 Pa, and a high frequency power density of 0.01 to 0.5 W / cm 2 are preferably used. As a source gas used for forming the photoelectric conversion unit, a silicon-containing gas such as SiH 4 or Si 2 H 6 or a mixture of these gases and H 2 is used. B 2 H 6 or PH 3 is preferably used as the dopant gas for forming the p-type or n-type layer in the photoelectric conversion unit.

結晶質光電変換ユニット4は結晶質p型シリコン層4p、結晶質i型シリコン光電変換層4i、n型シリコン系低屈折率層4on、およびn型シリコン系界面層4nから成り立っている。n型シリコン系低屈折率層4onとしてはシリコンオキサイドが代表的に用いられ、その場合使用する原料ガスとしては、SiH4、H2、CO2、PH3の混合ガスが適している。シリコン系低屈折率層4onの厚さは10nm以下に設定される。シリコン系低屈折率層4onには結晶質シリコン成分が含まれていなくてもよいが、含まれているほうがより好ましい。シリコン系低屈折率層4onの波長600nmにおける屈折率として2.5以下が好ましく用いられ、さらに好ましくは600nmにおける屈折率を2.2以下とすることが望ましい。シリコン系低屈折率層4onとしてシリコンオキサイドを用いた場合、層の導電率は1×10-3S/cm〜1×10-6S/cmの範囲となる膜が用いられる。シリコン系低屈折率層4onは膜厚方向に屈折率が一定でもよく、途中で屈折率が変化していてもよい。さらに、屈折率が周期的に増減するようになっていてもよい。なお、図2では光入射側から見て結晶質i型シリコン光電変換層4iの後方に、結晶質i型シリコン光電変換層4iに接してn型シリコン系低屈折率層4onが配置される構造を示しているが、結晶質i型シリコン光電変換層4iとn型シリコン系低屈折率層4onの間にn型シリコン層等の別の層が挟まれて配置されていてもよい。また、シリコン系低屈折率層4onとしては、シリコンオキサイドの代わりに、シリコンナイトライド、シリコンカーバイド、シリコンオキシナイトライド、シリコンオキシカーバイド等、シリコンに窒素、炭素、酸素のいずれか一つ以上の元素が含まれる層であってもよい。 The crystalline photoelectric conversion unit 4 includes a crystalline p-type silicon layer 4p, a crystalline i-type silicon photoelectric conversion layer 4i, an n-type silicon-based low refractive index layer 4on, and an n-type silicon-based interface layer 4n. As the n-type silicon-based low refractive index layer 4on, silicon oxide is typically used. In this case, a mixed gas of SiH 4 , H 2 , CO 2 , and PH 3 is suitable as the source gas used. The thickness of the silicon-based low refractive index layer 4on is set to 10 nm or less. The silicon-based low refractive index layer 4on may not contain a crystalline silicon component, but it is more preferred that it be contained. The refractive index at a wavelength of 600 nm of the silicon-based low refractive index layer 4on is preferably 2.5 or less, and more preferably the refractive index at 600 nm is 2.2 or less. When silicon oxide is used as the silicon-based low refractive index layer 4on, a film whose layer conductivity is in the range of 1 × 10 −3 S / cm to 1 × 10 −6 S / cm is used. The silicon-based low refractive index layer 4on may have a constant refractive index in the film thickness direction, or the refractive index may change midway. Furthermore, the refractive index may be increased or decreased periodically. In FIG. 2, a structure in which an n-type silicon-based low refractive index layer 4on is disposed in contact with the crystalline i-type silicon photoelectric conversion layer 4i behind the crystalline i-type silicon photoelectric conversion layer 4i when viewed from the light incident side. However, another layer such as an n-type silicon layer may be interposed between the crystalline i-type silicon photoelectric conversion layer 4i and the n-type silicon-based low refractive index layer 4on. Further, as the silicon-based low refractive index layer 4on, instead of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, silicon oxynitride, silicon oxycarbide, etc., silicon, nitrogen, carbon, oxygen, or any one or more elements May be included in the layer.

