光電変換モジュール及びその製造方法
【課題】微結晶シリコン層を発電層として含む光電変換装置において、フィルファクタを低下させることなく、開放電圧を向上させる。
【解決手段】ｐ型ドーパントを含むｐ型層４０、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層４２及びｎ型ドーパントを含むｎ型層４４の積層構造を備え、ｉ型層４２は、ｐ型層４０とｎ型層４４との間に設けられ、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層４２ａを備える構造とする。
【解決手段】ｐ型ドーパントを含むｐ型層４０、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層４２及びｎ型ドーパントを含むｎ型層４４の積層構造を備え、ｉ型層４２は、ｐ型層４０とｎ型層４４との間に設けられ、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層４２ａを備える構造とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶、微結晶またはアモルファスシリコンを用いた太陽電池が知られている。特に、微結晶またはアモルファスシリコンの薄膜を積層した構造を有する光電変換装置は、資源消費の観点、コストの低下の観点および効率化の観点から注目されている。
【０００３】
一般的に、光電変換装置は、表面が絶縁性の基板上に第１電極、１以上の半導体薄膜光電変換セル及び第２電極を順に積層して形成される。それぞれの光電変換ユニットは、光入射側からｐ型層、ｉ型層及びｎ型層を積層して構成される。光電変換装置の変換効率を向上させる方法として、２種以上の光電変換セルを光入射方向に積層することが知られている。光電変換装置の光入射側にはバンドギャップが広い光電変換層を含む第１の光電変換ユニットを配置し、その後に第１の光電変換ユニットよりもバンドギャップの狭い光電変換層を含む第２の光電変換ユニットを配置する。これにより、入射光の広い波長範囲に亘って光電変換を可能にし、装置全体として変換効率の向上を図ることができる。例えば、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）光電変換ユニットをトップセルとし、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）光電変換ユニットをボトムセルとした構造が知られている。
【０００４】
このような構造において、μｃ−Ｓｉ光電変換ユニットのｐ型層とｉ型層との界面に介在層を設ける構成が開示されている。介在層としては、微結晶シリコンからなり、アモルファスシリコン成分のバンドギャップを増加させる炭素等の不純物を１×１０２０原子／ｃｍ３以上含む膜厚１０〜１５０Åの層としている（例えば、特許文献１参照）。また、μｃ−Ｓｉ光電変換ユニットにおけるドーピング層とｉ型層との界面近傍のｉ型半導体層の形成面内に、主成分であるＩＶ属元素の密度が小さくなっている低密度領域を離散的に存在させる技術も開示されている。主成分であるＩＶ属元素がシリコンである場合、低密度領域には水素、炭素、窒素、酸素等を含有した膜厚３ｎｍ以上４０ｎｍ以下の層を適用することが好ましいとされている（例えば、特許文献２参照）。また、μｃ−Ｓｉ光電変換ユニットにおけるｉ型層としてシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層とシリコン層とを積層させることにより光電変換効率を高める技術が開示されている。ＳｉＧｅ層は、２５ｎｍ以上２００ｎｍ以下と比較的厚い層とすることが好適であるとされている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２５８２８６号公報
【特許文献２】特開平１１−２６１０８７号公報
【特許文献３】特開２００６−１００６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微結晶シリコン層を発電層とするμｃ−Ｓｉ光電変換ユニットを含む光電変換装置では、微結晶シリコン層が完全な結晶相ではなくアモルファス相を含むために開放電圧が０．５Ｖ程度と結晶シリコン層を発電層とする光電変換装置よりも大幅に低くなるという問題がある。
【０００７】
上記特許文献1及び２には、基板上にｎ型層、ｉ型層、ｐ型層の順に形成され、基板と逆側から光を入射するタイプの光電変換装置において、ｐ型層と界面に膜厚４０ｎｍ以下の界面層として微結晶炭化シリコンのｉ型層を挟み込んだ構造についてデータが記載されている。しかし、基板上にｐ型層、ｉ型層、ｎ型層と形成され、基板側から光を入射するタイプの光電変換装置では、微結晶の成長方向の違いもあり、充分な効果が得られなかった。また、上記特許文献３では、微結晶シリコンゲルマニウム層と微結晶シリコン層との積層構造については開示されているが、微結晶炭化シリコン層と微結晶シリコン層との積層構造によってｉ型層を構成する技術は開示されていない。
【０００８】
そこで、フィルファクタを低下させることなく開放電圧を向上させた光電変換装置を提供することが課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様は、ｐ型ドーパントを含むｐ型層、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層及びｎ型ドーパントを含むｎ型層の積層構造を備えた光電変換装置であって、ｉ型層は、ｐ型層とｎ型層との間に設けられ、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層を備える、光電変換装置である。
