JP2009027160A - シリコン・マルチセル太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン・マルチセル太陽電池の真正層の欠陥密度を大幅に低減する。
【解決手段】ｐ型層（ｐ１、ｐ２）、真正層（ｉ１、ｉ２）、およびリンをドープしてなるｎ型層（ｎ１、ｎ２）をそれぞれが有している少なくとも２つのサブセル（１、２）を備えているシリコン・マルチセル太陽電池であって、手前に位置するサブセル（１）のｎ型層（ｎ１）に接するｐ型層（ｐ２）が、少なくとも部分的にナノ結晶または微結晶であるように構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、請求項１の冒頭部分に記載のシリコン・マルチセル太陽電池、ならびにその製造方法に関する。

シリコン太陽電池は、通常は、ｐ‐ｉ‐ｎという層の並び、すなわちｐ型層またはｐ層、真正層またはｉ層、ならびにｎ型層またはｎ層を有しており、電界がｉ層の全体にわたって生成される。マルチセルは、ｐ‐ｉ‐ｎという層の並びをそれぞれが有している複数のサブセルを備えており、電界の大幅な拡大を可能にしている。

マルチセルを製造するためには、化学気相堆積（ＣＶＤ）、とくにはプラズマ支援（ＰＥ）のＣＶＤプロセスを使用することが一般的である。

個々のサブセルの層は、シリコンを含有しているガスをプラズマ中で分留することによって製造される。使用される原料ガスは、通常は、シラン（ＳｉＨ₄）またはジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）である。ｉ層（ドープされていない）の他に、ドープされたｐおよびｎ層が堆積させられ、すなわち、光をｉ層へと通過させるｐ層が、通常はホウ素の添加によって堆積させられ、とくにはジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）またはトリメチルボロン（Ｂ（ＣＨ₃）₃）を原料ガスへと混ぜることによって堆積させられ、ｎ層が、リンの添加によって堆積させられ、例えばホスフィンを原料ガスへと混ぜることによって堆積させられる。

シリコン・マルチセル太陽電池を経済的に製造するためには、とくにはマルチセル太陽電池のすべての層の堆積をｐ‐ｉ‐ｎ‐ｐ‐ｉ‐ｎという層の並びにて１つの同じ反応装置で連続して達成し、すなわちドープされた層および真正層の堆積の間で反応装置の清掃を行う必要がない単一チャンバのプロセスを使用することが、とくに適していることが明らかになっている。すなわち、ＰＥＣＶＤプロセスにおいては、個々の層の堆積を、基板の移送を必要とすることなく実行でき、あるいはプラズマを中断することもなく実行できる。

高速な堆積速度ゆえ、ｐ、ｉ、およびｎ層は、好ましくは非晶質シリコンから堆積させられる。

ｐ‐ｉ‐ｎ型のシリコン・マルチセル太陽電池の品質は、実質的に、真正層の品質によって決定される。したがって、シリコン・マルチセル太陽電池の真正層の欠陥密度を、可能な限り低く保つことが必要である。

したがって、本発明の目的は、シリコン・マルチセル太陽電池の真正層の欠陥密度を大幅に低減することにある。

これは、本発明によれば、請求項１に特徴付けられるシリコン・マルチセル太陽電池によって達成される、請求項２〜６が、本発明の好都合な実施の形態を提供する。

本発明のシリコン・マルチセル太陽電池は、ｐ層と、ｐ層上に堆積させられたｉ層と、ｉ層上に堆積させられたリンをドープしてなるｎ層とをそれぞれが有している少なくとも２つのサブセルを備えている。

本発明は、不飽和の結合電子によって引き起こされる欠陥の他に、とくには意図せぬドーピングが真正層の欠陥につながるという観察にもとづいている。この危険は、とくには単一チャンバのプロセスにおいて存在する。なぜならば、ドーピング元素が先に堆積させたドーピング有りの層から真正層へと拡散する可能性があるからである。考えられる源は、例えば、基板上のマルチセルと同じ様相で単一チャンバのプロセスにおいて反応装置の壁面に堆積し、さらにＰＥＣＶＤプロセスにおいてはＰＥＣＶＤ反応装置の電極にも堆積する不充分な結合のドーピング元素である。

