JPS6235680A - アモルフアスシリコン太陽電池およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、アモルファスシリコン（以下ａ　−Ｓｉと略
記する。）太陽電池およびその製造法に関するもので、
詳しくはｎ層が電気伝導度の異なるａ−Ｓｉ層と、微結
晶化シリコン層の２層からなるｐｉｎ型太陽電池および
、プラズマＣＶＤ法による当該太陽電池の製造法に関す
るものである。

（従来の技術） 近年、クリーンで無限なエネルギー源として太陽エネル
ギーが注目され、太陽エネルギーの光電変換用に太陽電
池の開発が活発に推進されている。

太陽電池は、太陽から放射されるエネルギーのうち地上
に達しうるエネルギーを１００％電気エネルギーに変換
しうるちのが理想であるが、現状ではａ−Ｓｔを用いた
ものは高々１０％強の変換効率を達成しうるにとどまっ
ている。

ａ−Ｓ、ｉ′太陽電池は、ガラス、ステンレスあるいは
ポリイミドの如き基板に電極を介してｐｉｎの接合が形
成されたものであり、大面積かつ安価なものが製造でき
ることから将来の太陽電池の中で主流を占めるといわれ
ている。

ａ−Ｓｉ太陽電池の開放電圧は、ａ−Ｓｔのバンドギャ
ップが１．７ｅＶＳｐ層のフェルミレベルが０．３ｅＶ
、およびｎ層のフェルミレベルが０．２ｅＶであること
から理論的には１．２■の開放電圧が得られるはずであ
る。しかしながら、実際にはａ−Ｓｉ太陽電池の開放電
圧は０．８０〜０．８７　Ｖの実測値が得られているに
すぎない。

このような理論値と実測値の相違は種々の研究が行なわ
れた結果、ｐ／ｉ界面およびｎ／ｉ界面での接合状態が
理想状態と現実の太陽電池とてかけはなれている為と考
えられている。

ａ−Ｓｉ太陽電池は、グロー放電プラズマＣＶＤ法やス
パッタリング法等によって製造されるが、これら製造法
ではｐ／ｉ界面やｎ／ｉ界面をプラズマにより生じたエ
ネルギーの高い反応活性種が叩くことにより、欠陥や界
面で状態密度の高い部分をつ（るためと考えられる。

このため、ｐ／ｉ界面およびｉ　／　ｎ界面ではプラズ
マパワーを低下させる等、温和な条件が採用されている
。現実の太陽電池の開放電圧が理想よりもかなり小さい
理由としては、ｐ／ｉ界面およびｉ　／　ｎ界面におい
てｐ、ｉおよびｎ層を構成する化合物の原子密度等の物
理化学的な相違から、欠陥を発生したり状態密度を増加
させるということも考えられる。このため、接合部分に
おいて構造を徐々に変化させることが検討されている。

最近、ｐｉｎ型ａ−Ｓｉ太陽電池における、ｎ層に相当
する部分を二層化したｐｉｎ−ｎ型のａ−Ｓｉ太陽電池
が提案された。

、これは、ｉ　／　ｎ界面において開放電圧の低下を抑
えるため、ｎ層を形成する前にドーパントの濃度を下げ
てａ−Ｓｔのｎ一層を形成せんとするものである。

一方、同様な観点からｎ／金属電極界面に当該ｎ層と異
なる微結晶化したシリコン層を挿入したａ−Ｓｉ太陽電
池も提案されている（特開５９−８３７７４号公報）。

これは、ｎ層を形成したあとグロー放電電力を増大させ
て６０八以上の微結晶化シリコン層を形成するもので、
とりわけ金属電極をスクリーン印刷と焼成によって形成
する場合に接触抵抗を低減し、出力電力を増大しうると
するものである。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のｐｉｎ−ｎ型太陽電池は、ｎ一層およびｎ層の各
々をａ−Ｓｔで構成するものであるが、ｐｉｎ型と比べ
ｉ／ｎ界面での開放電力の低下は改善されるもののｎ／
金属電極界面での開放電力の低下は依然として克服され
ていない。