【００１０】
本発明の別の態様は、ｐ型ドーパントを含むｐ型層、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層及びｎ型ドーパントを含むｎ型層の積層構造を備えた光電変換装置の製造方法であって、ｐ型層とｎ型層との間に、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層を形成する、光電変換装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光電変換装置における光電変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態における光電変換装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における光電変換装置のμｃ−Ｓｉユニットの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における光電変換装置のμｃ−Ｓｉユニットの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態における光電変換装置１００の構造を示す断面図である。本実施の形態における光電変換装置１００は、透明絶縁基板１０を光入射側として、光入射側から、透明導電膜１２、トップセルとして広いバンドギャップを有するアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）（光電変換）ユニット１０２、中間層１４、ボトムセルとしてａ−Ｓｉユニット１０２よりバンドギャップの狭い微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）（光電変換）ユニット１０４、第１裏面電極層１６、第２裏面電極層１８、充填材２０及び保護膜２２を積層した構造を有している。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態における光電変換装置１００の構成及び製造方法について説明する。
【００１５】
透明絶縁基板１０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の少なくとも可視光波長領域において透過性を有する材料を適用することができる。透明絶縁基板１０上に透明導電膜１２が形成される。透明導電膜１２は、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透光性が高く、抵抗率が低く、耐プラズマ特性にも優れているので好適である。透明導電膜１２は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。透明導電膜１２の膜厚は０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲とすることが好適である。また、透明導電膜１２の表面には光閉じ込め効果を有する凹凸を設けることが好適である。
【００１６】
透明導電膜１２上に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層のシリコン系薄膜を順に積層してａ−Ｓｉユニット１０２を形成する。ａ−Ｓｉユニット１０２は、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ４）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ２）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマＣＶＤにより形成することができる。
【００１７】
プラズマＣＶＤは、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用することが好適である。ＲＦプラズマＣＶＤは平行平板型とすることができる。平行平板型の電極のうち透明絶縁基板１０を配しない側には原料の混合ガスを供給するためのガスシャワー孔を設けた構成としてもよい。プラズマの投入電力密度は、５ｍＷ／ｃｍ２以上１００ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
【００１８】
一般的に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層はそれぞれ別の成膜室において成膜される。成膜室は、真空ポンプによって真空排気可能であり、ＲＦプラズマＣＶＤのための電極が内蔵される。また、透明絶縁基板１０の搬送装置、ＲＦプラズマＣＶＤのための電源及びマッチング装置、ガス供給用の配管等が付設される。
【００１９】