ここでは、とくには、ｎ層のドーピングに必要とされるリンの拡散が、最も重要である。

ここで、本発明によれば、第１のサブセル、または先行のサブセルのリンをドープしてなるｎ層へと堆積させられる第２のサブセル（または、さらなる後続の各サブセル）のｐ層を、少なくとも部分的にナノ結晶または微結晶であるように構成したならば、真正層へのリンの拡散を大幅に排除できることが観察された。ナノ結晶シリコンまたは微結晶シリコンは、ここでは、１ｎｍ〜１μｍ、とくには１０〜１００ｎｍのサイズを有する結晶からなるシリコンを意味するものと理解される。

本発明の太陽電池は、例えば、２つのサブセルを備えるタンデムセル、または３つのサブセルを有するトリプルセルであってよく、各サブセルは、ｐ‐ｉ‐ｎの層の並びを有することができ、光が個々のサブセルのｐ層を通って真正層へと入射する。

本発明のシリコン・マルチセル太陽電池の製造は、好ましくは、単一チャンバのプロセスにてＣＶＤによって達成され、すなわち、最初のサブセルおよびさらなる各サブセルのｐ‐ｉ‐ｎという層の並びでの堆積が、１つの同じ反応装置においてＣＶＤによって達成される。ＰＥＣＶＤプロセスを実行することが好ましい。

使用される原料ガスは、好ましくは、シラン、ジシラン、または他のシラン水素ガスであり、原料ガスに、水素（Ｈ₂）または希ガスを混ぜることができる。ＰＥＣＶＤプロセスにおいてガスを分留するためのプラズマは、直流電圧または交流電圧の印加によって生み出すことができる。交流電界の周波数領域は、低周波数のキロヘルツ範囲から、ＭＨｚ範囲の高周波を過ぎ、ＧＨｚ範囲のマイクロ波まで広がる。１〜１００ＭＨｚの範囲の周波数を有する交流電界を使用することが好ましい。

先に堆積させたサブセルのｎ層に接するｐ層を、少なくとも部分的にナノ結晶または微結晶であるように構成するために、原料ガス中に反応性の水素原子を形成すべく、水素（Ｈ₂）の含有量の多い原料ガスが使用される。また、ガスの圧力を高めること、ならびに交流電界でのＰＥＣＶＤプロセスにおいて原料ガスの水素を活性化するために周波数を高めることも、通常である。

本発明による少なくとも部分的にナノ結晶または微結晶であるｐ層が、入射光の方向の手前に位置する先に堆積させたサブセルのｎ層に接し、この先に堆積させたｎ層からのリンの拡散を防止するバリア層を構成する。

本発明のマルチセル太陽電池の真正層は、好ましくは、ナノ結晶または微結晶シリコンよりもはるかに速く堆積させることができる非晶質シリコンからなる。

後続のサブセルのｐ層に接するｎ層は、非晶質シリコンで構成できるが、このｎ層は、好ましくはｐ層との境界にナノ結晶または微結晶シリコンからなるサブ層を有し、ｎ層の残りの部分は非晶質である。これにより、ｎ／ｐの接触において小さな直列抵抗を達成できるようになり、したがって太陽電池において高い曲線因子を達成できるようになる。

手前に位置するサブセルのｎ層に接するｐ層を、完全にナノ結晶または微結晶シリコンで構成してもよい。しかしながら、ｐ層をより速く堆積させるために、ｐ層のサブ層のみをナノ結晶または微結晶とし、残りの部分を非晶質とすることが好ましい。

この場合、ナノ結晶または微結晶とされるｐ層のサブ層が、ｎ層との境界に位置する一方で、ｐ層の残りの部分が非晶質であることが好ましい。ｐ層のナノ結晶または微結晶であるサブ層が、ｎ層との境界に位置することで、ｎ／ｐの接触における直列抵抗が低減され、したがって曲線因子が向上する。

