JP2003158281A - 薄膜光起電力素子の製造方法および製造装置 - Google Patents
薄膜光起電力素子の製造方法および製造装置Info
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- JP2003158281A JP2003158281A JP2001355591A JP2001355591A JP2003158281A JP 2003158281 A JP2003158281 A JP 2003158281A JP 2001355591 A JP2001355591 A JP 2001355591A JP 2001355591 A JP2001355591 A JP 2001355591A JP 2003158281 A JP2003158281 A JP 2003158281A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】プラズマＣＶＤによるセル連続形成において、
脱離ガスの変化に伴って活性層中の不純物量が変化し、
セル形成開始時と終了時とで特性が変動するのを防止す
る。 【解決手段】脱離ガスの変化に対応して活性層製膜中に
添加するｐ型あるいはｎ型の元素をセル毎に変化させ
る。添加量は、セルＮｏごとにあらかじめ機械的に決め
ておく方法と、製膜時のガス中の不純物量を測定して結
果をフィードバックして添加する方法がある。
脱離ガスの変化に伴って活性層中の不純物量が変化し、
セル形成開始時と終了時とで特性が変動するのを防止す
る。 【解決手段】脱離ガスの変化に対応して活性層製膜中に
添加するｐ型あるいはｎ型の元素をセル毎に変化させ
る。添加量は、セルＮｏごとにあらかじめ機械的に決め
ておく方法と、製膜時のガス中の不純物量を測定して結
果をフィードバックして添加する方法がある。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマＣＶＤ等
による非単結晶シリコン薄膜等からなる光起電力素子の
製造方法および製造装置に関する。
による非単結晶シリコン薄膜等からなる光起電力素子の
製造方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】アモルフアスシリコン（以下a-Siと記
す）等の非単結晶薄膜等からなる太陽電池は、薄膜、低
温プロセス、大面積化が容易という特徴から低コスト太
陽電池の本命として開発が進められている。この太陽電
池はガラスやポリエチレンテレフタレート（以下PETと
記す）等の透光性基板あるいはステンレスホイルやポリ
イミド等の非透光性基板を用い、光入射側から透明電
極、半導体層、金属電極を順次積層した構造となってい
る。
す）等の非単結晶薄膜等からなる太陽電池は、薄膜、低
温プロセス、大面積化が容易という特徴から低コスト太
陽電池の本命として開発が進められている。この太陽電
池はガラスやポリエチレンテレフタレート（以下PETと
記す）等の透光性基板あるいはステンレスホイルやポリ
イミド等の非透光性基板を用い、光入射側から透明電
極、半導体層、金属電極を順次積層した構造となってい
る。
【０００３】デバイス構造としては、単一のa-Siのｐｉ
ｎ構造を持つa-Siシングルセル、a-Siのｐｉｎ接合を2
段重ねたa-Si／a-Siタンデムセル、更に長波長光感度向
上を狙ってボトムセルにa-SiGeセルを適用したa-Si／a-
SiGeタンデムセル等が考えられ、それぞれの場合につい
て光電変換層のトータル膜厚は０．３〜０．６μmであ
る。
ｎ構造を持つa-Siシングルセル、a-Siのｐｉｎ接合を2
段重ねたa-Si／a-Siタンデムセル、更に長波長光感度向
上を狙ってボトムセルにa-SiGeセルを適用したa-Si／a-
SiGeタンデムセル等が考えられ、それぞれの場合につい
て光電変換層のトータル膜厚は０．３〜０．６μmであ
る。
【０００４】また、a-Si太陽電池よりも長波長感度に優
れた太陽電池としてｐｉｎ構造のｉ層に微結晶シリコン
（以下μ-Si と記す）あるいは微結晶シリコンゲルマニ
ウム（以下μ-SiGe と記す）を用いた太陽電池も考えら
れる。これらのμ-Si あるいはμ-SiGe を用いた太陽電
池は、光電変換層が間接遷移型であるため、a-Siに比べ
てｉ層を厚くするする必要があるが、テクスチヤー電極
を適用して光閉じ込めを行えば、μ-Si セルで２〜４μ
m、μ-SiGe セルで０．５〜１μmの膜厚で十分な光吸収
が可能となる。
れた太陽電池としてｐｉｎ構造のｉ層に微結晶シリコン
（以下μ-Si と記す）あるいは微結晶シリコンゲルマニ
ウム（以下μ-SiGe と記す）を用いた太陽電池も考えら
れる。これらのμ-Si あるいはμ-SiGe を用いた太陽電
池は、光電変換層が間接遷移型であるため、a-Siに比べ
てｉ層を厚くするする必要があるが、テクスチヤー電極
を適用して光閉じ込めを行えば、μ-Si セルで２〜４μ
m、μ-SiGe セルで０．５〜１μmの膜厚で十分な光吸収
が可能となる。
【０００５】この種の太陽電池はa-Si太陽電池と異なり
光劣化がないというメリットを持ち、さらにa-Siセルと
タンデム化をおこなえば一層の高効率化が可能となる。
これらの太陽電池の光電変換層は、プラズマＣＶＤ装置
により製膜される。通常、ガラス基板を用いた太陽電池
の場合はバッチ式あるいはインライン式の製膜装置で、
