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JP5340103B2 - 太陽電池 - Google Patents

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JP5340103B2 JP2009228233A JP2009228233A JP5340103B2 JP 5340103 B2 JP5340103 B2 JP 5340103B2 JP 2009228233 A JP2009228233 A JP 2009228233A JP 2009228233 A JP2009228233 A JP 2009228233A JP 5340103 B2 JP5340103 B2 JP 5340103B2
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Description

本発明は、太陽電池に関し、特に、光の閉じ込め効果を向上させることにより、高い光電変換効率を達成することが可能な、新規な構造を有する太陽電池に関する。
近年、二酸化炭素の排出量を低減するために、化石燃料によらず発電が可能な太陽電池が大きな注目を集めている。しかしながら、その発電コストは石油などの化石燃料あるいは原子力を利用した場合に比べて高く、一層のコスト低減が求められている。太陽電池の発電コストの低減には、高い光電変換効率を有する材料の開発とともに、素子自体に入射する光の吸収率を向上させること、すなわち、光閉じ込め効果を向上させることが重要である。
従来の太陽電池では、光閉じ込め効果を向上させるために、受光面にSiO2あるいはSiNなどを材料とする反射防止層を設けて太陽光の反射率を低下させるとともに、受光面に凹凸を設けてテクスチャ構造とすることにより、太陽光が素子内に効率よく吸収されるようにしている。
例えば、特許文献1に記載の発明では、光電変換層を構成するシリコン基板の表面をハニカム状にエッチングすることで、太陽電池表面に凹凸を設けて表面反射損失を低減させるようにしている。この発明では、シリコン基板表面をハニカム状にエッチングするために、フォトレジスト層にレーザビームによって微細孔を設けてエッチングマスク形成し、このマスクを用いてケミカルエッチングを行っている。ところが、ケミカルエッチングを行う方法では異方性エッチングの制御が困難であり、従って、微細な凹凸加工を行うことができない。実際、特許文献1の太陽電池では、一個の孔部の幅は15μm程度と大きい。また、フォトレジスト層に微細孔を設けるために、複雑な光学系を必要とするレーザビームを用いる等、製造工程が複雑となる。
特許文献2に記載の発明では、太陽電池表面に周期が一定の微細なハニカム状の凹凸を設けて光閉じ込め効果を改善するようにしている。この発明では、太陽電池表面に微細な凹凸を設けるために、アルミニウムの基板をリン酸水溶液中で陽極酸化処理して基板上に多孔性酸化アルミニウムを形成し、形成された酸化アルミニウムを除去することによりアルミニウム基板にハニカム状の凹凸を設けるようにしている。その後、この基板上に、背面電極層、光電変換層、透明導電被膜、上部電極を形成して太陽電池を完成する。従って、特許文献2に記載の太陽電池では、太陽電池基板に凹凸を形成するために、完成された太陽電池表面の凹凸は中間層の形成のために緩和され、凹凸のアスペクト比が低下し、その分、光閉じ込め効果は低下する。さらに、アルミニウム基板の陽極酸化処理等の煩雑な作業を必要とし、太陽電池の製造コストを増加させる。
一方、特許文献3では、基板上に第1電極膜、光電変換層、第2電極膜を形成した後、この第2電極膜に入射光の波長よりも小さい開口径を有する部分的欠落部、すなわち微細孔を多数設けることによって、光閉じ込め効果を向上させる技術を開示している。この発明では、第2電極膜、すなわち透明導電被膜に対して入射光の波長よりも小さい開口部を有する微細孔を多数設けることによって、透明導電被膜形成層全体の屈折率を小さくし、その結果太陽電池表面での光の反射率を低下させるようにしている。従って、この発明によれば、光電変換層上に透明導電被膜が形成された後の表面加工であるため、その処理過程は比較的簡単であるが、透明導電被膜に多数の微細孔を設けることによってその電気的特性が損なわれる、と言う欠点がある。また、透明導電被膜の表面自体に凹凸は形成されないので、入射光の乱反射による光閉じ込め効果は期待することができない。
特開2008−227070号公報 特開2009−158915号公報 特開2004−79934号公報
