JP5975841B2 - Manufacturing method of photovoltaic device and photovoltaic device - Google Patents
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Description
本発明は、光起電力素子の製造方法及び光起電力素子に係り、特に、結晶シリコン基板の一方の面にp層を配置し、他方の面にn層を配置したヘテロ接合型の光起電力素子の製造方法及び光起電力素子に関する。 The present invention relates to a photovoltaic device manufacturing method and a photovoltaic device, and more particularly to a heterojunction photovoltaic device in which a p layer is disposed on one surface of a crystalline silicon substrate and an n layer is disposed on the other surface. The present invention relates to a method for manufacturing a power element and a photovoltaic element.
近年、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板などの結晶系シリコン基板を用いた結晶シリコン系光起電力素子(以下、単に光起電力素子と呼ぶ場合がある)の開発が盛んに行われている。特に、単結晶シリコン基板を用いたものは、光起電力効率が優れており、シリコンウェハの低価格化に伴って普及が進展している。設置面積の限られた都市部の住宅用途などでは、さらなる光起電力効率の改善が求められている。 2. Description of the Related Art In recent years, development of crystalline silicon photovoltaic devices (hereinafter sometimes simply referred to as photovoltaic devices) using crystalline silicon substrates such as single crystal silicon substrates and polycrystalline silicon substrates has been actively conducted. . In particular, the one using a single crystal silicon substrate has excellent photovoltaic efficiency, and the spread of silicon wafers has been progressing with the price reduction. Further improvement in photovoltaic efficiency is required for residential use in urban areas with limited installation area.
ヘテロ接合型セルは、結晶系シリコン基板と非晶質シリコン薄膜を組み合わせたもので、一般的な結晶シリコン系光起電力素子に比べて開放電圧が高く、高い光起電力効率を有している。結晶系シリコン基板上に薄膜非晶質シリコンを形成したことから、ハイブリッド型とも呼ばれる技術である。 The heterojunction cell is a combination of a crystalline silicon substrate and an amorphous silicon thin film, and has a higher open-circuit voltage and higher photovoltaic efficiency than a general crystalline silicon photovoltaic device. . Since a thin film amorphous silicon is formed on a crystalline silicon substrate, this technique is also called a hybrid type.
具体的な構成は、例えばn型単結晶シリコン基板の表面側にi型非晶質シリコン層、その上に正極となるp型非晶質シリコン層、透光性の受光面側電極及び集電電極が順次形成され、裏面側には負極となるn型非晶質シリコン層、裏面電極及び集電電極が順次形成されている。 Specifically, for example, an i-type amorphous silicon layer on the surface side of an n-type single crystal silicon substrate, a p-type amorphous silicon layer serving as a positive electrode thereon, a light-transmitting light-receiving surface-side electrode, and a current collector The electrodes are sequentially formed, and an n-type amorphous silicon layer serving as a negative electrode, a back electrode, and a collecting electrode are sequentially formed on the back surface side.
一般に、2つの電極によって光起電力を生成するための半導体層を挟持する構造を有する光起電力素子では、半導体層でより多くの光を吸収させるため、半導体層の両面に形成される電極は透光性電極材料を使用する。光起電力素子の受光面側に形成される受光面側電極は透光性でなければならないのは当然であるが、裏面側に形成される裏面電極に関しても透光性材料が使用される。金属を主な材料とする集電電極の金属成分が半導体層へ拡散するのを防ぐため、また、半導体層で吸収されずに通過してきた光を、半導体層へ効率よく閉じ込めるためである。 In general, in a photovoltaic device having a structure in which a semiconductor layer for generating photovoltaic power is sandwiched between two electrodes, the semiconductor layer absorbs more light, so the electrodes formed on both sides of the semiconductor layer are A translucent electrode material is used. Of course, the light receiving surface side electrode formed on the light receiving surface side of the photovoltaic element must be translucent, but a translucent material is also used for the back electrode formed on the back surface side. This is to prevent the metal component of the collecting electrode made mainly of metal from diffusing into the semiconductor layer, and to efficiently confine light that has passed through the semiconductor layer without being absorbed by the semiconductor layer.
略板状の光起電力素子の少なくとも受光面側に、該面側の表面より透光性電極、非晶質又は微晶の導電型半導体層及び結晶系半導体基板の積層構造を有した光起電力素子において、透光性電極としてキャリア密度が6×1020/cm3未満である透光性材料を用いた技術が開示されている(例えば特許文献1)。 A photovoltaic device having a laminated structure of a translucent electrode, an amorphous or microcrystalline conductive semiconductor layer, and a crystalline semiconductor substrate at least on the light receiving surface side of the substantially plate-like photovoltaic element from the surface on the surface side. In a power element, a technique using a translucent material having a carrier density of less than 6 × 10 20 / cm 3 as a translucent electrode is disclosed (for example, Patent Document 1).
これは、透光性電極のキャリア密度が透光性電極の光吸収率、特に800nm以上の赤外光の光吸収率と関係しているためである。一般に透光性電極のキャリア密度が増加すると、800nm以上の赤外光の光吸収率が増える。そのため、透光性電極を光起電力素子に用いる場合は、キャリア密度をなるべく低減させる必要がある。 This is because the carrier density of the translucent electrode is related to the light absorptance of the translucent electrode, particularly the infrared light absorption of 800 nm or more. Generally, when the carrier density of the translucent electrode increases, the light absorption rate of infrared light of 800 nm or more increases. Therefore, when using a translucent electrode for a photovoltaic element, it is necessary to reduce carrier density as much as possible.
しかし、キャリア密度を低減させると、透光性電極の抵抗率が増加してしまうという問題がある。光起電力素子に用いられている透光性電極の抵抗率が増加した場合、光起電力素子の直列抵抗が増加してしまい、曲線因子が低下するため、光起電力素子の変換効率が低下してしまうという問題があった。 However, when the carrier density is reduced, there is a problem that the resistivity of the translucent electrode increases. If the resistivity of the transparent electrode used in the photovoltaic element increases, the series resistance of the photovoltaic element increases and the fill factor decreases, so the conversion efficiency of the photovoltaic element decreases. There was a problem of doing.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、透光性電極の光吸収を低減しつつ、直列抵抗の増大を低減し、変換効率の高い光起電力素子及びその製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and reduces the increase in series resistance while reducing the light absorption of the translucent electrode, and obtains a photovoltaic device having high conversion efficiency and a method for manufacturing the photovoltaic device. With the goal.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第1導電型の結晶系半導体基板の第1の面に第2導電型の非晶質又は微結晶半導体層を形成する工程と、前記第2導電型の非晶質又は微結晶半導体層上に第1の電極を形成する工程と、第1導電型の結晶系半導体基板の第2の面に第2の電極を形成する工程とを備えた光起電力素子の製造方法であって、前記第1及び第2の電極を形成する工程の少なくとも一方が、透光性電極を形成する工程と、集電電極を形成する工程とを含み、前記透光性電極を形成する工程が、酸化亜鉛を母材とする透光性初期層を形成する工程と、前記透光性初期層をシードに、前記シードと同じ酸化亜鉛を母材とする透光性導電膜を結晶成長させ、前記透光性初期層よりも結晶粒径の大きい透光性導電膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides a process of forming a second conductive type amorphous or microcrystalline semiconductor layer on a first surface of a first conductive type crystalline semiconductor substrate. Forming a first electrode on the second conductive type amorphous or microcrystalline semiconductor layer; and forming a second electrode on the second surface of the first conductive type crystalline semiconductor substrate. A process for forming a photovoltaic device, wherein at least one of the steps of forming the first and second electrodes is a step of forming a translucent electrode and a step of forming a collecting electrode The step of forming the translucent electrode includes: forming a translucent initial layer using zinc oxide as a base material; and using the translucent initial layer as a seed, the same zinc oxide as the seed. A translucent conductive film having a crystal grain size larger than that of the translucent initial layer is obtained by crystal growth of a translucent conductive film as a base material. Characterized in that it comprises a step of forming.
本発明によれば、光起電力素子に使用される透光性電極の抵抗率及び光吸収を低減させることができ、それによって光起電力素子の変換効率を向上させることができるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, there exists an effect that the resistivity and light absorption of the translucent electrode used for a photovoltaic element can be reduced, and the conversion efficiency of a photovoltaic element can be improved by it. .