プラスチックフィルムあるいはステンレスフィルムを基
板に用いた太陽電池の場合はロールツーロール方式ある
いはステッピングロール方式の製膜装置が用いられる。
光劣化がないというメリットを持ち、さらにa-Siセルと
タンデム化をおこなえば一層の高効率化が可能となる。
これらの太陽電池の光電変換層は、プラズマＣＶＤ装置
により製膜される。通常、ガラス基板を用いた太陽電池
の場合はバッチ式あるいはインライン式の製膜装置で、
プラスチックフィルムあるいはステンレスフィルムを基
板に用いた太陽電池の場合はロールツーロール方式ある
いはステッピングロール方式の製膜装置が用いられる。
【０００６】一例を挙げれば、まず電極を形成した基板
を真空の反応室内に導入し、ヒーターにより１００〜４
００℃に加熱された状態で主ガスのモノシラン（以下Ｓ
ｉＨ 4 と記す）あるいはジシラン（以下Ｓｉ2 Ｈ6 と記
す）、および希釈ガスの水素、必要に応じてアルゴン等
の希ガスを添加し、１×１０-1〜数百Paに圧力コントロ
ールされたガス雰囲気中で製膜される。ｐ層あるいはｎ
層を製膜する場合は、原料ガス中にさらにジボラン（以
下Ｂ2 Ｈ6 と記す）あるいはホスフイン（以下ＰＨ3 と
記す）等が付加される。また、ローギヤップ材料である
a-SiGeあるいはμ-SiGe を製膜するためには、モノゲル
マン（以下ＧｅＨ4 と記す）あるいは四フツ化ゲルマン
（以下ＧｅＦ4 と記す）等を添加することにより可能と
なる。
を真空の反応室内に導入し、ヒーターにより１００〜４
００℃に加熱された状態で主ガスのモノシラン（以下Ｓ
ｉＨ 4 と記す）あるいはジシラン（以下Ｓｉ2 Ｈ6 と記
す）、および希釈ガスの水素、必要に応じてアルゴン等
の希ガスを添加し、１×１０-1〜数百Paに圧力コントロ
ールされたガス雰囲気中で製膜される。ｐ層あるいはｎ
層を製膜する場合は、原料ガス中にさらにジボラン（以
下Ｂ2 Ｈ6 と記す）あるいはホスフイン（以下ＰＨ3 と
記す）等が付加される。また、ローギヤップ材料である
a-SiGeあるいはμ-SiGe を製膜するためには、モノゲル
マン（以下ＧｅＨ4 と記す）あるいは四フツ化ゲルマン
（以下ＧｅＦ4 と記す）等を添加することにより可能と
なる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記のプラズマＣＶＤ
装置による製膜の場合、反応室内璧に吸着していた水蒸
気等が放出されて、原料ガス中に混入する。この放出さ
れたガスを脱離ガスと称する。小型の実験装置の場合、
内壁全体を百数十度以上の温度で１０時間前後加熱する
ことで脱離ガスの放出を促し、実用上ほとんど問題にな
らないレベルまで抑え込むことは可能である。しかしな
がら、大型の量産装置の場合、シール材として耐熱性の
低いフツ素ゴム等の樹胎製のＯリングを用いることが多
く、かつ、反応室の構造が複雑であるため、反応室全体
を１００℃以上に加熱することは極めて困難である。こ
のため、脱離ガスの放出を短時間でおこなうことは困難
であり、安定化に数日〜数週間という長い時間を要して
しまう。
装置による製膜の場合、反応室内璧に吸着していた水蒸
気等が放出されて、原料ガス中に混入する。この放出さ
れたガスを脱離ガスと称する。小型の実験装置の場合、
内壁全体を百数十度以上の温度で１０時間前後加熱する
ことで脱離ガスの放出を促し、実用上ほとんど問題にな
らないレベルまで抑え込むことは可能である。しかしな
がら、大型の量産装置の場合、シール材として耐熱性の
低いフツ素ゴム等の樹胎製のＯリングを用いることが多
く、かつ、反応室の構造が複雑であるため、反応室全体
を１００℃以上に加熱することは極めて困難である。こ
のため、脱離ガスの放出を短時間でおこなうことは困難
であり、安定化に数日〜数週間という長い時間を要して
しまう。
【０００８】一般に、太陽電池を連続的に生産する場
合、製膜装置の電極等に付着した膜をクリーニングする
目的で、数日〜数週間の本製膜の後に大気に戻す必要が
あり、このときに壁面に水分を吸着するため、装置立ち
上げ時は再度脱離ガスの影響を受ける。通常装置の稼働
率を上げるには、本製膜に移行する前に１０時間前後の
立ち上げ時間の必要がある。その間に製膜すると、脱離
ガスが安定化しない状態でセルを製造することになり、
結果的に製膜の開始時と終了時とで膜中酸素量は大きく
異なる。
合、製膜装置の電極等に付着した膜をクリーニングする
目的で、数日〜数週間の本製膜の後に大気に戻す必要が
あり、このときに壁面に水分を吸着するため、装置立ち
上げ時は再度脱離ガスの影響を受ける。通常装置の稼働
率を上げるには、本製膜に移行する前に１０時間前後の
立ち上げ時間の必要がある。その間に製膜すると、脱離
ガスが安定化しない状態でセルを製造することになり、
結果的に製膜の開始時と終了時とで膜中酸素量は大きく
異なる。
【０００９】一方、良く知られているように製膜雰囲気
に水蒸気が含まれると、その中の酸素が製膜されたa-S
i、a-SiGeあるいはμ-Si 中に取り込まれ、弱いｎ型の
ドーパントとして働く。このため、全くの同一条件でセ
ルを連続試作しても製膜開始時と長時間の製膜終了時と
ではｉ層および界面層からなる活性層中のドーパントプ
ロファイルが大きく異なることになり、安定したセルを
連続的に製造することは困難である。
に水蒸気が含まれると、その中の酸素が製膜されたa-S
i、a-SiGeあるいはμ-Si 中に取り込まれ、弱いｎ型の