以上のように、既に提案されている太陽電池では、製造方法が簡単でしかも大きな光閉じ込め効果を発揮するものはない。本発明は係る点に関してなされたもので、大きな光閉じ込め効果を有し、かつ、簡単な方法でしかも安価に製造することが可能な、新規な構造を有する太陽電池を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明の太陽電池は、基板上に形成された背面電極層と、前記背面電極層上に形成された光電変換層と、前記光電変換層の上面に形成された透明導電被膜よりなる上面電極層と、を備え、前記光電変換層にはその上面から層中に向かう多数の微細な孔部が規則的に形成されており、前記孔部は、その上部である第1の孔部と下部である第2の孔部とで形成され、前記第1の孔部は縦長の筒状であり、前記第2の孔部はその最大幅が前記第1の孔部の開口幅よりも広い湾曲した形状を有している。
また、上記の太陽電池において、前記第1の孔部の開口幅を1μm〜15μm、隣接する孔部間の間隔を2〜20μm、前記第1と第2の孔部の合計の深さを1〜20μmとしてもよい。
また、前記孔部の前記第1の孔部をプラズマによる異方性エッチングで形成し、前記第2の孔部をプラズマによる等方性エッチングで形成するようにしても良い。
また、前記光電変換層がシリコンを材料として形成される場合、前記異方性エッチングのためのガスをHF6/O2/SiF4ガスとし、前記等方性エッチングのためのガスをHBr/O2ガスとしても良い。
また、前記光電変換層を、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンで形成しても良い。
さらに、前記光電変換層がp−i−n接合構造を有するようにしても良い。
さらに、前記第2の孔部が前記i層に達しているようにしても良い。
本発明の太陽電池によれば、光電変換層にその表面から層内に延びる多数の微細なエッチング孔を有しており、個々のエッチング孔はその下部が球状に膨らんだ形状を有している。その結果、個々のエッチング孔中に入射した光は、下部の球状部分の内壁によって多重反射し、その殆どが外部に反射されることなく光電変換層内に吸収される。
その結果、本発明に係る太陽電池では、光閉じ込め効果が高くなり、高い光電変換効率を期待することができる。また、そのための製造方法としては、光電変換のための接合が形成された光電変換層に対して、異方性プラズマエッチング、等方性プラズマエッチングを順次行うものであり、同じ処理室内でエッチングガスを交換するのみで光閉じ込め効果の高い特殊な形状の微細なエッチング孔を簡単に形成することが可能である。そのため、高い光電変換効率を有し、しかも安価に製造することが可能な太陽電池を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る方法によって製造された太陽電池セルの概略構造を示す断面図である。 図1に示す太陽電池セルを製造する一工程における太陽電池材料の平面図を示す。 図1に示す太陽電池セルの光閉じ込め効果を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る製造方法の幾つかの工程を説明する図である。 図4に示す製造工程の次の段階の工程を説明する図である。 図5に示す製造工程の次の段階の工程を説明する図である。 本発明の他の実施形態に係る太陽電池セルの概略構造を示す断面図である。 プラズマエッチング装置の概略構成を示す図である。
以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面において、同一の符号は同一または類似の構成要素を示すため、重複した説明は行わない。
図1は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって形成された太陽電池の構造を示す概略断面図である。図1において、1は太陽電池基板を示し、ガラス、プラスチックあるいはアルミニウム等の金属板で形成される。2は、基板1上に例えばアルミニウムをスパッタすることにより形成された背面電極である。3は光電変換層であり、p−nあるいはp−i−n等の接合を有し、例えば単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコンで構成されている。
図示する実施形態の光電変換層3は、多結晶シリコンを材料とし、p型半導体層3a、真性半導体層(i層)3bおよびn型半導体層3cからなる、p−i−n接合を有している。光電変換層3の接合形式は、本素子が太陽電池として動作する限りどのようなものであってもよく、このp−i−n接合に限定されるものではない。例えば、p+−p−n接合、n+−n−p接合で構成することもできる。また、光電変換層3の材料もシリコンに限定されることはなく、例えば、Ge半導体、GaAs等のIII−V族化合物半導体、カルコパイライト構造のCIS系半導体、有機化合物半導体で構成することも可能である。
5、5・・・は、光電変換層3の表面から層中に、例えばプラズマエッチングにより形成したエッチング孔であり、異方性エッチングによって形成された部分5aと等方性エッチングによって形成された部分5bとを有している。4は、酸化インジウム錫(ITO)等を材料とする透明導電被膜であって、背面電極2に対して上面電極を構成する。透明導電被膜4は、エッチング孔5が形成された光電変換層3上に例えばプラズマCVD法によってITO等を成膜して形成される。このとき、エッチング孔5の内部には、ITOが埋め込まれる。
