JP3679771B2 - 光起電力装置、及び光起電力装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、pin接合のような半導体層に透光性導電膜が堆積された構造を持つ太陽電池、光センサ等に用いられる光起電力素子、及び該光起電力素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、家屋の屋根に設置する太陽光発電システムの導入が急速に進んでいる。前記太陽光発電システムに用いられる太陽電池には、例えば、n型(100)シリコン層の形成後、i型及びp型の各非結晶半導体層、及び酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO) 等の透光性導電膜を順次堆積させ、透光性導電膜上に集電極を形成して製造した光起電力素子が利用されている。
【0003】
このような光起電力素子を用いた太陽電池は、一般に屋外に設置されるため、高い耐環境信頼性が要求されている。そこで、従来では光起電力素子を製品としてモジュールに組み込んだ場合、光起電力素子を保護する目的でカバーガラスが用いられることが多く、モジュールとして耐環境性の確保がなされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、カバーガラスとしては、一般的に、安価な白板ガラスが利用されており、高湿度等の条件下では、白板ガラスに含まれるNa,Li,K等のアルカリイオンが透光性導電膜を通じて非結晶半導体層の中へ拡散し、悪影響を及ぼすことがある。例えば、非結晶半導体層の中にアルカリイオンが拡散した場合、拡散電位変動が起こり、光起電力素子の特性を劣化させるという問題が生じることがある。
【0005】
そこで、光起電力素子自体が耐環境性、特にアルカリイオンに対する耐性に優れたものであることが望ましく、透光性導電膜の改善が求められている。しかも、光起電力素子の透光性導電膜には、高効率化のために高い光透過率と低い電気抵抗とが要求されている。しかしながら、一般的には、高い光透過率と低い電気抵抗とを実現するためには、透光性導電膜の結晶性を向上させる必要があるが、多結晶体であるITO、ZnOでは結晶粒が大きくなり、その分結晶粒界の影響も大きくなる。したがって、粒界を経路としたアルカリイオンの拡散が促進され、耐環境信頼性が低下する虞がある。
【0006】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、半導体層に積層した透光性導電膜を2層により形成し、半導体層に近接する側の層の結晶性を低くすることにより、光起電力素子としての効率を低下させることなく、耐環境信頼性を高めることができる光起電力装置、及び該光起電力装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光起電力装置は、半導体層の表面に透光性導電膜及び集電極をこの順に備えて形成された光起電力素子を備え、当該光起電力素子の表面側にアルカリイオンを含むカバーガラスを設けてモジュールとした光起電力装置であって、前記透光性導電膜は、前記半導体層に近接する側から順に第1層及び第2層が積層してあり、前記第1層は結晶粒を含み、且つ前記第2層と比較して結晶性が低く10%以下の結晶化率を有するITO膜からなり、前記第2層は前記第1層と比較して結晶性が高く、98%以上の結晶化率を有するITO膜からなること、を特徴とする。
【0010】
本発明に係る光起電力装置において、前記第1層の厚さは20Å以下であることを特徴とする。
【0011】
また、前記半導体層は、a−Si:H、a−SiC:H、a−SiGe:H、μc−Si:H、μc−SiC:H、又はμc−SiGe:Hの何れかであることを特徴とする。
【0012】
本発明に係る光起電力装置の製造方法は、ITOのターゲットを用い、第1水分分圧にてArとO2との混合ガスの気体放電により半導体層の表面に、結晶粒を含み且つ10%以下の結晶化率を有するITO膜からなる透光性導電膜の第1層を形成し、ITOのターゲットを用い、前記第1水分分圧よりも低い第2水分分圧にてArとO2との混合ガスの気体放電により前記第1層上に、当該第1層と比較して結晶性が高く、98%以上の結晶化率を有するITO膜からなる透光性導電膜の第2層を形成し、前記第1層及び第2層を有する透光性導電膜上に集電極を形成して光起電力素子を形成し、前記光起電力素子上に、アルカリイオンを含むカバーガラスを設けてモジュールとすることを特徴とする。