ｐ型層は、透明導電膜１２上に形成される。ｐ型層は、ｐ型ドーパント（ボロン等）をドープした膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のｐ型アモルファスシリコン層（ｐ型α−Ｓｉ：Ｈ）又はｐ型アモルファス炭化シリコン（ｐ型α−ＳｉＣ：Ｈ）とする。ｐ型層の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、ｐ型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。ｉ型層は、ｐ型層上に形成されたドープされていない膜厚５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のアモルファスシリコン膜とする。ｉ型層の膜質は、シリコン含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。また、ｉ型層は、ａ−Ｓｉユニット１０２の発電層となる。ｎ型層は、ｉ型層上に形成されたｎ型ドーパント（リン等）をドープした膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のｎ型アモルファスシリコン層（ｎ型α−Ｓｉ：Ｈ）又はｎ型微結晶シリコン層（ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とする。ｎ型層の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、ｎ型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
【００２０】
ａ−Ｓｉユニット１０２上に、中間層１４を形成する。中間層１４は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を用いることが好適である。特に、マグネシウムＭｇがドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）や酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を用いることが好適である。中間層１４は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。中間層１４の膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることが好適である。なお、中間層１４は、設けなくてもよい。
【００２１】
中間層１４上に、図２の拡大断面図に示すように、ｐ型層４０、ｉ型層４２、ｎ型層４４を順に積層したμｃ−Ｓｉユニット１０４を形成する。μｃ−Ｓｉユニット１０４は、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ４）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ２）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマＣＶＤにより形成することができる。
【００２２】
プラズマＣＶＤは、例えば、１３．５６ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用することが好適である。特に、ｐ型層４０及びｎ型層４４には１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用し、ｉ型層４２には２７．１２ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用することが好適である。ＲＦプラズマＣＶＤは平行平板型とすることができる。平行平板型の電極のうち透明絶縁基板１０を配しない側には原料の混合ガスを供給するためのガスシャワー孔を設けた構成としてもよい。プラズマの投入電力密度は、５ｍＷ／ｃｍ２以上１００ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
【００２３】
ｐ型層４０は、中間層１４又はα−Ｓｉユニット１０２のｎ型層上に形成される。ｐ型層４０は、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）層や微結晶炭化シリコン（μｃ−ＳｉＣ）層とすることが好適である。また、ｐ型層４０は、アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）層等のアモルファス層としてもよい。ｐ型層４０は、ｐ型ドーパント（ボロン等）をドープし、膜厚５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好適である。ｐ型層４０の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、ｐ型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
【００２４】
ｐ型層４０上にはｉ型層４２を形成する。ｉ型層４２は、ｐ型層４０上に形成されたドープされていない膜厚０．５μｍ以上５μｍ以下の微結晶シリコン層又は微結晶炭化シリコン層とする。ｉ型層４２は、μｃ−Ｓｉユニット１０４の発電層となる。
【００２５】
１つの実施の形態においてｉ型層４２は、ｐ型層４０に接するように第１のｉ型層４２ａを形成し、第１のｉ型層４２ａ上に第２のｉ型層４２ｂを積層する。
【００２６】