また、既に提案されている２層のｎ層からなる太陽電池
のうち一方のｎ層をａ−Ｓｔで構成し、他方の金属電極
側のｎ層を微結晶シリコンで構成するものは、製造コス
トが高くなるわりに出力電力が小さいという問題があっ
た。すなわち、この型の太陽電池はプラズマＣＶＤ法で
第一のｎ層を形成し次いでプラズマのパワーを増大させ
ることにより第二のｎ層を形成させ、最後に銀ペースト
等をスクリーン印刷し焼成することによりｎ１ｉｌｉ）
上へ金属電極を設けるものである。

従って、比較的高価な原料を用いているだけではなく焼
成条件が高温（例えば６００℃以上）を必要とすること
があることから、ｎ層との界面において不都合な原子状
態が生じ、この結果太陽電池として満足すべき開放電圧
が得られない。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、２層のｎ層からなるｐｉｎｉ′太陽電池
いて開放電圧を格段に高めることを目的に鋭意研究を重
ねることにより、性能の高い太陽電池を安価にしかも効
率的に製造する技術を確−立し本発明を完成させた。

本発明は、基板上に透明導電膜、ｐｉｎの各層からなる
接合および金属電極を有し、ｎ層が電気型導度の異なる
ｎ１層およびｎ２層から構成される太陽電池において、
０１層がａ−８ｔでありｎ２層が微結晶化シリコンを含
有しているとともに、０１層の厚さが６０Å以上４００
Å以下であることを特徴とする太陽電池である。

また本発明は、グロー放電によるプラズマＣｖＤ法によ
り一ヒ記太陽電池を製造する方法であって、基板へ透明
導電膜、ｐ層およびｉ層を順次形成した後、ａ−３ｉｎ
Ｉ層を形成し、次いで基板の温度を変化させることによ
り微結晶化０２層を形成し、最後にスパッタリング又は
真空蒸着により金属電極を形成することを特徴とするａ
−Ｓｉ太陽電池の製造法に関するものである。

本発明のａ−３ｔ太陽電池の構造は、第１回に示すとお
りである。

すなわち、基板（１）、透明導電膜（２）ｐ層（３）、
ｉ層（４）およびｎ１層（５）とｎ２層（６）とからな
る接合、および金属電極（７）から構成される。

基板は、ガラス、ステンレスやアルミニウム等の金属薄
板あるいはポリイミド等の耐熱性プラスチックといった
材料から選択されるが特に好ましいのはガラスである。

透明導電膜は、酸化スズおよび又はインジウムを主成分
とし、これに少量の添加剤を含むものであり、酸化スズ
を用いるのが好ましい。

ｐ層は、ａ−３ｉ中にドーパントとしてのホウ素の如き
元素周期律表第■族の元素が倉荷される。

ｉ層はドーパントの存在しないａ−３ｉである。

以上の基板からｉ層までの接合は、従来公知の構造であ
る。

ｎ層は、ａ−５ｉに比較的低濃度（０，０１〜０．１％
）のリンの如き元素周期律表第■族の元素がドーパント
として含まれたもので、ドーパント以外に不純物として
フッ素、窒素、酸素および炭素の群から選択される一種
又は二種以上の元素を含むことができる。特に好ましい
のは窒素および又は酸素である。不純物の含有量は、ｎ
１層の場合微結晶化を阻害する程度であり、窒素、酸素
とも０．１〜５原子パーセントの範囲か好ましい。

０１層の厚さは０２層と比べて厚い方が好ましく、５０
層以上、特に６０八〜４００八が好ましい。更に好まし
くは１００〜３００Ａである。

０２層は、微結晶化したシリコン層でｎ１層と比べて薄
めで１００八以下、特にＩＯＡ〜８０八が好ましい。

金属電極は、アルミニウム等の導電性金属祠料の薄層で
、本発明ではスパッタリングか真空蒸着により０２層上
に形成される。

次に本発明のａ−Ｓｉ太陽電池を製造する方法について
説明する。

本発明のａ−３ｉ太陽電池において、ｐｉｎ接合はプラ
ズマＣＶＤ装置を用いて製造される。プラズマＣＶＤ装
置は公知のものでよいがｐｉｎの各層を連続的にかつ安
定的に製造するため仕切りにより独立しうる反応室を有
し基板がベルトコンベアで運搬されるように構成された
装置を使用するのが好ましい。このプラズマＣＶＤ装置
により、基板上の透明電極へｐ層およびｉ層が公知の方
法で形成される。