【0013】
また、前記第1水分分圧は1×10 −3 Pa以上、5×10−3Pa以下であることを特徴とする。
【0014】
また、前記第1層を形成した後に、前記第1層に熱処理を行うことを特徴とする。
【0015】
本発明にあっては、半導体層に積層した透光性導電膜は、2つの層を有しており、半導体層に近接する側の層が他方の層と比較して結晶性が低い。したがって、結晶性が高い層にあっては、高い光透過率と低い電気抵抗とを実現することができるため、光起電力素子の効率が低下することがなく、また、結晶性が低い層にあっては、結晶粒界の影響が小さくなり、粒界を経路としたアルカリイオンの拡散が抑制される。すなわち、光起電力素子に求められている高効率化と耐環境信頼性との双方が実現される。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図1及び図2は、本発明の光起電力素子を示す斜視図及び模式的断面図である。図中13はn型、i型及びp型半導体による積層構造を有する半導体層であり、この半導体層13の表面に透光性導電膜であるSnをドープした酸化インジウム膜14(以下、ITO膜と呼ぶ)を堆積させている。
【0017】
後述するようにITO膜14を形成するときの水分分圧を制御することによって、半導体層13との界面近傍の界面層14a、及び該界面層14a上のバルク層14bにおける結晶性を制御する。本発明では、界面層14aの結晶性を低く、バルク層14bの結晶性を高くしている。
【0018】
また、ITO膜14上には、エポキシ樹脂に銀の微粉末を練り込んだ銀ペーストを用いて、スクリーン印刷法により、櫛形集電極15を形成しており、半導体層13の裏面には、Ag,Al等の金属膜を蒸着してなる裏面電極12を設けている。
【0019】
太陽電池、光センサ等の光起電力装置は、前述の裏面電極12、半導体層13、ITO膜14、及び櫛形集電極15を有する光起電力素子をモジュールとして組み込んだものであり、長期にわたって光起電力素子を保護する目的で、Na,Li,K等のアルカリイオンを含んだカバーガラス(不図示)を設置する。
【0020】
以下、図1に示した光起電力素子の製造方法について説明する。
まず、約1Ω・cm、厚さ300μmのn型(100)シリコン層(以下、基板と呼ぶ)13aを形成し、通常洗浄により不純物を除去した後、公知のRFプラズマCVD法を用いてi型水素化非晶質シリコン層13b、p型水素化非晶質シリコン層13cをそれぞれ5nm程度づづ堆積させ、pin接合を形成する。i型水素化非晶質シリコン層13b、p型水素化非晶質シリコン層13cを堆積させるときの形成温度は100〜300℃であり、反応圧力は5〜100Pa、RFパワーは1〜500mW/cm2 であった。
【0021】
p型水素化非晶質シリコン層13cを形成する際に用いるp型ドーパントとしては、13族元素であるB,Al,Ga,又はInの何れかを利用する。SiH4 等のソースガスに、これらの少なくとも1つを含む化合物ガスを混合することにより、p型に制御することが可能となる。また、基板(n型(100)シリコン層)13aを形成するために、15族元素であるP,N,As,及びSbの少なくとも1つを含む化合物ガスを用いて価電子を制御する。
【0022】
i型,p型水素化非晶質シリコン層13b,13cの各層は、この他に、蒸着法、スパッタ法、RFプラズマCVD法、マイクロ波プラズマCVD法、ECR法、熱CVD法、LPCVD法等、公知手法を用いて形成することができる。半導体層13を形成する半導体は、結晶質であるもの、水素、フッ素の少なくとも一方を含む非晶質であるもの、又はSi,SiGe,SiGeC,SiC,SiN,SiGeN,SiSn,SiSnN,SiSnO,SiO,Ge,GeC,又はGeNの何れかの微結晶であるものでも良い。
【0023】
次いで、p型水素化非晶質シリコン層13cの表面に透光性導電膜であるITO膜14を堆積する。本発明者等の検討の結果、本発明の性質をもつITO膜14は、以下の手法により形成することが可能であることが判明した。
【0024】