図2は、エッチング孔5が形成された光電変換層3の上面図である。図示するように、光電変換層3上には、一定の開口径Bを有する多数のエッチング孔5が、互いに一定の間隔Aで規則的に配置されている。なお、エッチング孔5を光電変換層表面に規則的に形成することは本発明の要件ではない。このエッチング孔5は光電変換層表面にランダムに形成することができる。
図1において、さらに、6は透明導電被膜4上に形成された反射防止膜であって、プラズマCVD法で形成された酸化珪素膜、窒化珪素膜等である。なお、反射防止膜6は必ずしも必要ではない。さらに、透明導電被膜4には、引出し電極が設けられる場合もあるが、その構造は本発明の要点ではないので図1では示していない。
以下に、図1、図2に示す太陽電池セルの各部分の膜厚、サイズを示す。この大きさは一つの事例であって、本発明を限定するものではない。また、この場合は、アモルファスシリコン、あるいは多結晶シリコンによって光電変換層を形成している。
アルミニウム背面電極2の膜厚:2μm
p型半導体層3aの膜厚:4μm
i型半導体層3bの膜厚:16μm
n型半導体層3cの膜厚:4μm
エッチング孔5のピッチA:12μm
異方性エッチング部5aの開口径B:5μm、深さ:2μm
等方性エッチング部5bの深さ:10μm
等方性エッチング部5bの最大開口幅10μm
透明導電被膜4の膜厚:2μm
反射防止層6の膜厚:1μm
セルの全膜厚:29μm
なお、多結晶シリコンを光電変換層の材料とする場合、太陽電池セルの全膜厚は10μm〜100μm程度が一般的である。
一方、単結晶シリコンで光電変換層を形成した場合は、太陽電池セルの各部の膜厚、サイズは以下のようになる。
アルミニウム背面電極2の膜厚:2μm
光電変換層3の膜厚:200μm
エッチング孔5のピッチA:15μm
異方性エッチング部5aの開口径B:5μm、深さ:2μm
等方性エッチング部5bの深さ:10μm
等方性エッチング部5bの最大開口幅10μm
透明導電被膜4の膜厚:2μm
反射防止層6の膜厚:1μm
セルの全膜厚:205μm
光電変換層を薄膜シリコンによって形成した場合を含むと、エッチング孔5の開口径Bは1μm〜5μm、ピッチAは2μm〜20μm、全エッチングの深さは1μm〜20μmが可能である。特に、エッチング孔の径、つまり光の入射口の幅は入射する光の波長よりも大きくすることが好ましい。また、図1〜図3、特に図2に記載する実施形態では、エッチング孔5を規則的に配置しているが、前述したように、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、エッチング孔5を光電変換層表面にランダムに配置する構成であっても、本発明の効果を得られることは明らかである。
図3は、図1に示す構造を有する太陽電池の光閉じ込め効果を説明するための図である。図示するように、太陽電池の受光面である透明導電被膜4の上方から入射した光Rは、エッチング孔5の内壁によってその一部が反射され、他の部分が光電変換層3中に侵入する。反射された光は、等方性エッチング部5bの内壁が球状に湾曲しているために、等方性エッチング部5b内で多重反射を起こし、その反射ごとに一部が光電変換層3内に吸収されていく(図に点線の矢印で示す)。従って、エッチング孔に入射した光は、最終的にその殆どが光電変換層3内に吸収されることになり、高い光閉じ込め効果が発揮される。その結果、本太陽電池の光電変換効率が向上する。
なお、エッチング孔5a、5bの側面を太陽電池の入射面と考えれば、この太陽電池のセル表面積は、実際の表面積の1.2〜2倍となる。従って、同じ光電変換出力を得るためには、従来の50%〜80%ですみ、例えば、太陽電池のセル面積が半分になれば、太陽電池装置の設置面積が従来の半分程度となり、コンパクトな発電装置を提供することが可能となる。
一方、特許文献1に示すように光電変換層に半球状の孔部を設ける場合では、異方性エッチング部に続く球状の孔部(空間)を設ける本発明の太陽電池に比べて、光電変換層の実効表面積が小さくなる。
また、異方性エッチング部5aを設けた後に等方性エッチングを行っているので、エッチング孔の底部は真性半導体層3bに達し、その結果、エッチング孔に入射した光は真性半導体層3bに直接吸収される確率が高くなる。光電変換層3での光電変換は主に真性半導体層3bで発生するので、入射光を直接真性半導体層3bに入射させることによって、本太陽電池の光電変換効率をさらに向上させることができる。
以下に、図4〜6を参照して、図1に示す多結晶シリコン太陽電池セルの製造方法を説明する。
