JP2004363577A - Semiconductor thin film, photoelectric conversion device and photovoltaic device using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 高品質で光安定性に優れた非晶質系Si半導体膜およびこれを用いた高効率かつ低光劣化率の光電変換装置を実現すること。
【解決手段】 少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比(ITA/ITO)が0.35以下で、かつ前記ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が60%以下である半導体薄膜とする。これにより、半導体薄膜の短距離秩序構造が大幅に改善された非晶質系Si膜が得られ、それを用いる光電変換装置の高効率化、および光劣化率の低減を図ることができる。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an amorphous Si semiconductor film having high quality and excellent light stability, and to realize a photoelectric conversion device using the same and having a high efficiency and a low light deterioration rate.
SOLUTION: The ratio of the TA mode scattering peak intensity I TA to the TO mode scattering peak intensity I TO ( ITA / I TO ) containing at least silicon and hydrogen and obtained by a Raman scattering spectrum is 0.35 or less, and The semiconductor thin film has a crystallization ratio defined by the Raman scattering spectrum of 60% or less. As a result, an amorphous Si film in which the short-range ordered structure of the semiconductor thin film is significantly improved can be obtained, and the efficiency of a photoelectric conversion device using the film can be improved and the rate of photodegradation can be reduced.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、少なくともSi(シリコン)およびH(水素)を含有する非晶質系Si半導体薄膜、およびこの半導体薄膜を利用した太陽電池等の光電変換装置ならびにそれを発電手段として用いた光発電装置に関する。 The present invention relates to an amorphous Si semiconductor thin film containing at least Si (silicon) and H (hydrogen), a photoelectric conversion device such as a solar cell using the semiconductor thin film, and a photovoltaic device using the same as power generation means. About.
水素化アモルファスシリコン(以下、a−Si:Hともいう)に代表される非晶質Si系膜を利用したデバイスは、今日では非常に多岐にわたっているが、近年、エネルギー問題や地球環境問題への世間の関心が高まる中で特に注目を集めてきているのが太陽電池である。 Devices using amorphous Si-based films typified by hydrogenated amorphous silicon (hereinafter also referred to as a-Si: H) are very diversified today. Solar cells have been particularly attracting attention as public interest has increased.
太陽電池における非晶質Siの特長は、結晶質Si(微結晶Si膜を含む)に比べて光吸収係数が非常に大きいために、光電変換層として必要な膜厚は結晶質Siの場合の数分の1でよく(0.5μm程度以下)、PECVD法(プラズマCVD法)などのCVD法(化学気相堆積法)で膜形成する場合、結晶質Siを用いる場合に比べて生産性に非常に優れているということにある。しかし、非晶質Siには一般にStaebler-Wronski効果と呼ばれる光劣化現象があることが古くから知られており、この膜を用いた太陽電池は光照射によって効率が10〜15%程度も低下してしまうという問題を、現在に至るまで抱え続けている。 The feature of amorphous Si in a solar cell is that the light absorption coefficient is much larger than that of crystalline Si (including microcrystalline Si film). When the film is formed by a CVD method (chemical vapor deposition method) such as a PECVD method (plasma CVD method), the productivity is much lower than when crystalline Si is used. Is to be excellent. However, it has long been known that amorphous Si has a photodegradation phenomenon called the Staebler-Wronski effect, and the efficiency of a solar cell using this film is reduced by about 10 to 15% by light irradiation. To the present day.
光劣化現象のメカニズムは未だに明確になっていないが、水素に関係した現象であることはまず間違いないとされており、これまでに少なくとも2つの基本方針で光劣化を低減する研究が積み重ねられてきた。すなわち、〔1〕膜中Si−H2(ダイハイドライド)結合状態を低減する(Si−H(モノハイドライド)結合状態割合を高める)、〔2〕膜中水素濃度を低減する、というも基本方針がある。なお、これら〔1〕,〔2〕の基本方針には重なり合う部分がある。 Although the mechanism of the photodegradation phenomenon has not yet been clarified, it is argued that it is a phenomenon related to hydrogen, and research on reducing photodegradation by at least two basic policies has been accumulated. Was. In other words, [1] the basic policy is to reduce the Si—H 2 (die hydride) bonding state in the film (increase the proportion of the Si—H (monohydride) bonding state) and [2] reduce the hydrogen concentration in the film. There is. The basic policies of [1] and [2] have overlapping parts.
上記〔1〕は、膜中Si−H2密度が高い膜では光劣化が大きいという事実に基づいた方針である。膜中Si−H2密度の具体的低減方法については、様々な仮説のもとで多くの機関で研究が行なわれているが、一例を挙げれば、膜中Si−H2結合状態の起源を、気相中の高次シラン分子が膜中に取り込まれること、あるいは同分子が製膜表面での膜成長反応を乱す立体障害となることにあると考え、この高次シラン分子の生成反応にかかわるSiH2分子の生成を低減しようという方法が知られている。具体的には、PECVD法においてVHFプラズマに代表されるような低電子温度のプラズマを用い、また水素希釈率を最適化し(電子温度を極小化し)、さらに基板温度をある程度上げて(上限は350℃程度)製膜表面からの水素脱離反応を促進する、といった試みがなされており、製膜速度2nm/秒の条件下で、安定化効率8.2%、光劣化率12%といったa−Si:Hシングル素子特性が得られている(非特許文献1を参照)。しかしながら、このような安定化効率および光劣化率では未だ充分なものとはいえない。 The above-mentioned [1] is a policy based on the fact that a film having a high Si—H 2 density in the film has a large light degradation. Research on a specific method of reducing the density of Si—H 2 in a film has been carried out by many organizations under various hypotheses. For example, the origin of the Si—H 2 bond state in the film may be described. It is thought that the higher silane molecules in the gas phase are taken into the film, or that the molecules become steric hindrance that disrupts the film growth reaction on the film formation surface. Methods are known to reduce the production of the relevant SiH 2 molecules. Specifically, plasma of low electron temperature typified by VHF plasma is used in PECVD, hydrogen dilution rate is optimized (electron temperature is minimized), and substrate temperature is raised to some extent (upper limit is 350). Attempts have been made to promote the hydrogen elimination reaction from the film-forming surface. Under the conditions of a film-forming speed of 2 nm / sec, a-Si having a stabilization efficiency of 8.2% and a photo-deterioration rate of 12%: H single element characteristics are obtained (see Non-Patent Document 1). However, such stabilization efficiency and light degradation rate are not yet sufficient.
上記〔2〕は、例を挙げれば、PECVD法での膜形成において、膜堆積と水素プラズマ処理を交互に繰り返しながら膜成長表層から過剰な水素を引き抜くという方法が提案されている(特許文献1,2,3を参照)。しかしながら、この方法では結果的には期待されるような膜中水素濃度の充分な低減はみられない上に、膜堆積と水素プラズマ処理を多数回繰り返すために高製膜速度を得るのが困難であり、生産性が著しく悪いという問題を抱えている。また高効率と低光劣化率を同時に達成するにも至っていない。
上述したように、上記〔1〕の方法では、安定化効率および光劣化率は未だ充分なものとはいえない。また、上記〔2〕の方法では、結果的には期待されるような膜中水素濃度の充分な低減はみられないうえに、膜堆積と水素プラズマ処理を多数回繰り返すために高製膜速度を得るのが困難であり、生産性が著しく悪いという問題を抱えている。また高効率と低光劣化率を同時に達成できない。 As described above, in the above method [1], the stabilization efficiency and the light deterioration rate are not yet sufficient. In the above method [2], the hydrogen concentration in the film is not sufficiently reduced as expected, and the film deposition and hydrogen plasma treatment are repeated many times. Is difficult to obtain, and the productivity is extremely low. Also, high efficiency and low light degradation rate cannot be achieved at the same time.
そこで、本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高品質で光安定性に優れた非晶質系Si半導体膜およびこれを用いた高効率かつ低光劣化率の光電変換装置ならびに優れた光発電装置を実現することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide an amorphous Si semiconductor film having high quality and excellent light stability and a high efficiency and low light degradation rate using the same. And to realize an excellent photoelectric conversion device and an excellent photovoltaic device.
本発明の半導体薄膜は、1)少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比(ITA/ITO)が0.35以下で、かつ前記ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が60%以下であることを特徴とする。 The semiconductor thin film of the present invention 1) contains at least silicon and hydrogen, and has a ratio ( ITA / ITO ) of the TA mode scattering peak intensity I TA to the TO mode scattering peak intensity I TO obtained from the Raman scattering spectrum. 0.35 or less, and the crystallization ratio defined by the Raman scattering spectrum is 60% or less.
また、2)少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下であり、かつ前記ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が60%以下であることを特徴とする。 Also, 2) it contains at least silicon and hydrogen, the half-width of the scattering peak of the TO mode obtained by the Raman scattering spectrum is 65 cm -1 or less, and the crystallization ratio defined by the Raman scattering spectrum is 60% or less. It is characterized by being.
また上記1)または上記2)の構成において、前記半導体薄膜中のSi−H結合状態の存在密度σS−HおよびSi−H2結合状態の存在密度σSi−H2の和(σS−H+σSi−H2)に対するSi−H結合状態の存在密度σS−Hの比(σS−H/(σS−H+σSi−H2))が0.95以上であることを特徴とする。 In the configuration according to 1) or 2) above, the sum (σ S−H ) of the existing density σ S−H in the Si—H bonding state and the existing density σ Si−H2 in the Si—H 2 bonding state in the semiconductor thin film. + the ratio of the density sigma S-H of Si-H bonding state with respect to σ Si-H2) (σ S -H / (σ S-H + σ Si-H2)) is equal to or is less than 0.95.