ドーパントとして働く。このため、全くの同一条件でセ
ルを連続試作しても製膜開始時と長時間の製膜終了時と
ではｉ層および界面層からなる活性層中のドーパントプ
ロファイルが大きく異なることになり、安定したセルを
連続的に製造することは困難である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め本発明は、活性層を含む複数の薄膜光起電力素子の連
続形成において、活性層製膜時の不純物ドーピング量を
薄膜光起電力素子ごとあるいは時間的に変化させること
によって、脱離ガスの影響を補償するものとする。
め本発明は、活性層を含む複数の薄膜光起電力素子の連
続形成において、活性層製膜時の不純物ドーピング量を
薄膜光起電力素子ごとあるいは時間的に変化させること
によって、脱離ガスの影響を補償するものとする。
【００１１】そのようにすれば、製膜された膜中の不純
物濃度を最適量に制御することができる。添加量を変化
させる方法としては、予め事前に計測した脱ガスの時間
変化や膜中酸素量変化等に基づいて決められたプログラ
ムに従って変化させ、または製造装置内の脱離ガス量を
測定し、その測定値によって、薄膜光起電力素子の製造
時に添加するｐ型あるいはｎ型の元素のドーピング量を
制御する。
物濃度を最適量に制御することができる。添加量を変化
させる方法としては、予め事前に計測した脱ガスの時間
変化や膜中酸素量変化等に基づいて決められたプログラ
ムに従って変化させ、または製造装置内の脱離ガス量を
測定し、その測定値によって、薄膜光起電力素子の製造
時に添加するｐ型あるいはｎ型の元素のドーピング量を
制御する。
【００１２】何れの方法でも、脱離ガスの影響を補償す
ることができる。いずれにしろ、活性層製膜時に添加さ
れる任意のセルの膜中不純物濃度をＸn、膜中酸素濃度
をＹn としたとき、あるセルの膜中不純物濃度Ｘ0 、膜
中酸素濃度Ｙo を基準条件とし、比例定数kを用いて、 Ｘn ＝Ｘ0 ＋k（Ｙn −Ｙo ） なる関係が成り立つようにする。
ることができる。いずれにしろ、活性層製膜時に添加さ
れる任意のセルの膜中不純物濃度をＸn、膜中酸素濃度
をＹn としたとき、あるセルの膜中不純物濃度Ｘ0 、膜
中酸素濃度Ｙo を基準条件とし、比例定数kを用いて、 Ｘn ＝Ｘ0 ＋k（Ｙn −Ｙo ） なる関係が成り立つようにする。
【００１３】膜中酸素濃度Ｙn の基準値Ｙo からの偏差
に比例係数kを掛けた量を加えることによって、膜中不
純物濃度Ｘn を適量とすることができる。比例定数k
は、添加される不純物がｐ型の場合は正の値、ｎ型の場
合は負の値をとり、かつ、その絶対値が１×１０-4〜３
×１０-3の範囲内にあるものとする。
に比例係数kを掛けた量を加えることによって、膜中不
純物濃度Ｘn を適量とすることができる。比例定数k
は、添加される不純物がｐ型の場合は正の値、ｎ型の場
合は負の値をとり、かつ、その絶対値が１×１０-4〜３
×１０-3の範囲内にあるものとする。
【００１４】脱離ガスに由来する酸素が、ドナーとして
働くことを補償するためであるから、添加される不純物
がｐ型の場合は比例係数kは正の値、ｎ型の場合は負の
値をとる。その絶対値は後述のように、実験的に１×１
０-4〜３×１０-3の範囲内に或ることがわかった。薄膜
光起電力素子の製膜方法としては、プラズマＣＶＤにお
いて、薄膜光起電力素子としては非単結晶シリコンある
いは非単結晶シリコンゲルマニウムを主材料とするもの
において、後記実施例のように特に効果が顕著であっ
た。
働くことを補償するためであるから、添加される不純物
がｐ型の場合は比例係数kは正の値、ｎ型の場合は負の
値をとる。その絶対値は後述のように、実験的に１×１
０-4〜３×１０-3の範囲内に或ることがわかった。薄膜
光起電力素子の製膜方法としては、プラズマＣＶＤにお
いて、薄膜光起電力素子としては非単結晶シリコンある
いは非単結晶シリコンゲルマニウムを主材料とするもの
において、後記実施例のように特に効果が顕著であっ
た。
【００１５】製造装置としては、脱離ガスの影響を補償
する添加するｐ型あるいはｎ型の元素のドーピング量を
制御するため、製造装置内の脱離ガス量を測定する手
段、例えば電離真空計または質量分析計等を有するもの
とする。できれば複数備えれば、一方が不能になった場
合も対応できる。
する添加するｐ型あるいはｎ型の元素のドーピング量を
制御するため、製造装置内の脱離ガス量を測定する手
段、例えば電離真空計または質量分析計等を有するもの
とする。できれば複数備えれば、一方が不能になった場
合も対応できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】［実施例１］耐熱性のプラスチッ
クフィルムを用いa-Si／a-SiGe構造のタンデム型太陽電
池の連続試作を行った場合を例にとり説明する。試作し
たセルのサイズは４０cm×８０cmであり、試作数は４０
０個とした。作製したセルの構造を図２に示す。
クフィルムを用いa-Si／a-SiGe構造のタンデム型太陽電
池の連続試作を行った場合を例にとり説明する。試作し
たセルのサイズは４０cm×８０cmであり、試作数は４０
０個とした。作製したセルの構造を図２に示す。
【００１７】基板1上に銀の金属電極2 を介してa-Siの
第一ｎ層3 、a-SiGeの第一ｉ層4 、μ-Si の第一ｐ層5
、a-SiO の第二ｎ層6 、a-Siの第二ｉ層7 、a-SiO の