図4(a)に示すように、まず、基板1を準備する。基板1は、ガラス、プラスチック、金属板等の平坦な板が用いられる。基板1上に、例えばアルミニウム等の金属をスパッタリングして背面電極2を形成する。背面電極2は、光電変換層3に入射した光が基板1を介して外部に漏洩しないように高い反射率を有するものが好ましい。このような材料として、例えば、W、Pt、Auなどがある。
背面電極2上に、例えば、プラズマCVD法によって光電変換層3を成膜する。p型半導体層3aとしてp型のアモルファスシリコンを成膜するためには、プラズマCVD装置内にシランガスとジボランガスを導入してプラズマCVDを実行する。アモルファスシリコンの真性半導体層3bを成膜するには、プラズマCVD装置内にシランガスを導入してプラズマCVDを実行する。アモルファスシリコンのn型半導体層3cを成膜するためには、プラズマCVD装置内にシランガスとホスフィンガスを導入してプラズマCVDを実行する。なお、光電変換層3の成膜方法は、周知の方法を使用すればよく、本発明の特徴部分ではないので、その詳細な説明は行わない。
以上のようにして、図4(a)に示すように、基板1、背面電極2上に光電変換層3を有する構造体10が形成されると、次の工程(b)では、構造体10の表面にパターン膜として、感光性レジスト膜7を例えばスピンコートによって塗布し、その後、このレジスト膜7をフォトマスク(図示せず)を用いてパターン露光することにより、図(c)に示すレジストパターン7aを形成する。レジストパターン7aには、図2に示すエッチング孔5を作成するための開口7bが設けられている。従って、開口7bの配置パターンは図2に示すエッチング孔5の配置パターンと同じであり、隣接する開口7bの間隔および開口径もエッチング孔5のピッチA(12μm)と開口径B(5μm)に同じである。
図5は、図4の(c)で示す工程で形成したレジストパターン7aを用いて、構造体10にプラズマエッチングによってエッチング孔5を形成する工程を示している。まず、図5(a)に示すように、プラズマによる異方性エッチングを行い、光電変換層3の深さ方向に延びる円筒状の空間、すなわち、孔部5aを形成する。孔部5aの深さは、2μm程度である。プラズマによる異方性エッチングのためには、処理ガスとしてHF6/O2/SiF4ガスを用いて、高密度プラズマTCP(Transfer Coupled Plasma)型プラズマ装置によりエッチングを行う。図5(a)において、12は処理ガスのプラズマを概念的に示すものである。
以下に、孔部5aを形成するための異方性エッチングの処理条件について、その一例を示す。
[異方性プラズマエッチング]
エッチング装置:高密度プラズマTCP型プラズマ装置
プラズマ生成条件
処理ガス(エッチングガス):HF6/O2/SiF4
処理圧力:60Pa(450mTorr)
ガス流量:HF6/O2/SiF4=200/160/250SCCM
RF周波数:40MHz(上部電極) 13.56MHz(下部電極)
高周波パワー:2200W(上部電極) 100W(下部電極)
温度:下部電極/上部電極/壁=−10/40/40℃
異方性プラズマエッチングにより、光電変換層3に所定の深さを有する空間、即ち、孔部5aが形成されると、次に、図5(b)に示すように、エッチングのための処理ガスをHBr/O2に変えてプラズマ14を発生させ、等方性エッチングを行う。この等方性エッチングにより、孔部5aの延長上に、少なくともその側面の一部が隣接する空間である孔部方向に膨らんだ、球状の第2の空間、即ち、孔部5bが形成される。孔部5bの深さは10μm程度であり、最も広い部分の幅も10μm程度である。この等方性プラズマエッチングのための処理条件の一例を、以下に示す。
[等方性プラズマエッチング]
エッチング装置:高密度プラズマTCP型プラズマ装置(等方性エッチングの場合と同じ装置を使用することができる。)
プラズマ生成条件
処理ガス(エッチングガス):HBr/O2
処理圧力:2.66Pa(20mTorr)
ガス流量:HBr/O2=400/1 SCCM
RF周波数:40MHz(上部電極) 13.56MHz(下部電極)
高周波パワー:200W(上部電極) 100W(下部電極)
温度:下部電極/上部電極/壁=−10/40/40℃
なお、異方性エッチングガスとしては、上記のガスの他に、CF4、NF3、NF3HF、HBr、CCl4、CF2Cl2、CFCl2、CFCl3、Br2、Cl2、I2、HCl、ClF3、BCl3、SF6、CS2、C32、S34、SF4、S210、S2Cl2、S3Cl2、SCl2、S2Br2、S3Br2、SBr2、IF、IF3、BrF3、BrF、ClF、SOBr2(臭化チオニル)/SF6、COS(硫化カルボニル)/SF6、NOCl(塩化ニトリル)/SF6、COO2(塩化カルボニル)/SF6等、およびそれらの少なくとも1つとの組み合わせがある。
また、等方性エッチングガスとしては、上記のもの以外に、CF4、CH22、SCH3F、F646、NF3、CF4/CHF3/Ar等、およびそれらの少なくとも1つとの組み合わせがある。