第１のｉ型層４２ａは、ｉ型層４２の初期層となる層であり、第２のｉ型層４２ｂよりもワイドバンドギャップである微結晶炭化シリコン（μｃ−ＳｉＣ）層とする。第１のｉ型層４２ａは、メタン（ＣＨ４）／シラン（ＳｉＨ４）比が１／１０以上１／６以下の原料ガスを水素（Ｈ２）で５０以上３００以下倍に希釈した混合ガスを圧力１３３Ｐａ以上４０００Ｐａ以下で導入してプラズマ成膜法によって形成することが好適である。このような条件により、第１のｉ型層４２ａに含有される炭素の濃度は１×１０２１／ｃｍ３以上３×１０２１／ｃｍ３以下の範囲とすることが好適である。第１のｉ型層４２ａに含有される炭素の濃度は、二次イオン分析装置により光電変換装置１００の膜厚方向に測定することによって測定することができる。プラズマ成膜法としては、２７．１２ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下のＲＦプラズマ成膜法を適用することが好適である。また、成膜時の基板温度は１５０℃以上２３０℃以下とし、プラズマに対する導入電力は１００ｍＷ／ｃｍ２以上２０００ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好適である。
【００２７】
第２のｉ型層４２ｂは、第１のｉ型層４２ａよりもナローバンドギャップである微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）層とする。第２のｉ型層４２ｂは、シラン（ＳｉＨ４）を原料ガスとして水素（Ｈ２）で０．００５以上０．１以下倍に希釈した混合ガスを圧力１３３０Ｐａ以上４０００Ｐａ以下で導入してプラズマ成膜法によって形成することが好適である。プラズマ成膜法としては、２７．１２ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下のＲＦプラズマ成膜法を適用することが好適である。また、成膜時の基板温度は１６０℃以上２３０℃以下とし、プラズマに対する導入電力は１００ｍＷ／ｃｍ２以上２０００ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好適である。
【００２８】
第１のｉ型層４２ａの膜厚は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることが好適である。ｐ型層４０との界面側に比較的厚いワイドバンドギャップの第１のｉ型層４２ａを設けることによって、フィルファクタを低下させることなくμｃ−Ｓｉユニット１０４の開放電圧を上昇させることができる。これによって、光電変換装置１００の光電変換効率を向上させることができる。第１のｉ型層４２ａの膜厚を５０ｎｍ未満とした場合には光電変換装置１００の開放電圧又は短絡電流の十分な向上が得られず、膜厚を３００ｎｍより大きくした場合にはｉ型層４２の直列抵抗が大きくなり過ぎて短絡電流やフィルファクタを低下させる可能性がある。
【００２９】
なお、別の実施の形態においてｉ型層４２は、図３に示すように、ｐ型層４０に接するように第２のｉ型層４２ｂを形成し、第２のｉ型層４２ｂ上に第１のｉ型層４２ａを積層してもよい。これにより、短絡電流を向上させることができる。
【００３０】
ｎ型層４４は、ｉ型層４２上に形成される。ｎ型層４４は、ｎ型ドーパント（リン等）をドープした膜厚５ｎｍ以上５０ｎｍ以下ｎ型微結晶シリコン層（ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とする。ただし、μｃ−Ｓｉユニット１０４はこれに限定されるものではなく、発電層として以下に説明するｉ型微結晶シリコン層（ｉ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ）が用いられるものであればよい。
【００３１】
μｃ−Ｓｉユニット１０４上に、第１裏面電極層１６、第２裏面電極層１８として反射性金属と透明導電性酸化物（ＴＣＯ）との積層構造を形成する。第１裏面電極層１６としては、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられる。ＴＣＯは、例えば、スパッタリング等により形成することができる。また、第２裏面電極層１８としては、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属が使用できる。第１裏面電極層１６及び第２裏面電極層１８は、合わせて１μｍ程度の膜厚とすることが好適である。第１裏面電極層１６及び第２裏面電極層１８の少なくとも一方には、光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けることが好適である。
【００３２】
さらに、充填材２０によって第２裏面電極層１８の表面を保護膜２２で被う。充填材２０及び保護膜２２は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料とすることができる。これによって、光電変換装置１００の発電層への水分の侵入等を防ぐことができる。
【００３３】
なお、ＹＡＧレーザ（基本波１０６４ｎｍ、２倍波５３２ｎｍ）を用いて、透明導電膜１２、ａ−Ｓｉユニット１０２、中間層１４、μｃ−Ｓｉユニット１０４、第１裏面電極層１６、第２裏面電極層１８の分離加工を行うことによって、複数のセルを直列に接続した構成にしてもよい。
【００３４】
＜実施例＞
以下、本発明の実施例及び比較例を示す。
【００３５】
（実施例１〜４）