以下に、本発明にかかる光起電力素子の製造方法、光起電力素子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。 Below, the manufacturing method of the photovoltaic device concerning this invention and embodiment of a photovoltaic device are demonstrated in detail based on drawing. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably. In the drawings shown below, the scale of each member may be different from the actual scale for easy understanding.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる光起電力素子の構造を示す断面図である。基板の表面にテクスチャと呼ばれる凹凸構造が形成されたn型単結晶シリコン基板1に対し、受光面側である第1の面1Aには非晶質シリコン層2、及び第1の電極4が順次積層されており、裏面側である第2の面1Bには非晶質シリコン層3、第2の電極5が順次積層されている。ここで第1の電極4は、第1の透光性電極4t、及びグリッド状の第1の集電電極4mが順次積層され、第2の電極5は、第2の透光性電極5t、及び第2の集電電極5mが順次積層されて、形成されている。第1の面1A側の非晶質シリコン層2はi型非晶質シリコン層2i及びp型非晶質シリコン層2pからなり、第2の面1B側の非晶質シリコン層3はi型非晶質シリコン層3i及びn型非晶質シリコン層3nからなる。光電変換されるべき光は、p型非晶質シリコン層2p及びi型非晶質シリコン層2iが形成された第1の面1A側から入射される。そして受光面側1Aに形成される透光性導電膜4tが、2層膜で構成され、基板側つまり下層側の透光性初期層4t1に比べ、上層側の透光性導電膜4t2の移動度が大きいことを特徴とする。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the photovoltaic element according to the first embodiment of the present invention. In contrast to the n-type single
このように構成された光起電力素子では、光起電力素子の表面側からn型単結晶シリコン基板1のpn接合面(n型単結晶シリコン基板1とp型非晶質シリコン層2pとの接合面)に光が照射されると、ホールと自由電子とが生成される。pn接合部の電界の作用により、生成された自由電子はn型単結晶シリコン基板1に向かって移動し、ホールはp型非晶質シリコン層2pに向かって移動する。これにより、n型単結晶シリコン基板1は電子が過剰となり、p型非晶質シリコン層2pはホールが過剰となって光起電力が発生する。この光起電力は、pn接合を順方向にバイアスする向きに生じ、n型非晶質シリコン層3nに接続した裏面側の第2の透光性電極5tがマイナス極となり、p型非晶質シリコン層2pに接続した第1の透光性電極4tがプラス極となって、不図示の外部回路に電流が流れる。
In the photovoltaic device configured as described above, the pn junction surface (the n-type single
上記構成によれば、第1の面1A側の第1の透光性電極4tとp型非晶質シリコン層2pとの接触抵抗を増加させること無く、第1の透光性電極4tにおける光吸収量を減少させ電流密度を増加させる光起電力素子を得ることができる。
According to the above configuration, the light in the first
以下、本発明の実施の形態1の光起電力素子の製造工程を説明する。
まず、基板の表面にテクスチャが形成されたn型単結晶シリコン基板1の受光面側1Aにi型非晶質シリコン層2i及びp型非晶質シリコン層2pを順次形成する。i型非晶質シリコン層2iは、n型単結晶シリコン基板1のパッシベーション作用を有する他、その上に形成される非晶質シリコン層と単結晶シリコン基板との間でドーパントが相互に混入することを防ぐものである。
Hereinafter, the manufacturing process of the photovoltaic element according to the first embodiment of the present invention will be described.
First, an i-type
続いて、n型単結晶シリコン基板1の裏面側1Bにi型非晶質シリコン層3i及びn型非晶質シリコン層3nを順次形成する。i型非晶質シリコン層2i、i型非晶質シリコン層3i、p型非晶質シリコン層2p、n型非晶質シリコン膜3nの形成方法としてはプラズマCVD法が好適である。
Subsequently, an i-type
次に、p型非晶質シリコン層2pの上に、透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2を順次形成する。透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2の形成方法としては、スパッタリング、イオンプレーティング及び蒸着などを用いることが出来る。そしてアニール工程を経て再結晶化が起こり、透光性初期層4t1をシードとし、より粒径の大きい透光性導電膜4t2が成長する。透光性初期層4t1はp型非晶質シリコン層2pに対して電気的に接続されるコンタクト層となる。
Next, a translucent initial layer 4t1 and a translucent conductive film 4t2 are sequentially formed on the p-type
次に、n型非晶質シリコン層3nの上層に、第2の透光性電極5tを形成する。第2の透光性電極5tの形成方法は、スパッタリング、イオンプレーティング及び蒸着などを用いることが出来る。第2の透光性電極5tはn型非晶質シリコン層3nに対して電気的に接続されるコンタクト層となる。
Next, the second
次に、透光性導電膜4t2及び第2の透光性電極5tの直上にそれぞれグリッド状の第1の集電電極4m及び第2の集電電極5mを形成する。第1の集電電極4mと第2の集電電極5mを形成することで、ヘテロ接合型光起電力素子(太陽電池セル)が完成する。
Next, a grid-shaped first
以下、本発明の実施の形態1の光起電力素子の製造工程を詳細に説明する。図2−1〜図2−5はこの光起電力素子の製造工程図であり、図3は同光起電力素子の製造工程を示すフローチャートである。
Hereafter, the manufacturing process of the photovoltaic element of
ここで、基板としては、n型単結晶シリコン基板1を用いるが、通常、引き上げにより得られたインゴットをスライスすることにより切り出されたものであるため、表面に自然酸化膜、及び構造的欠陥、金属等による汚染をはらんでいる。このため、ここで用いられるn型単結晶シリコン基板1に対して洗浄及び、ダメージ層エッチングを行う(S1001)。
Here, the n-type single
n型単結晶シリコン基板1に対し、洗浄、ダメージ層エッチングを行った後、n型単結晶シリコン基板1内の不純物を除去するためにゲッタリングを行う(S1002)。ゲッタリング工程では、処理温度1000℃程度のリンの熱拡散により形成されたリンガラス層に不純物を偏析させ、リンガラス層をフッ化水素等でエッチングする。
After cleaning and damage layer etching are performed on the n-type single
ゲッタリング後、基板表面での光反射損失を低減させる目的でKOH(水酸化カリウム)、NaOH(水酸化ナトリウム)、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)等のアルカリ性水溶液に浸漬し、異方性エッチング法によりn型単結晶シリコン基板1の表面に微細ピラミッド状の凹凸を形成する(S1003)。なお、図1、2−1〜2−5では、本実施の形態の構成の理解を容易にするため凹凸形状は描画せず、平坦とした。 After gettering, anisotropic etching is performed by immersing in an alkaline aqueous solution such as KOH (potassium hydroxide), NaOH (sodium hydroxide), TMAH (tetramethylammonium hydroxide) for the purpose of reducing light reflection loss on the substrate surface. By using this method, fine pyramidal irregularities are formed on the surface of the n-type single crystal silicon substrate 1 (S1003). In FIGS. 1, 2-1 to 2-5, the concavo-convex shape is not drawn but is made flat to facilitate understanding of the configuration of the present embodiment.