以上のようにして、湾曲状の孔部5bを有するエッチング孔が光電変換層3中に形成されると、次に、O2プラズマによるアッシングを行って、フォトレジストのパターン7aを除去する。図6(a)は、フォトレジストパターン7aを除去した状態の構造体10を示している。アッシングについては周知の方法を用いれば良い。
次に、図6(b)に示すように、透明導電膜である酸化インジウム錫(ITO)を、孔部5(5aと5b)が形成された光電変換層3上に例えばプラズマCVD法によって成膜して、第2の(上部)電極層4を形成する。このとき、孔部5の内部には、ITOが埋め込まれる。電極層4の膜厚は、2μm程度である。電極層4上には反射防止膜6が形成される。反射防止膜6は、酸化珪素あるいは窒化珪素等の薄膜を、例えばプラズマCVD法によって成膜して形成する。
なお、以上のようにして形成された太陽電池に対して、その後、引き出し電極の形成などの種々の処理工程が従来の方法で実行されることもあるが、それらについては、本発明の主要部ではないのでここでは詳述しない。
図7(a)、(b)は、本発明の他の実施形態に係る太陽電池セルの構造を示す断面図である。図7の実施形態では、光電変換層3A、3Bを形成するための不純物の導入を所定の最適な条件で、イオンインプランテーションによって行っている。
図7(a)は、光電変換層3’を多結晶シリコンで構成した例を示す。図面において、3a’はp型の多結晶シリコン層を、3b’は真性(i型)の多結晶シリコン層を、3c’はn型の多結晶シリコン層を示す。この太陽電池セルは、次のようにして形成される。まず、基板1上に背面電極層2を形成した後、光電変換層3’を形成するために、背面電極層3’上にp型不純物を含むアモルファスシリコン層を成膜する。この成膜は、例えば、ジボランガスとモノシラン(SiH4)ガスを用いて600℃程度で熱分解して、あるいは、250℃程度でプラズマCVDを行って形成する。その後、モノシランガスのみで同様の処理を行って、i型のアモルファスシリコン層を形成する。その後、これらのアモルファスシリコン層に所定の最適な条件でレーザアニールによる結晶化を行って、p型の多結晶シリコン層3a’、i型の多結晶シリコン層3b’とする。次に、i型の多結晶シリコン層3b’の表面からn型不純物を所定の最適な条件でイオンインプランテーションによって導入し、n型の多結晶シリコン層3c’を形成する。
このようにして、p−i−n接合を有する多結晶シリコンの光電変換層3’が形成されると、その後、たとえば、図4(b)から図6(b)に示した工程を行って、孔部5a、5bを有する太陽電池セルを構成する。
図7(b)に示す太陽電池セルは、光電変換層3”を単結晶シリコンで形成した例を示す。この太陽電池セルは、例えば次のようにして製造される。まず、基板1上に背面電極2を形成した後、その上に薄いアモルファスシリコン層8aを成膜する。この成膜は、例えばモノシランガスを用いたCVDあるいはプラズマCVDによって行われる。その後、このアモルファスシリコン層8a上に、例えば50μm〜200μmの厚さの、例えばp型のシリコン単結晶板9aを貼り付ける。その後、n型の不純物を所定の最適な条件でイオンインプランテーションによって導入し、n型層9bを形成する。また、シリコン単結晶板は通常、インゴットから切り出されており、その表面は所定の加工により鏡面研磨されている。また、その表面にアモルファスシリコン層8bを形成するようにしても良い。
このようにして、p−n接合を有する単結晶シリコンの光電変換層3”が形成されると、図7(a)に示した実施形態と同様に、例えば図4(b)から図6(b)に示した工程を行って、孔部5a、5bを有する太陽電池セルを構成する。
図7(c)に示すように、アモルファスシリコン層8bは、シリコン単結晶板9aに孔部5a、5bを形成した後に成膜するようにしても良い。この場合、孔部5a、5bの表面もアモルファスシリコン層8b’によって被覆される。
図8に、上記各実施形態における異方性エッチング、等方性エッチングを行うための高密度プラズマTCP型プラズマ装置の一例を示す。このような装置は既知であるため(例えば、特開2006−344998号公報、特開2008−91625公報参照)、ここではその構成並びにこの装置を用いたプラズマエッチング方法を簡単に説明する。
図8に示すプラズマエッチング装置100は、被処理体である基板Gに対してエッチングを行う容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されている。プラズマエッチング装置100は、基板Gを収容する処理容器としてのチャンバー200と、チャンバー200内に処理ガスを供給する処理ガス供給機構300と、チャンバー200内を排気する排気手段400と、上部電極と下部電極とに高周波電力を供給することにより、処理ガス供給機構300によってチャンバー200内に供給された処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成機構500、501とを備えている。