界面層8 、a-SiO の第二ｐ層9 がこの順に積層され、更
にその上に酸化インジウム錫(ITO) の透明電極10および
銀の櫛歯電極11が設けられている。例えば、金属電極2
から透明電極10の厚さはそれぞれ、１００〜２００nm、
１０〜２０nm、１００〜１５０nm、１０〜２０nm、１５
〜２０nm、１５０〜２００nm、５〜２０nm、４〜１５n
m、６０〜８０nmである。
第一ｎ層3 、a-SiGeの第一ｉ層4 、μ-Si の第一ｐ層5
、a-SiO の第二ｎ層6 、a-Siの第二ｉ層7 、a-SiO の
界面層8 、a-SiO の第二ｐ層9 がこの順に積層され、更
にその上に酸化インジウム錫(ITO) の透明電極10および
銀の櫛歯電極11が設けられている。例えば、金属電極2
から透明電極10の厚さはそれぞれ、１００〜２００nm、
１０〜２０nm、１００〜１５０nm、１０〜２０nm、１５
〜２０nm、１５０〜２００nm、５〜２０nm、４〜１５n
m、６０〜８０nmである。
【００１８】以下、図２のセルの製造方法につき説明す
る。基板1をロールツーロール方式の電極形成装置に搬
入し、金属電極2をスパッタリング法により製膜する。
装置を大気に戻して基板1を搬出した後に、基板1を図３
に摸式断面図を示すステッピングロール方式のプラズマ
ＣＶＤ装置にセットする。装置の立ち上げは１時間の真
空引きの後に反応室のヒーター設定温度を２５０〜３５
０℃とし、水素を導入して３〜６時間の脱ガス処理をお
こなう。必要に応じて０．５〜１時間の反応室プレデポ
ジションをおこない、その後、a-Si、a-SiGe、a-SiO の
膜3〜9の製膜を次のようにおこなう。
る。基板1をロールツーロール方式の電極形成装置に搬
入し、金属電極2をスパッタリング法により製膜する。
装置を大気に戻して基板1を搬出した後に、基板1を図３
に摸式断面図を示すステッピングロール方式のプラズマ
ＣＶＤ装置にセットする。装置の立ち上げは１時間の真
空引きの後に反応室のヒーター設定温度を２５０〜３５
０℃とし、水素を導入して３〜６時間の脱ガス処理をお
こなう。必要に応じて０．５〜１時間の反応室プレデポ
ジションをおこない、その後、a-Si、a-SiGe、a-SiO の
膜3〜9の製膜を次のようにおこなう。
【００１９】まず、基板温度２００〜２５０℃でＳｉＨ
4 を主ガス、水素（以下Ｈ2 と記す）を希釈ガス、ＰＨ
3 をドーピングガスとしてa-Siの第一ｎ層3を製膜し、
その後、同じ基板温度でＳｉＨ4 とＧｅＨ4 を主ガス、
Ｈ2 を希釈ガス、ＰＨ3 を微量添加ガスとしてa-SiGeか
らなる第一ｉ層4を製膜する。ここで、第一ｉ層4は平均
的なバンドギャップを１．５eVとし、更にバンドプロフ
ァイリングを施した。
4 を主ガス、水素（以下Ｈ2 と記す）を希釈ガス、ＰＨ
3 をドーピングガスとしてa-Siの第一ｎ層3を製膜し、
その後、同じ基板温度でＳｉＨ4 とＧｅＨ4 を主ガス、
Ｈ2 を希釈ガス、ＰＨ3 を微量添加ガスとしてa-SiGeか
らなる第一ｉ層4を製膜する。ここで、第一ｉ層4は平均
的なバンドギャップを１．５eVとし、更にバンドプロフ
ァイリングを施した。
【００２０】その後、基板温度を１００℃とし、ＳｉＨ
4 を主ガス、Ｈ2 を希釈ガス、Ｂ2Ｈ6 をドーピングガ
スとしてμ-Si の第一ｐ層5 を製膜する。次に基板温度
１５０〜２００℃でＳｉＨ4 および炭酸ガス（以下ＣＯ
2 と記す）を主ガス、Ｈ2 を希釈ガス、ＰＨ3 をドーピ
ングガスとしてa-SiOの第二ｎ層6を製膜する。
4 を主ガス、Ｈ2 を希釈ガス、Ｂ2Ｈ6 をドーピングガ
スとしてμ-Si の第一ｐ層5 を製膜する。次に基板温度
１５０〜２００℃でＳｉＨ4 および炭酸ガス（以下ＣＯ
2 と記す）を主ガス、Ｈ2 を希釈ガス、ＰＨ3 をドーピ
ングガスとしてa-SiOの第二ｎ層6を製膜する。
【００２１】その後、基板温度１６０〜２００℃でＳｉ
Ｈ4 を主ガス、Ｈ2 を希釈ガス、ＰＨ3 を微量ドーピン
グガスとしてa-Siの第二ｉ層7を製膜する。その後に基
板温度を１４０〜１８０℃としてa-SiOの界面層8と第二
ｐ層9を順次製膜する。a-Si系膜の製膜が完了した後
に、基板温度を１５０〜２００℃としてITO膜の透明電
極10を形成する。ここでITO膜はステツピングロール製
膜装置の中にスパッタ室を設けて一括で製膜しても、ロ
ールツーロール製膜装置に移して製膜してもどちらでも
良い。
Ｈ4 を主ガス、Ｈ2 を希釈ガス、ＰＨ3 を微量ドーピン
グガスとしてa-Siの第二ｉ層7を製膜する。その後に基
板温度を１４０〜１８０℃としてa-SiOの界面層8と第二
ｐ層9を順次製膜する。a-Si系膜の製膜が完了した後
に、基板温度を１５０〜２００℃としてITO膜の透明電
極10を形成する。ここでITO膜はステツピングロール製
膜装置の中にスパッタ室を設けて一括で製膜しても、ロ
ールツーロール製膜装置に移して製膜してもどちらでも
良い。
【００２２】透明電極10はシート抵抗２０〜５０Ω／□
と比較的高抵抗であるため、透明電極10上にグリッド電
極11を形成することが多い。このようにしてセルが完成
する。あるいは基板に開けた穴を通して集電するＳＣＡ
Ｆ構造をとっても良い。製膜は４００個のセルをタクト
タイムは３０分で試作し、トータル時間約２００時間と
なる。
と比較的高抵抗であるため、透明電極10上にグリッド電
極11を形成することが多い。このようにしてセルが完成