n型シリコン系低屈折率層4on上にn型シリコン系界面層4nが形成される。n型シリコン系界面層4nには主として結晶質シリコンが用いられる。n型シリコン系界面層4nは、n型シリコン系低屈折率層4onと透明酸化物層5の接触抵抗を改善する目的で用いられ、この層における光吸収ロスを最小限にとどめるためにできるだけ小さな厚さを有することが望ましい。具体的には10nm以下の厚さが用いられる。一方で、n型シリコン系界面層4nは光電変換層内に拡散電位を生じさせるのを補う役割も果たすので、5nm以上の厚さであることが好ましい。さらに、n型シリコン系界面層4nには1〜102S/cm程度の導電率を有するものが用いられ得る。n型シリコン系界面層4nには酸素、炭素、窒素のいずれか一つ以上の元素が、透明酸化物層5との接触抵抗を増大させない程度に含まれていてもよい。
n型シリコン系界面層4nの上には透明酸化物層5と裏面反射電極層6が形成される。透明酸化物5にはZnO、ITO等の金属酸化物が用いられ、裏面反射電極層6にはAg、Alまたはそれらの合金が好ましく用いられる。透明酸化物層5および裏面反射電極層6の形成においては、スパッタ、蒸着等の方法が好ましく用いられる。なお、図2にはハイブリッド薄膜太陽電池の構造を記載しているが、光電変換ユニット4は必ずしも2つである必要はなく、非晶質または結晶質のシングル構造、3層以上の積層型太陽電池構造であってもよい。さらに、図2は透光性基板上に光電変換層、シリコン系低屈折率層、n型シリコン系界面層が順に配置された構造を示しているが、金属等の導電性基板上または絶縁基板上に、n型シリコン系界面層、シリコン系低屈折率層、光電変換層が順に堆積された、いわゆる逆タイプの構造であってもよい。
An n-type silicon-based interface layer 4n is formed on the n-type silicon-based low refractive index layer 4on. Crystalline silicon is mainly used for the n-type silicon-based interface layer 4n. The n-type silicon-based interface layer 4n is used for the purpose of improving the contact resistance between the n-type silicon-based low refractive index layer 4on and the transparent oxide layer 5, and is as small as possible in order to minimize the light absorption loss in this layer. It is desirable to have a thickness. Specifically, a thickness of 10 nm or less is used. On the other hand, the n-type silicon-based interface layer 4n also plays a role of supplementing the generation of a diffusion potential in the photoelectric conversion layer, so that the thickness is preferably 5 nm or more. Furthermore, the n-type silicon-based interface layer 4n may be one having a conductivity of about 1 to 10 2 S / cm. The n-type silicon-based interface layer 4n may contain one or more elements of oxygen, carbon, and nitrogen to the extent that the contact resistance with the transparent oxide layer 5 is not increased.
A transparent oxide layer 5 and a back reflective electrode layer 6 are formed on the n-type silicon-based interface layer 4n. A metal oxide such as ZnO or ITO is used for the transparent oxide 5, and Ag, Al, or an alloy thereof is preferably used for the back reflective electrode layer 6. In forming the transparent oxide layer 5 and the back reflective electrode layer 6, methods such as sputtering and vapor deposition are preferably used. Although FIG. 2 shows the structure of a hybrid thin film solar cell, the number of photoelectric conversion units 4 is not necessarily two, and an amorphous or crystalline single structure, a stacked solar cell having three or more layers. It may be a battery structure. Further, FIG. 2 shows a structure in which a photoelectric conversion layer, a silicon-based low refractive index layer, and an n-type silicon-based interface layer are sequentially disposed on a light-transmitting substrate. A so-called reverse type structure in which an n-type silicon-based interface layer, a silicon-based low refractive index layer, and a photoelectric conversion layer are sequentially deposited may be used.

本発明者らは、特許文献2の知見を元に、太陽電池の裏面構造を更に鋭意検討した結果、当業者が容易に想到できない顕著な効果を有する下記の発明を完成するに至った。   As a result of further intensive studies on the back surface structure of the solar cell based on the knowledge of Patent Document 2, the present inventors have completed the following invention having remarkable effects that cannot be easily conceived by those skilled in the art.

本発明の第1は、「光入射側から見て光電変換層の後方に導電型シリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置され、該導電型シリコン系低屈折率層および該導電型シリコン系界面層の厚さがそれぞれ0nmより大きく10nm以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。   According to a first aspect of the present invention, “a conductive silicon-based low refractive index layer and a conductive silicon-based interface layer are sequentially arranged behind the photoelectric conversion layer as viewed from the light incident side, and the conductive silicon-based low refractive index layer and A silicon-based thin-film solar cell, wherein the thickness of the conductive silicon-based interface layer is greater than 0 nm and 10 nm or less, respectively.