また、本発明の光電変換装置は、4)上記1)乃至上記3)のいずれかの半導体薄膜を光活性部に含む1以上の半導体接合ユニットと、該半導体接合ユニットから電力を取り出すための電極とを備えたことを特徴とする。 Further, the photoelectric conversion device of the present invention includes: 4) at least one semiconductor junction unit including the semiconductor thin film according to any one of the above 1) to 3) in a photoactive portion; and an electrode for extracting power from the semiconductor junction unit. And characterized in that:
ここで特に、5)上記1)乃至上記3)のいずれかの半導体膜が非晶質系シリコンであり、特にラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比(ITA/ITO)が0.175以下である場合、膜中の歪みがより低減された状態となるので、光電変換装置の光劣化率をより低減するために好適である。 Here, particularly, 5) the semiconductor film of any of the above 1) to 3) is amorphous silicon, and in particular, the scattering peak intensity of the TA mode with respect to the scattering peak intensity I TO of the TO mode obtained from the Raman scattering spectrum. If the ratio of I TA (I TA / I tO ) is 0.175 or less, since a state in which distortion is further reduced in the film, it is suitable in order to reduce the rate of photodegradation of the photoelectric conversion device.
また、6)上記5)の非晶質系シリコンの半導体薄膜において、結晶化率が膜厚方向に向かって傾斜分布、あるいは階段状分布をなし、光入射側(表面側)から裏面側に向かって結晶化率が上昇するようにする。このようにすることで、光学的バンドギャップエネルギーが表面側から裏面側に向かって減少するバンドプロファイルを得ることができ、光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べてより効率的な光電変換が可能となり高効率化が実現できる。 6) In the amorphous silicon semiconductor thin film of the above 5), the crystallization ratio forms a gradient distribution or a stepwise distribution in the film thickness direction, and goes from the light incident side (front side) to the back side. To increase the crystallization rate. This makes it possible to obtain a band profile in which the optical bandgap energy decreases from the front side to the rear side, which is more than when the optical bandgap energy is constant in the film thickness direction. Efficient photoelectric conversion becomes possible and high efficiency can be realized.
また、7)上記5)の非晶質系シリコンの半導体薄膜において、結晶化率が膜厚方向に向かって空間的な周期分布をなし、その1周期の長さを100nm以下とし、好ましくは10nm以下とする。このようにすることで、光学的バンドギャップエネルギーが周期的に変調したバンドプロファイルを得ることでき、光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べてより効率的な光電変換が可能となり、高効率化が実現できる。特に周期長を10nm以下とすると、量子サイズ効果(量子井戸構造の形成)が現れ始め、より高効率化することができる。なお、この結晶化率の制御は、熱触媒体の温度制御で行なうのが望ましい。 7) In the amorphous silicon semiconductor thin film of the above 5), the crystallization ratio has a spatial periodic distribution in the film thickness direction, and the length of one cycle is 100 nm or less, preferably 10 nm. The following is assumed. By doing so, a band profile in which the optical band gap energy is periodically modulated can be obtained, and more efficient photoelectric conversion can be achieved as compared with the case where the optical band gap energy is constant in the film thickness direction. And high efficiency can be realized. In particular, when the period length is set to 10 nm or less, a quantum size effect (formation of a quantum well structure) starts to appear, and higher efficiency can be achieved. It is desirable to control the crystallization rate by controlling the temperature of the thermal catalyst.
また、8)上記5)の非晶質系シリコンの半導体薄膜中の光安定化前の初期ESRスピン密度が5×1015cm−3以下であると、この膜を光活性部として適用した場合に、同層での再結合電流が増大せずに高い素子特性が得られる。 8) If the initial ESR spin density before light stabilization in the amorphous silicon semiconductor thin film of the above 5) is 5 × 10 15 cm −3 or less, this film is used as a photoactive portion. In addition, high device characteristics can be obtained without increasing the recombination current in the same layer.
また、9)上記5)の非晶質系シリコンの半導体薄膜中の水素濃度が7原子%以下であると、素子特性の光安定性向上に大きく寄与する。 9) If the hydrogen concentration in the amorphous silicon semiconductor thin film of the above 5) is 7 atomic% or less, it greatly contributes to improvement of the light stability of the device characteristics.
また、10)上記5)の非晶質系シリコンの半導体薄膜の光学的バンドギャップエネルギーが1.7eV以下であるとよい。すなわち、これが1.7eVよりも大きい場合には、これをシングルセルの光活性層等に適用した際に、長波長光を充分に吸収・光電変換できずに光電流が低下し、結果として素子特性の低下を招来するからである。 10) It is preferable that the optical band gap energy of the amorphous silicon semiconductor thin film of the above 5) is 1.7 eV or less. In other words, when this is larger than 1.7 eV, when this is applied to a photoactive layer of a single cell or the like, the long-wavelength light cannot be sufficiently absorbed and photoelectrically converted, so that the photocurrent is reduced. This leads to a decrease in
また、11)上記5)の非晶質系シリコンの半導体薄膜がCVD法(化学気相堆積法)により形成されると、大面積にわたっての均一かつ均質な膜形成を行なうことができるので、太陽電池のような大面積デバイスの製造には特に好適である。 11) When the amorphous silicon semiconductor thin film of the above 5) is formed by a CVD method (chemical vapor deposition method), a uniform and uniform film can be formed over a large area. It is particularly suitable for manufacturing large area devices such as batteries.
また、前記非晶質系シリコンの半導体薄膜が基板温度100℃以上350℃以下で形成されるとよい。なぜなら、基板温度を100℃よりも低くすると、水素引き抜き効果が有効に働かなくなり膜中水素濃度を有効に低減できなくなる。一方、基板温度を350℃よりも高くした場合には、膜成長面からの水素の脱離が顕著となって膜中ダングリングボンド密度が上昇してしまい、高品質な膜が得られなくなるからである。 Further, the amorphous silicon semiconductor thin film is preferably formed at a substrate temperature of 100 ° C. or more and 350 ° C. or less. If the substrate temperature is lower than 100 ° C., the hydrogen extraction effect does not work effectively, and the hydrogen concentration in the film cannot be reduced effectively. On the other hand, when the substrate temperature is higher than 350 ° C., the desorption of hydrogen from the film growth surface becomes remarkable, the dangling bond density in the film increases, and a high-quality film cannot be obtained. It is.
また、12)上記5)の非晶質系シリコンの半導体薄膜がGe(ゲルマニウム),Sn(スズ),C(炭素),N(窒素),O(酸素)の少なくとも一種を含有すると、バンドギャップエネルギーを調節可能となるので(Ge,Snの場合は低エネルギー化の方向に調整可能、C,N,Oの場合は高エネルギー化の方向に調整可能であるので)、光電変換装置のバンドプロファイル設計の自由度を上げることができ、より高効率化を図る場合に好適である。 12) If the amorphous silicon semiconductor thin film of 5) contains at least one of Ge (germanium), Sn (tin), C (carbon), N (nitrogen) and O (oxygen), the band gap Since the energy can be adjusted (in the case of Ge and Sn, the energy can be adjusted in the direction of low energy, and in the case of C, N and O, the energy can be adjusted in the direction of high energy), the band profile of the photoelectric conversion device The degree of freedom of design can be increased, and this is suitable for higher efficiency.
さらに、本発明の光発電装置は、13)前記光電変換装置を発電手段として用い、該発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことを特徴とするものである。 Further, the photovoltaic device of the present invention is characterized in that 13) the photoelectric conversion device is used as power generation means, and the power generated by the power generation means is supplied to a load.
本発明の半導体薄膜によれば、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比が0.35以下で、ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が60%以下であるので、膜の短距離秩序構造が大幅に改善された非晶質系Si膜が得られ、それを用いる光電変換装置の高効率化、および光劣化率の低減を図ることができる。 According to the semiconductor thin film of the present invention, at least silicon and hydrogen are contained, the ratio of the TA mode scattering peak intensity I TA to the TO mode scattering peak intensity I TO obtained by the Raman scattering spectrum is 0.35 or less, and the Raman scattering spectrum Is 60% or less, an amorphous Si film in which the short-range ordered structure of the film is greatly improved can be obtained, and the efficiency of the photoelectric conversion device using the same can be improved, and The deterioration rate can be reduced.
また、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下であり、ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が60%以下であるので、膜の短距離秩序構造が大幅に改善された非晶質系Si膜が得られ、それを用いる光電変換装置の高効率化、および光劣化率の低減を図ることができる。 Further, it contains at least silicon and hydrogen, the half-width of the scattering peak of the TO mode obtained by the Raman scattering spectrum is 65 cm −1 or less, and the crystallization rate defined by the Raman scattering spectrum is 60% or less. An amorphous Si film in which the short-range order structure of the film is significantly improved can be obtained, and the efficiency of a photoelectric conversion device using the film can be increased and the rate of photodegradation can be reduced.
また、本発明の半導体薄膜によれば、ラマン散乱分光法による簡便な方法および装置でその膜質を容易に管理することができる。 Further, according to the semiconductor thin film of the present invention, the film quality can be easily managed by a simple method and apparatus using Raman scattering spectroscopy.
また、本発明の半導体薄膜によれば、半導体薄膜中のSi−H結合状態の存在密度およびSi−H2結合状態の存在密度の和に対するSi−H結合状態の存在密度の割合が0.95以上であるので、Si−H2結合に起因して生じる光劣化を大幅に低減することができ、それを用いる光電変換装置の高効率化、および光劣化率の低減を図ることができる。 Further, according to the semiconductor thin film of the present invention, the ratio of the existing density of the Si—H bonding state to the sum of the existing densities of the Si—H bonding state and the Si—H 2 bonding state in the semiconductor thin film is 0.95 or more. Therefore, light degradation caused by the Si—H 2 bond can be significantly reduced, and the efficiency of a photoelectric conversion device using the same and the rate of light degradation can be reduced.
また、本発明の光電変換装置によれば、上記半導体薄膜を光活性部に含む1以上の半導体接合ユニットと、該半導体接合ユニットから電力を取り出すための電極とを備えたので、光劣化率が低減された高効率の優れた太陽電池等の光電変換装置を提供できる。 Further, according to the photoelectric conversion device of the present invention, since one or more semiconductor junction units including the semiconductor thin film in the photoactive portion and electrodes for extracting power from the semiconductor junction units are provided, the light degradation rate is reduced. An excellent photoelectric conversion device such as a reduced solar cell with high efficiency can be provided.
さらに、本発明の光発電装置によれば、上記光電変換装置を発電手段として用い、発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことより、高効率の光発電装置を提供することができる。 Furthermore, according to the photovoltaic power generation device of the present invention, the photoelectric conversion device is used as a power generation means, and the power generated by the power generation means is supplied to the load, thereby providing a high efficiency photovoltaic power generation device. it can.