まず、SnO2 粉末を5wt%混入したIn2 O3 粉末の焼結体をターゲットとしてカソードに設置する。混入するSnO2 の量を変えることにより、ITO膜14に含まれるSn量を変化させることが可能であるが、Inに対するSnの量は1〜10at%が好ましく、さらに3〜7at%がさらに好ましい。ターゲットの焼結密度は90%以上が好ましい。尚、SnO2 の他にZn,As,Ca,Cu,F,Ge,Mg,S,Si,又はTeの少なくとも1つをドーパントとして用いても良い。
【0025】
そして、半導体層13をカソードに対して平行に対向配置した後、チャンバーを真空排気する。加熱ヒータにより基板13aの温度が25℃から150℃になるように保ち、ArとO2 との混合ガスを流して圧力を0.4から1.3Paに保ち、カソードにDC電力を1kW投入して放電を開始した。基板13aをカソードに対し静止させた状態での成膜速度は約67nm/minとなった。Arの他にはHe,Ne,Kr,Xe等の不活性ガス又はこれらの混合気体を用いることもできる。また、気体放電はパルス変調DC放電、RF、VHF、又はマイクロ波放電でも可能である。
【0026】
次いで、ITO膜14上に櫛形集電極15を形成する。櫛形集電極15は、エポキシ樹脂に銀の微粉末を練り込んだ銀ペーストを用いて、スクリーン印刷法により高さ10〜30μm、幅100〜500μmに形成した後、200℃、80分で焼成硬化することにより、複数の互いに平行な枝部を有する形状に形成したものである。そして、半導体層13の裏面にAg,Al等の金属膜を蒸着し、裏面電極12を形成する。
【0027】
以下、発明者らによるITO膜14の特性評価試験の結果について説明する。特性評価試験は、エネルギ変換効率の評価とナトリウムイオンに対する耐性(アルカリ耐性)の評価とを行った。ここで、ナトリウムイオンに対する耐性の評価は、NaHCO3 水溶液をITO膜14に0.1g塗布して、200℃で3時間放置した後の光起電力素子の出力(Na試験後Pmax )を測定することによって行ったものである。
【0028】
図3は、界面層14aの形成時の水分分圧と初期効率との関係を示したグラフである。横軸には界面層14aの形成時の水分分圧をとり、縦軸には水分分圧を変えて界面層14aを形成した場合の光起電力素子の出力の値をとっている。なお、縦軸は、透光性導電膜が10-3Paの水分分圧でITO単層膜を形成した場合の光起電力素子の出力の値で規格化している。
【0029】
界面層14aの特性評価を行うのに先立ち、まず最初に、5at%のSnO2 ドープITOターゲットを用いて、Ar流量200sccm、酸素流量12sccmの条件で圧力Pa、DC電力1kW、基板温度200℃にて半導体層13の表面に水分分圧5×10-2Pa〜10-4Paにて界面層14aを20Åを堆積し、その上に10-4Paにて厚さ980Åのバルク層14bを堆積して光起電力素子を形成した。また、出力を規格化するために用いた光起電力素子は、水分分圧を一定(10-3Pa)にしてITO単層膜(厚さ1000Å)を形成したものである。
【0030】
図3に示した如く、界面層14aの形成時の水分分圧が1×10-3Pa以下では、ITO単層膜を形成した場合と同等かそれ以上の出力が得られているが、界面層14aの形成時の水分分圧が2.5×10-3Pa以上では、曲線因子及び開放電圧の低下により出力が低下することが確認された。
【0031】
図4は、界面層14aの形成時の水分分圧とアルカリ耐性との関係を示したグラフである。横軸には界面層14aの形成時の水分分圧をとり、縦軸にはNa試験後Pmax をNaHCO3 水溶液の塗布前の初期出力(Na試験前Pmax )により規格化した値をとっている。
【0032】
図4に示した如く、界面層14aの形成時の水分分圧が1×10-3Pa以上ではアルカリ耐性の試験では出力の低下がみられないのに対し、それより低い水分分圧ではアルカリ耐性が低下することが分かった。また、X線回折により結晶性を評価したところ、1×10-3Pa以上の水分分圧にて界面層14aを形成した場合、櫛形集電極15を形成する際に熱処理がなされた場合であっても界面層14aにアモルファスを示唆するランダムな回折線の分布が観測された。更に、界面層14aの形成時の水分分圧の増加に伴ってアモルファス成分の増加が確認された。
【0033】
以上の結果により、ITO膜14の界面層14aをp型水素化非晶質シリコン層13cの表面に1×10-3Pa以上の高水分分圧にて形成した場合、アモルファス成分を含む界面層14aが形成され、その後の櫛形集電極15の形成に伴う熱処理により結晶性は改善するもののアモルファス成分が一部残っていることが示唆された。また、透過電子顕微鏡観察により、界面層14aのp型水素化非晶質シリコン層13cに最も近接した領域にてアモルファス成分が特に多く存在していることが確認された。