本発明の構成により、特許文献2当時の当業者の常識として特に期待をしていなかった、シリコン系低屈折率層の厚さが10nm以下の範囲において、Vocと曲線因子(FF)が改善された。更に驚くべきことに、シリコン系低屈折率層の厚さが10nm以下では光閉じ込めによる短絡電流密度(Jsc)の改善は見込めないと当時は考えられていたが、本発明の構成により、Jscの改善も見られることがわかった。   With the configuration of the present invention, Voc and fill factor (FF) were improved in the range where the thickness of the silicon-based low refractive index layer was 10 nm or less, which was not particularly expected as the common sense of those skilled in the art at the time of Patent Document 2. It was. Surprisingly, it was thought at that time that the short circuit current density (Jsc) could not be improved by optical confinement when the thickness of the silicon-based low refractive index layer was 10 nm or less. It was found that improvement was also seen.

これは、以下の理由によると推定しているが、今後の検討が待たれている。シリコン系低屈折率層は光電変換層よりもバンドギャップの広い層であり、かつ光電変換層との界面において格子不整合等による欠陥が少ないので、界面でのキャリア再結合を低減するいわゆるパッシべーション層の役割を果たす。しかしながら、シリコン系低屈折率層自体にはシリコン以外の元素が大量に含まれている。このため、シリコン系低屈折率層が僅かでも厚すぎれば、例えばシリコンのみの導電型層と比較して、その層内でのキャリア再結合が大幅に促進され、せっかく得られた界面でのキャリア再結合低減の効果を打ち消してしまい、VocとFFが向上しない。さらに、シリコン系低屈折率層が厚すぎれば、その層を光が通過する際に吸収ロスが増え、Jscが低下してしまう。   This is presumed to be due to the following reasons, but further study is awaited. The silicon-based low refractive index layer has a wider band gap than the photoelectric conversion layer and has few defects due to lattice mismatch at the interface with the photoelectric conversion layer, so that a so-called passive layer that reduces carrier recombination at the interface is used. To act as a social layer. However, the silicon-based low refractive index layer itself contains a large amount of elements other than silicon. For this reason, if the silicon-based low-refractive index layer is a little too thick, carrier recombination within the layer is greatly promoted compared with, for example, a silicon-only conductive type layer, and the carrier at the interface obtained with great care is obtained. The effect of reducing recombination is canceled, and Voc and FF are not improved. Furthermore, if the silicon-based low refractive index layer is too thick, absorption loss increases when light passes through the layer, and Jsc decreases.

本発明によるシリコン系薄膜太陽電池は、光入射側から見て光電変換層の後方に厚さがそれぞれ10nm以下のシリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置されたことを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。   The silicon-based thin film solar cell according to the present invention is characterized in that a silicon-based low refractive index layer having a thickness of 10 nm or less and a conductive silicon-based interface layer are sequentially arranged behind the photoelectric conversion layer as viewed from the light incident side. This is a silicon-based thin film solar cell.

シリコン系低屈折率層は光電変換層内に拡散電位を生じさせる役割を果たし、不純物によりn型にドープされた層である。シリコン系低屈折率層は、その表面で光を有効に光電変換層側に反射させ、かつその層中での光の吸収ロスをできる限り小さく保つため、厚さは10nm以下に設定される。   The silicon-based low refractive index layer plays a role of generating a diffusion potential in the photoelectric conversion layer, and is a layer doped n-type with impurities. The thickness of the silicon-based low refractive index layer is set to 10 nm or less in order to effectively reflect light on the surface thereof to the photoelectric conversion layer side and keep light absorption loss in the layer as small as possible.

本発明は、また、「前記シリコン系低屈折率層の波長600nmにおける屈折率が2.5以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。   The present invention is also “a silicon-based thin film solar cell characterized in that a refractive index of the silicon-based low refractive index layer at a wavelength of 600 nm is 2.5 or less.

また、波長600nmにおける屈折率が2.5以下であることが好ましい。また、シリコン系低屈折率層の厚さを10nm以下と薄くすることにより、導電型シリコン系界面層の屈折率を下げた場合に顕在化していく、層内の欠陥に起因したキャリアの再結合を低減することができる。シリコン系低屈折率層は、シリコンオキサイドを代表とする、シリコンと酸素等の元素から成る合金層であり、薄くても光電変換層内に十分な拡散電位を生じさせるため、その層の導電率が1×10-3S/cm以下であり、かつ1×10-6S/cm以上の範囲にあることが好ましく、また、光電変換層と同種の製法、すなわち高周波プラズマCVD等の方法で形成されることが好ましい。シリコン系低屈折率層は、上記の導電率を得ると共に、それに接して形成される導電型シリコン系界面層との界面抵抗を小さくするため、その層中に結晶質シリコン成分を含むことが好ましい。 Moreover, it is preferable that the refractive index in wavelength 600nm is 2.5 or less. Also, by reducing the thickness of the silicon-based low refractive index layer to 10 nm or less, carrier recombination caused by defects in the layer, which becomes apparent when the refractive index of the conductive silicon-based interface layer is lowered Can be reduced. The silicon-based low refractive index layer is an alloy layer composed of elements such as silicon and oxygen, represented by silicon oxide, and generates a sufficient diffusion potential in the photoelectric conversion layer even if it is thin. Is preferably 1 × 10 −3 S / cm or less and in the range of 1 × 10 −6 S / cm or more, and is formed by the same manufacturing method as the photoelectric conversion layer, that is, a method such as high-frequency plasma CVD. It is preferred that The silicon-based low refractive index layer preferably contains a crystalline silicon component in the layer in order to obtain the above-described conductivity and reduce the interface resistance with the conductive silicon-based interface layer formed in contact therewith. .