以下、本発明の半導体薄膜およびそれを用いた光電変換装置およびそれを発電手段として用いた光発電装置の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor thin film of the present invention, a photoelectric conversion device using the same, and a photovoltaic device using the same as power generation means will be described in detail.
<<実施形態1>>
本発明の非晶質系シリコン(以下、Si)膜を得るために、PECVD法の一種であるCat−PECVD法(熱触媒体内蔵カソード型プラズマCVD法;特開2001−313272号公報、特願2001−293031号等を参照)を用いて形成した例について以下説明する。なお、ここでいう非晶質系Si膜とは、後に定義するように、ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が0〜60%の範囲に入るものとし(すなわち非晶質Si膜は非晶質系Si膜に含まれる)、逆に結晶質系Si膜とは結晶化率が60〜100%の範囲に入るものとする。
<< First Embodiment >>
In order to obtain an amorphous silicon (hereinafter referred to as Si) film of the present invention, a Cat-PECVD method (cathode plasma CVD method with a built-in thermal catalyst; Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-313272; An example formed using the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-293031 will be described below. Note that, as described later, the amorphous Si film has a crystallization rate defined by a Raman scattering spectrum falling within a range of 0 to 60% (that is, the amorphous Si film is non-crystalline). (Included in crystalline Si film) Conversely, the crystalline Si film has a crystallization ratio in the range of 60 to 100%.
<Cat−PECVD法>
前記Cat−PECVD法を用いた場合、本発明の非晶質系Si膜は、プラズマ励起周波数としてVHF帯(27MHz以上:通常は40〜80MHz程度)を用い、カソード内部に設けられたTa(タンタル)、W(タングステン)あるいはC(炭素)等の高融点材料から成る熱触媒体の温度を1400〜2000℃、ガス流量比H2/SiH4を2〜20、基板温度を100〜350℃、ガス圧力を13〜665Pa、VHFプラズマパワー密度を0.01〜0.5W/cm2と設定した条件下で得られる。ここで、H2とSiH4とは製膜空間に放出されるまでは、分離された状態でそれぞれ異なったガス導入経路を通して導かれるようにし、H2のガス導入経路にはその経路の一部に前記カソード内に設置された熱触媒体が配設されているようにし、SiH4のガス導入経路には同熱触媒体が配設されていないようにする。このように、H2のみを熱触媒体で加熱活性化することで、SiH4が熱触媒体によって分解活性化して製膜空間に放出されるまでのガス導入経路中で膜堆積・消費されるのを防ぐことができると同時に、後記する熱触媒体使用効果を得ることができる。
<Cat-PECVD method>
When the Cat-PECVD method is used, the amorphous Si film of the present invention uses a VHF band (27 MHz or more: usually about 40 to 80 MHz) as a plasma excitation frequency, and uses Ta (tantalum) provided inside the cathode. ), A temperature of a thermal catalyst made of a high melting point material such as W (tungsten) or C (carbon) is 1400 to 2000 ° C., a gas flow ratio H 2 / SiH 4 is 2 to 20, a substrate temperature is 100 to 350 ° C. It can be obtained under the conditions that the gas pressure is set to 13 to 665 Pa and the VHF plasma power density is set to 0.01 to 0.5 W / cm 2 . Here, until H 2 and SiH 4 are released into the film forming space, they are led in different states through different gas introduction paths, and the H 2 gas introduction path is part of the paths. Is arranged in the cathode, and the thermal catalyst is not arranged in the SiH 4 gas introduction path. In this way, by activating only H 2 with the thermal catalyst, the film is deposited and consumed in the gas introduction path until SiH 4 is decomposed and activated by the thermal catalyst and released into the film forming space. Can be prevented, and at the same time, the effect of using a thermal catalyst described below can be obtained.
Cat−PECVD法では熱触媒体を用いることに起因するガスヒーティング効果によって、発熱反応である高次シラン生成反応(SinHm分子へのSiH2挿入反応)が抑制されるので、製膜空間における高次シラン分子の密度を低く抑えることができ、高次シラン分子の膜中への取り込まれや製膜表面での同分子による立体障害が低減される。 By a gas heating effects due to the use of thermal catalyst in the cat-PECVD method, the high-order silane formation reaction is exothermic (SiH 2 insertion reaction to Si n H m molecules) is suppressed, a film The density of higher order silane molecules in the space can be kept low, and the incorporation of higher order silane molecules into the film and steric hindrance due to the same molecules on the film formation surface are reduced.
この結果、膜中Si−H2結合状態の存在密度が大きく低減された非晶質系Si膜の形成が可能となる。また、ガスヒーティング効果はプラズマの電子温度を低下させる効果も有するので、プラズマ空間での原料ガスSiH4と電子との1電子衝突反応によるSiH2生成(同じく1電子衝突反応によるSiH3生成に比べて高い電子温度(衝突エネルギー)を要する)が抑制され、これによっても高次シラン生成反応(SinHm分子へのSiH2挿入反応)を抑制することができる。さらにCat−PECVD法では水素ラジカル生成を促進することもできるので、製膜表面からの水素引き抜き反応を促進し、膜中水素濃度を効果的に低減することができる。これらの効果により、後述するような短距離秩序(SRO:Short Range Order)が大きく改善された、光安定性に優れた非晶質系Si膜を得ることができる。 As a result, it becomes possible to form an amorphous Si film in which the existence density of the Si—H 2 bond state in the film is greatly reduced. In addition, since the gas heating effect also has the effect of lowering the electron temperature of the plasma, the generation of SiH 2 by the one-electron collision reaction between the source gas SiH 4 and the electrons in the plasma space (similarly, the generation of SiH 3 by the one-electron collision reaction). is compared require high electron temperature (collision energy) by) is suppressed, whereby it is possible to suppress the high-order silane formation reaction (SiH 2 insertion reaction to Si n H m molecules) also. Furthermore, since the Cat-PECVD method can also promote the generation of hydrogen radicals, the hydrogen abstraction reaction from the film formation surface can be promoted, and the hydrogen concentration in the film can be effectively reduced. By these effects, it is possible to obtain an amorphous Si film excellent in photostability, in which short-range order (SRO: Short Range Order) described later is greatly improved.
なお、Cat−PECVD法では、従来のPECVD法では困難であった製膜条件でも熱触媒体を導入した効果によって結晶化を促進できる作用があるため、以下に述べる結晶化率を制御する点において特に好適である。ここで膜中の結晶化領域の起源としては、(1)製膜表面での結晶化反応に起因するもの、(2)プラズマ空間中で生成されるSi微粒子(ナノメーターサイズの結晶クラスタ)が膜中へ取り込まれることに起因するもの、の少なくとも2種がある。 In the Cat-PECVD method, crystallization can be promoted by the effect of introducing a thermal catalyst even under film forming conditions that were difficult with the conventional PECVD method. Particularly preferred. Here, the origin of the crystallized region in the film is as follows: (1) those caused by the crystallization reaction on the film-forming surface, and (2) Si fine particles (crystal clusters of nanometer size) generated in the plasma space. There are at least two types, which are caused by being taken into the film.
<結晶化率>
結晶化率の制御は、水素希釈率(H2/SiH4ガス流量比)、熱触媒体温度、VHFパワー密度、製膜ガス圧力、および基板温度の組み合わせによって0〜100%の範囲で自由に行なうことができるが、結晶化率が大きくなりすぎると非晶質系としての特長が失われてしまうので、結晶化率は0〜60%までの範囲で調節し、より好適には0〜30%の範囲で調節するのが望ましい(結晶化率が60%以上のSi膜は、通常、微結晶Si膜の範疇に入り、700nm程度よりも短波長側での光吸収係数はほとんど結晶系のそれと同じ程度にまで低下してしまい本発明の目的には適合しない)。
<Crystallization rate>
The crystallization rate can be freely controlled in a range of 0 to 100% by a combination of a hydrogen dilution rate (H 2 / SiH 4 gas flow ratio), a thermal catalyst temperature, a VHF power density, a film forming gas pressure, and a substrate temperature. However, if the crystallization ratio is too large, the characteristics as an amorphous system will be lost. Therefore, the crystallization ratio is adjusted in the range of 0 to 60%, more preferably 0 to 30%. % (A Si film having a crystallization ratio of 60% or more usually falls within the category of a microcrystalline Si film, and the light absorption coefficient at a wavelength shorter than about 700 nm is almost the same as that of a crystalline system. To the same extent and does not meet the purpose of the present invention).
また、結晶化率を膜厚方向に向かって傾斜分布もしくは階段状分布、または構造的に周期分布とすることで、後述する光電変換素子の効率を向上させることができる(不図示)。すなわち、傾斜分布もしくは階段状分布とする場合は、光入射側(表面側)から裏面側に向かって結晶化率が上昇するようにする。このようにすることで、光学的バンドギャップエネルギーが表面側から裏面側に向かって減少するバンドプロファイルを得ることができ、光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べて、より効率的な光電変換(すなわち高効率化)が可能となる。また、周期分布とする場合は、1周期の長さを100nm以下とし、好ましくは10nm以下とする。このようにすることで、光学的バンドギャップエネルギーが周期的に変調したバンドプロファイルを得ることでき、光学的バンドギャップエネルギーが膜厚方向に向かって一定の場合に比べて、より効率的な光電変換(すなわち高効率化)が可能となる。特に周期長を10nm以下とすると、量子サイズ効果(量子井戸構造の形成)が現れ始め、より高効率化することができる。ここで結晶化率の制御は、熱触媒体の温度制御で行なうのが望ましい。すなわち、熱触媒体の温度制御は非常に高速でかつ精度よく行なうことができるので、製膜中に結晶化率を高速でかつ精度よく制御したい場合にきわめて好適である。 Further, the efficiency of a photoelectric conversion element, which will be described later, can be improved by setting the crystallization ratio to have a gradient distribution or a stepwise distribution in the film thickness direction or a periodic distribution in terms of structure (not shown). That is, in the case of a slope distribution or a stepwise distribution, the crystallization rate is increased from the light incident side (front side) to the back side. By doing so, it is possible to obtain a band profile in which the optical bandgap energy decreases from the front side to the rear side, compared to the case where the optical bandgap energy is constant in the film thickness direction. More efficient photoelectric conversion (that is, higher efficiency) becomes possible. In the case of a periodic distribution, the length of one period is 100 nm or less, preferably 10 nm or less. In this way, a band profile in which the optical band gap energy is periodically modulated can be obtained, and more efficient photoelectric conversion than when the optical band gap energy is constant in the film thickness direction. (That is, higher efficiency) can be achieved. In particular, when the period length is set to 10 nm or less, a quantum size effect (formation of a quantum well structure) starts to appear, and higher efficiency can be achieved. Here, it is desirable to control the crystallization rate by controlling the temperature of the thermal catalyst. That is, since the temperature control of the thermal catalyst can be performed at very high speed and with high accuracy, it is extremely suitable for controlling the crystallization rate at high speed and with high accuracy during film formation.