する。あるいは基板に開けた穴を通して集電するＳＣＡ
Ｆ構造をとっても良い。製膜は４００個のセルをタクト
タイムは３０分で試作し、トータル時間約２００時間と
なる。
【００２３】十分な脱ガス処理をおこなわずに上記のセ
ル試作をセルごとに全く同一の条件で行うと、先に述べ
たように製膜室の脱離ガス量の変化の影響を受けて膜中
酸素量が変化してセルの特性は変動する。そこで、予備
試作で膜中の酸素量の変化をあらかじめ計測し、その結
果に基づき本試作をおこなった。本試作では微量添加ガ
スＰＨ3 の添加量をセルごとに変化させた。
ル試作をセルごとに全く同一の条件で行うと、先に述べ
たように製膜室の脱離ガス量の変化の影響を受けて膜中
酸素量が変化してセルの特性は変動する。そこで、予備
試作で膜中の酸素量の変化をあらかじめ計測し、その結
果に基づき本試作をおこなった。本試作では微量添加ガ
スＰＨ3 の添加量をセルごとに変化させた。
【００２４】図４は、４００セルの予備試作をおこなっ
たときのボトムi層およびトップi層（すなわち第一ｉ層
4 と第二ｉ層7 ）中の酸素量の変化を示す特性図であ
る。双方とも試作開始時は膜中酸素量が試作終了時の４
〜６倍と大きいことがわかる。また、２００時間におよ
ぶ試作中に完全に安定することなく変化し続けているこ
とがわかる。この影響を打ち消すためには、i層製膜時
の不純物添加量を変化させる必要がある。
たときのボトムi層およびトップi層（すなわち第一ｉ層
4 と第二ｉ層7 ）中の酸素量の変化を示す特性図であ
る。双方とも試作開始時は膜中酸素量が試作終了時の４
〜６倍と大きいことがわかる。また、２００時間におよ
ぶ試作中に完全に安定することなく変化し続けているこ
とがわかる。この影響を打ち消すためには、i層製膜時
の不純物添加量を変化させる必要がある。
【００２５】試作セル中の任意のNo．n のセルの不純物
添加量をＸnとし、これを求める以下の実験式（1）を作
成した。
添加量をＸnとし、これを求める以下の実験式（1）を作
成した。
【００２６】
【数１】
Ｘn＝Ｘm＋k（Ｙn −Ｙm）…………………（1）
ここで、Ｙn 、Ｙm、Ｘm 、kは入力パラメータであり、
内容は次のとおりである。Ｙn は任意のNo．ｎのセルの
膜中酸素量であり、特性曲線あるいは一般式として与え
る必要がある。ＹmおよびＸmは、それぞれ基準となる試
作No．mのi層中酸素量および不純物添加量であり、定数
として入力する。kは比例定数であり、不純物の種類やi
層膜質および膜厚に対する依存性を持ち、添加される不
純物がｐ型の場合は正の値、ｎ型の場合は負の値をと
る。
内容は次のとおりである。Ｙn は任意のNo．ｎのセルの
膜中酸素量であり、特性曲線あるいは一般式として与え
る必要がある。ＹmおよびＸmは、それぞれ基準となる試
作No．mのi層中酸素量および不純物添加量であり、定数
として入力する。kは比例定数であり、不純物の種類やi
層膜質および膜厚に対する依存性を持ち、添加される不
純物がｐ型の場合は正の値、ｎ型の場合は負の値をと
る。
【００２７】（1）式ではＸnを膜中不純物濃度とした
が、ガス中の添加濃度と考えてもかまわない。また、不
純物の添加方法としては必ずしもi層全体に均一に添加
するだけではなく、プロファイルを持たせることも考え
られる。ここではまず、Ｘnを平均ガス中濃度（ＰＨ3
／ＳｉＨ4 ）として議論を進める。（1）式をトップi層
およびボトムi層に対して導出するために試作の初期お
よび終了直前でそれぞれトップi層およびボトムi層の最
適不純物添加量を求める実験を行った。図５は一例とし
て、ボトムi層の最適不純物添加量を検討した不純物添
加量特性図である。
が、ガス中の添加濃度と考えてもかまわない。また、不
純物の添加方法としては必ずしもi層全体に均一に添加
するだけではなく、プロファイルを持たせることも考え
られる。ここではまず、Ｘnを平均ガス中濃度（ＰＨ3
／ＳｉＨ4 ）として議論を進める。（1）式をトップi層
およびボトムi層に対して導出するために試作の初期お
よび終了直前でそれぞれトップi層およびボトムi層の最
適不純物添加量を求める実験を行った。図５は一例とし
て、ボトムi層の最適不純物添加量を検討した不純物添
加量特性図である。
【００２８】変換効率が最高になる最適値は、試作開始
時にはＰＨ3 無添加ないしＢ2 Ｈ6添加側に有るのに対
し、試作終了時にはＰＨ3 を１ppm 以上にしなければな
らない。すなわち試作開始時にはＰＨ3 、脱離ガスによ
るｎ型ドーピングがなされていたことになる。図６は、
これらの結果から導かれたトップi層およびボトムi層の
最適ＰＨ3 添加量曲線である。
時にはＰＨ3 無添加ないしＢ2 Ｈ6添加側に有るのに対
し、試作終了時にはＰＨ3 を１ppm 以上にしなければな
らない。すなわち試作開始時にはＰＨ3 、脱離ガスによ
るｎ型ドーピングがなされていたことになる。図６は、
これらの結果から導かれたトップi層およびボトムi層の
最適ＰＨ3 添加量曲線である。
【００２９】ここで、この曲線に対応した（1）式中のk
の値は、ボトムi層で−２． ４×１０-20 、トップi層
で−９．５×１０-21 である。しかしこの値は物理的な
意味をもっていない。図６中のkの値は、膜中の酸素濃
度と不純物添加濃度との比に直したものであり、ボトム
i層で−１．０×１０-3、トップi層で−４．２×１０-4
となった。前述のとおり、kの値は不純物の種類やi層膜