導電型シリコン系界面層は、シリコンを主成分とする導電型層である。導電型シリコン系界面層はその層における光吸収損失をできるだけ小さく保つために、厚さが10nm以下に設定される。また、薄いシリコン系低屈折率層だけでは不十分な可能性のある、光電変換層内の拡散電位の発生を補うため、その厚さは5nm以上であることが好ましい。さらに、導電型シリコン系界面層に接して配置された透明酸化物層との接触抵抗を小さく保つために、導電型シリコン系界面層はその層中に結晶質シリコン成分を含むことが好ましい。   The conductivity type silicon-based interface layer is a conductivity type layer mainly composed of silicon. The conductive silicon-based interface layer is set to a thickness of 10 nm or less in order to keep the light absorption loss in the layer as small as possible. Moreover, in order to compensate for the generation of a diffusion potential in the photoelectric conversion layer, which may be insufficient only with a thin silicon-based low refractive index layer, the thickness is preferably 5 nm or more. Furthermore, in order to keep the contact resistance with the transparent oxide layer disposed in contact with the conductive silicon-based interface layer small, the conductive silicon-based interface layer preferably contains a crystalline silicon component in the layer.

特に、図1に示すようにシリコン系低屈折率層としてシリコンオキサイドを用い、その層中酸素量を増やして屈折率を2.5以下にまで下げた場合、シリコン系低屈折率層と裏面電極層の接触抵抗を下げるのは困難であるが、このような問題も導電型シリコン系界面層を挿入することにより解決される。   In particular, when silicon oxide is used as a silicon-based low refractive index layer as shown in FIG. 1 and the amount of oxygen in the layer is increased to lower the refractive index to 2.5 or less, the silicon-based low refractive index layer and the back electrode Although it is difficult to lower the contact resistance of the layer, such a problem can be solved by inserting a conductive silicon-based interface layer.

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層中に占める、シリコンを除く最多構成元素は酸素であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池である。   The present invention is also the silicon-based thin-film solar cell, wherein the most constituent element excluding silicon occupied in the silicon-based low refractive index layer is oxygen.

本発明は、また、前記シリコン系低屈折率層は、その層中に結晶質シリコン成分を含むことを特徴とする、シリコン系薄膜太陽電池である。   The present invention is also the silicon-based thin-film solar cell, wherein the silicon-based low refractive index layer includes a crystalline silicon component in the layer.

本発明は、また、「前記導電型シリコン系界面層の厚さは5nm以上であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池」、である。   The present invention is also “a silicon-based thin film solar cell characterized in that the conductive silicon-based interface layer has a thickness of 5 nm or more”.

本発明は、また、「前記のシリコン系薄膜太陽電池であって、少なくとも非晶質光電変換ユニットを1以上備え、かつ、結晶質光電変換ユニットを1以上備える、ハイブリッド薄膜太陽電池」、である。   The present invention is also “the above-described silicon-based thin film solar cell, which is a hybrid thin film solar cell including at least one amorphous photoelectric conversion unit and at least one crystalline photoelectric conversion unit”. .

以下に、本発明によるシリコン系薄膜太陽電池として実施例1、2および3を、図3を参照しつつ、比較例1および2と比較しながら説明する。   Hereinafter, Examples 1, 2 and 3 as silicon-based thin film solar cells according to the present invention will be described in comparison with Comparative Examples 1 and 2 with reference to FIG.

(実施例1)
図3は、各実施例及び各比較例にて作製したハイブリッド薄膜太陽電池を模式的に示す断面図である。
Example 1
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a hybrid thin film solar cell produced in each example and each comparative example.

まず、0.7mm厚の青板ガラスから成る透光性基板1の一主面上に、SnO2からなる表面に微細な凹凸構造を有する透明電極層2を熱CVD法により形成した。 First, the transparent electrode layer 2 having a fine concavo-convex structure on the surface made of SnO 2 was formed on one main surface of the translucent substrate 1 made of 0.7 mm thick blue plate glass by a thermal CVD method.