なお、本明細書中でいう結晶化率は、ラマン散乱スペクトルにおける結晶相ピーク強度/(結晶相ピーク強度+非晶質相ピーク強度)で定義されるものとし、結晶相ピーク強度は、500〜510cm−1でのピーク強度+520cm−1でのピーク強度とし、また、非晶質相ピーク強度は480cm−1でのピーク強度として定義するものとする。 In addition, the crystallization ratio referred to in this specification is defined as the crystal phase peak intensity / (crystal phase peak intensity + amorphous phase peak intensity) in the Raman scattering spectrum. a peak intensity of a peak intensity + 520 cm -1 at 510 cm -1, also an amorphous phase peak intensity shall be defined as the peak intensity at 480 cm -1.
<ラマン散乱特性>
さて、非晶質系Si膜の構造を記述する場合には秩序度を取り扱う場合が多く、特に短距離秩序(SRO:Short Range Order)は、膜品質や光安定性と非常に密接な関係があるとされている。このSROが反映されるアモルファスネットワークの振動ダイナミクスを評価する代表的手法としては、簡便であり簡単な装置を用いたラマン散乱分光法が知られている。
<Raman scattering characteristics>
When describing the structure of an amorphous Si film, the degree of order is often handled. Particularly, short range order (SRO) has a very close relationship with film quality and photostability. It is said that there is. As a typical method for evaluating the vibration dynamics of an amorphous network in which the SRO is reflected, Raman scattering spectroscopy using a simple and simple device is known.
図1は、従来および本発明の非晶質系Si膜のラマン散乱スペクトルである。それぞれのスペクトルは、480cm−1付近にピークをもつTO(横型光学振動)帯、385cm−1付近にピークをもつLO(縦型光学振動)帯、305cm−1付近にピークをもつLA(縦型音響振動)帯、および160cm−1付近にピークをもつTA(横型音響振動)帯のエネルギー帯から成る。また、表1はこのスペクトルをGaussian型+Lorentzian型の近似曲線によって、前記した4つのエネルギー帯(モード)に分離し、それぞれのモードのピーク強度および半値幅を示したものであり、ピーク強度についてはTOモードのピーク強度(TOピーク強度)を1.000として規格化した値を示す。ここで、ラマンスペクトルの測定は、励起光にHe−Neレーザー(波長632.8nm)を用いたRenishaw製Ramanscope System 1000を使用した。
本発明膜1は、ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が0%と評価された、前記Cat−PECVD法を用いて作製された非晶質Si膜であり、また、本発明膜2は、結晶化率が3%と評価された、同じく前記Cat−PECVD法を用いて作製された結晶Si成分をわずかに含んだ非晶質系Si膜、従来例となる従来膜は結晶化率が0%と評価された従来のPECVD法を用いて作製された非晶質Si膜である。 The film 1 of the present invention is an amorphous Si film produced by using the Cat-PECVD method and having a crystallization rate defined by a Raman scattering spectrum of 0%, and the film 2 of the present invention is An amorphous Si film containing a small amount of a crystalline Si component, which was evaluated using the Cat-PECVD method and was evaluated to have a crystallization rate of 3%, and a conventional film which was a conventional example had a crystallization rate of 3%. It is an amorphous Si film manufactured using a conventional PECVD method evaluated as 0%.
さて、Siの結合角θの分布幅Δθは、TOモードの散乱ピーク強度ITOとTA帯の散乱ピーク強度ITAの比(=ITA/ITO)、またはTOモードの散乱ピークの半値幅HWTOと正の相関関係を有していることが知られているが、本発明の膜においてITA/ITOをみると、従来例がITA/ITO=0.41の値をとるのに対して(従来の非晶質Si膜のITA/ITO比は小さくとも0.35よりも大きな値となる)、本発明膜1はITA/ITO=0.17、本発明膜2はITA/ITO=0.25と、従来よりも2/5〜3/5程度に減少していることがわかり、表にはないが1/3程度まで減少する場合があることも判明した。また、TOモードの散乱ピークの半値幅HWTOについても、従来の膜が半値幅65〜75cm−1(表では68cm−1)をとるのに対して、本発明の膜ではこれよりも狭幅化していることが判明した。 Now, the distribution width Δθ of bond angle θ of Si, the ratio of the scattering peak intensity I TO and TA band scattering peak intensity I TA of TO mode (= I TA / I TO) , or the half-width of the scattering peak of TO mode It is known that the film has a positive correlation with HW TO . However, when looking at I TA / I TO in the film of the present invention, the conventional example takes a value of I TA / I TO = 0.41. On the other hand (the ITA / ITO ratio of the conventional amorphous Si film is at least a value greater than 0.35), the present invention film 1 has ITA / ITO = 0.17, and the present invention film 2 has ITA / ITO / 0.15 . It was found that I TO = 0.25, which is about 2/5 to 3/5 that of the conventional case, and it was also found that although not shown in the table, it may be reduced to about 1/3. As for the half-value width HW TO scattering peak of TO mode, whereas the conventional membranes take half width 65~75cm -1 (in Table 68cm -1), narrower than this with a film of the present invention Turned out to be.
以上のことは、本発明の膜のSi結合角のばらつきΔθが、従来のものよりも小さくなっていること、即ちSROが改善されていることを示すものである。このSROに関する構造変化(改善)が、後述する光安定性の向上結果に大きく関係しているものと考えられる。 The above shows that the variation Δθ of the Si bond angle of the film of the present invention is smaller than that of the conventional film, that is, the SRO is improved. It is considered that this structural change (improvement) related to SRO is largely related to the improvement result of light stability described later.
<ESRスピン密度>
また、本発明膜1,2のSi膜は電子スピン共鳴法によって計測されるESRスピン密度であるSiダングリングボンド密度が光照射前(初期)において、それぞれ、3.5×1015cm−3および2.6×1015cm−3であり、5.0×1015cm−3以下の低欠陥密度であることも確認された。ダングリングボンド密度が前記より大きい値では、活性層に適用した場合に同層での再結合電流が増大し、高い素子特性が得られないことも判明した。なお、ESRスピン密度測定には、日本電子製JES−RE3Xを用いた。
<ESR spin density>
Before the light irradiation (initial stage), the Si films of the films 1 and 2 of the present invention have a Si dangling bond density, which is an ESR spin density measured by an electron spin resonance method, at 3.5 × 10 15 cm −3 and 2.6, respectively. × 10 15 cm -3 , and a low defect density of 5.0 × 10 15 cm -3 or less was also confirmed. When the dangling bond density is higher than the above value, it has been found that when applied to the active layer, the recombination current in the same layer increases and high device characteristics cannot be obtained. In addition, JES-RE3X manufactured by JEOL was used for ESR spin density measurement.
<FT−IR特性(Si−H結合状態の存在割合)>
また、本発明膜1,2のSi膜は、FT−IR(フーリエ変換赤外分光)分析によって評価されるSi−H結合状態の存在密度σS−HのSi−H結合状態の存在密度σS−HおよびSi−H2結合状態の存在密度σSi−H2の総和(σS−H+σSi−H2)に対する比(σS−H/(σS−H+σSi−H2);以下、Si−H結合状態存在割合という)が、それぞれ0.990および0.985であった。このSi−H結合状態存在割合は、従来技術の説明の部分で既に述べたように、光劣化と大きな相関を有しており、この割合が高いほど(Si−H結合が支配的であるほど)光劣化が小さくなることが報告されている。本発明のSi膜においては、従来のプラズマCVD法で得られているSi−H結合状態存在割合の0.90程度を大きく上回り、光劣化抑制効果が顕著に現れてくるとされる0.95以上の値が得られている。なお、FT−IR特性の測定には、島津製作所製FTIR−8300を用いた。
<FT-IR Characteristics (Ratio of Si-H Bonded State)>
Further, the Si films of the films 1 and 2 of the present invention have an abundance density σ S-H of the Si—H bond state evaluated by FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) analysis. the sum of the S-H and Si-H 2 bonds state of the density σ Si-H2 (σ S- H + σ Si-H2) for the ratio (σ S-H / (σ S-H + σ Si-H2); hereinafter, Si-H bond state existing ratio) was 0.990 and 0.985, respectively. This Si—H bond state existence ratio has a large correlation with photodegradation as already described in the description of the related art, and the higher this ratio is (the more the Si—H bond is dominant, the higher the ratio). ) It is reported that light degradation is reduced. In the Si film of the present invention, the value of 0.95 or more, which is said to be significantly higher than the Si-H bonding state existence ratio of about 0.90 obtained by the conventional plasma CVD method, and that the light deterioration suppressing effect appears remarkably appears. Have been obtained. The FT-IR characteristics were measured using FTIR-8300 manufactured by Shimadzu Corporation.
<膜中水素濃度>
また、膜中水素濃度については、本発明膜1,2のSi膜はそれぞれ6.9原子%,5.3原子%であることがFT−IR分析より評価算出された。このとき、膜中水素濃度の算出は、630cm−1付近の吸収ピーク面積とA value=1.6×1019cm−2を用いて行なった。このように本発明の膜は7原子%以下の低水素濃度となっており、これも後述する素子特性の光安定性向上に大きく寄与しているものと思われる。膜中水素濃度が前記より大きい場合には膜中Si−H2結合状態の存在密度の増大を招き、光劣化率は大きくなる。
<Hydrogen concentration in film>
The hydrogen concentration in the films was evaluated by FT-IR analysis to be 6.9 atomic% and 5.3 atomic% for the Si films of the films 1 and 2 of the present invention, respectively. At this time, the calculation of the hydrogen concentration in the film was performed using the absorption peak area near 630 cm −1 and A value = 1.6 × 10 19 cm −2 . As described above, the film of the present invention has a low hydrogen concentration of 7 atomic% or less, which is also considered to greatly contribute to the improvement of the photostability of the device characteristics described later. If the hydrogen concentration in the film is higher than the above, the existence density of the Si—H 2 bond state in the film is increased, and the light deterioration rate is increased.