テクスチャ形成後、ヘテロ接合界面となるn型単結晶シリコン基板1表面のパーティクル、有機物汚染、金属汚染を除去するために基板洗浄を実施する(S1004)。洗浄には、いわゆるRCA洗浄、SPM洗浄(硫酸過酸化水素水洗浄)、HPM洗浄(塩酸過酸化水素水洗浄)、DHF洗浄(希弗酸洗浄)、アルコール洗浄等を用いる。
After texture formation, substrate cleaning is performed to remove particles, organic matter contamination, and metal contamination on the surface of the n-type single
ここでRCA洗浄とは、まずn型単結晶シリコン基板1を希フッ酸水溶液(HF)の中に入れ、表面の薄いシリコン酸化膜を溶出する。このときシリコン酸化膜が溶出すると同時に、その上に付着していた多くの異物も同時に取り去られる。さらに、アンモニア(NH4OH)+過酸化水素(H2O2)で、有機物、パーティクルなどを除去する。次いで塩酸(HC1)+過酸化水素(H2O2)で金属類を除去し、最後に超純水で仕上げを行う方法である。
In the RCA cleaning, first, the n-type single
上記のいずれかの洗浄方法を用いて、基板洗浄を行った後、ヘテロ接合、及び、pn、nn+接合を形成するために、n型単結晶シリコン基板1上に、順次各導電型の半導体層を形成する。上記テクスチャ形成工程、洗浄工程を経て得られたn型単結晶シリコン基板1は、厚さ100〜500μmであった。
After performing substrate cleaning using any of the above-described cleaning methods, in order to form a heterojunction and a pn, nn + junction, a semiconductor of each conductivity type is sequentially formed on the n-type single
まず、図2−1に示すように、n型単結晶シリコン基板1の第1主面1Aに、プラズマCVD法を用いて約1〜10nmの厚さのi型非晶質シリコン層2i、及び約5〜50nmの厚さのp型非晶質シリコン層2pをこの順に堆積する(S1005:i型非晶質シリコン層形成、S1006:p型非晶質シリコン層形成)。i型非晶質シリコン層2iの成膜に際しては、真空チャンバー内にSiH4(シラン)ガス及びH2(水素)ガスを導入して形成する。また、p型非晶質シリコン層2pの成膜に際しては、真空チャンバー内にSiH4ガス、H2ガス及びB2H6(ジボラン)ガスを導入して形成する。ここで、i型非晶質シリコン層2i、p型非晶質シリコン層2pはそれぞれ非晶質を用いているが、微結晶シリコンを用いてもよい。ここでi型非晶質シリコン層2iは、n型単結晶シリコン基板1のパッシベーション作用を有する他、その上に形成されるp型非晶質シリコン層2pとn型単結晶シリコン基板1との間でドーパントが相互に混入することを防ぐものである。
First, as shown in FIG. 2A, an i-type
続いて、図2−2に示すように、n型単結晶シリコン基板1の第2の面1B側にプラズマCVD法を用いて約1〜10nmの厚さのi型非晶質シリコン層3i及び約5〜50nmの厚さのn型非晶質シリコン層3nをこの順に形成する(S1007:i型非晶質シリコン層形成,S1008:n型非晶質シリコン層形成)。i型非晶質シリコン層3iの成膜に際しては、真空チャンバー内にSiH4(シラン)ガス及びH2(水素)ガスを導入して形成する。また、n型非晶質シリコン層3nの成膜に際しては、真空チャンバー内にSiH4ガス、H2ガス及びPH3(ホスフィン)ガスを導入して形成する。また、i型非晶質シリコン層3i、n型非晶質シリコン層3nはそれぞれ非晶質を用いているが、微結晶シリコンを用いてもよい。なおp型非晶質シリコン層2pとn型非晶質シリコン層3nの形成順序は入れ替わっても良い。
Subsequently, as shown in FIG. 2B, an i-type
次に、p型非晶質シリコン層2pの上に、図2−3に示すように、透光性初期層4t1を形成する(S1009a:透光性初期層形成)。続いて、図2−4に示すように、透光性導電膜4t2を形成する(S1009b:透光性導電膜形成)。このようにして透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2の2層膜からなる第1の透光性電極4tが形成される(S1009:第1の透光性電極形成)。この第1の透光性電極4tはp型非晶質シリコン層2pに対して電気的に接続されるコンタクト層となる。
Next, as shown in FIG. 2-3, a light-transmitting initial layer 4t1 is formed on the p-type
透光性初期層4t1、透光性導電膜4t2の材料としては、ZnO(酸化亜鉛)、In2O3(酸化インジウム)、SnO2(酸化錫)及びTiO2(酸化チタン)等の金属酸化物が望ましいが、透光性電極のコストを考えるとZnOが最も望ましい。これらの酸化物は、n型半導体の性質を有している。また、上記金属酸化物に導電性を高めるため、ドーパントを含有させたものを用いても良い。ドーパントの種類としては、ZnOにはAl、Ga、In、Ti、B及びF、In2O3にはSn、Ti、Zn、Zr、Hf及びW、SnO2にはIn、Ti、Sb及びF、TiO2にはNb、Ta及びWが望ましい。透光性導電膜4t2の形成方法としては、プラズマCVDなどの化学的気相法及びスパッタリング、イオンプレーティングなどの物理的気相法などがあるが、大量生産においてはスパッタリング、イオンプレーティング及び蒸着が望ましい。また、透光性初期層4t1を形成する前に、フッ酸系溶液などでp型非晶質シリコン層2pの表面に形成されている自然酸化膜を除去することが望ましい。
As a material of the translucent initial layer 4t1 and the translucent conductive film 4t2, metal oxide such as ZnO (zinc oxide), In 2 O 3 (indium oxide), SnO 2 (tin oxide) and TiO 2 (titanium oxide) is used. A material is desirable, but ZnO is most desirable in view of the cost of the translucent electrode. These oxides have n-type semiconductor properties. Moreover, in order to improve electroconductivity to the said metal oxide, you may use what contained the dopant. The types of dopants are Al, Ga, In, Ti, B and F for ZnO, Sn, Ti, Zn, Zr, Hf and W for In 2 O 3 , and In, Ti, Sb and F for SnO 2. TiO 2 is preferably Nb, Ta and W. As a method for forming the light-transmitting conductive film 4t2, there are a chemical vapor phase method such as plasma CVD and a physical vapor phase method such as sputtering and ion plating. In mass production, sputtering, ion plating and vapor deposition are used. Is desirable. Further, it is desirable to remove the natural oxide film formed on the surface of the p-type
次に、図2−5に示すように、n型非晶質シリコン層3nの上層に、透光性導電膜からなる第2の透光性電極5tを形成する(S1010:第2の透光性電極形成)。第2の透光性導電膜5tはn型非晶質シリコン層3nに対して電気的に接続されるコンタクト電極層となる。第2の透光性電極5tの形成には、同様にスパッタリング、イオンプレーティング及び蒸着などを用いることができる。ここで、第2の面1B側の第2の透光性電極5tの形成時には真空チャンバー内に窒素を導入するようにしてもよい。導入方法は、第2の透光性電極5tの形成開始から終了時にわたり、導入量が多くなるように窒素の流量を次第に増加させる。この方法により、n型非晶質シリコン層3nの表面を酸化させることなく、第2の透光性電極5tのキャリア濃度を減少させることができる。これにより、第2の面1B側でも透光性を向上しつつもコンタクト抵抗の低減をはかることができる。
Next, as shown in FIG. 2-5, a second
次に、受光面側に位置する第1の透光性電極4t、裏面側の第2の透光性電極5tにそれぞれグリッド状の第1の集電電極4m、第2の集電電極5mを形成する。グリッド状の第1の集電電極4mと、第2の集電電極5mを形成する(S1011:集電電極形成)ことで、図1に示した、ヘテロ接合型の光起電力素子(太陽電池セル)が完成する。
Next, the first light-collecting
ここで受光面側である第1の透光性電極の形成工程については図4にフローチャートを示すように、まず、第1のスパッタリング工程S1091aで、透光性初期層4t1となる第1層を形成し、第2のスパッタリング工程S1091bで、透光性導電膜となる第2層を成膜する。そして第2の透光性電極の形成工程S1010を経て第1の集電電極4m、第2の集電電極5mは銀ペーストをスクリーン印刷し(銀ペースト塗布:S1011a)、焼成する。この集電電極の焼成のためのアニール工程で透光性初期層4t1をシードとして酸化亜鉛が再結晶化し、透光性導電膜4t2となる(アニール:S1011S)。
Here, as shown in the flowchart of FIG. 4, in the first translucent electrode forming process on the light-receiving surface side, first, in the first sputtering process S1091a, the first layer that becomes the translucent initial layer 4t1 is formed. In the second sputtering step S1091b, a second layer to be a light-transmitting conductive film is formed. Then, through the second translucent electrode forming step S1010, the
このようにして、受光面側に位置する第1の透光性電極4t、裏面側の第2の透光性電極5tにそれぞれグリッド状の第1の集電電極4m、第2の集電電極5mが形成されると同時に、透光性初期層4t1と透光性導電膜4t2も再結晶化による、膜質の向上が得られコンタクト性に優れた電極となる。
In this way, the first light-transmitting
なお、前記実施の形態では、i型非晶質シリコン層2i及びi型非晶質シリコン層3iの形成には、プラズマCVD法を用いたがCatCVD法等、他の方法を用いてもよい。CatCVD法は、プラズマCVD法に比べてプラズマダメージが小さいという点では有効である。i型非晶質シリコン層2i及びi型非晶質シリコン層3i形成前に、n型単結晶シリコン基板1上に形成されている自然酸化膜をフッ酸系溶液で除去するのが望ましい。
In the embodiment, the plasma CVD method is used to form the i-type
ところで透光性導電膜4t2及び透光性初期層4t1の材料としては、ZnO(酸化亜鉛)、In2O3(酸化インジウム)、SnO2(酸化錫)及びTiO2(酸化チタン)等の金属酸化物が望ましいが、透光性電極としてのコストを考えるとZnOが最も望ましい。これらの酸化物は、n型半導体の性質を有している。また、上記金属酸化物に導電性を高めるため、ドーパントを含有させたものを用いても良い。ドーパントの種類としては、ZnOにはAl、Ga、In、Ti、B及びFが望ましい。また、In2O3にはSn、Ti、Zn、Zr、Hf及びW、SnO2にはIn、Ti、Sb及びFが望ましい。さらにまた、TiO2にはNb、Ta及びWが望ましい。透光性導電膜4t2の形成方法としては、プラズマCVDなどの化学的気相法及びスパッタリング、イオンプレーティングなどの物理的気相法などがあるが、大量生産においてはスパッタリング、イオンプレーティング及び蒸着が望ましい。また、透光性初期層4t1を形成する前に、フッ酸系溶液などでp型非晶質シリコン層2pの表面に形成されている自然酸化膜を除去することが望ましい。