【0034】
また、図3及び図4により、初期出力の向上及びアルカリ耐性の両立には、ITO膜14における半導体層13と接する側の20Å以下の界面領域形成時の水分分圧に最適条件が存在し、本実施の形態では水分分圧1×10-3Paであることが分かった。
【0035】
図5は、界面層14aの形成時の水分分圧と結晶化率との関係を示したグラフである。図中、横軸には界面層14aの形成時の水分分圧をとり、縦軸には結晶化率をとっている。ここで、結晶化率とは、透過電子顕微鏡観察をした場合の(結晶の格子像が確認できる面積)/(総面積)により定義される。
【0036】
図5にした如く、界面層14aの形成時の水分分圧が高い程、結晶化率が低下していることが分かる。すなわち、図4と併せて考えた場合、結晶化率10%以下で耐アルカリ性を大幅に改善することができることが確認された。
【0037】
尚、図4にて評価した試料のバルク層14bの結晶化率は何れも98%以上であり、界面層14aよりも高い結晶化率となっている。これは、光起電力素子には高出力化が求められており、ITO膜14の低抵抗と高い光透過率とを両立する必要があるため、高い結晶化率が不可欠となっているためである。
ここで、表1にITO単層構造におけるITO単層膜の結晶化率と光起電力素子の規格化出力の関係を示す。
【0038】
【表1】
【0039】
規格化出力は、結晶化率100%の場合の出力により規格化している。表1により、結晶化率95%以上では、規格化出力は高いレベルに維持することができるが、それより低い領域では抵抗の増加及び吸収のロスの増加により、光起電力素子の出力が大幅に低下する。
【0040】
図6は、光起電力素子中のNa濃度を示すグラフである。図中の縦軸にはNa濃度を取り、横軸には半導体層13とITO膜14との界面からの厚みを取っている。図5に示された如く、ITO膜14におけるバルク層14bでのNa濃度は殆ど一定であるのに対して、水分分圧を適切にして処理をした界面層14aでは、急激にNa濃度が減少しており、ITO膜14の界面層14aにて有効にアルカリイオンをブロックしていることが確認されている。
【0041】
以上のように、本発明の光起電力素子は、その透光性導電膜(ITO膜14)において、光入射側の透光性導電膜の半導体層13と接する側の20Å以下の界面領域が、その上に形成されたバルク領域よりも相対的に結晶性が低くアモルファス構造を含むことを特徴としている。また、このような光起電力素子を用いることにより、優れた太陽電池特性とアルカリ耐性とを両立した太陽電池、光センサ等の光起電力装置を実現することが可能である。
【0042】
なお、本実施の形態では、ITO膜14に接する層をp型水素化非晶質シリコン層13cとしたが、p型微結晶シリコン、i型水素化非晶質シリコン、及びn型水素化非晶質シリコンを順次堆積させ、n型水素化非晶質シリコン層の表面に透光性導電膜であるITO膜14を形成する形態であってもよい。
【0043】
また、本実施の形態で説明したITO膜14は、基板13aの反対側から光を入射する非晶質太陽電池、微結晶太陽電池、及び非晶質太陽電池と微結晶太陽電池とのハイブリッド構造においても適用することができることは勿論のことである。
【0044】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、半導体層に積層した透光性導電膜は、2つの層を有しており、半導体層に近接する側の層が他方の層と比較して結晶性が低い。したがって、結晶性が高い層にあっては、高い光透過率と低い電気抵抗とを実現することができるため、光起電力素子の効率が低下することなく、また、結晶性が低い層にあっては、結晶粒界の影響が小さくなり、粒界を経路としたアルカリイオンの拡散が抑制される。すなわち、光起電力装置に求められている高効率化と耐環境信頼性とを両立させることが可能である。
【0047】
また、半導体に近接する側の層の厚さが20Å以下であるので、半導体層に近接する側の層にあっては、結晶粒界の影響が小さくなり、粒界を経路としたアルカリイオンの拡散が抑制され、他方の層にあっては、高い光透過率と低い電気抵抗とを実現することができるため、光起電力装置のエネルギ変換効率の低下を防止することができる。
【0048】