<光学的バンドギャップ>
また、光学特性としては、本発明膜1,2の光学的バンドギャップエネルギーEg.optは、いわゆる3乗根プロットにて、それぞれ1.60および1.55eVと評価され、1.7eV以下に狭ギャップ化していることが確認された。なお、光学的バンドギャップエネルギーEg.optが1.7eVよりも大きい場合には、これをシングルセルの光活性層等に適用した際に長波長光を充分に吸収・光電変換できずに光電流が低下し、結果として素子特性の低下を招来する。
<Optical band gap>
In terms of optical properties, the optical band gap energies Eg.opt of the films 1 and 2 of the present invention were evaluated as 1.60 and 1.55 eV, respectively, in a so-called cube root plot, and the gap was narrowed to 1.7 eV or less. It was confirmed that. When the optical bandgap energy Eg.opt is larger than 1.7 eV, when this is applied to a photoactive layer of a single cell or the like, long-wavelength light cannot be sufficiently absorbed or photoelectrically converted, so that the photocurrent is reduced. This leads to a reduction in device characteristics.
<バンドギャップ調整元素>
非晶質系Si膜のバンドギャップエネルギーEgは、膜中水素濃度によってある程度調節することができるが、膜中水素濃度を低く保ったままEgを調節したい場合には、Eg調整元素を添加すればよい。具体的には、ナローギャップ化に対してはGeまたはSn等を、ワイドギャップ化に対してはC、NまたはO等を、それぞれ分子式に含んだガスを製膜空間に導入すればよい。すなわち、Geを含有させる場合にはGeH4(Hは重水素Dを含む)、GenH2n+2(nは正の整数、以下同様)、GeX4(Xはハロゲン元素)等を、Snを含有させる場合にはSnH4(Hは重水素Dを含む)、SnnH2n+2、SnX4(Xはハロゲン元素)、SnR4(Rはアルキル基)等を、Cを含有させる場合にはCH4(Hは重水素Dを含む)、C2H2、CnH2n+2、CnH2n、CX4(Xはハロゲン元素)等を、Nを含有させる場合にはN2、NOn、N2O、NH3等を、Oを含有させる場合にはO2、CO、CO2、NOn、N2O、H2O等をそれぞれ導入すればよい。
<Band gap adjusting element>
The bandgap energy Eg of the amorphous Si film can be adjusted to some extent by the hydrogen concentration in the film. However, when it is desired to adjust the Eg while keeping the hydrogen concentration in the film low, it is possible to add an Eg adjusting element. Good. Specifically, a gas containing molecular formulas such as Ge or Sn for narrow gap and C, N or O for wide gap may be introduced into the film forming space. That, GeH 4 in case of incorporating the Ge (H contains deuterium D), Ge n H 2n + 2 (n is a positive integer, the same applies hereinafter) of, GeX 4 (X is a halogen element) such as, containing Sn SnH 4 in the case of (H contains deuterium D), Sn n H 2n + 2, SnX 4 (X is halogen), SnR 4 (R is an alkyl group) and the like, CH 4 in the case of incorporating the C (H includes deuterium D), C 2 H 2 , C n H 2n + 2 , C n H 2n , CX 4 (X is a halogen element), and N 2 , NO n , N When O is contained in 2 O, NH 3, or the like, O 2 , CO, CO 2 , NO n , N 2 O, H 2 O, or the like may be introduced.
<基板温度>
次に、基板温度については、100℃〜350℃の範囲とする。なぜなら、基板温度を100℃よりも低くすると、水素引き抜き効果が有効に働かなくなり膜中水素濃度を有効に低減できなくなるからであり、また基板温度を350℃よりも高くした場合には、膜成長面からの水素の脱離が顕著となって膜中ダングリングボンド密度が上昇してしまい、高品質な膜が得られなくなるからである。
<Substrate temperature>
Next, the substrate temperature is set in the range of 100 ° C to 350 ° C. This is because if the substrate temperature is lower than 100 ° C., the hydrogen extraction effect does not work effectively and the hydrogen concentration in the film cannot be reduced effectively.If the substrate temperature is higher than 350 ° C., the film growth This is because the desorption of hydrogen from the surface becomes remarkable, the dangling bond density in the film increases, and a high-quality film cannot be obtained.
<光電変換装置>
次に本発明の非晶質系Si膜を太陽電池等の光電変換装置の光活性層に適用した例について詳細に説明する。すなわち、上述した半導体薄膜を光活性部に含む1以上の半導体接合ユニットと、これら半導体接合ユニットから電力を取り出すための電極とを備えた光電変換装置について説明する。
<Photoelectric conversion device>
Next, an example in which the amorphous Si film of the present invention is applied to a photoactive layer of a photoelectric conversion device such as a solar cell will be described in detail. That is, a description will be given of a photoelectric conversion device including one or more semiconductor bonding units including the above-described semiconductor thin film in the photoactive portion, and electrodes for extracting power from these semiconductor bonding units.
図2は、光電変換装置のひとつであるスーパーストレート型タンデム型の薄膜Si(シリコン)太陽電池素子に対して、本発明の非晶質系Si膜を光活性層に適用した一例を示したものである。図中において、1は透光性の基板、2は表電極である第1の電極、3は半導体多層膜、31は第1の半導体接合層、32は第2の半導体接合層、31aは第1の半導体接合層31中のp型半導体層、31bは第1の半導体接合層31中の光活性層、31cは第1の半導体接合層31中のn型半導体層、32aは第2の半導体接合層32中のp型半導体層、32bは第2の半導体接合層中の光活性層、32cは第2の半導体接合層32中のn型半導体層、4は裏電極である第2の電極である。また、図中の太い矢印は光(hν)の入射方向を示す。なお、n型半導体層31cおよびp型半導体層32aとの間に、透明導電膜や薄い金属層あるいはシリサイドからなる中間層を挿入してもよい(不図示)。
FIG. 2 shows an example in which the amorphous Si film of the present invention is applied to a photoactive layer for a super-straight tandem-type thin-film Si (silicon) solar cell element, which is one of the photoelectric conversion devices. It is. In the figure, 1 is a light-transmitting substrate, 2 is a first electrode which is a front electrode, 3 is a semiconductor multilayer film, 31 is a first semiconductor bonding layer, 32 is a second semiconductor bonding layer, and 31a is a first semiconductor bonding layer. A p-type semiconductor layer in the first semiconductor bonding layer 31, 31b is a photoactive layer in the first semiconductor bonding layer 31, 31c is an n-type semiconductor layer in the first semiconductor bonding layer 31, and 32a is a second semiconductor. A p-type semiconductor layer in the
このような光電変換装置を作製するには、まず透光性基板1を用意する。ここで透光性基板1としては、ガラス、プラスチック、樹脂などを材料とした板材あるいはフィルム材を用いることができる。 In order to manufacture such a photoelectric conversion device, first, the translucent substrate 1 is prepared. Here, as the translucent substrate 1, a plate material or a film material made of glass, plastic, resin, or the like can be used.
次に、透光性基板1上に表電極たる第1の電極2を形成する。第1の電極2としては、公知の酸化物透明導電膜を用いることができる。具体的には、スズ酸化物であるSnO2、インジウム−スズ酸化物であるITO、亜鉛酸化物であるZnOなど材料を用いることができる。この透明導電膜の膜厚は、反射防止効果と低抵抗化を考慮して60〜600nm程度の範囲で調節する。低抵抗化の目安としてはシート抵抗を約10Ω/□程度以下とするのが望ましい。なお、この透明導電膜は、後にこの上にSi膜を形成するときに、SiH4とH2を使用することに起因した活性水素ガス雰囲気に曝されることになるので、耐還元性に優れるZnO膜を少なくとも最終表面として形成するのが望ましい。このZnO膜の膜厚は10〜100nmの範囲とする。この透明導電膜の製膜方法としては、熱CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、スプレー熱分解法、およびゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。 Next, the first electrode 2 serving as a front electrode is formed on the translucent substrate 1. As the first electrode 2, a known oxide transparent conductive film can be used. Specifically, materials such as SnO 2 which is a tin oxide, ITO which is an indium-tin oxide, and ZnO which is a zinc oxide can be used. The thickness of the transparent conductive film is adjusted in the range of about 60 to 600 nm in consideration of the antireflection effect and the reduction in resistance. As a guide for lowering the resistance, it is desirable to set the sheet resistance to about 10Ω / □ or less. Note that this transparent conductive film is exposed to an active hydrogen gas atmosphere due to the use of SiH 4 and H 2 when a Si film is subsequently formed thereon, and thus has excellent reduction resistance. It is desirable to form a ZnO film at least as a final surface. The thickness of this ZnO film is in the range of 10 to 100 nm. As a method of forming the transparent conductive film, known techniques such as a thermal CVD method, an evaporation method, an ion plating method, a sputtering method, a spray pyrolysis method, and a sol-gel method can be used.
なお、透明電極形成前にRIE(反応性イオンエッチング)処理またはブラスト処理等の方法によりガラス基板表面に凹凸構造を形成し、その後この凹凸構造面に前記透明電極を形成すると光散乱効果が高まって光閉じ込め効果が促進されて効率向上に好適である。 Note that, before forming the transparent electrode, an uneven structure is formed on the surface of the glass substrate by a method such as RIE (reactive ion etching) or blasting, and then the transparent electrode is formed on the uneven structure, thereby increasing the light scattering effect. The light confinement effect is promoted, which is suitable for improving efficiency.