すなわち、本発明のマルチセルは、好ましくは、例えば以下の層の並びを有している。すなわち、最初のサブセルとして、非晶質のｐ層、非晶質のｉ層、非晶質のｎ層あるいは非晶質のｎサブ層、ナノ結晶または微結晶のｎサブ層を有しており、最後のサブセルとして、ナノ結晶または微結晶のｐサブ層、非晶質のｐサブ層、非晶質のｉ層、非晶質のｎ層を有しており、最初のサブセルと最後のサブセルとの間のさらなるサブセルが、好ましくは、それぞれ、以下の層の並びを有している。すなわち、ナノ結晶または微結晶のｐサブ層、非晶質のｐサブ層、非晶質のｉ層、非晶質のｎ層あるいは非晶質のｎサブ層およびナノ結晶または微結晶のｎサブ層を有している。

手前に位置するサブセルのｎ層に接するｐ層の層厚さは、全体として、好ましくは５〜３０ｎｍであり、とくには８〜１０ｎｍである。ここで、ｐ層のナノ結晶または微結晶のサブ層は、少なくとも２ｎｍ、とくには３〜５ｎｍの層厚さを有している。

後続のサブセルのｐ層に接するｎ層の層厚さは、好ましくは５〜３０ｎｍであり、とくには８〜１５ｎｍである。

先に配置されたサブセルのｎ層に接するｐ層は、好ましくは、バンドギャップを大きくするために、炭素、酸素、または窒素によって合金化され、さらには任意選択により、これらの元素の混合物によって合金化される。

この目的のために、ｐ層の製造の際に、前記の元素を含有するガスを堆積ガスへと混ぜることが可能である。これにより、真正層へと入射する光が通過するｐ層について、光の吸収を少なくすることができる。

ｎ層のドーピングが、リン含有ガス、とくにはホスフィンを原料ガスへと混ぜることによって実行される一方で、ｐ層は、通常は、ジボランまたはトリメチルボロンを堆積ガスへと混ぜることによって生成される。

その他の点では、本発明のシリコン・マルチセル太陽電池は、従来技術に一致し、すなわち通常どおりに、光の入射側の最初のサブセルの前側のｐ層の透明電極層および後ろ側のｎ層の電極層を有しており、さらに例えば光の入射側の透明なキャリア・プレートを有している。これは、一般的に、マルチセル太陽電池を堆積させるための基板でもある。

図１によれば、従来からのシリコン・タンデムセルが、光が入射する第１のサブセル１と、第２のサブセル２とを有している。第１および第２のサブセル１、２は、それぞれｐ‐ｉ‐ｎセルとして構成されており、すなわち、それぞれが、前側すなわち光の入射側にｐ層ｐ１、ｐ２を有し、後ろ側にｎ層ｎ１、ｎ２を有し、したがって第１のサブセル１のｎ層ｎ１および第２のサブセル２のｐ層ｐ２が、互いに接触している。それぞれのサブセル１、２のｐ層ｐ１、ｐ２およびｎ層ｎ１、ｎ２の間には、いずれの場合も、真正層またはｉ層ｉ１、ｉ２が設けられている。ｐ層ｐ１、ｐ２および真正層ｉ１、ｉ２は、それぞれ非晶質シリコンからなり、ｎ層ｎ１、ｎ２も同様である。

図３による本発明のタンデムセルは、第１のサブセル１のｎ層ｎ１に接する第２のサブセル２のｐ層ｐ２が、第１のサブセル１のｎ層ｎ１に接するナノ結晶シリコンまたは微結晶シリコンの第１のサブ層ｐ２１と、第２のサブセル２の真正層ｉ２に接する非晶質シリコンの第２のサブ層ｐ２２とを有している点で、実質的に図１のタンデムセルから相違している。さらに、第１のサブセル１のｎ層ｎ１に接する第２のサブセル２のｐ層ｐ２が、ｎ層ｎ１の層厚さＤｎ１に比べ、より大きな層厚さＤｐ２を有している。