By the way, as a material of the translucent conductive film 4t2 and the translucent initial layer 4t1, metals such as ZnO (zinc oxide), In 2 O 3 (indium oxide), SnO 2 (tin oxide) and TiO 2 (titanium oxide) are used. Although an oxide is desirable, ZnO is most desirable in view of the cost as a translucent electrode. These oxides have n-type semiconductor properties. Moreover, in order to improve electroconductivity to the said metal oxide, you may use what contained the dopant. As the kind of dopant, Zn, Al, Ga, In, Ti, B and F are desirable. Further, Sn, Ti, Zn, Zr, Hf and W are desirable for In 2 O 3 , and In, Ti, Sb and F are desirable for SnO 2 . Furthermore, Nb, Ta and W are desirable for TiO 2 . As a method for forming the light-transmitting conductive film 4t2, there are a chemical vapor phase method such as plasma CVD and a physical vapor phase method such as sputtering and ion plating. In mass production, sputtering, ion plating and vapor deposition are used. Is desirable. Further, it is desirable to remove the natural oxide film formed on the surface of the p-type
第2の透光性電極5tの材料としては、透光性導電膜4t2及び透光性初期層4t1と同様の材料が望ましい。第2の透光性電極5tの形成方法としては、プラズマCVDなどの化学的気相法及びスパッタリング、イオンプレーティングなどの物理的気相法などがあるが、大量生産においてはスパッタリング、イオンプレーティング及び蒸着が望ましい。
As the material of the second
一般に、化学的気相法及び物理的気相法で形成された膜は下地基板の影響を強く受けることが知られている。例えば、上記形成法で形成された酸化亜鉛膜は(002)面優先配向性をとることが知られているが、ガラス等の非晶質及び配向性の異なる基板上に形成した場合、下地の影響により膜の初期層部分は(002)面優先配向性にならず、また結晶粒径が小さくなってしまう。すると結晶粒界が多くなり、膜の移動度が低下してしまう。また、サファイア基板等、配向性が酸化亜鉛に近い基板を用いた場合、膜の初期層部分の結晶粒径が大きく、また結晶粒界が少なくなり、膜の移動度が増加する。さらに、膜の移動度を増加するために形成温度を上げる方法もあるが、光起電力素子上の非晶質シリコン層は220℃以上で再結晶化してしまうため、透光性電極を220℃以下望ましくは、200℃以下で結晶成長させる必要がある。 In general, it is known that a film formed by a chemical vapor phase method and a physical vapor phase method is strongly influenced by a base substrate. For example, the zinc oxide film formed by the above formation method is known to have (002) plane preferred orientation, but when formed on a substrate such as glass or other amorphous and different orientation, Due to the influence, the initial layer portion of the film does not have (002) plane preferred orientation and the crystal grain size becomes small. Then, the crystal grain boundary increases and the mobility of the film decreases. In addition, when a substrate having an orientation close to that of zinc oxide, such as a sapphire substrate, is used, the crystal grain size of the initial layer portion of the film is large, the crystal grain boundary is reduced, and the mobility of the film is increased. Further, there is a method of increasing the formation temperature in order to increase the mobility of the film. However, since the amorphous silicon layer on the photovoltaic element is recrystallized at 220 ° C. or higher, the transparent electrode is set at 220 ° C. In the following, it is desirable to grow the crystal at 200 ° C. or lower.
また、ガラス等の非晶質及び配向性の異なる基板上に、結晶粒界が大きくなるような条件で透光性導電膜を形成する場合、透光性導電膜となる金属酸化物の金属と酸素の比率を理想値に近づける必要がある。例えば酸化亜鉛の場合、亜鉛に比べて酸素が膜中から抜けやすいため、膜の形成中に酸素を添加する必要があるが、酸素を添加することでキャリア密度が大幅に低下してしまい、光起電力素子の直列抵抗が増加し、変換効率が低下してしまう。 Further, in the case where a light-transmitting conductive film is formed on an amorphous substrate such as glass and a substrate having different orientation under conditions that increase the grain boundary, the metal oxide metal that becomes the light-transmitting conductive film It is necessary to bring the oxygen ratio close to the ideal value. For example, in the case of zinc oxide, oxygen is more likely to escape from the film than zinc, so it is necessary to add oxygen during the formation of the film. However, adding oxygen significantly reduces the carrier density, and light The series resistance of the electromotive force element increases, and the conversion efficiency decreases.
上記理由から本実施の形態では、光起電力素子のp型非晶質シリコン層2p上に、透光性初期層4t1を形成し、この透光性初期層4t1をシードとして透光性導電膜4t2を成長させる。第1の透光性電極4tの結晶粒径及び移動度を増加させる。透光性初期層4t1の形成条件はスパッタリング法による製膜の場合、雰囲気圧力、雰囲気中酸素濃度及び不純物ドープ濃度等を透光性導電膜4t2と比べて変化させる。具体的には雰囲気圧力は、透光性初期層4t1の形成時に高くし、緻密な膜を形成しこの透光性初期層4t1をシードとして、雰囲気圧力をより低くして、透光性導電膜4t2を形成する。あるいは、酸素濃度を透光性初期層4t1の形成時に高くし、透光性導電膜4t2では低くする。あるいはまた、不純物ドープ濃度を透光性初期層4t1の形成時に低くし、透光性導電膜4t2では高くするなどの方法が用いられる。
For this reason, in the present embodiment, a light-transmitting initial layer 4t1 is formed on the p-type
グリッド状の第1の集電電極4mは、第1の透光性電極4tの直上に、スパッタリング蒸着、電子ビーム蒸着、スクリーン印刷等の方法を用いて形成する。第1の透光性電極4tは集電電極としての機能も有しているため、必ずしも第1の透光性電極4tの全面に第1の集電電極4mを形成しなくても良い。金属電極の材料としては、Ag(銀)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)などが望ましい。
The grid-shaped first
さらに、第1の集電電極4m形成後、受光面の光反射率を低減させるために反射防止膜を透光性電極4t上に形成しても良い。反射防止膜としては、窒化珪素膜、酸化珪素膜、フッ化マグネシウム膜などを用いる。この場合、光起電力素子の短絡電流が最大となるように、反射防止膜と透光性電極4tそれぞれの膜厚を調整する。また反射防止膜は第1の集電電極4m形成前に予め透光性電極4t上に直接形成しても構わない。
Further, after the first
第2の集電電極5mは、第2の透光性電極5tの直上に、スパッタリング蒸着、電子ビーム蒸着、スクリーン印刷等の方法を用いて形成する。第2の透光性電極5tは集電電極としての機能も有しているため、必ずしも第2の透光性電極5tの全面に第2の集電電極5mを形成しなくても良い。金属電極の材料としては、Ag(銀)、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)などが望ましい。
The second current collecting
この場合、光起電力素子の受光面から入射した光が裏面側まで到達した場合に第2の集電電極5mが無いと、反射光を利用できない。そのため、第2の集電電極5mを部分的に形成した光起電力素子の完成後、モジュール化する際に、裏面側に白色板などの反射部材を設置することが望ましい。
In this case, when the light incident from the light receiving surface of the photovoltaic element reaches the back surface side, the reflected light cannot be used without the second current collecting
本実施形態の光起電力素子によれば、p型非晶質シリコン層2pと透光性初期層4t1との接合界面での抵抗が小さいため、光起電力素子の直列抵抗が低下し曲線因子が増加する。さらに、キャリア濃度が低減しているため、光起電力素子への光吸収量が増加し、電流密度が増加する。その結果、光起電力素子の光電変換効率が向上する。
According to the photovoltaic device of this embodiment, since the resistance at the junction interface between the p-type
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples.