次に、半導体多層膜3を形成する。半導体多層膜3は第1の半導体接合層31と第2の半導体接合層32からなる。製法としては公知のPECVD法やCat−CVD法の他に、本発明者らが既に特願2000−130858号、特願2001−293031号および特願2002−38686号などにおいて開示しているCat−PECVD法を用いることができる。
Next, the
まず、前記第1の電極2上に第1の半導体接合層31を形成する。該半導体接合層31は、p型半導体層31a、光活性層31b(実質的にi型層)、n型半導体層31cが順次積層されたpin接合からなる。 First, a first semiconductor bonding layer 31 is formed on the first electrode 2. The semiconductor junction layer 31 has a pin junction in which a p-type semiconductor layer 31a, a photoactive layer 31b (substantially i-type layer), and an n-type semiconductor layer 31c are sequentially stacked.
ここで、p型半導体層31aについては、従来の非晶質Si膜や結晶Si相を含む結晶化率60%以上の結晶質Si膜、あるいは本発明の非晶質系Si膜を用いることができる。膜厚は前記材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素(例えば、B(ボロン))濃度については1×1018〜1×1021/cm3程度として、実質的にはp+型とする。なお、製膜時に用いるSiH4、H2およびドーピング用ガスであるB2H6などのガスに加えてCH4などのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSixC1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 Here, as the p-type semiconductor layer 31a, a conventional amorphous Si film, a crystalline Si film containing a crystalline Si phase and having a crystallization ratio of 60% or more, or an amorphous Si film of the present invention is used. it can. The film thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. The concentration of the doping element (for example, B (boron)) is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 , and is substantially a p + type. In addition, if an appropriate amount of a gas containing C (carbon) such as CH 4 is mixed in addition to SiH 4 , H 2 and a gas such as B 2 H 6 which is a doping gas used at the time of forming the film, the Si x C 1-x film is formed. And is very effective in forming a window layer with small light absorption loss, and also effective in reducing dark current components for improving open circuit voltage. A similar effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen) in addition to C.
また、光活性層31bである実質的にi型の半導体層については、本発明の非晶質系Si膜を用い、膜厚は0.1〜0.5μm程度の範囲で調節する。このときの製膜条件は、プラズマ励起周波数を60MHz、触媒体温度を1600〜2000℃、H2/SiH4流量比を5〜10、基板温度を200〜250℃、ガス圧力を133〜200Pa、VHFパワー密度を0.1〜0.3W/cm2とする。このような製膜条件とすることで、本発明の非晶質系Si膜を2nm/secという高製膜速度で形成することができる。ここで、ノンドープ膜は、実際にはわずかにn型特性を示すのが通例であるので、この場合はp型化ドープ元素(例えば、B(ボロン))をわずかに含ませて実質的にi型となるように調整することができる。なお、内部電界強度分布の微調整を目的に、n−型あるいはp−型とする場合もある。 For the substantially i-type semiconductor layer, which is the photoactive layer 31b, the amorphous Si film of the present invention is used, and the film thickness is adjusted in the range of about 0.1 to 0.5 μm. The film formation conditions at this time were as follows: a plasma excitation frequency of 60 MHz, a catalyst temperature of 1600 to 2000 ° C., a H 2 / SiH 4 flow ratio of 5 to 10, a substrate temperature of 200 to 250 ° C., and a gas pressure of 133 to 200 Pa. The VHF power density is set to 0.1 to 0.3 W / cm 2 . Under such film forming conditions, the amorphous Si film of the present invention can be formed at a high film forming rate of 2 nm / sec. Here, since the non-doped film usually actually shows a slight n-type characteristic, in this case, the p-type doping element (for example, B (boron)) is slightly contained and substantially i-type. It can be adjusted to be a mold. In some cases, for the purpose of fine adjustment of the internal electric field intensity distribution, an n - type or a p - type may be used.
また、n型半導体層31cについては、従来の非晶質Si膜や結晶Si相を含む結晶化率60%以上の結晶質Si膜、あるいは本発明の非晶質系Si膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素(例えば、P(リン))濃度については1×1018〜1×1021/cm3程度として、実質的にはn+型とする。なお製膜時に用いるSiH4、H2、およびドーピング用ガスであるPH3などのガスに加えて、上述したように、CH4などのCを含むガスを適量混合すればSixC1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもOを含むガスやNを含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 As the n-type semiconductor layer 31c, a conventional amorphous Si film, a crystalline Si film containing a crystalline Si phase and having a crystallization rate of 60% or more, or the amorphous Si film of the present invention can be used. . The thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. The concentration of the doping element (for example, P (phosphorus)) is set to about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 , and is substantially an n + type. Note SiH 4 used at the time of film formation, H 2, and in addition to gas, such as PH 3 is a doping gas, as described above, when an appropriate mixture of gas containing C, such as CH 4 Si x C 1-x A film can be obtained, and a film with little light absorption loss can be formed, and it is also effective in reducing a dark current component for improving an open circuit voltage. A similar effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O or a gas containing N in addition to C.
なお、接合特性をより改善するために、p型半導体層31aと光活性層31bとの間や光活性層31bとn型半導体層31cとの間に実質的にi型の非単結晶Si層や非単結晶SixC1−x層をバッファー層として挿入してもよい(不図示)。このときの挿入層の厚さは0.5〜50nm程度とする。 In order to further improve the junction characteristics, a substantially i-type non-single-crystal Si layer is provided between the p-type semiconductor layer 31a and the photoactive layer 31b or between the photoactive layer 31b and the n-type semiconductor layer 31c. the or non-single-crystal Si x C 1-x layer may be inserted as a buffer layer (not shown). At this time, the thickness of the insertion layer is about 0.5 to 50 nm.
ここで、第1の半導体接合層31と次に述べる第2の半導体接合層32との接合部において良好な再結合特性を実現するためには(つまりオーミックコンタクト的な電気的接続特性を実現するためには)、前記第1の半導体接合層31に含まれるn型半導体層31cと後記第2の半導体接合層32に含まれるp型半導体層32aにおいて、少なくとも両者が接する部分では結晶化率を高めておくことが望ましい。このとき、結晶化率を60%以上とするとトンネル接合特性が得られ、良好な逆接合再結合特性を実現することができる。なお、該結晶質逆接合は、n型半導体層31cに続いて同一導電型の微結晶Si層を5〜30nm程度形成し、続いて逆導電型の微結晶Si層を5〜30nm程度形成し、続いてp型半導体層層32aを形成するというように、n型半導体層31cとp型半導体層32aとは独立に専用の結晶質Si層を挿入して形成するようにしてもよい(不図示)。
Here, in order to realize good recombination characteristics at the junction between the first semiconductor bonding layer 31 and the second
また、第1の半導体接合層31と第2の半導体接合層32の間のオーミックコンタクト的な電気的接続特性を実現させるためには、透明導電膜や薄い金属層あるいは薄いシリサイド層(シリコンと金属の合金層)を導電性中間層として挿入する方法も用いることができる(不図示)。ここで透明導電膜としては、スズ酸化物であるSnO2、インジウム−スズ酸化物であるITO、亜鉛酸化物であるZnOなどを用いることができる。ここで透明導電膜を用いる場合は、該透明導電膜の存在によって光学的効果(反射および透過特性)をも導入することができるので高効率化の点で非常に優れている。すなわち、該透明導電膜厚を調整することによって、短波長光は該透明導電膜で反射させて第1の半導体接合層31に優先的に再入射させ、また長波長光は反射防止効果と同じ原理によって第2の半導体接合層32に優先的に閉じ込めることができ、光エネルギーのより効率的な光電変換が可能となるのである。また薄い金属層やシリサイド層を用いる場合は、第1の半導体接合層31と第2の半導体接合層32の間のオーミックコンタクトをより確実かつ簡便に歩留まりよく実現できる効果を期待できる。
In order to realize ohmic contact electrical connection characteristics between the first semiconductor bonding layer 31 and the second
次に、前記第1の半導体接合層31上に、第2の半導体接合層32を形成する。この第2の半導体接合層32は、p型半導体層32a、光活性層(実質的にi型の半導体層)32b、およびn型半導体層32cが順次積層されたpin接合からなる。
Next, a second
ここで、p型半導体層32aについては、従来の非晶質Si膜や結晶Si相を含む結晶化率60%以上の結晶質Si膜、あるいは本発明の非晶質系Si膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素(例えば、B(ボロン))濃度については1×1018〜1×1021/cm3程度として、実質的にはp+型とする。なお、製膜時に用いるSiH4、H2、およびドーピング用ガスであるB2H6などのガスに加えてCH4などのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSixC1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 Here, as the p-type semiconductor layer 32a, a conventional amorphous Si film, a crystalline Si film containing a crystalline Si phase and having a crystallization rate of 60% or more, or an amorphous Si film of the present invention is used. it can. The thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. The concentration of the doping element (for example, B (boron)) is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 , and is substantially a p + type. Incidentally, it used during film SiH 4, H 2, and when an appropriate mixture of gas containing C (carbon), such as CH 4 in addition to the gas such as B 2 H 6 is a doping gas Si x C 1-x A film is obtained, which is very effective for forming a window layer with small light absorption loss, and is also effective for reducing a dark current component for improving an open circuit voltage. A similar effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen) in addition to C.