質および膜厚に依存する。他の例としてボトムi層膜厚
３００nmのa-Si／a-Siタンデムセル場合、ボトムi層へ
の微量添加元素はｐ型のホウ素であり、kは２．１×１
０-4であった。
の値は、ボトムi層で−２． ４×１０-20 、トップi層
で−９．５×１０-21 である。しかしこの値は物理的な
意味をもっていない。図６中のkの値は、膜中の酸素濃
度と不純物添加濃度との比に直したものであり、ボトム
i層で−１．０×１０-3、トップi層で−４．２×１０-4
となった。前述のとおり、kの値は不純物の種類やi層膜
質および膜厚に依存する。他の例としてボトムi層膜厚
３００nmのa-Si／a-Siタンデムセル場合、ボトムi層へ
の微量添加元素はｐ型のホウ素であり、kは２．１×１
０-4であった。
【００３０】さまざまな構造のセルとkの関係を調べた
が、kの絶対値は１×１０-4〜３×１０-3の範囲内にあ
ることが分かった。次に、図６の曲線に従ってセルごと
のＰＨ3 添加量を変化させて４００セルの本試作を行っ
た。図１はその試作結果であり、縦軸に１０セルごとに
平均化された効率をプロットしたものである。横軸は試
作セルの番号である。
が、kの絶対値は１×１０-4〜３×１０-3の範囲内にあ
ることが分かった。次に、図６の曲線に従ってセルごと
のＰＨ3 添加量を変化させて４００セルの本試作を行っ
た。図１はその試作結果であり、縦軸に１０セルごとに
平均化された効率をプロットしたものである。横軸は試
作セルの番号である。
【００３１】比較のため同図には、従来例としてＰＨ3
添加量を変化させずに試作を行った結果も示す。両者の
比較から、本発明を適用することによって、セルの変換
効率が格段に安定化し、向上していることが分かる。従
来は試作開始付近でＰＨ3 添加量を最適化してしまった
ため、終了直前では変換効率が０．７ポイントも低下し
ていた。それに対し、本発明品の向上は、膜中酸素量の
変化がＰＨ3 添加量を変えることにより期待通り補償さ
れたためである。
添加量を変化させずに試作を行った結果も示す。両者の
比較から、本発明を適用することによって、セルの変換
効率が格段に安定化し、向上していることが分かる。従
来は試作開始付近でＰＨ3 添加量を最適化してしまった
ため、終了直前では変換効率が０．７ポイントも低下し
ていた。それに対し、本発明品の向上は、膜中酸素量の
変化がＰＨ3 添加量を変えることにより期待通り補償さ
れたためである。
【００３２】試作全体の平均効率も従来例９．０% に対
して、本実施例は９．５% と大幅に向上した。さらに、
本実施例のセルの光照射に対する安定性を調べるために
二つの試作の中から３セルづつ（No．10，200，400）
を取り出し、連続光照射試験を実施した。その結果は表
１のとおりであり、本実施例のセルは、初期および光照
射後とも変換効率が高いレベルで安定していることが分
かった。
して、本実施例は９．５% と大幅に向上した。さらに、
本実施例のセルの光照射に対する安定性を調べるために
二つの試作の中から３セルづつ（No．10，200，400）
を取り出し、連続光照射試験を実施した。その結果は表
１のとおりであり、本実施例のセルは、初期および光照
射後とも変換効率が高いレベルで安定していることが分
かった。
【００３３】
【表１】
すなわち、本実施例により、i層中酸素濃度は初期の４
〜６×１０19atms／cm3から終了直前の７〜９×１０18a
tms／cm3まで大幅に変化するが、ＣＶＤ時のドーピング
不純物添加量を（1）式に従って変化させてその変化を
補償することにより、安定したしかも高い変換効率特性
が得られることが確認できた。
〜６×１０19atms／cm3から終了直前の７〜９×１０18a
tms／cm3まで大幅に変化するが、ＣＶＤ時のドーピング
不純物添加量を（1）式に従って変化させてその変化を
補償することにより、安定したしかも高い変換効率特性
が得られることが確認できた。
【００３４】［実施例２］次に、図３の装置断面図に示
したように、i層の製膜室に脱離ガス量分析装置17を設
置し、計測された値に基づいて能動的に不純物添加量を
変化させる方法を試みた。脱離ガス量の分析装置として
は質量分析計を使用した。他に電離真空計も考えられ
る。電離真空計は、フィルム基板用のステッピングロー
ル製膜装置やガラス基板用のインライン装置等のように
タクトごとに真空引きするプロセスが入る場合に使用可
能であるが、ロールツーロール製膜装置のように途中で
真空引きを行わない場合は使用できない。ロールツーロ
ール製膜装置に対しては質量分析計が有効である。
したように、i層の製膜室に脱離ガス量分析装置17を設
置し、計測された値に基づいて能動的に不純物添加量を
変化させる方法を試みた。脱離ガス量の分析装置として
は質量分析計を使用した。他に電離真空計も考えられ
る。電離真空計は、フィルム基板用のステッピングロー
ル製膜装置やガラス基板用のインライン装置等のように
タクトごとに真空引きするプロセスが入る場合に使用可
能であるが、ロールツーロール製膜装置のように途中で
真空引きを行わない場合は使用できない。ロールツーロ
ール製膜装置に対しては質量分析計が有効である。
【００３５】この方法によっても実施例１と同様の特性
が安定した高効率の製膜ができた。実施例１と実施例２
とを比較すると、実施例１の方法では、不純物の添加曲
線が一義的に決まるため変化に対応できないという欠点
がある。例えば、本製膜前の脱ガス時間が標準と大きく