実施例1.
この実施例1では実施の形態1の方法で光起電力素子を作製し、特性を評価した。本発明の実施例1にかかる光起電力素子の構造は実施の形態1において図1に示した断面図のとおりである。n型単結晶シリコン基板1には、第1の面1Aの結晶方位が(100)で、寸法が10cm×10cm×t200μmの正方形ウエハを用いた。作製プロセスは、次の通りである。
Example 1.
In Example 1, a photovoltaic device was produced by the method of
まずNaOH水溶液にて、基板表面にピラミッド状のテクスチャ構造を形成した。基板洗浄後、n型単結晶シリコン基板1の第1の面1A側にi型非晶質シリコン層2i、p型非晶質シリコン層2pをCVD法にて順次形成し、第2の面1B側にi型非晶質シリコン層3i、n型非晶質シリコン層3nをCVD法にて順次形成した。表1は、上記の形成膜の製膜条件で、製膜チャンバー内に導入するガスの組成と、圧力、投入電力の一覧である。
First, a pyramidal texture structure was formed on the substrate surface with NaOH aqueous solution. After the substrate cleaning, an i-type
次に、n型非晶質シリコン層3n上に酸化亜鉛の第2の透光性電極5tをRFスパッタリングにて70nm形成した。酸化亜鉛に対するドープ条件その他の形成条件を表2に示す。
Next, a second
次に、第1の面1A側のp型非晶質シリコン層2p上に酸化亜鉛からなる透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2を順次RFスパッタリングにて順次形成した。形成条件を表2に示す。透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2の形成条件を表3に示す。表3に示すとおり、実施例1では透光性初期層4t1の酸素濃度のみを変化させている。また、透光性初期層4t1を形成せず、透光性導電膜4t2のみ形成したものを比較例1としている。実施例1−1、1−2、1−3ではそれぞれ透光性初期層4t1の酸素濃度を0%、3%、10%とそれぞれ変化させた。透光性初期層のAlドープ濃度はすべて1%、チャンバー圧力は0.3Pa、膜厚は10nmとした。透光性導電膜4t2は、すべて酸素濃度を0%、Alドープ濃度は1%、チャンバー圧力は0.16Pa、膜厚は60nmとした。
Next, a light-transmitting initial layer 4t1 and a light-transmitting conductive film 4t2 made of zinc oxide were sequentially formed by RF sputtering on the p-type
最後に、グリッド状の第1の集電電極4m及び第2の集電電極5mをスクリーン印刷で形成した。材料はAgペーストを用い、印刷後に乾燥炉にて200℃で1時間乾燥させた。また、実施例及び比較例の透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2の単膜特性も評価するため、透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2をガラス基板上に形成した。形成後、アルゴン雰囲気にて200℃で1時間アニールを行った。
Finally, the grid-shaped
表4は、実施例1−1、1−2、1−3及び比較例1におけるガラス基板上単膜特性及び光起電力素子特性を示す表である。規格化と記してある値は、全て比較例1の値を1として規格化されている。 Table 4 is a table | surface which shows the single film | membrane characteristic on a glass substrate in Example 1-1, 1-2, 1-3, and the comparative example 1, and a photovoltaic element characteristic. All values described as normalization are standardized with the value of Comparative Example 1 as 1.
ガラス基板上単膜特性として、ホール効果測定を行い、抵抗率、キャリア密度及びホール移動度を評価した。さらにX線回折装置を用いて、酸化亜鉛の優先配向面である002面の半値幅(FWHM)を測定した。 As a single film characteristic on a glass substrate, Hall effect measurement was performed, and resistivity, carrier density, and hole mobility were evaluated. Furthermore, the half-width (FWHM) of the 002 plane which is the preferential orientation plane of zinc oxide was measured using an X-ray diffractometer.
光起電力素子特性として、短絡電流密度(Jsc)、曲線因子(FF)及び変換効率(Eff)をソーラーシミュレーターを用いて評価した。 As photovoltaic device characteristics, short-circuit current density (Jsc), fill factor (FF), and conversion efficiency (Eff) were evaluated using a solar simulator.
表4に示すとおり、実施例1−2及び1−3にて規格化移動度が1を越えている。また、FWHMが比較例1に比べ減少している。以上より、透光性初期層4t1を形成することにより、透光性導電膜4t2の結晶粒径が増加し、移動度が増加したと推測される。また、透光性初期層4t1を形成することで、比較例1に比べキャリア濃度が低下している。これは、透光性導電膜4t2に比べ、高い圧力で形成したためであると考えられる。 As shown in Table 4, the normalized mobility exceeds 1 in Examples 1-2 and 1-3. Further, FWHM is reduced as compared with Comparative Example 1. From the above, it is presumed that the formation of the translucent initial layer 4t1 increases the crystal grain size of the translucent conductive film 4t2 and increases the mobility. In addition, the carrier concentration is lower than that of the comparative example 1 by forming the translucent initial layer 4t1. This is considered to be because it was formed at a higher pressure than the translucent conductive film 4t2.
以上のように、実施例1−2及び1−3にて抵抗率及びキャリア濃度が比較例1と比べ低下しており、光起電力素子特性にて、比較例1を越える短絡電流密度、曲線因子及び変換効率を得ることができた。実施例1−1においても曲線因子及び変換効率は若干低くなったが比較例1を越える短絡電流密度を得ることができた。 As described above, the resistivity and carrier concentration in Examples 1-2 and 1-3 are lower than those in Comparative Example 1, and the short-circuit current density and curve exceeding Comparative Example 1 in terms of photovoltaic element characteristics. Factors and conversion efficiency could be obtained. Also in Example 1-1, the fill factor and the conversion efficiency were slightly lowered, but a short-circuit current density exceeding Comparative Example 1 could be obtained.
実施例2.
この実施例2では実施の形態1の方法で光起電力素子を作製し、特性を評価した。透光性導電膜4t2及び透光性初期層4t1の形成条件以外は、全て実施例1と同様の形成条件とした。p型非晶質シリコン層2p上に酸化亜鉛の透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2をRFスパッタリングにて順次形成した。透光性初期層4t1及び透光性電極4t2の形成条件を表5に示す。表5に示すとおり、実施例2では透光性初期層4t1のAlドープ濃度のみを変化させている。また、透光性初期層4t1を形成せず、透光性導電膜4t2のみ形成したものを、実施例1と同じく比較例1としている。
Example 2
In Example 2, a photovoltaic device was produced by the method of
また、実施例及び比較例の透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2の単膜特性も評価するため、透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2をガラス基板上に形成した。形成後、アルゴン雰囲気にて200℃で1時間アニールを行った。表6は、実施例2−1、2−2、2−3及び比較例1におけるガラス基板上単膜特性及び光起電力素子特性を示す表である。規格化と記してある値は、全て比較例1の値を1として規格化されている。 In addition, in order to evaluate the single-film characteristics of the light-transmitting initial layer 4t1 and the light-transmitting conductive film 4t2 in Examples and Comparative Examples, the light-transmitting initial layer 4t1 and the light-transmitting conductive film 4t2 were formed on a glass substrate. . After the formation, annealing was performed at 200 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere. Table 6 is a table | surface which shows the single film | membrane characteristic on a glass substrate and photovoltaic element characteristic in Examples 2-1, 2-2, 2-3 and Comparative Example 1. All values described as normalization are standardized with the value of Comparative Example 1 as 1.
表6に示すとおり、実施例2−1、2−2及び2−3にて規格化移動度が1を越えている。また、FWHMが比較例1に比べ減少している。以上より、透光性初期層4t1を形成することにより、透光性導電膜4t2の結晶粒径が増加し、移動度が増加したと推測される。また、透光性初期層4t1を形成することで、比較例1に比べキャリア濃度が低下している。これは、透光性導電膜4t2に比べ、高圧力かつ高酸素濃度で形成したためだと考えられる。 As shown in Table 6, the normalized mobility exceeded 1 in Examples 2-1, 2-2, and 2-3. Further, FWHM is reduced as compared with Comparative Example 1. From the above, it is presumed that the formation of the translucent initial layer 4t1 increases the crystal grain size of the translucent conductive film 4t2 and increases the mobility. In addition, the carrier concentration is lower than that of the comparative example 1 by forming the translucent initial layer 4t1. This is considered to be because it was formed at a higher pressure and a higher oxygen concentration than the translucent conductive film 4t2.