チャンバー200は、例えば、表面がアルマイト処理(陽極酸化処理)されたアルミニウムからなり、基板Gの形状に対応して四角筒形状に形成されている。チャンバー200内の底壁には、下部電極として機能し、基板Gを載置する載置台としてのサセプタ20が設けられている。サセプタ20は、基板Gの形状に対応して四角または柱状であり、金属、例えばアルミニウム等の導電性材料からなる基材20aと、基材20aの周縁を覆う絶縁部材20bと、基材20aとチャンバー200とを絶縁するアルミナなどの絶縁部材20cとを配置している。基材20aには、載置された基板Gを吸着するための静電吸着機構と、載置された基板Gの温度を調節するための温度調節機構とが内蔵されている(いずれも図示せず)。この温度調節機構は、基材20aと基板G間にHeガスなどを流してその間で効率よく熱伝達を行い、基板Gの温度を所望の温度に調節するものである。
チャンバー200の側壁には、基板Gを搬入出するための搬入出口21が形成されており、この搬入出口21を開閉するゲートバルブ22が設けられている。搬入出口21の開放時には、図示しない搬送機構によって基板Gがチャンバー200内外に搬入出されるように構成されている。
チャンバー200の底壁およびサセプタ20には、これらを貫通する挿通孔23が、例えばサセプタ20の周縁部位置に間隔をあけて複数形成されている。各挿通孔23には、基板Gを下方から支持して昇降させるリフターピン24がサセプタ20の基板載置面に対して突没可能に挿入されている。各リフターピン24の下部にはフランジ25が形成されており、各フランジ25には、リフターピン24を囲繞するように設けられた伸縮可能なベローズ26の一端部(下端部)が接続され、このベローズ26の他端部(上端部)は、チャンバー200の底壁に接続されている。これにより、ベローズ26は、リフターピン24の昇降に追従して伸縮するとともに、挿通孔23とリフターピン24との隙間を密封している。
チャンバー200の上部には、後述する処理ガス供給機構300によって供給された処理ガスをチャンバー200内に吐出するとともに、チャンバー内にプラズマを生成するための上部電極として機能するシャワーヘッド27が、サセプタ20と対向するように設けられている。シャワーヘッド27の上面には、高周波を供給するためのアンテナ27bが配置されている。シャワーヘッド27はさらに、給電線51a、整合器52aを介して高周波電源53aに接続されている。シャワーヘッド27はアルミナなどの絶縁部材27aによってチャンバー200から絶縁されている。なお、チャンバー200および高周波電源53aは接地されている。さらに、シャワーヘッド27の内部には処理ガスを拡散させるガス拡散空間28が形成され、下面またはサセプタ20との対向面にガス拡散空間28で拡散された処理ガスを吐出するための複数の吐出孔29が形成されている。
排気手段400は、チャンバー200の例えば底壁に接続された排気路としての排気管41と、この排気管41に接続され、排気管41を介してチャンバー2内を排気する排気装置42と、排気管41の排気装置42との接続部よりも上流側に設けられた、チャンバー2内の圧力を調整するための圧力調整バルブ43とを備えている。排気装置42は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有し、これによりチャンバー2内を所定の減圧雰囲気まで真空引き可能に構成されている。排気管41は、チャンバー2の周方向に間隔をあけて複数設けられ、排気装置42および圧力調整バルブ43は、各排気管41に対応して複数設けられている。
プラズマ生成機構500は、サセプタ20の基材20aに接続された、高周波電力を供給するための給電線51と、この給電線51に接続された整合器52および高周波電源53とを備えている。高周波電源53からは例えば13.56MHzの高周波電力がサセプタ20に供給され、これにより、サセプタ20は、下部電極として機能し、シャワーヘッド27とともに一対の平行平板電極をなすように構成されている。サセプタ20およびシャワーヘッド27は、プラズマ生成機構500、501の一部を構成している。
プラズマ生成機構501は、上述したように、上部電極として機能するシャワーヘッド27、アンテナ27b、給電線51a、整合器52aおよび高周波電源53aによって構成される。高周波電源53aによって、上部電極であるシャワーヘッド27には、例えば、40MHzの高周波電力が供給される。上部電極および下部電極間に適宜、高周波電力を供給することによって、チャンバー200内に高周波が発生し、この高周波によって処理ガスが励起され、プラズマが発生する。