変わってしまった場合や、装置のトラブル等で本製膜の
途中で中断が入ってしまった場合などに最適不純物添加
量が変化してしまい、安定した特性の膜が得られない。
が安定した高効率の製膜ができた。実施例１と実施例２
とを比較すると、実施例１の方法では、不純物の添加曲
線が一義的に決まるため変化に対応できないという欠点
がある。例えば、本製膜前の脱ガス時間が標準と大きく
変わってしまった場合や、装置のトラブル等で本製膜の
途中で中断が入ってしまった場合などに最適不純物添加
量が変化してしまい、安定した特性の膜が得られない。
【００３６】これに対し、実施例２の方法は能動的な制
御なので、そのような変化にも対応できるというメリッ
トがある。一方で、実施例２の場合、フィラメント切れ
等のトラブルがデメリットとして考えられる。そこで、
脱離ガス量分析装置を２台備えるか、或いは実施例１と
併用することが有効である。尚、上記実施例では、タン
デムセルのi層にｎ型ドーバントであるＰＨ3 を添加す
る場合を例にとり説明したが、デバイスによってはｐ型
のドーバントを添加する場合も考えられる。その場合
は、Ｂ2 Ｈ6 等のガスを使用し、ＰＨ3 とは逆に膜中酸
素量の減少に対して、添加量を減少させる必要がある。
また、試作の途中で添加すべきドーバントがｐ型からｎ
型に変わる場合も考えられるが、このような場合も対応
可能である。
御なので、そのような変化にも対応できるというメリッ
トがある。一方で、実施例２の場合、フィラメント切れ
等のトラブルがデメリットとして考えられる。そこで、
脱離ガス量分析装置を２台備えるか、或いは実施例１と
併用することが有効である。尚、上記実施例では、タン
デムセルのi層にｎ型ドーバントであるＰＨ3 を添加す
る場合を例にとり説明したが、デバイスによってはｐ型
のドーバントを添加する場合も考えられる。その場合
は、Ｂ2 Ｈ6 等のガスを使用し、ＰＨ3 とは逆に膜中酸
素量の減少に対して、添加量を減少させる必要がある。
また、試作の途中で添加すべきドーバントがｐ型からｎ
型に変わる場合も考えられるが、このような場合も対応
可能である。
【００３７】また、本実施例はa-Si／a-SiGeタンデムセ
ルを例にとり説明したが、a-Siシングルセルやa-Si／a-
Siタンデムセル等に対しても有効である。さらには、微
結晶シリコンや微結晶シリコンゲルマニウムをi層に適
用したセルに対しても有効である。特に、これらのセル
は、a-Siセルよりも膜が構造敏感であり、かつ、膜厚が
厚いため、電界プロファイルの変化が大きい。従って、
a-Siセル以上に本発明の適用が効果的である。
ルを例にとり説明したが、a-Siシングルセルやa-Si／a-
Siタンデムセル等に対しても有効である。さらには、微
結晶シリコンや微結晶シリコンゲルマニウムをi層に適
用したセルに対しても有効である。特に、これらのセル
は、a-Siセルよりも膜が構造敏感であり、かつ、膜厚が
厚いため、電界プロファイルの変化が大きい。従って、
a-Siセル以上に本発明の適用が効果的である。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、a-
Siセルや微結晶シリコンセル等の薄膜太陽電池を連続的
に生産する際に、プログラムに基づき、或いは変化を検
知するセンサを備えて、活性層への不純物添加量をセル
ごとに変化させることで、製膜時の脱離ガスに由来する
膜中酸素量の変化を補償し、変換効率を高いレベルで安
定化させることが可能となった。これにより、特性の安
定した高効率の太陽電池を提供することが可能となっ
た。
Siセルや微結晶シリコンセル等の薄膜太陽電池を連続的
に生産する際に、プログラムに基づき、或いは変化を検
知するセンサを備えて、活性層への不純物添加量をセル
ごとに変化させることで、製膜時の脱離ガスに由来する
膜中酸素量の変化を補償し、変換効率を高いレベルで安
定化させることが可能となった。これにより、特性の安
定した高効率の太陽電池を提供することが可能となっ
た。
【図１】本発明により試作したセルと従来例によるセル
の変換効率の推移比較図
の変換効率の推移比較図
【図２】本発明により連続試作したa-Si／a-SiGeタンデ
ムセルの断面構造図
ムセルの断面構造図
【図３】ステッピングロール装置の模式断面図
【図４】４００セル連続試作時の膜中酸素量の変化を示
す特性図
す特性図
【図５】ボトムi層への不純物添加量と変換効率の関係
を示す特性図
を示す特性図
【図６】トップi層およびボトムi層の最適PH3添加量曲
線図
線図
1 フィルム基板
2 金属電極
3 第一n層
4 第一i層またはボトムi 層
5 第一P層
6 第二n層
7 第二i層またはトップi 層
8 第二p／i界面層
9 第二p層
10 透明電極
11 送りロール
12 巻取りロール
13 共通室
14 反応室
15 可動式ヒーター
16 RF電極
17 脱離ガス量分析装置
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5F045 AA08 AB04 AC01 AC19 AD05
AD06 BB04 CA13 DP22 DQ15
EB02 EK22 EK23 GB01 GB07
5F051 AA05 BA17 CA01 CA07 CA09
CA15 DA04 DA17 FA02 FA06
GA03
Claims (10)