以上より、実施例2−1、2−2及び2−3にて抵抗率及びキャリア濃度が比較例1と比べ低下しており、光起電力素子特性にて、比較例1を越える短絡電流密度、曲線因子及び変換効率を得られた。特に、透光性初期層4t1のAlドープ濃度を3%とした実施例2−3において、比較例1と比べ変換効率が7%改善した。 From the above, the resistivity and carrier concentration in Examples 2-1, 2-2, and 2-3 are lower than those in Comparative Example 1, and the short-circuit current density that exceeds Comparative Example 1 in terms of photovoltaic device characteristics. The curve factor and the conversion efficiency were obtained. In particular, in Example 2-3 in which the Al doping concentration of the translucent initial layer 4t1 was 3%, the conversion efficiency was improved by 7% compared with Comparative Example 1.
実施例3.
この実施例3では実施の形態1の方法で光起電力素子を作製し、特性を評価した。透光性導電膜4t2及び透光性初期層4t1の形成条件以外は、全て実施例1と同様の形成条件とした。
Example 3
In Example 3, a photovoltaic device was produced by the method of
p型非晶質シリコン層2p上に酸化亜鉛の透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2をRFスパッタリングにて順次形成した。透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2の形成条件を表7に示す。表7に示すとおり、実施例3では透光性初期層4t1の形成時圧力のみを変化させている。また、透光性初期層4t1を形成せず、透光性導電膜4t2のみ形成したものを、実施例1と同じく比較例1としている。
A zinc oxide light-transmitting initial layer 4t1 and a light-transmitting conductive film 4t2 were sequentially formed on the p-type
表7において、透光性初期層4t1の形成時圧力に比べ、透光性導電膜4t2の形成時圧力を同じか低く設定している。スパッタリング法による製膜においては圧力を下げるほど緻密な膜ができるとされている。このため、低圧力で形成した透光性初期層4t1上に高圧力で形成した透光性導電膜4t2は、透光性初期層なしで形成した透光性導電膜4t2に比べると緻密な膜が出来ず、透光性電極膜の高移動度化が見込めない。このため、実施例は全て高圧力で形成した透光性初期層4t1上に、低圧力で形成した透光性導電膜4t2を形成する条件とした。 In Table 7, the formation pressure of the translucent conductive film 4t2 is set to be the same as or lower than the formation pressure of the translucent initial layer 4t1. In film formation by sputtering, it is said that a dense film can be formed as the pressure is lowered. For this reason, the translucent conductive film 4t2 formed at a high pressure on the translucent initial layer 4t1 formed at a low pressure is a dense film compared to the translucent conductive film 4t2 formed without a translucent initial layer. Therefore, high mobility of the translucent electrode film cannot be expected. For this reason, in all the examples, the light-transmitting conductive film 4t2 formed at a low pressure was formed on the light-transmitting initial layer 4t1 formed at a high pressure.
また、実施例及び比較例の透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2の単膜特性も評価するため、透光性初期層4t1及び透光性導電膜4t2をガラス基板上に形成した。形成後、アルゴン雰囲気にて200℃で1時間アニールを行った。 In addition, in order to evaluate the single-film characteristics of the light-transmitting initial layer 4t1 and the light-transmitting conductive film 4t2 in Examples and Comparative Examples, the light-transmitting initial layer 4t1 and the light-transmitting conductive film 4t2 were formed on a glass substrate. . After the formation, annealing was performed at 200 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere.
表8は、実施例3−1、3−2、3−3及び比較例1におけるガラス基板上単膜特性及び光起電力素子特性を示す表である。規格化と記してある値は、全て比較例1の値を1として規格化されている。 Table 8 is a table | surface which shows the single film | membrane characteristic on a glass substrate and photovoltaic element characteristic in Examples 3-1, 3-2, 3-3, and the comparative example 1. FIG. All values described as normalization are standardized with the value of Comparative Example 1 as 1.
表8に示すとおり、実施例3−2及び3−3にて規格化移動度が1を越えている。また、FWHMが比較例1に比べ減少している。以上より、透光性初期層4t1を形成することにより、透光性導電膜4t2の結晶粒径が増加し、移動度が増加したと推測される。また、透光性初期層4t1を形成することで、比較例1に比べキャリア濃度が低下している。これは、比較例1の透光性電極に比べ、高圧力かつ高酸素濃度で形成したためだと考えられる。 As shown in Table 8, the normalized mobility exceeds 1 in Examples 3-2 and 3-3. Further, FWHM is reduced as compared with Comparative Example 1. From the above, it is presumed that the formation of the translucent initial layer 4t1 increases the crystal grain size of the translucent conductive film 4t2 and increases the mobility. In addition, the carrier concentration is lower than that of the comparative example 1 by forming the translucent initial layer 4t1. This is considered to be because it was formed at a higher pressure and a higher oxygen concentration than the translucent electrode of Comparative Example 1.
以上より、実施例3−2及び3−3にて抵抗率が比較例1と比べ低下しており、実施例3−1、3−2及び3−3にてキャリア濃度が比較例1と比べ低下している。故に光起電力素子特性にて、比較例1を越える短絡電流密度及び変換効率を得られた。 As described above, in Examples 3-2 and 3-3, the resistivity is lower than that in Comparative Example 1, and in Examples 3-1, 3-2, and 3-3, the carrier concentration is compared with Comparative Example 1. It is falling. Therefore, the short-circuit current density and the conversion efficiency exceeding Comparative Example 1 were obtained in the photovoltaic device characteristics.
なお、再結晶化のためのアニール温度は、150〜220℃、望ましくは200℃以下とする。非晶質シリコン層の劣化を防ぐため、上限は低いほうがよい。酸化インジウムに関しては比較的低温(150度以上)で結晶化するが、酸化亜鉛に関しては、温度が高い方が結晶化度は上がるため、アニール温度を高くするのが望ましい。 Note that the annealing temperature for recrystallization is 150 to 220 ° C., preferably 200 ° C. or less. In order to prevent deterioration of the amorphous silicon layer, the upper limit is preferably low. Indium oxide is crystallized at a relatively low temperature (150 ° C. or more). However, regarding zinc oxide, the higher the temperature, the higher the crystallinity, so it is desirable to increase the annealing temperature.
実施の形態2.
前記実施の形態1では、第1の透光性電極の形成にあたり、透光性初期層4t1、透光性導電膜4t2のいずれもスパッタリング法で形成し、集電電極のアニール工程で再結晶化させるようにしたが、本実施の形態では、図5に要部のフローチャートを示すように、透光性初期層4t1、透光性導電膜4t2のいずれもCVD法で形成したことを特徴とするものである。
In the first embodiment, in forming the first light-transmitting electrode, both the light-transmitting initial layer 4t1 and the light-transmitting conductive film 4t2 are formed by the sputtering method, and recrystallized in the annealing step of the current collecting electrode. However, in this embodiment, as shown in the flowchart of the main part in FIG. 5, both the light-transmitting initial layer 4t1 and the light-transmitting conductive film 4t2 are formed by the CVD method. Is.
すなわち図5に示すように、n型非晶質シリコン層形成後、第1の透光性電極の形成ステップS1009においてまず、酸素濃度が3%、Alドープ濃度1.00%とし、10nmの透光性初期層4t1を形成する(第1のCVD工程:S1092a)。 That is, as shown in FIG. 5, after the formation of the n-type amorphous silicon layer, in the first translucent electrode forming step S1009, first, the oxygen concentration is set to 3% and the Al doping concentration is set to 1.00%. The optical initial layer 4t1 is formed (first CVD process: S1092a).