処理ガス供給機構300は、処理ガス、例えばSF6ガス、O2ガスおよびSiF4ガスガスをチャンバー200内に供給するための処理ガス供給源30、31および32と、これらのガス供給源からの処理ガスを一時的に貯留または充填するための複数、例えば2つの処理ガスタンク33、34と、各ガス供給源32からの処理ガスを処理ガスタンク33、34およびチャンバー200内に送給し、処理ガスタンク33、34に貯留された処理ガスをチャンバー200内に送給する配管等からなる処理ガス通流部材35と、を備えている。処理ガス通流部材35は、ガス供給源30、ガス供給源31およびガス供給源32とチャンバー200とに接続された第1の処理ガス流路36と、2つの処理ガスタンク33、34に対応するように各々が第1の処理ガス流路36から分岐して処理ガスタンク33、34に接続された第2の処理ガス流路37、38とを有している。
第1の処理ガス流路36は、3つの処理ガス供給源30、31、32に対応するように3本に分岐して各処理ガス供給源に接続された供給源接続流路36a、36b、36cを一方側または上流側部に有し、他端部または下流側端部がガス拡散空間28と連通するようにシャワーヘッド27の上面に接続されている。第1の処理ガス流路36には、供給源接続流路36a、36b、36cにそれぞれ、処理ガスの流量を調整するためのマスフローコントローラ36d、36e、36fおよびバルブ36g、36h、36iが設けられ、第2の処理ガス流路37、38との分岐部よりも他方側の例えば一端部および他端部にもそれぞれバルブ36s、36tが設けられている。
第2の処理ガス流路37、38はそれぞれ、第1の処理ガス流路36の供給源接続流路36a、36b、36cよりも下流側から分岐し、ガス拡散空間28と連通するようにシャワーヘッド27の上面に接続され、中間部に処理ガスタンク33、34が接続されている。これにより、第2の処理ガス流路37、38はそれぞれ、処理ガスを処理ガスタンク33、34に送り入れるための送入流路37a、38aと、処理ガスを処理ガスタンク33、34から送り出すための送出流路37b、38bと、を別個に有している。送入流路37a、38aおよび送出流路37b、38bにはそれぞれ、バルブ37c、38cおよびバルブ37d、38dが設けられ、処理ガスタンク33、34にはそれぞれ、内部の圧力を測定するための圧力計33a、34aが設けられている。
処理ガス通流部材35、例えば第1の処理ガス流路36と複数の排気管41のうちの一部、例えば1本とには、配管等のバイパス流路39が接続されており、処理ガス通流部材35内の処理ガスがバイパス流路39を介して排気手段4により排出可能となっている。バイパス流路39は、排気管41の圧力調整バルブ43と排気装置42との間に接続されており、この圧力調整バルブ43を閉じることにより、バイパス流路39から排出された処理ガスが排気管41を介してチャンバー2内に流入することを防止できるように構成されている。
プラズマエッチング装置100の各構成部は、マイクロプロセッサ(コンピュータ)を備えたプロセスコントローラ90によって制御される。このプロセスコントローラ90には、工程管理者がプラズマエッチング装置1を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやプラズマエッチング装置100の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェイス91と、プラズマエッチング装置1で実行される処理をプロセスコントローラ90の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部92とが接続されている。そして、必要に応じて、ユーザーインターフェイス91からの指示等にて任意のレシピを記憶部92から呼び出してプロセスコントローラ90に実行させることで、プロセスコントローラ90の制御下でプラズマエッチング装置100での処理が行われる。また、前記レシピは、例えば、CDROM、ハードディスク、フラッシュメモリなどのコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させて利用したりすることも可能である。
また、より具体的に、処理ガス供給機構3の各バルブ36g、36h、36i、36s、36t、37c、37d、38c、38d、39aは、プロセスコントローラ90に接続されたユニットコントローラ93(制御部)によって制御される構成となっている。そして、必要に応じて、ユーザーインターフェイス91からの指示等にてプロセスコントローラ90が任意のレシピを記憶部92から呼び出してユニットコントローラ93に制御させる。
このように構成されたプラズマエッチング装置100においては、排気手段400によってチャンバー200内を所定の真空度に維持したまま、まず、ゲートバルブ22によって搬入出口21が開放された状態で、基板Gが図示しない搬送機構によって搬入出口21から搬入されたら、各リフターピン24を上昇させ、各リフターピン24によって基板Gを搬送機構から受け取って支持させる。搬送機構が搬入出口21からチャンバー2外に退出したら、ゲートバルブ22によって搬入出口21を閉塞するとともに、各リフターピン24を下降させてサセプタ20の基板載置面に没入させ、基板Gをサセプタ20に載置させる。