次に、非晶質光電変換ユニット3を形成するために、透明電極層2が形成された透光性基板1を高周波プラズマCVD装置内に導入し、所定の温度に加熱した後、厚さ15nmの非晶質p型シリコンカーバイド層3p、厚さ330nmのノンドープ非晶質i型シリコン光電変換層3i、及び厚さ30nmのn型シリコン層3nを順次積層した。   Next, in order to form the amorphous photoelectric conversion unit 3, the transparent substrate 1 on which the transparent electrode layer 2 is formed is introduced into a high-frequency plasma CVD apparatus, heated to a predetermined temperature, and then has a thickness of 15 nm. The amorphous p-type silicon carbide layer 3p, the non-doped amorphous i-type silicon photoelectric conversion layer 3i having a thickness of 330 nm, and the n-type silicon layer 3n having a thickness of 30 nm were sequentially stacked.

さらに、結晶質光電変換ユニット4を形成するために、プラズマCVD装置を用いて、厚さ15nmのp型結晶質シリコン層4p、厚さ1.4μmの結晶質i型シリコン光電変換層4i、n型シリコン系低屈折率層4onを5nm、及び厚さ7.5nmのn型結晶質シリコン系界面層4nを順次積層した。その際のn型シリコン系低屈折率層4onの製膜条件は、基板製膜面−電極間距離8〜15mm、圧力5〜10Torr、高周波パワー密度0.1W/cm2、SiH4/CO2/PH3/H2流量比を各々1/5/0.042/380とした。また、本構造で用いたn型シリコン系低屈折率層と同一の製膜条件でガラス上に360nm堆積したn型シリコン系低屈折率層の分光エリプソメトリにより測定した屈折率は、波長600nmにおいて2.1であり、導電率は1.3×10-4S/cmであった。さらにガラス上のn型シリコン系低屈折率層をラマン散乱分光法で測定した際の520cm-1付近の結晶Siのピーク強度と480cm-1付近のアモルファスシリコンのピーク強度との比率を計算すると4.8であった。一方、n型シリコン系界面層4nの製膜条件は、基板製膜面−電極間距離10〜15mm、圧力350〜1300Pa、高周波パワー密度0.11W/cm2、SiH4/PH3/H2流量を各々20/0.5/2500sccmとした。また、これと同一の製膜条件でガラス上に360nm堆積したn型シリコン系界面層の導電率は100S/cmであった。 Further, in order to form the crystalline photoelectric conversion unit 4, a plasma CVD apparatus is used to form a p-type crystalline silicon layer 4p having a thickness of 15 nm and a crystalline i-type silicon photoelectric conversion layer 4i having a thickness of 1.4 μm, n. An n-type crystalline silicon-based interface layer 4n having a thickness of 5 nm and a thickness of 7.5 nm was sequentially stacked. The film forming conditions of the n-type silicon-based low refractive index layer 4on at that time are as follows: the distance between the substrate film forming surface and the electrode is 8 to 15 mm, the pressure is 5 to 10 Torr, the high frequency power density is 0.1 W / cm 2 , and SiH 4 / CO 2 The / PH 3 / H 2 flow rate ratio was 1/5 / 0.042 / 380, respectively. The refractive index measured by spectroscopic ellipsometry of the n-type silicon low refractive index layer deposited on glass under the same film forming conditions as the n type silicon low refractive index layer used in this structure is 600 nm. The conductivity was 1.3 × 10 −4 S / cm. Further calculating the ratio of the peak intensity of the amorphous silicon in the vicinity of the peak intensity and 480 cm -1 in crystalline Si of 520cm around -1 when measuring n-type silicon based low refractive index layer on the glass by Raman scattering spectroscopy 4 .8. On the other hand, the film forming conditions of the n-type silicon-based interface layer 4n are as follows: the distance between the substrate forming surface and the electrode is 10 to 15 mm, the pressure is 350 to 1300 Pa, the high frequency power density is 0.11 W / cm 2 , and SiH 4 / PH 3 / H 2. The flow rate was 20 / 0.5 / 2500 sccm, respectively. Further, the conductivity of the n-type silicon-based interface layer deposited on the glass at 360 nm under the same film forming conditions was 100 S / cm.

その後、厚さ30nmのZnOから成る透明酸化物層5と厚さ200nmのAgから成る裏面反射電極層6をDCスパッタ法によって形成した。   Thereafter, a transparent oxide layer 5 made of ZnO having a thickness of 30 nm and a back surface reflective electrode layer 6 made of Ag having a thickness of 200 nm were formed by DC sputtering.