ついでこの透光性初期層4t1をシードとして、酸素濃度が0%、Alドープ濃度1.00%とし、60nmの透光性導電膜4t2を形成する(第2のCVD工程:S1092b)。このとき、透光性初期層4t1をシードとして、配向性が良好で粒径の大きい透光性導電膜4t2が形成される。そして受光面側1Aに形成される透光性導電膜4tが、2層膜で構成され、基板側つまり下層側の透光性初期層4t1に比べ、上層側の透光性導電膜4t2の移動度が大きくなっていることを特徴とする。従って、アニール工程なしに所望の特性の透光性電極が得られる点が、実施の形態1の第1の透光性電極と異なる点である。そして第2の透光性電極の形成(S1010)、集電電極の形成(S1011)は、実施の形態1と同様であるためここでは説明を省略する。全体としても図1に示した太陽電池と同様であり、工程断面図についても図2−1から図2−5に示したものと同様である。
Next, a light-transmitting conductive film 4t2 having an oxygen concentration of 0% and an Al doping concentration of 1.00% is formed using the light-transmitting initial layer 4t1 as a seed (second CVD step: S1092b). At this time, the translucent conductive film 4t2 having good orientation and large particle size is formed using the translucent initial layer 4t1 as a seed. The translucent
実施の形態によれば、透光性電極の抵抗率及び光吸収を低減させることができ、それによって光起電力素子の変換効率を向上させることができる。 According to the embodiment, the resistivity and light absorption of the translucent electrode can be reduced, and thereby the conversion efficiency of the photovoltaic element can be improved.
この工程では集電電極は実施の形態1と同様、アニール工程を含むものを用いているが、アニール工程を使用しない、スパッタリング法による金属電極の形成などを用いて集電電極を用いてもよい。 In this step, the collector electrode includes an annealing step as in the first embodiment. However, the collector electrode may be used by forming a metal electrode by a sputtering method without using the annealing step. .
また本実施の形態2においても、実施の形態1と同様、酸素濃度、Alドープ濃度、雰囲気圧力など、種々の条件についても透光性初期層に対して透光性導電膜の条件を変化させることで、所望の特性を得ることが可能となる。 Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the conditions of the light-transmitting conductive film are changed with respect to the light-transmitting initial layer for various conditions such as oxygen concentration, Al doping concentration, and atmospheric pressure. Thus, desired characteristics can be obtained.
さらにまた、透光性初期層4t1を形成する第1のCVD工程S1092aと透光性導電膜4t2を形成する第2のCVD工程S1092bとを同一チャンバー内で真空を破ることなく、徐々に供給ガスの組成を変化させて、透光性初期層4t1と透光性導電膜4t2とに相当する組成傾斜層4gとして、形成してもよい。
Furthermore, the first CVD step S1092a for forming the light-transmitting initial layer 4t1 and the second CVD step S1092b for forming the light-transmitting conductive film 4t2 are gradually performed without breaking the vacuum in the same chamber. The
実施の形態3.
前記実施の形態1、2では、第1の透光性電極の形成にあたり、透光性初期層4t1、透光性導電膜4t2の2層構造としたが、本実施の形態では、図6に全体構成を示すように、2層構造の透光性電極に代えて、膜厚方向に組成の異なる組成傾斜層4gを形成したことを特徴とする。
In the first and second embodiments, a two-layer structure of the light-transmitting initial layer 4t1 and the light-transmitting conductive film 4t2 is used for forming the first light-transmitting electrode. In this embodiment, FIG. As shown in the overall configuration, a
以下、本発明の実施の形態3の光起電力素子の製造工程を詳細に説明する。図7−1〜図7−3はこの光起電力素子の製造工程図であり、図8は同光起電力素子の製造工程を示すフローチャートである。
Hereafter, the manufacturing process of the photovoltaic element of
すなわち図8にフローチャートを示すように、ステップS1008のn型非晶質シリコン層形成工程までは、実施の形態1と同様であり、ステップS1008の後、第1の透光性電極の形成ステップS1009として組成傾斜層を形成する(S1009g)。この工程では、まず、酸素濃度が3%とし、徐々に酸素濃度を小さくし、最後に酸素0%、Alドープ濃度1.00%し、70nmの組成傾斜層4gからなる第1の透光性導電膜を形成する(組成傾斜層の形成:S1009g)。
That is, as shown in the flowchart in FIG. 8, the process up to the step of forming an n-type amorphous silicon layer in step S1008 is the same as that in the first embodiment, and after step S1008, the first transparent electrode forming step S1009 is performed. Then, a composition gradient layer is formed (S1009g). In this step, first, the oxygen concentration is 3%, the oxygen concentration is gradually decreased, and finally the oxygen is 0%, the Al doping concentration is 1.00%, and the first light-transmitting property composed of the
つまり、図7−1に示すように、n型単結晶シリコン基板1の第1主面1Aに、プラズマCVD法を用いて約1〜10nmの厚さのi型非晶質シリコン層2i、及び約5〜50nmの厚さのp型非晶質シリコン層2pをこの順に堆積する(S1005:i型非晶質シリコン層形成,S1006:p型非晶質シリコン層形成)。
That is, as shown in FIG. 7A, an i-type
続いて、図7−2に示すように、n型単結晶シリコン基板1の第2の面1B側にプラズマCVD法を用いて約1〜10nmの厚さのi型非晶質シリコン層3i及び約5〜50nmの厚さのn型非晶質シリコン層3nをこの順に形成する(S1007:i型非晶質シリコン層形成,S1008:n型非晶質シリコン層形成)。
Subsequently, as shown in FIG. 7B, an i-type
次に、p型非晶質シリコン層2pの上に、図7−3に示すように、組成傾斜層4gを形成する(組成傾斜層の形成:S1009g)。このとき、徐々に組成を変化させているため配向性が良好で粒径の大きい透光性導電膜4gが形成される。このようにして受光面側1Aに形成される透光性電極4tが、組成傾斜層で構成され、基板側つまり下層側に比べ、上層側の透光性導電膜の移動度が大きくなっている。そして第2の透光性電極5tの形成(S1010)、集電電極4m、5mの形成(S1011)は、実施の形態1と同様であるためここでは説明を省略する。
Next, as shown in FIG. 7C, the
実施の形態3によっても、透光性電極の抵抗率及び光吸収を低減させることができ、それによって光起電力素子の変換効率を向上させることができる。
Also in
この工程では集電電極は実施の形態1と同様、アニール工程を含むものを用いているが、アニール工程を使用しない、スパッタリング法による金属電極の形成などを用いて集電電極を用いてもよい。 In this step, the collector electrode includes an annealing step as in the first embodiment. However, the collector electrode may be used by forming a metal electrode by a sputtering method without using the annealing step. .
また本実施の形態3においても、実施の形態1、2と同様、酸素濃度、Alドープ濃度、雰囲気圧力など、種々の条件についても透光性初期層に対して透光性導電膜の条件を変化させることで、所望の特性を得ることが可能となる。 In the third embodiment, as in the first and second embodiments, the conditions of the light-transmitting conductive film with respect to the light-transmitting initial layer are also set for various conditions such as oxygen concentration, Al doping concentration, and atmospheric pressure. By changing it, it is possible to obtain desired characteristics.
なお、結晶系半導体基板としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板などの結晶シリコン基板の他、透光性導電膜を用いる構成の光起電力素子であれば、シリコンカーバイド基板などのシリコン化合物基板をはじめとする結晶シリコン系基板などにも適用可能である。真性又は各導電型の非晶質シリコン層についても、透光性導電膜を用いる構成の光起電力素子であれば、微結晶シリコン系薄膜、多結晶シリコン系薄膜などの結晶系薄膜にも適用可能である。 As the crystalline semiconductor substrate, in addition to a crystalline silicon substrate such as a single crystal silicon substrate or a polycrystalline silicon substrate, a silicon compound such as a silicon carbide substrate can be used as long as it is a photovoltaic device having a structure using a light-transmitting conductive film. The present invention can also be applied to crystalline silicon substrates such as substrates. The intrinsic or conductive amorphous silicon layer can also be applied to crystalline thin films such as microcrystalline silicon thin films and polycrystalline silicon thin films as long as the photovoltaic element has a structure using a transparent conductive film. Is possible.
また、前記実施の形態では、受光面側に位置する第1の透光性電極に対してのみ、透光性初期層と透光性導電膜との2層構造としたが、裏面側に位置する第2の透光性電極、あるいは両方について2層構造としてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although it was set as the 2 layer structure of the translucent initial layer and the translucent conductive film only with respect to the 1st translucent electrode located in the light-receiving surface side, it is located in a back surface side. The second light-transmitting electrode or both may have a two-layer structure.