次いで、ｎ１＋　　ｎ２層が製膜される。ｎｌ。

ｎ２層の作製方法には、２つの方法があるが、いずれも
ｎ１層はアモルファス層、０２層は微結晶化層となるよ
うに工夫されている。

まず、第１の方法は、ｎ１層はシラン、ジシラン及びフ
ッ化珪素といった原料ガス中にアンモニア等の窒素化合
物、フッ素化合物、メタン等の炭素化合物、酸素化合物
、−酸化窒素や一酸化炭素といった化合物のいずれか一
種以上を含むようにして、製造され、実質的にアモルフ
ァス状態とされる。珪素源は水素によって１０〜６０倍
に希釈される。０２層は、従来知られている方法で微結
晶化させる。さらに、ｎ１層は、６０〜４００Ａ。

ｎ２層は１０〜８０八になるように作製する。電力密度
は０．０５〜０　、４Ｗ　／　ｃｄが採用される。

第２の方法は、ｎ１層と０２層の原料ガス組成は同じで
あるが、ｎ１作製時の基板温度を１８０〜２２０℃にし
て、基板温度の制御により結晶化を抑制する。０２作製
時の？ｍ度は、２２０〜２５０℃にして、微結晶化させ
る。これ等は、Ｕ板温度が低いときは微結晶化しないと
いう特性を利用したものである。この場合も、ｎ１層は
６０〜３００Ａ、ｎ２層は１０〜８０人になるように作
製する。この基板温度の変化は、急激でも良いし時間を
かけて徐々に変化させてもよい。０２層はプラズマ電力
を変えても製造できるが、プラズマ電力を変えず基板温
度を変化させた方が良質のｎ２層が形成できる。ｎ２層
の厚さは、ｎ’１層よりも薄い方かよ＜１００Ａ以下、
特に１０八〜８０＾の範囲となるようにプラズマ条件が
設定される。

こうしてｐｉｎ接合を形成させた後、最後に金属電極が
形成される。金属電極は、通常スパッタリング法もしく
は真空蒸着法に依って形成される。

原料は、アルミニウムや銀等の金属が選定され、公知の
条件で０２層上に薄膜化される。

他の金属電極の形成法として、スクリーン印刷と焼成に
依る方法が知られているが、この方法に依ると焼成温度
が高い場合にはｎ２層との接触部分に欠陥を生じること
があり、一方、銀エポキシペーストを用いる低温法では
経済的に問題がある。

（作　用） 本発明のｐｔｎｌｎ２構造を有するａ−８’＞太陽電池
が、いかなる理由で高い開放電圧を示すかは、完全に解
明されてはいないが、おおよそ次のように考えることが
できる。

まず、本発明のａ−３ｔ太陽電池は、ｉ層がアモルファ
ス層であり、０１層もアモルファス層であることから、
ｉ　／　ｎ　１界面の整合性が良く、界面準位の発生を
少なくすることができる。

また、ｎ２層は微結晶化しており、電気伝導度は、ｎ２
層の方が０１層よりも高い。これはフェルミレベルの位
置が、０１層では０．２ｅＶであり、ｎ２層では０．ｌ
ｅＶ以下であることによる。つまり、このｎ２層を利用
することにより、開放電圧を向上させることができる。

しかし、０１層のないｐ／ｉ／ｎ２型の太陽電池では、
Ｌ　／　ｎ　２界面の整合性が悪く、開放電圧は向上せ
ず、本発明の構造にしないと、ｎ２層の効果を充分に利
用できない。