さらに、透明電極層2を残して非晶質光電変換ユニット3、結晶質光電変換ユニット4、透明酸化物層5、及び裏面反射電極層6を島状に分離するために、YAG第2高調波パルスレーザーを透光性基板1に照射することにより複数の裏面電極層分離溝5aを形成した。図示はしていないが、裏面電極層分離溝5aと垂直に交差する複数の裏面電極分離溝をも形成することにより、島状の分離領域を形成した。さらに、1本の裏面電極層分離溝5aに隣接して島状の分離領域の外側にさらに裏面電極層分離溝を形成し、その内部に半田を浸透させて透明電極層2とのコンタクト領域6を形成することにより、ハイブリッド薄膜太陽電池を作製した。このハイブリッド薄膜太陽電池は有効面積が1cm2であり、実施例1では1枚の基板上に上記の太陽電池を合計25個作製した。 Furthermore, in order to leave the transparent electrode layer 2 and separate the amorphous photoelectric conversion unit 3, the crystalline photoelectric conversion unit 4, the transparent oxide layer 5, and the back reflective electrode layer 6 into island shapes, the YAG second harmonic By irradiating the translucent substrate 1 with a pulsed laser, a plurality of back electrode layer separation grooves 5a were formed. Although not shown, island-shaped separation regions were formed by forming a plurality of back surface electrode separation grooves that intersect perpendicularly with the back surface electrode layer separation grooves 5a. Further, a back surface electrode layer separation groove is further formed outside the island-shaped separation region adjacent to the single back surface electrode layer separation groove 5a, and solder is infiltrated into the inside thereof to contact the transparent electrode layer 2. A hybrid thin film solar cell was fabricated by forming This hybrid thin-film solar cell has an effective area of 1 cm 2 , and in Example 1, a total of 25 solar cells were produced on one substrate.

実施例1で作製したハイブリッド薄膜太陽電池に、スペクトル分布AM1.5、エネルギー密度100mW/cm2の擬似太陽光を、測定雰囲気及び太陽電池の温度が25±1℃の下で照射し、透明電極層2にコンタクト領域6を通じて接触させた正極プローブ7と裏面電極5に接触させた負極プローブ8の間の電圧及び電流を測定することで、薄膜太陽電池の出力特性を測定した。表1に実施例1で作製した25個のハイブリッド薄膜太陽電池の平均性能を示す。 The hybrid thin film solar cell produced in Example 1 was irradiated with pseudo-sunlight having a spectral distribution of AM1.5 and an energy density of 100 mW / cm 2 under a measurement atmosphere and a temperature of the solar cell of 25 ± 1 ° C. The output characteristics of the thin film solar cell were measured by measuring the voltage and current between the positive electrode probe 7 brought into contact with the layer 2 through the contact region 6 and the negative electrode probe 8 brought into contact with the back electrode 5. Table 1 shows the average performance of the 25 hybrid thin film solar cells produced in Example 1.

(実施例2)
実施例2においては、実施例1とほぼ同様の工程を実施したが、n型シリコン系低屈折率層4onの膜厚のみを10nmに変化させた点が、実施例1とは異なっていた。表1に実施例2で作製した25個のハイブリッド薄膜太陽電池の平均性能を示す。
(Example 2)
In Example 2, almost the same process as in Example 1 was performed, but the point that only the film thickness of the n-type silicon-based low refractive index layer 4on was changed to 10 nm was different from Example 1. Table 1 shows the average performance of the 25 hybrid thin film solar cells produced in Example 2.

(比較例1)
比較例1においては、以下の点のみが実施例1と異なっていた。n型シリコン系低屈折率層4onとn型結晶質シリコン系界面層4nを順次積層する代わりに、厚さ20nmのn型結晶質シリコン層と厚さ90nmのZnO透明酸化物層5を順次積層した。ZnO層の製膜はDCスパッタ法により行なった。また、これと同一の製膜条件でガラス上に250nm堆積したZnO層を分光エリプソメトリにより測定した屈折率は、波長600nmにおいて1.9であった。表1に比較例1で作製した25個のハイブリッド薄膜太陽電池の平均性能を示す。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 was different from Example 1 only in the following points. Instead of sequentially laminating the n-type silicon-based low refractive index layer 4on and the n-type crystalline silicon-based interface layer 4n, a 20-nm thick n-type crystalline silicon layer and a 90-nm thick ZnO transparent oxide layer 5 are sequentially stacked. did. The ZnO layer was formed by DC sputtering. Moreover, the refractive index measured by spectroscopic ellipsometry of a ZnO layer deposited on glass at 250 nm under the same film forming conditions was 1.9 at a wavelength of 600 nm. Table 1 shows the average performance of the 25 hybrid thin film solar cells produced in Comparative Example 1.