また、a−Si:H、a−SiC:H、a−SiGe:H、μc−Si:H、μc−SiC:H、又はμc−SiGe:Hの何れかを半導体層として用いており、透光性導電膜における半導体層との界面領域にて結晶が析出することを抑制して、アモルファス状態の透光性導電膜を形成することが容易となる。
【0049】
また、本発明の製造方法によれば、透光性導電膜を形成する際、ITOのターゲットを用い、第1水分分圧にてArとO 2 との混合ガスの気体放電により半導体層の表面に、2%から10%の結晶化率を有するITO膜からなる透光性導電膜の第1層を形成し、ITOのターゲットを用い、前記第1水分分圧よりも低い第2水分分圧にてArとO 2 との混合ガスの気体放電により前記第1層上に、当該第1層と比較して結晶性が高く、95%以上の結晶化率を有するITO膜からなる透光性導電膜の第2層を形成することによって、半導体層に近接する側である第1層の結晶化率を低くすることが可能であるため、第1層でのアルカリイオン耐性を高めることが可能である。
【0050】
また、第1水分分圧を1×10 −3 Pa以上、5×10−3Pa以下にすることにより、前記第1層でのエネルギ変換効率を低下させることなく、アルカリイオン耐性を高めることが可能である。
【0051】
また、前記第1層を形成した後に熱処理を行う。したがって、第1層にアモルファス状態を残したまま一部を結晶化することが可能であり、アルカリイオン耐性を低下させることなく、エネルギー変換効率を高めることが可能である等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光起電力素子を示す斜視図である。
【図2】本発明の光起電力素子を示す模式的断面図である。
【図3】界面層の形成時の水分分圧と初期効率との関係を示したグラフである。
【図4】界面層の形成時の水分分圧とアルカリ耐性との関係を示したグラフである。
【図5】界面層の形成時の水分分圧と結晶化率との関係を示したグラフである。
【図6】光起電力素子中のNa濃度を示すグラフである。
【符号の説明】
12 裏面電極
13 半導体層
13a n型(100)シリコン層
13b i型水素化非晶質シリコン層
13c p型水素化非晶質シリコン層
14 ITO膜
15 櫛形集電極
Claims (6)
- 半導体層の表面に透光性導電膜及び集電極をこの順に備えて形成された光起電力素子を備え、当該光起電力素子の表面側にアルカリイオンを含むカバーガラスを設けてモジュールとした光起電力装置であって、
前記透光性導電膜は、前記半導体層に近接する側から順に第1層及び第2層が積層してあり、
前記第1層は結晶粒を含み、且つ前記第2層と比較して結晶性が低く10%以下の結晶化率を有するITO膜からなり、
前記第2層は前記第1層と比較して結晶性が高く、98%以上の結晶化率を有するITO膜からなること、
を特徴とする光起電力装置。 - 前記第1層の厚さは20Å以下であることを特徴とする請求項1記載の光起電力装置。
- 前記半導体層は、a−Si:H、a−SiC:H、a−SiGe:H、μc−Si:H、μc−SiC:H、又はμc−SiGe:Hの何れかであることを特徴とする請求項1または2に記載の光起電力装置。
- ITOのターゲットを用い、第1水分分圧にてArとO2との混合ガスの気体放電により半導体層の表面に、結晶粒を含み且つ10%以下の結晶化率を有するITO膜からなる透光性導電膜の第1層を形成し、
ITOのターゲットを用い、前記第1水分分圧よりも低い第2水分分圧にてArとO2との混合ガスの気体放電により前記第1層上に、当該第1層と比較して結晶性が高く、98%以上の結晶化率を有するITO膜からなる透光性導電膜の第2層を形成し、
前記第1層及び第2層を有する透光性導電膜上に集電極を形成して光起電力素子を形成し、
前記光起電力素子上に、アルカリイオンを含むカバーガラスを設けてモジュールとすることを特徴とする光起電力装置の製造方法。 - 前記第1水分分圧は1×10−3Pa以上、5×10−3Pa以下であることを特徴とする請求項4に記載の光起電力装置の製造方法。
- 前記第1層を形成した後に、前記第1層に熱処理を行うことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の光起電力装置の製造方法
Priority Applications (4)
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