- 【請求項１】活性層を含む複数の薄膜光起電力素子の連
続形成において、活性層製膜時の不純物ドーピング量を
薄膜光起電力素子ごとあるいは時間的に変化させること
によって、脱離ガスの影響を補償することを特徴とする
薄膜光起電力素子の製造方法。 - 【請求項２】予め決められたプログラムに従って、不純
物ドーピング量を変化させることを特徴とする請求項１
に記載の薄膜光起電力素子の製造方法。 - 【請求項３】薄膜光起電力素子の製造装置内の脱離ガス
量を測定し、その測定値によって、薄膜光起電力素子の
製造時に添加するｐ型あるいはｎ型の元素のドーピング
量を制御することを特徴とする請求項１に記載の薄膜光
起電力素子の製造方法。 - 【請求項４】活性層製膜時に添加される任意のセルの膜
中不純物濃度をＸn、膜中酸素濃度をＹn としたとき、
あるセルの膜中不純物濃度Ｘ0 、膜中酸素濃度Ｙo を基
準条件とし、比例定数kを用いて、 Ｘn ＝Ｘ0 ＋k（Ｙn −Ｙo ） なる関係が成り立つことを特徴とする請求項２または３
に記載の薄膜光起電力素子の製造方法。 - 【請求項５】比例定数kが添加される不純物がｐ型の場
合は正の値、ｎ型の場合は負の値をとり、かつ、膜中の
酸素濃度と不純物添加濃度との比の場合の絶対値が１×
１０-4〜３×１０-3の範囲内にあることを特徴とする請
求４に記載の薄膜光起電力素子の製造方法。 - 【請求項６】薄膜光起電力素子の製膜方法がプラズマＣ
ＶＤによることを特徴とする請求項１ないし５のいずれ
かに記載の薄膜光起電力素子の製造方法。 - 【請求項７】製造される薄膜光起電力素子が非単結晶シ
リコンあるいは非単結晶シリコンゲルマニウムを主材料
とすることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに
記載の薄膜光起電力素子の製造方法。 - 【請求項８】薄膜光起電力素子の製造装置において、脱
離ガスの影響を補償する添加するｐ型あるいはｎ型の元
素のドーピング量を決めるため、製造装置内の脱離ガス
量を測定する手段を有することを特徴とする薄膜光起電
力素子の製造装置。 - 【請求項９】脱離ガス量を測定する手段を複数備えるこ
とを特徴とする請求項８に記載の薄膜光起電力素子の製
造装置。 - 【請求項１０】脱離ガス量を測定する手段が、電離真空
計または質量分析計であることを特徴とする請求項８ま
たは９に記載の薄膜光起電力素子の製造装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001355591A JP2003158281A (ja) | 2001-11-21 | 2001-11-21 | 薄膜光起電力素子の製造方法および製造装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001355591A JP2003158281A (ja) | 2001-11-21 | 2001-11-21 | 薄膜光起電力素子の製造方法および製造装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003158281A true JP2003158281A (ja) | 2003-05-30 |
Family
ID=19167270
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001355591A Pending JP2003158281A (ja) | 2001-11-21 | 2001-11-21 | 薄膜光起電力素子の製造方法および製造装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003158281A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008240034A (ja) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 真空処理装置および真空処理装置の運転方法 |
| WO2009157084A1 (ja) * | 2008-06-27 | 2009-12-30 | 三菱重工業株式会社 | 真空処理装置および真空処理装置の運転方法 |
-
2001
- 2001-11-21 JP JP2001355591A patent/JP2003158281A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008240034A (ja) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 真空処理装置および真空処理装置の運転方法 |
| WO2009157084A1 (ja) * | 2008-06-27 | 2009-12-30 | 三菱重工業株式会社 | 真空処理装置および真空処理装置の運転方法 |
| US8529704B2 (en) | 2008-06-27 | 2013-09-10 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Vacuum processing apparatus and operating method for vacuum processing apparatus |
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