透明絶縁基板１０として、５５ｃｍ×６５ｃｍ角，４ｍｍ厚のガラス基板を用いた。透明絶縁基板１０上に、熱ＣＶＤにより透明導電膜１２として表面に凹凸形状を有する６００ｎｍ厚のＳｎＯ２を形成した。この後、透明導電膜１２をＹＡＧレーザにて短冊状にパターニングした。ＹＡＧレーザは、波長１０６４ｎｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数３ｋＨｚのものを用いた。
【００３６】
次に、α−Ｓｉユニット１０２のｐ型層，ｉ型層及びｎ型層を順に積層した。ａ−Ｓｉユニット１０２のｐ型層，ｉ型層及びｎ型層は、表１に示す成膜条件において形成した。次に、α−Ｓｉユニット１０２のｎ型層上に、μｃ−Ｓｉユニット１０４を形成した。μｃ−Ｓｉユニット１０４のｐ型層４０，ｉ型層４２及びｎ型層４４は、表２に示す成膜条件において形成した。ｉ型層４２は、第１のｉ型層４２ａをｐ型層４０上に５０ｎｍ，１００ｎｍ，２００ｎｍ及び３００ｎｍの膜厚で形成し、第１のｉ型層４２ａと第２のｉ型層４２ｂの合計の膜厚が２μｍとなるように第２のｉ型層４２ｂの膜厚を調整して第１のｉ型層４２ａ上に形成した。
【表１】
【表２】
【００３７】
この後、透明導電膜１２のパターンニング位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射し、ａ−Ｓｉユニット１０２及びμｃ−Ｓｉユニット１０４を短冊状にパターニングした。ＹＡＧレーザは、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数３ｋＨｚのものを用いた。
【００３８】
次に、第１裏面電極層１６としてＺｎＯ膜をスパッタリングにより形成し、第２裏面電極層１８としてＡｇ電極をスパッタリングにより形成した。この後、ａ−Ｓｉユニット１０２及びμｃ−Ｓｉユニット１０４のパターンニング位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射し、第１裏面電極層１６、第２裏面電極層１８を短冊状にパターニングした。ＹＡＧレーザは、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数４ｋＨｚのものを用いた。
【００３９】
このように形成した光電変換装置を第１のｉ型層４２ａのそれぞれの膜厚について実施例１〜４とした。
【００４０】
（比較例１〜３）
上記実施例１〜４と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａを形成せず、膜厚２μｍの第２のｉ型層４２ｂをｐ型層４０上に直接形成した光電変換装置を比較例１とした。
【００４１】
また、上記実施例１〜４と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａの膜厚を１０ｎｍとし、第２のｉ型層４２ｂの膜厚を１６００ｎｍとした光電変換装置を比較例２とした。更に、上記実施例１〜４と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａの膜厚を４００ｎｍとし、第２のｉ型層４２ｂの膜厚を１６００ｎｍとした光電変換装置を比較例３とした。
【００４２】
（実施例５）
上記実施例１〜４と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａと第２のｉ型層４２ｂの成膜順を逆にした光電変換装置を実施例５とした。すなわち、第２のｉ型層４２ｂをｐ型層４０上に形成した後、第２のｉ型層４２ｂ上に第１のｉ型層４２ａを形成した。第２のｉ型層４２ｂの膜厚は１．９μｍとし、第１のｉ型層４２ａの膜厚は０．１μｍとした。
【００４３】
（実施例６及び７）
上記実施例２と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａを形成する際の原料ガスに含まれるメタン（ＣＨ４）／シラン（ＳｉＨ４）比を変化させ、第１のｉ型層４２ａに含有される炭素の濃度が１×１０２１／ｃｍ３及び３×１０２１／ｃｍ３となるように形成した光電変換装置をそれぞれ実施例６及び７とした。
【００４４】
（比較例４〜６）
上記実施例２と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａを形成する際の原料ガスに含まれるメタン（ＣＨ４）／シラン（ＳｉＨ４）比を変化させ、第１のｉ型層４２ａに含有される炭素の濃度が８×１０１７／ｃｍ３，６×１０２０／ｃｍ３及び５×１０２１／ｃｍ３となるように形成した光電変換装置をそれぞれ比較例４〜６とした。
【００４５】
表３に、実施例１〜４並びに比較例１〜３の光電変換装置の開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流密度Ｊｓｃ、フィルファクタＦＦ及び効率ηを示す。比較例１の開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流密度Ｊｓｃ、フィルファクタＦＦ及び効率ηの平均値をそれぞれ１として実施例１〜４の測定値を規格化して示している。
【表３】
【００４６】
実施例１では、開放電圧Ｖｏｃは増加しなかったが、短絡電流密度Ｊｓｃが増加し、変換効率ηは２．５％向上した。実施例２〜４では開放電圧Ｖｏｃ及び短絡電流密度Ｊｓｃが増加し、変換効率ηはそれぞれ４．０％，３．７％及び２．４％向上した。実施例１〜４では、開放電圧Ｖｏｃ及び短絡電流密度Ｊｓｃの増加分に対して、フィルファクタＦＦの低下分は小さく、変換効率ηが向上した。これに対して、第１のｉ型層４２ａを１０ｎｍとした比較例２では、ほとんどのパラメータに変化はなく、第１のｉ型層４２ａがないときとほとんど変化はなかった。また、第１のｉ型層４２ａを４００ｎｍとした比較例３では、フィルファクタＦＦの低下分が大きくなり、変換効率ηが比較例１より小さくなった。なお、実施例５では、比較例１に対して短絡電流密度Ｊｓｃが２％増加した。