また、光活性層32bである実質的にi型の半導体層については、本発明の非晶質系Si膜を用いる場合は膜厚を0.5〜1μm程度の範囲で調節し、微結晶Si膜に代表される結晶質Si膜を用いる場合は膜厚を1〜3μm程度の範囲で調節する。このとき、本発明の非晶質系Si膜を用いる場合は、製膜条件を、プラズマ励起周波数を60MHz、触媒体温度を1600〜2000℃、H2/SiH4流量比を5〜10、基板温度を200〜250℃、ガス圧力を133〜200Pa、およびVHFパワー密度を0.1〜0.3W/cm2とし、結晶質Si膜を用いる場合は、前記条件に対して、H2/SiH4流量比を5〜20、ガス圧力を200〜665Pa、およびVHFパワー密度を0.2〜0.5W/cm2とする。このような製膜条件とすることで、本発明の非晶質系Si膜または結晶質Si膜を2nm/secという高製膜速度で形成することができる。ここで、ノンドープ膜は実際にはわずかにn型特性を示すのが通例であるので、この場合はp型化ドープ元素(例えば、B(ボロン))をわずかに含ませて実質的にi型となるように調整することができる。なお、内部電界強度分布の微調整を目的に、n−型あるいはp−型とする場合もある。また、該光活性層32bに前記結晶質Si膜を用いる場合は、膜構造として、(110)面配向の柱状結晶粒の集合体として製膜後の表面形状が光閉じ込めに適した自生的な凹凸構造となるようにするのが望ましい。 When the amorphous Si film of the present invention is used, the thickness of the substantially i-type semiconductor layer, which is the photoactive layer 32b, is adjusted in the range of about 0.5 to 1 μm, and When a typical crystalline Si film is used, the thickness is adjusted in a range of about 1 to 3 μm. At this time, when the amorphous Si film of the present invention is used, the film forming conditions are as follows: a plasma excitation frequency of 60 MHz, a catalyst temperature of 1600 to 2000 ° C., an H 2 / SiH 4 flow ratio of 5 to 10, a substrate When the temperature is 200 to 250 ° C., the gas pressure is 133 to 200 Pa, the VHF power density is 0.1 to 0.3 W / cm 2 , and a crystalline Si film is used, the flow rate ratio of H 2 / SiH 4 to the above conditions is Is 5 to 20, the gas pressure is 200 to 665 Pa, and the VHF power density is 0.2 to 0.5 W / cm 2 . Under such film formation conditions, the amorphous Si film or the crystalline Si film of the present invention can be formed at a high film formation rate of 2 nm / sec. Here, since the non-doped film usually shows a slight n-type characteristic in this case, in this case, the p-type doping element (for example, B (boron)) is slightly contained, and the i-type film is substantially formed. It can be adjusted so that In some cases, for the purpose of fine adjustment of the internal electric field intensity distribution, an n - type or a p - type may be used. In the case where the crystalline Si film is used for the photoactive layer 32b, the film structure is an aggregate of (110) -oriented columnar crystal grains, and the surface shape after film formation is a spontaneous suitable for optical confinement. It is desirable to have an uneven structure.
また、n型半導体層32cについては、従来の非晶質Si膜や結晶Si相を含む結晶化率60%以上の結晶質Si膜、あるいは本発明の非晶質系Si膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素(例えば、P(リン))濃度については1×1018〜1×1021/cm3程度として、実質的にはn+型とする。なお製膜時に用いるSiH4、H2、およびドーピング用ガスであるPH3などのガスに加えてCH4などのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSixC1−x膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。 As the n-type semiconductor layer 32c, a conventional amorphous Si film, a crystalline Si film containing a crystalline Si phase and having a crystallization rate of 60% or more, or an amorphous Si film of the present invention can be used. . The thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. The concentration of the doping element (for example, P (phosphorus)) is set to about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 , and is substantially n + type. In addition, if an appropriate amount of a gas containing C (carbon) such as CH 4 is mixed in addition to SiH 4 and H 2 used for film formation and a gas such as PH 3 as a doping gas, a Si x C 1-x film is obtained. As a result, it is possible to form a film with less light absorption loss, and it is also effective in reducing the dark current component for improving the open-circuit voltage. A similar effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen) in addition to C.
なお、接合特性をより改善するために前記p型半導体層32aと光活性層32bの間や光活性層32bとn型半導体層32cの間に実質的にi型の非単結晶Si層をバッファー層として挿入してもよい(不図示)。このときの挿入層の厚さは0.5〜50nm程度とする。 In order to further improve the junction characteristics, a substantially i-type non-single-crystal Si layer is buffered between the p-type semiconductor layer 32a and the photoactive layer 32b or between the photoactive layer 32b and the n-type semiconductor layer 32c. It may be inserted as a layer (not shown). At this time, the thickness of the insertion layer is about 0.5 to 50 nm.
次に、裏電極たる第2の電極4として、金属膜を形成する。この金属膜材料としては、導電特性およびSi媒質中での光反射特性に優れるAg(銀)を用いることが望ましいが、それに準じた特性を期待でき、より安価な材料であるAl(アルミニウム)を用いることも可能である。もちろんAgとAlの積層体や、AgとAlを含んだ合金材料を用いてもよい。また、第2の電極を2層構造として、半導体層側の第1層は前記AgあるいはAlを含んだ金属膜とし、該第1層上に積層される第2層は、Agよりも安価な金属材料層としてもよい。製膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スクリーン印刷法、およびメッキ法などの公知の技術を使用できる。このとき膜厚は、0.1μm程度以上とする。 Next, a metal film is formed as the second electrode 4 serving as the back electrode. As this metal film material, it is desirable to use Ag (silver) which is excellent in the conductive property and the light reflection property in the Si medium. It is also possible to use. Of course, a stacked body of Ag and Al or an alloy material containing Ag and Al may be used. Further, the second electrode has a two-layer structure, the first layer on the semiconductor layer side is the metal film containing Ag or Al, and the second layer laminated on the first layer is less expensive than Ag. It may be a metal material layer. As the film forming method, known techniques such as a vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a screen printing method, and a plating method can be used. At this time, the film thickness is about 0.1 μm or more.
なお、該第2の電極4は、半導体層に接する面側から透明導電膜/金属膜の順に積層された構造とすることがより好ましい。このように半導体層と金属膜の間に透明導電膜を挿入することによって、金属膜成分が半導体層中に拡散して素子特性を劣化させる現象を抑えることができる。また該透明導電膜形成表面に適当な凹凸構造をもたせれば光が有効に散乱されるようになるので太陽電池の効率向上に有効な光閉じ込め効果を増進させることができる。ここで該透明導電膜材料としては、上述したようにSnO2、ITO、ZnOなどを用いることができ、製膜方法としては、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、スプレー法、およびゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。 It is more preferable that the second electrode 4 has a structure in which a transparent conductive film / metal film is stacked in this order from the surface contacting the semiconductor layer. By inserting the transparent conductive film between the semiconductor layer and the metal film in this manner, it is possible to suppress a phenomenon that the metal film component is diffused into the semiconductor layer and deteriorates device characteristics. In addition, if the surface on which the transparent conductive film is formed has an appropriate uneven structure, light can be effectively scattered, so that the light confinement effect that is effective for improving the efficiency of the solar cell can be enhanced. Here, as the transparent conductive film material, SnO 2 , ITO, ZnO or the like can be used as described above, and as a film forming method, a CVD method, an evaporation method, an ion plating method, a sputtering method, a spray method, A known technique such as a sol-gel method can be used.
<素子特性>
以上の方法よって作製された素子の特性を表2に従来例と比較して示す。なお、表2に示した素子は、第2の半導体接合層32の光活性層32bを結晶質Siで形成した場合のものである。
Table 2 shows the characteristics of the device manufactured by the above method in comparison with the conventional example. The devices shown in Table 2 are those in which the photoactive layer 32b of the second
表2から分かるように、本発明膜1適用素子,本発明膜2適用素子において、高製膜速度で光活性層31bを形成したにもかかわらず高い初期変換効率を有しており、光劣化率も従来膜適用素子よりも極めて低く抑えられていることが判明した。このことから、本発明の非晶質系Si膜が高品質、かつ高光安定性を有していることが素子特性からも実証された。なお、表2において示した光照射後の特性は、AM1.5、100mW/cm2の擬似太陽光を、基板温度48℃において200時間連続照射した後に測定したものである。なおまた、光照射前の初期状態については、国際標準IEC1646に示されているアニーリング方法に従って実現することとする。 As can be seen from Table 2, the element applied with the film 1 of the present invention and the element applied with the film 2 of the present invention have a high initial conversion efficiency despite the formation of the photoactive layer 31b at a high film forming rate, and have a high photo-degradation efficiency. It was also found that the rate was extremely lower than that of the conventional film application element. From this, it was proved from the element characteristics that the amorphous Si film of the present invention had high quality and high light stability. In addition, the characteristics after light irradiation shown in Table 2 were measured after simulated sunlight of AM 1.5 and 100 mW / cm 2 was continuously irradiated at a substrate temperature of 48 ° C. for 200 hours. The initial state before light irradiation is realized according to the annealing method shown in International Standard IEC1646.
<<実施形態2>>
次に、実施形態1において述べた製膜条件のうち、VHFパワー密度と製膜ガス圧力をパラメーターにして、結晶化率が0〜65%の範囲に入る非晶質系Si半導体膜を数種類用意して、実施形態1において述べた手順で素子化して評価した結果を表3に示す。
Next, among the film forming conditions described in the first embodiment, several kinds of amorphous Si semiconductor films having a crystallization ratio in the range of 0 to 65% were prepared using the VHF power density and the film forming gas pressure as parameters. Table 3 shows the evaluation results obtained by converting the device into an element according to the procedure described in the first embodiment.
表3から分かるように、結晶化率が60%以下の膜において、光劣化率が小さくかつ比較的高い変換効率が得られているが、結晶化率が30%以下の膜にて特に高効率特性(初期効率が約11%以上)が得られている。なお、結晶化率が0%で光劣化率が高いのは、TA/TOピーク強度比およびTO帯半値幅が大きいからである。結晶化率が高い値になるほど、光吸収率の低下に基づくJsc(短絡電流密度)の低下とVoc(開放電圧)の低下とによって、効率の低下がみられ、特に、結晶化率が60%を超えると効率が大幅に低下することが判明した。また同表より、TA/TOピーク強度比が0.35以下、あるいはTO帯半値幅が65cm−1以下の膜では、従来よりも格段に小さい光劣化率が得られることが分かる(従来の10〜15%に対して約8%以下)。 As can be seen from Table 3, a film having a crystallization rate of 60% or less has a small photodegradation rate and a relatively high conversion efficiency, but a film having a crystallization rate of 30% or less has a particularly high efficiency. Characteristics (initial efficiency of about 11% or more) are obtained. The reason why the crystallization ratio is 0% and the light deterioration ratio is high is that the TA / TO peak intensity ratio and the TO band half width are large. As the crystallization rate becomes higher, the efficiency decreases due to a decrease in Jsc (short-circuit current density) and a decrease in Voc (open-circuit voltage) based on a decrease in the light absorption rate. It was found that the efficiency was greatly reduced when the pressure exceeded. Further, from the same table, it is found that a film having a TA / TO peak intensity ratio of 0.35 or less or a TO band half-width of 65 cm -1 or less can obtain a much lower light degradation rate than the conventional film (the conventional 10 to 15). % To about 8% or less).