(比較例2)
比較例2においては、実施例1とほぼ同様の工程を実施したが、n型シリコン系低屈折率層4onの膜厚のみを60nmに変化させた点が、実施例1とは異なっていた。表1に比較例2で作製した25個の集積化ハイブリッド薄膜太陽電池の平均性能を示す。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, almost the same process as in Example 1 was performed, but the point that only the film thickness of the n-type silicon-based low refractive index layer 4on was changed to 60 nm was different from Example 1. Table 1 shows the average performance of 25 integrated hybrid thin film solar cells fabricated in Comparative Example 2.

実施例1と比較例1の比較から、実施例1においては比較例1よりも短絡電流が2.5%以上改善されていることがわかる。これは、実施例1においては、結晶質i型シリコン光電変換層4iの後方に到達した光の大半が結晶質i型シリコン光電変換層4iとn型シリコン系低屈折率層4onの界面で結晶質i型シリコン光電変換層4i側に反射され、光吸収ロスの大きいn型結晶質シリコン系界面層4nを光が通過する割合が小さいのに対して、比較例1においては結晶質i型シリコン光電変換層4iの後方にn型結晶質シリコン層とZnO層が順次積層されており、光吸収ロスの大きいn型結晶質シリコン層を光が通過する割合が大きいためである。さらに実施例1においては比較例1よりも開放電圧が1%程度改善されていることがわかる。これは、実施例1においては比較例1のプロセス中で生じるようなZnO層のスパッタ時の下地結晶質シリコン層へのダメージを防止できるためである。   From comparison between Example 1 and Comparative Example 1, it can be seen that in Example 1, the short-circuit current is improved by 2.5% or more compared to Comparative Example 1. This is because in Example 1, most of the light that reaches the back of the crystalline i-type silicon photoelectric conversion layer 4i is crystallized at the interface between the crystalline i-type silicon photoelectric conversion layer 4i and the n-type silicon-based low refractive index layer 4on. The ratio of light passing through the n-type crystalline silicon-based interface layer 4n that is reflected toward the crystalline i-type silicon photoelectric conversion layer 4i and has a large light absorption loss is small, whereas in Comparative Example 1, crystalline i-type silicon This is because an n-type crystalline silicon layer and a ZnO layer are sequentially stacked behind the photoelectric conversion layer 4i, and the ratio of light passing through the n-type crystalline silicon layer having a large light absorption loss is large. Furthermore, in Example 1, it turns out that the open circuit voltage is improved about 1% compared with the comparative example 1. This is because in Example 1, damage to the underlying crystalline silicon layer during sputtering of the ZnO layer that occurs in the process of Comparative Example 1 can be prevented.

次に、実施例1と実施例2の比較から実施例2においては短絡電流が増加していることが分かる。これは、n型シリコン系低屈折率層の厚さが厚くなったためにn型シリコン系低屈折率層による光閉じ込めの効果が増加しているためである。しかし、ここで開放電圧に着目すると実施例2においては実施例1と同等の開放電圧が得られており、薄いn型シリコン系低屈折率層による開放電圧向上の効果が維持されていることが分かる。
さらに実施例1および2と比較例2の比較から、比較例2においては短絡電流は実施例1および2と同等の値が得られているのにも関わらず開放電圧が1%程度劣っていることがわかる。これは、比較例2においてはn型シリコン系低屈折率層4onが60nmと厚くなったことでn型シリコン系低屈折率層におけるキャリアの再結合の確率が上がったため、開放電圧が低下したと考えられる。
Next, it can be seen from the comparison between Example 1 and Example 2 that the short-circuit current is increased in Example 2. This is because the effect of light confinement by the n-type silicon-based low refractive index layer is increased because the thickness of the n-type silicon-based low refractive index layer is increased. However, paying attention to the open circuit voltage here, the open circuit voltage equivalent to that of the first embodiment is obtained in the second embodiment, and the effect of improving the open circuit voltage by the thin n-type silicon-based low refractive index layer is maintained. I understand.
Further, from comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, in Comparative Example 2, the short-circuit current is inferior to about 1% in the open circuit voltage although the same value as in Examples 1 and 2 is obtained. I understand that. This is because in Comparative Example 2, the n-type silicon-based low-refractive index layer 4on is as thick as 60 nm, which increases the probability of carrier recombination in the n-type silicon-based low-refractive index layer, thereby reducing the open-circuit voltage. Conceivable.