次に、処理ガス供給機構300によってチャンバー200内に処理ガスを供給する。ここでの処理ガスの供給は、あらかじめガス供給源30、31および32から処理ガスタンク33に充填させておいた、異方性エッチングあるいは等方性エッチングに使用するガスを、バルブ37dを開いて放出することによって行う。
チャンバー200内は排気手段400によって排気されているため、処理ガスタンク33に充填された処理ガスを供給しただけでは時間の経過とともにチャンバー200内の圧力が低下してしまう。したがって、処理ガスタンク33に充填された処理ガスの供給時または供給直後に、バルブ36s、36t、36g、36h、36iを開き、ガス供給源30、31および32からの各種ガスをマスフローコントローラ36d、36e、36fによって流量調整し、チャンバー200内に供給するとともに、圧力制御バルブ43によりチャンバー200内を設定圧力、例えば60Pa(450mTorr)に保持する。これにより、チャンバー200内の設定圧力に迅速に保持することができる。また、処理ガス通流部材35を、ガス供給源30、31および32とチャンバー200とに接続された第1の処理ガス流路36と、第1の処理ガス流路36から分岐して処理ガスタンク33、34にそれぞれ接続された第2の処理ガス流路37、38とから構成したため、ガス供給源30、31および32からの各種ガスを、第1の処理ガス流路36を介し、大きな空間である処理ガスタンク33、34を通過させずにチャンバー200内に短時間で供給することができ、これにより、チャンバー200内の圧力保持のさらなる迅速化を図ることが可能となる。
以上のようにしてチャンバー200内の圧力が所定の値に保持されると、サセプタ20に内蔵された静電吸着機構に直流電圧を印加して基板Gをサセプタ20に吸着させるとともに、サセプタ20に内蔵された温調機構によって基板Gの温度を調節する。そして、高周波電源53から整合器52を介してサセプタ20に高周波電力を印加し、下部電極としてのサセプタ20と上部電極としてのシャワーヘッド27との間に高周波電界を生じさせてチャンバー200内の処理ガスをプラズマ化させる。この処理ガスのプラズマによって基板Gにエッチング処理が施される。なお、プラズマエッチングの処理条件については、上記[異方性プラズマエッチング]および[等方性プラズマエッチング]の項で示した条件が適用される。
1 基板
2 背面電極(第1の電極)
3 光電変換層
3a p型半導体層
3b i型半導体層
3c n型半導体層
4 透明導電被膜(第2の電極)
5 エッチング孔
5a 第1の孔部
5b 第2の孔部
6 反射防止膜

Claims (7)

  1. 基板上に形成された背面電極層と、
    前記背面電極層上に形成された光電変換層と、
    前記光電変換層の上面に形成された透明導電被膜よりなる上面電極層と、を備え、
    前記光電変換層にはその上面から層中に向かう多数の微細な孔部が規則的に形成されており、前記孔部は、その上部である第1の孔部と下部である第2の孔部とで形成され、前記第1の孔部は縦長の筒状であり、前記第2の孔部はその最大幅が前記第1の孔部の開口幅よりも広い湾曲した形状を有し、且つ、前記第1の孔部は入射する光の波長以上の大きさの開口幅を有する、太陽電池。
  2. 請求項に記載の太陽電池において、前記第1の孔部の開口幅は1〜15μm、隣接する孔部間の間隔は2〜20μm、前記第1と第2の孔部の合計の深さは1〜20μmであることを特徴とする、太陽電池。
  3. 請求項1または2に記載の太陽電池において、前記孔部の前記第1の孔部はプラズマによる異方性エッチングで形成され、前記第2の孔部はプラズマによる等方性エッチングで形成されたものである、太陽電池。
  4. 請求項に記載の太陽電池において、前記光電変換層がシリコンを材料として形成される場合、前記異方性エッチングのためのガスはHF6/O2/SiF4ガスであり、前記等方性エッチングのためのガスはHBr/O2ガスであることを特徴とする、太陽電池。
  5. 請求項1乃至の何れか1項に記載の太陽電池において、前記光電変換層は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンで形成されることを特徴とする、太陽電池。
  6. 請求項1乃至の何れか1項に記載の太陽電池において、前記光電変換層はp−i−n接合構造を有していることを特徴とする、太陽電池。
  7. 請求項に記載の太陽電池において、前記第2の孔部は前記i層に達していることを特徴とする、太陽電池。
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