<<実施形態3>>
次に、実施形態1において述べた製膜条件のうち、Cat−PECVD法における触媒体温度をパラメーターにして作製して、実施形態1において述べた同様の方法・装置を用いて、Si−H結合状態の存在割合および光劣化率を測定した結果を表4に示す。表中のSiH4/H2はSiH4ガスのH2ガスに対するガス流量比である。
Next, of the film forming conditions described in the first embodiment, the catalyst body temperature in the Cat-PECVD method was used as a parameter, and the Si—H bond was formed using the same method and apparatus described in the first embodiment. Table 4 shows the measurement results of the state existence ratio and the light deterioration ratio. SiH 4 / H 2 in the table is a gas flow ratio of SiH 4 gas to H 2 gas.
表4より、膜中のSi−H結合状態の存在割合が0.95以上(この例では本発明膜3の0.967、本発明膜4の0.997の2例しかないが、従来膜2の0.934と本発明膜3の0.967の中間(0.951)に変曲点があるものと思われる。)で光劣化率が格段に小さくなっていることがわかる。また同表によれば、Cat−PECVD法がこの制御に非常に好適な手法であることも示している。
According to Table 4, the existence ratio of the Si—H bond state in the film is 0.95 or more (in this example, there are only two cases of 0.967 of the
<<光発電装置>>
上述した光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段からの発電電力を負荷へ供給するように成した光発電装置とすることができる。すなわち、上述した光電変換装置を1以上(複数の光電変換装置の場合、これらを直列、並列または直並列に)接続したものを発電手段として用い(複数の光電変換装置の場合、これらを直列、並列または直並列に接続したものを発電手段として用い)、この発電手段から直接、直流負荷へ発電電力を供給するようにしてもよい。
<< Photovoltaic device >>
A photovoltaic device can be provided in which the above-described photoelectric conversion device is used as power generation means, and power generated from the power generation means is supplied to a load. That is, one or more of the above-described photoelectric conversion devices (in the case of a plurality of photoelectric conversion devices, these are connected in series, in parallel, or in series-parallel) are used as power generation means (in the case of a plurality of photoelectric conversion devices, these are connected in series, What is connected in parallel or series-parallel is used as the power generating means), and the generated power may be supplied directly to the DC load.
また、上述した発電手段の直流の発電電力をインバータなどの電力変換手段により発電電力を適当な交流電力に変換させるようにして、この変換した電力を商用電源系統や各種の電気機器などの交流負荷に供給することが可能な光発電装置を構成してもよい。 In addition, the DC power generated by the above-described power generation means is converted into appropriate AC power by power conversion means such as an inverter, and the converted power is converted into an AC load such as a commercial power supply system or various electric devices. A photovoltaic device that can be supplied to
さらに、このような光発電装置を日当たりのよい建物の屋根や壁等に設置するなどして、各種態様の太陽光発電システム等の光発電装置として利用することも可能である。 Further, such a photovoltaic device can be used as a photovoltaic device such as a photovoltaic power generation system of various modes by installing the photovoltaic device on a roof or a wall of a sunny building.
<<一般化>>
以上の実施形態の説明では、本発明の非晶質系Si膜を、半導体多層膜中に半導体接合が2つあるタンデム型の太陽電池に対して適用した例について説明したが、本発明の非晶質系Si膜は、半導体接合が1つであるシングル接合型の太陽電池(不図示)や、半導体接合が3つあるトリプル接合型の太陽電池(不図示)、さらにはそれ以上の数の半導体接合を有する多接合型の太陽電池(不図示)においても適用することができ、同様の効果を得ることができる。
<< Generalization >>
In the above description of the embodiment, an example is described in which the amorphous Si film of the present invention is applied to a tandem solar cell having two semiconductor junctions in a semiconductor multilayer film. Amorphous Si films include single-junction solar cells with one semiconductor junction (not shown), triple-junction solar cells with three semiconductor junctions (not shown), and more. The present invention can be applied to a multi-junction solar cell (not shown) having a semiconductor junction, and the same effect can be obtained.
また、半導体接合層のpin接合が受光面側からpinの順で形成した太陽電池について説明したが、受光面側からnipの順で形成した太陽電池についても同様の効果が得られる。 Although the solar cell in which the pin junction of the semiconductor bonding layer is formed in the order of pin from the light receiving surface side has been described, the same effect can be obtained with a solar cell formed in the order of nip from the light receiving surface side.
また、光が基板側から入射するスーパーストレート型の太陽電池について説明したが、光が半導体膜側から入射するサブストレート型の太陽電池(不図示)に対しても同様の効果が得られる。なお、サブストレート型とした場合は、基板は透光性基板に限定されるものではなくステンレスなどの不透光性基板を用いてもよく、また第1の電極は金属材料とし、第2の電極は透光性材料としてもよい。 In addition, although the superstrate type solar cell in which light is incident from the substrate side has been described, the same effect can be obtained for a substrate type solar cell (not shown) in which light is incident from the semiconductor film side. In the case of a substrate type, the substrate is not limited to a light-transmitting substrate, but may be a non-light-transmitting substrate such as stainless steel. The electrode may be a translucent material.
また、以上の実施形態の説明では、本発明の非晶質系Si膜を、PECVD法の一種であるCat−PECVD法を用いて形成した場合について述べたが、製法はこれに限るものではなく、製膜条件を調節することによる従来のPECVD法での形成可能性を排除するものではない。また同じく製膜条件を調節することによるCat−CVD法(触媒CVD法)等に代表されるPECVD法以外のCVD法での形成可能性を排除するものではない。 Further, in the above description of the embodiment, the case where the amorphous Si film of the present invention is formed by using the Cat-PECVD method, which is a kind of the PECVD method, is described, but the manufacturing method is not limited to this. However, this does not exclude the possibility of forming by the conventional PECVD method by adjusting the film forming conditions. In addition, the possibility of forming by a CVD method other than the PECVD method typified by the Cat-CVD method (catalytic CVD method) by adjusting the film forming conditions is not excluded.
また、本発明の非晶質系Si膜は、太陽電池以外にも、フォトダイオードや、フォトトランジスタ、光センサ、等の光電変換装置一般に適用可能である。 Further, the amorphous Si film of the present invention can be applied to photoelectric conversion devices such as photodiodes, phototransistors, and optical sensors in addition to solar cells.
<<まとめ>>
かくして、本発明の半導体薄膜によれば、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピーク強度ITOに対するTAモードの散乱ピーク強度ITAの比が0.35以下で、ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が60%以下であるので、膜の短距離秩序構造が大幅に改善された非晶質系Si膜が得られ、それを用いる光電変換装置の高効率化、および光劣化率の低減を図ることができる。しかも、ラマン散乱分光法による簡便な方法および装置でその膜質を容易に管理することができる。
<< Summary >>
Thus, according to the semiconductor thin film of the present invention, the semiconductor thin film contains at least silicon and hydrogen, and the ratio of the scattering peak intensity I TA of the TA mode to the scattering peak intensity I TO of the TO mode obtained by the Raman scattering spectrum is 0.35 or less. Since the crystallization ratio defined by the scattering spectrum is 60% or less, an amorphous Si film in which the short-range ordered structure of the film is significantly improved can be obtained, and the efficiency of the photoelectric conversion device using the same can be improved. In addition, the light deterioration rate can be reduced. In addition, the film quality can be easily controlled by a simple method and apparatus using Raman scattering spectroscopy.
また、少なくともシリコンおよび水素を含有し、ラマン散乱スペクトルにより得られるTOモードの散乱ピークの半値幅が65cm−1以下であり、ラマン散乱スペクトルによって定義される結晶化率が60%以下であることにより、膜の短距離秩序構造が大幅に改善された非晶質系Si膜が得られ、それを用いる光電変換装置の高効率化、および光劣化率の低減を図ることができる。しかも、ラマン散乱分光法による簡便な方法および装置でその膜質を容易に管理することができる。 Further, it contains at least silicon and hydrogen, the half-width of the scattering peak of the TO mode obtained by the Raman scattering spectrum is 65 cm −1 or less, and the crystallization rate defined by the Raman scattering spectrum is 60% or less. As a result, an amorphous Si film in which the short-range ordered structure of the film is significantly improved can be obtained, and the efficiency of a photoelectric conversion device using the film can be increased and the rate of photodegradation can be reduced. In addition, the film quality can be easily controlled by a simple method and apparatus using Raman scattering spectroscopy.
また、半導体薄膜中のSi−H結合状態の存在密度およびSi−H2結合状態の存在密度の和に対するSi−H結合状態の存在密度の割合が0.95以上であることにより、Si−H2結合に起因して生じる光劣化を大幅に低減することができ、それを用いる光電変換装置の高効率化、および光劣化率の低減を図ることができる。 Further, by the ratio of the density of Si-H bonding state to the sum of the density of the density and Si-H 2 bonds state of Si-H bonding state of the semiconductor thin film is 0.95 or more, Si-H 2 bonds Light degradation caused by the above can be greatly reduced, and the efficiency of a photoelectric conversion device using the same can be increased, and the light degradation rate can be reduced.
また、本発明の光電変換装置によれば、光劣化率が低減された高効率の優れた太陽電池等の光電変換装置を提供できる。 Further, according to the photoelectric conversion device of the present invention, it is possible to provide a high-efficiency and excellent photoelectric conversion device such as a solar cell with a reduced light degradation rate.
さらに、本発明の光発電装置によれば、本発明の光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段の発電電力を負荷へ供給するように成したことより、高効率の光発電装置を提供することができる。 Further, according to the photovoltaic device of the present invention, the photoelectric conversion device of the present invention is used as power generating means, and the power generated by the power generating means is supplied to the load, thereby providing a high-efficiency photovoltaic device. can do.
1:基板
2:第1の電極
3:半導体多層膜
31:第1の半導体接合層
31a:p型半導体層
31b:光活性層
31c:n型半導体層
32:第2の半導体接合層
32a:p型半導体層
32b:光活性層
32c:n型半導体層
4:第2の電極
1: substrate 2: first electrode 3: semiconductor multilayer film
31: first semiconductor bonding layer
31a: p-type semiconductor layer
31b: Photoactive layer
31c: n-type semiconductor layer
32: second semiconductor bonding layer
32a: p-type semiconductor layer
32b: Photoactive layer
32c: n-type semiconductor layer 4: second electrode
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