（比較用）

図１による通常のシリコン・タンデムセル太陽電池を、交流電界（周波数は、１３．５６ＭＨｚ）中でのＰＥＣＶＤによって、単一チャンバのプロセスにて製造した。ホウ素ドープによる炭素合金非晶質ｐ層ｐ１およびｐ２の厚さは、どちらも８ｎｍであり、リンをドープしてなる非晶質ｎ層ｎ１およびｎ２の厚さは、どちらも１０ｎｍであり、非晶質真正層ｉ１およびｉ２の厚さは、どちらも３００ｎｍである。

図２が、このタンデムセル太陽電池の特性を示している。ＭＰＰが、最大電力点を表わし、Ｉ_SCが、短絡電流を表わし、Ｖ_OCが、開路電圧を表わしている。

曲線因子（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）は、５３％である。二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって、第２のサブセル２の真正層ｉ２の始まりにおいて、リンの濃度が１×１０⁸ｃｍ^-3を超えていることが検出された。

第１のサブセル１のｎ層ｎ１が、５ｎｍの層厚さを有しており、第１のサブセル１のｎ層ｎ１との境界に位置する第２のサブセル２の前側のｐ層ｐ２が、５ｎｍの層厚さを有するナノ結晶シリコンまたは微結晶シリコンの第１のサブ層ｐ２１と、８ｎｍの層厚さを有する隣接の非晶質シリコンの第２のサブ層ｐ２２とで構成されているタンデムセル太陽電池を製造した点を除き、実施例１を繰り返した。

図４が、このタンデムセル太陽電池の特性を示している。７６％の曲線因子を有している。

通常のシリコン・タンデムセルの概略の構造を示す図である。 実施例１による通常のタンデムセルの特性を示す図である。 本発明のシリコン・タンデムセルの概略かつ典型的な構造を示す図である。 実施例２による本発明のタンデムセルの特性を示す図である。

Claims (6)

1. ｐ型層（ｐ１、ｐ２）、真正層（ｉ１、ｉ２）、およびリンをドープしてなるｎ型層（ｎ１、ｎ２）をそれぞれが有している少なくとも２つのサブセル（１、２）を備えており、光が個々のサブセル（１、２）のｐ型層（ｐ１、ｐ２）を通って真正層（ｉ１、ｉ２）へと入射し、ｐ型層（ｐ２）が、手前に位置するサブセル（１）のｎ型層（ｎ１）との境界に位置する第１のサブ層（ｐ２１）と第２の非晶質のサブ層（ｐ２２）とを有しているシリコン・マルチセル太陽電池であって、
   ｐ型層（ｐ２）の第１のサブ層（ｐ２１）が、１〜１００ｎｍのサイズを有する結晶を備えるナノ結晶シリコンを備え、少なくとも２ｎｍの層厚さを有しており、
   ｎ型層（ｎ１）が、ｎ型層（ｎ１）に接する後続のサブセル（２）のｐ型層（ｐ２）の層厚さ（Ｄｐ２）よりも小さな層厚さ（Ｄｎ２）を有していることを特徴とするシリコン・マルチセル太陽電池。
2. 真正層（ｉ１、ｉ２）が、非晶質シリコンを備えることを特徴とする請求項１に記載のシリコン・マルチセル太陽電池。
3. 後続のサブセル（２）のｐ型層（ｐ２）に接するｎ型層（ｎ１）が、少なくとも部分的に非晶質であるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン・マルチセル太陽電池。
4. ｎ型層（ｎ１）が、非晶質のサブ層と、後続のサブセル（２）のｐ型層（ｐ２）との境界に位置するナノ結晶または微結晶のサブ層とを有していることを特徴とする請求項３に記載のシリコン・マルチセル太陽電池。
5. 後続のサブセル（２）のｐ型層（ｐ２）に接するｎ型層（ｎ１）が、２０ｎｍ以下の層厚さを有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のシリコン・マルチセル太陽電池。
6. 手前に位置するサブセル（１）のｎ型層（ｎ１）に接するｐ型層（ｐ２）が、炭素、酸素、または窒素による合金化によって広げられるバンドギャップを有していることを特徴とする請求項１に記載のシリコン・マルチセル太陽電池。

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