以上のように、本発明にかかる光起電力装置素子の製造方法及び光起電力装置素子は、受光面側の透光性電極と半導体層との接触抵抗を増加させること無く、光吸収量を減少させ電流密度を増加させ、曲線因子及び光起電力効率に優れた光起電力装置の実現に有用である。 As described above, the method for manufacturing a photovoltaic device element and the photovoltaic device element according to the present invention increase the light absorption amount without increasing the contact resistance between the light-transmitting electrode on the light-receiving surface side and the semiconductor layer. It is useful for realizing a photovoltaic device that is reduced and increases current density, and has excellent fill factor and photovoltaic efficiency.
1 n型単結晶シリコン基板、2i i型非晶質シリコン層、2p p型非晶質シリコン層、3i i型非晶質シリコン層、3n n型非晶質シリコン層、4t1 透光性初期層、4t2 透光性導電膜、4t 透光性電極、4m 第1の集電電極、5t 透光性電極、5m 第2の集電電極。 1 n-type single crystal silicon substrate, 2i i-type amorphous silicon layer, 2pp p-type amorphous silicon layer, 3i i-type amorphous silicon layer, 3n n-type amorphous silicon layer, 4t1 translucent initial layer 4t2 Translucent conductive film, 4t translucent electrode, 4m first collector electrode, 5t translucent electrode, 5m second collector electrode.
Claims (21)
前記第2導電型の非晶質又は微結晶半導体層上に第1の電極を形成する工程と、
第1導電型の結晶系半導体基板の第2の面に第2の電極を形成する工程とを備えた光起電力素子の製造方法であって、
前記第1及び第2の電極を形成する工程の少なくとも一方が、
透光性電極を形成する工程と、
集電電極を形成する工程とを含み、
前記透光性電極を形成する工程が、
酸化亜鉛を母材とする透光性初期層を形成する工程と、
前記透光性初期層をシードに、前記シードと同じ酸化亜鉛を母材とする透光性導電膜を結晶成長させ、前記透光性初期層よりも結晶粒径の大きい透光性導電膜を形成する工程とを含むことを特徴とする光起電力素子の製造方法。 Forming a second conductivity type amorphous or microcrystalline semiconductor layer on the first surface of the first conductivity type crystalline semiconductor substrate;
Forming a first electrode on the amorphous or microcrystalline semiconductor layer of the second conductivity type;
Forming a second electrode on the second surface of the first conductive type crystalline semiconductor substrate, comprising:
At least one of the steps of forming the first and second electrodes comprises:
Forming a translucent electrode;
Forming a current collecting electrode,
Forming the translucent electrode comprises:
Forming a light-transmitting initial layer based on zinc oxide ;
Crystal-growing a translucent conductive film using the same zinc oxide as that of the seed as a base material using the translucent initial layer as a seed, and forming a translucent conductive film having a crystal grain size larger than that of the translucent initial layer Forming the photovoltaic element.
前記透光性導電膜を成膜する工程と、
熱処理により前記透光性導電膜を再結晶化する工程とを含むことを特徴とする請求項1に記載の光起電力素子の製造方法。 The crystal growth step includes:
Forming the translucent conductive film;
The method for manufacturing a photovoltaic device according to claim 1, further comprising: recrystallizing the light-transmitting conductive film by heat treatment.
スパッタリング法により前記透光性導電膜を成膜する工程であることを特徴とする請求項2に記載の光起電力素子の製造方法。 The step of forming the translucent conductive film includes
The method for producing a photovoltaic element according to claim 2, wherein the process is a step of forming the translucent conductive film by a sputtering method.
150℃から220℃で熱処理を行なう工程であることを特徴とする請求項3に記載の光起電力素子の製造方法。 The recrystallization step includes:
4. The method for manufacturing a photovoltaic device according to claim 3, wherein the method is a heat treatment at 150 to 220 [deg.] C.
CVD法により前記透光性初期層をシードに透光性導電膜を成膜する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の光起電力素子の製造方法。 The crystal growth step includes:
The method for manufacturing a photovoltaic element according to claim 1, further comprising a step of forming a light-transmitting conductive film by using the light-transmitting initial layer as a seed by a CVD method.
前記透光性導電膜を形成する工程は、同一チャンバー内で連続的に実施されることを特徴とする請求項1に記載の光起電力素子の製造方法。 Forming the translucent initial layer;
The method of manufacturing a photovoltaic element according to claim 1, wherein the step of forming the translucent conductive film is continuously performed in the same chamber.
前記透光性導電膜を形成する工程に比べて、酸素の供給量が多いことを特徴とする請求項6から8のいずれか1項に記載の光起電力素子の製造方法。 The step of forming the translucent initial layer includes
9. The method of manufacturing a photovoltaic element according to claim 6, wherein the supply amount of oxygen is larger than that in the step of forming the translucent conductive film.
前記透光性導電膜を形成する工程に比べて、高いドープ濃度で形成する工程であることを特徴とする請求項6から9のいずれか1項に記載の光起電力素子の製造方法。 The step of forming the translucent initial layer includes
The method for manufacturing a photovoltaic element according to any one of claims 6 to 9, wherein the method is a step of forming at a higher doping concentration than the step of forming the light-transmitting conductive film.
前記透光性導電膜を形成する工程に比べて、高い雰囲気圧力で形成する工程であることを特徴とする請求項6から10のいずれか1項に記載の光起電力素子の製造方法。 The step of forming the translucent initial layer includes
The method for manufacturing a photovoltaic element according to any one of claims 6 to 10, wherein the method is a step of forming at a higher atmospheric pressure than a step of forming the light-transmitting conductive film.
前記透光性導電膜を形成する工程は、スパッタリング法であり、前記透光性初期層を形成する工程から、酸素の供給量を連続的に少なくして実施されることを特徴とする請求項6から8のいずれか1項に記載の光起電力素子の製造方法。 Forming the translucent initial layer;
The step of forming the light-transmitting conductive film is a sputtering method, and the step of forming the light-transmitting initial layer is performed by continuously reducing the amount of oxygen supplied from the step of forming the light-transmitting initial layer. The manufacturing method of the photovoltaic element of any one of 6 to 8.
前記第1の電極を形成する工程が、前記透光性初期層を形成する工程と前記透光性導電膜を形成する工程とを含み、
前記第2の電極を形成する工程が、単層の透光性導電膜を形成する工程であることを特徴とする請求項1から14のいずれか1項に記載の光起電力素子の製造方法。 The first electrode is disposed on the light receiving surface side,
Forming the first electrode includes forming the translucent initial layer and forming the translucent conductive film;
15. The method for manufacturing a photovoltaic element according to claim 1, wherein the step of forming the second electrode is a step of forming a single-layer translucent conductive film. .
前記結晶系半導体基板の第1の面に形成された第2導電型の非晶質又は微結晶半導体層と、
前記第2導電型の非晶質又は微結晶半導体層上に形成された第1の電極と、
前記結晶系半導体基板の第2の面に形成された第2の電極とを含む光起電力素子であって、
前記第1及び第2の電極の少なくとも一方が、
透光性電極と、集電電極とを含み、
前記透光性電極が、
酸化亜鉛を母材とする透光性初期層と、前記透光性初期層上に形成された結晶成長層からなる透光性導電膜との積層膜で構成され、
前記結晶成長層は、前記透光性初期層と同一の酸化亜鉛を母材とし、前記透光性初期層よりも結晶粒径の大きい結晶層であることを特徴とする光起電力素子。 A first conductive type crystalline semiconductor substrate;
A second conductivity type amorphous or microcrystalline semiconductor layer formed on the first surface of the crystalline semiconductor substrate;
A first electrode formed on the amorphous or microcrystalline semiconductor layer of the second conductivity type;
A photovoltaic device including a second electrode formed on a second surface of the crystalline semiconductor substrate,
At least one of the first and second electrodes is
Including a translucent electrode and a collecting electrode;
The translucent electrode is
It is composed of a laminated film of a translucent initial layer using zinc oxide as a base material and a translucent conductive film composed of a crystal growth layer formed on the translucent initial layer,
The photovoltaic element, wherein the crystal growth layer is a crystal layer having the same zinc oxide as that of the translucent initial layer as a base material and a crystal grain size larger than that of the translucent initial layer.
前記第1の電極が、前記透光性初期層と前記透光性導電膜とを含み、
前記第2の電極は、透光性導電膜単層からなる透光性電極であることを特徴とする請求項16から20のいずれか1項に記載の光起電力素子。 The first electrode is disposed on the light receiving surface side,
The first electrode includes the translucent initial layer and the translucent conductive film,
21. The photovoltaic element according to claim 16, wherein the second electrode is a translucent electrode made of a single translucent conductive film.
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