以上のことから、本発明によれば、光電変換層よりも低い屈折率を有するシリコン系低屈折率層を、光電変換層の後方に薄く形成することで十分な光閉じ込め効果を発揮することができ、さらにシリコン系低屈折率層内で発生するキャリアの再結合を低減することができる。この結果、高効率かつ低コストでシリコン系薄膜太陽電池を提供することができる。   From the above, according to the present invention, it is possible to exert a sufficient light confinement effect by forming a silicon-based low refractive index layer having a refractive index lower than that of the photoelectric conversion layer thinly behind the photoelectric conversion layer. In addition, carrier recombination generated in the silicon-based low refractive index layer can be reduced. As a result, a silicon-based thin film solar cell can be provided with high efficiency and low cost.

シリコン系低屈折率層の層中酸素量と屈折率の関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the amount of oxygen in a layer of a silicon system low refractive index layer, and a refractive index. 本発明によるシリコン系低屈折率層を含む薄膜太陽電池の模式的断面図である。It is a typical sectional view of a thin film solar cell containing a silicon system low refractive index layer by the present invention. 各実施例および比較例にて作製したハイブリッド薄膜太陽電池の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of the hybrid thin film solar cell produced in each Example and the comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1 透光性基板
2 透明導電膜
3 非晶質シリコン光電変換ユニット
3p 非晶質p型シリコンカーバイド層
3i 非晶質i型シリコン光電変換層
3n n型結晶質シリコン層
4 結晶質シリコン光電変換ユニット
4p p型結晶質シリコン層
4i 結晶質i型シリコン光電変換層
4on n型シリコン系低屈折率層
4n n型結晶質シリコン系界面層
5a 裏面電極層分離溝
5 透明酸化物層
6 裏面反射電極層
7 正極プローブ
8 負極プローブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Translucent substrate 2 Transparent conductive film 3 Amorphous silicon photoelectric conversion unit 3p Amorphous p-type silicon carbide layer 3i Amorphous i-type silicon photoelectric conversion layer 3n n-type crystalline silicon layer 4 Crystalline silicon photoelectric conversion unit 4p p-type crystalline silicon layer 4i crystalline i-type silicon photoelectric conversion layer 4on n-type silicon-based low refractive index layer 4n n-type crystalline silicon-based interface layer 5a back electrode layer separation groove 5 transparent oxide layer 6 back reflective electrode layer 7 Positive probe 8 Negative probe

Claims (6)

光入射側から見て光電変換層の後方に導電型シリコン系低屈折率層、導電型シリコン系界面層が順に配置され、該導電型シリコン系低屈折率層および該導電型シリコン系界面層の厚さがそれぞれ0nmより大きく10nm以下であることを特徴とするシリコン系薄膜太陽電池。   A conductive silicon-based low refractive index layer and a conductive silicon-based interface layer are sequentially arranged behind the photoelectric conversion layer as viewed from the light incident side, and the conductive silicon-based low refractive index layer and the conductive silicon-based interface layer A silicon-based thin-film solar cell having a thickness greater than 0 nm and less than or equal to 10 nm. 前記シリコン系低屈折率層の波長600nmにおける屈折率が2.5以下であることを特徴とする、請求項1に記載のシリコン系薄膜太陽電池。   2. The silicon-based thin film solar cell according to claim 1, wherein a refractive index of the silicon-based low refractive index layer at a wavelength of 600 nm is 2.5 or less. 前記シリコン系低屈折率層中に占める、シリコンを除く最多構成元素は酸素であることを特徴とする、請求項1または2に記載のシリコン系薄膜太陽電池。   3. The silicon-based thin film solar cell according to claim 1, wherein the most abundant constituent element excluding silicon occupied in the silicon-based low refractive index layer is oxygen. 前記シリコン系低屈折率層は、その層中に結晶質シリコン成分を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のシリコン系薄膜太陽電池。   The silicon-based thin-film solar cell according to claim 1, wherein the silicon-based low refractive index layer includes a crystalline silicon component in the layer. 前記導電型シリコン系界面層の厚さは5nm以上であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のシリコン系薄膜太陽電池。   5. The silicon-based thin-film solar cell according to claim 1, wherein a thickness of the conductive silicon-based interface layer is 5 nm or more. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のシリコン系薄膜太陽電池であって、少なくとも非晶質光電変換ユニットを1以上備え、かつ、結晶質光電変換ユニットを1以上備える、ハイブリッド薄膜太陽電池。   The hybrid thin film solar cell according to any one of claims 1 to 5, comprising at least one amorphous photoelectric conversion unit and at least one crystalline photoelectric conversion unit. .
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