また、０１層と０２層の膜厚については、ｎ２層を厚く
すると、リーク電流が増加することがある。これを妨げ
るためには、ｎ２層の厚みを１０〜８０Ａにすることが
望しく、この場合、０１層の厚みとしては、６０〜４０
０八が好しい。

さらに、本発明のａ−Ｓｉ太陽電池では、このｎ２層は
微結晶化したシリコンなため、ｎ２／金属電極界面で電
気伝導度が高くなるものと考えられる。

また、本発明のようにｎ１層をプラズマＣＶＤで形成し
たあと基板の温度を変化させ０２層を形成させることに
より性能の良い太陽電池を得ることができるのは、従来
のようにプラズマ電力を増大させるよりも微結晶化シリ
コンの結晶状態が良好になるため、ｎ　１　／　ｎ　２
界面およびｎ２／金属界面の接合状態が改善されるもの
と考えられる。

実施例１ ガラス基板上に５ｎ０２の透明導電膜、ｐ層およびｉ層
を形成したあと０１層として低パワーでａ−３ｉ層を約
２０〇八つけて、その後ｎ２層として高パワーで微結晶
シリコン層を約６０Ａ製膜した。その結果開放電圧は、
０．８８　Ｖまで改善された。

実施例２ ０１層として、基板温度２００℃でａ−８ｉ層、ｎ２層
として基板温度２５０℃で結晶化シリコン層を製膜した
。その結果開放電圧０．８９　Ｖが得られた。この場合
、基板温度を２００から２５０℃まで、連続に上昇させ
ても同様の効果が得られた。

実施例３ 次表のような原料ガスを用いて実施例２の方法で太陽電
池を製造した。

不純物としては、ＮＨ３からのＮが膜中に混入する。Ｘ
線回折から、０１層は微結晶化せず、ｎ２層は、微結晶
化していることがわかった。このｎ１層とｎ２層を用い
た太陽電池は開放電圧ＧＪ（ｌ　Ｖとなった。また、Ｆ
、Ｃｏ、ＮＯを用いても同様な結果が得られた。

実施例４ ＴＩ　　（ｎｔ層のあつみ）、Ｔ２（ｎ２層のあつみ）
の和７１　＋Ｔ２−２００人となるよう（こして、厚み
依存性を見た。０１層、１２層の作製は実施例２と同じ
である。４０＜７２　＜ＴＩで、高い開放電圧が得られ
ることが、表よりわかる。

（発明の効果） 本発明のａ−３ｉ太陽電池は、従来の太陽電池よりも格
段に改善された開放電圧を示す性能の高い太陽電池であ
る。また、本発明のプラズマＣＶＤ法によれば、高性能
の太陽電池を安定的に効率よく生産しうるという効果が
あるから、本発明は産業上きわめて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の太陽電池の構造を例示する説明図で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に透明導電膜、ｐｉｎの各層からなる接合お
   よび金属電極を有し、当該ｎ層がｎ１層およびｎ２層の
   ２層から構成されるアモルファスシリコン太陽電池にお
   いて、ｎ１層がアモルファスシリコンであり、ｎ２層が
   微結晶化シリコンを含有するアモルファスシリコンであ
   り、ｎ１層の厚さが６０Å以上４００Å以下であること
   を特徴とするアモルファスシリコン太陽電池。 ２）ｎ１層ｎ２層のいずれか又は両層にフッ素、窒素、
   酸素および炭素の群から選択される一種又は二種以上の
   不純物が含有されている特許請求の範囲第１項に記載の
   太陽電池。 ３）グロー放電によるプラズマＣＶＤ法によりアモルフ
   ァスシリコン太陽電池を製造する方法において、基板上
   に透明導電膜、アモルファスシリコンのｐ層およびｉ層
   を形成した後、アモルファスシリコンのｎ１層を形成し
   、次いで基板の温度を変化させることにより少なくとも
   一部が微結晶化したアモルファスシリコンのｎ２層を形
   成し、最後にスパッタリング又は真空蒸着により金属電
   極を形成することを特徴とするアモルファスシリコン太
   陽電池の製造法。