【００４７】
また、表４に示すように、実施例６及び７のように第１のｉ型層４２ａの炭素濃度を１×１０２１／ｃｍ３又は３×１０２１／ｃｍ３とした場合、開放電圧Ｖｏｃ及び短絡電流密度Ｊｓｃが増加し、変換効率ηもそれぞれ４．０％及び３．６％向上した。これに対して、比較例４〜６のように、第１のｉ型層４２ａの炭素濃度を８×１０１７／ｃｍ３，６×１０２０／ｃｍ３及び５×１０２１／ｃｍ３とした場合、変換効率ηは小さい値に留まった。
【表４】
【００４８】
以上のように、本実施の形態のようにμｃ−Ｓｉユニット１０４のｉ型層４２に比較的膜厚の大きい微結晶炭化シリコン層である第１のｉ型層４２ａを設けることによって開放電圧Ｖｏｃ又は短絡電流密度Ｊｓｃを増加させつつ、フィルファクタＦＦの低下を抑えることができ、光電変換装置１００の光電変換効率ηを向上させることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、アモルファスシリコン光電変換ユニット１０２と微結晶シリコン光電変換ユニット１０４とのタンデム構造を例に説明したが、これに限定されるものではなく、微結晶シリコン光電変換ユニット１０４のシングル構造でもよいし、アモルファスシリコン光電変換ユニット１０２以外の光電変換ユニットとの積層構造や３つ以上の光電変換ユニットの積層構造としてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 透明絶縁基板、１２ 透明導電膜、１４ 中間層、１６ 第1裏面電極層、１８ 第２裏面電極層、２０ 充填材、２２ 保護膜、４０ ｐ型層 ４２ ｉ型層 ４２ａ 第１のｉ型層、４２ｂ 第２のｉ型層、４４ ｎ型層、１００ 光電変換装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶、微結晶またはアモルファスシリコンを用いた太陽電池が知られている。特に、微結晶またはアモルファスシリコンの薄膜を積層した構造を有する光電変換装置は、資源消費の観点、コストの低下の観点および効率化の観点から注目されている。
【０００３】
一般的に、光電変換装置は、表面が絶縁性の基板上に第１電極、１以上の半導体薄膜光電変換セル及び第２電極を順に積層して形成される。それぞれの光電変換ユニットは、光入射側からｐ型層、ｉ型層及びｎ型層を積層して構成される。光電変換装置の変換効率を向上させる方法として、２種以上の光電変換セルを光入射方向に積層することが知られている。光電変換装置の光入射側にはバンドギャップが広い光電変換層を含む第１の光電変換ユニットを配置し、その後に第１の光電変換ユニットよりもバンドギャップの狭い光電変換層を含む第２の光電変換ユニットを配置する。これにより、入射光の広い波長範囲に亘って光電変換を可能にし、装置全体として変換効率の向上を図ることができる。例えば、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）光電変換ユニットをトップセルとし、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）光電変換ユニットをボトムセルとした構造が知られている。
【０００４】
このような構造において、μｃ−Ｓｉ光電変換ユニットのｐ型層とｉ型層との界面に介在層を設ける構成が開示されている。介在層としては、微結晶シリコンからなり、アモルファスシリコン成分のバンドギャップを増加させる炭素等の不純物を１×１０２０原子／ｃｍ３以上含む膜厚１０〜１５０Åの層としている（例えば、特許文献１参照）。また、μｃ−Ｓｉ光電変換ユニットにおけるドーピング層とｉ型層との界面近傍のｉ型半導体層の形成面内に、主成分であるＩＶ属元素の密度が小さくなっている低密度領域を離散的に存在させる技術も開示されている。主成分であるＩＶ属元素がシリコンである場合、低密度領域には水素、炭素、窒素、酸素等を含有した膜厚３ｎｍ以上４０ｎｍ以下の層を適用することが好ましいとされている（例えば、特許文献２参照）。また、μｃ−Ｓｉ光電変換ユニットにおけるｉ型層としてシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層とシリコン層とを積層させることにより光電変換効率を高める技術が開示されている。ＳｉＧｅ層は、２５ｎｍ以上２００ｎｍ以下と比較的厚い層とすることが好適であるとされている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２５８２８６号公報
【特許文献２】特開平１１−２６１０８７号公報
【特許文献３】特開２００６−１００６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微結晶シリコン層を発電層とするμｃ−Ｓｉ光電変換ユニットを含む光電変換装置では、微結晶シリコン層が完全な結晶相ではなくアモルファス相を含むために開放電圧が０．５Ｖ程度と結晶シリコン層を発電層とする光電変換装置よりも大幅に低くなるという問題がある。
【０００７】
上記特許文献1及び２には、基板上にｎ型層、ｉ型層、ｐ型層の順に形成され、基板と逆側から光を入射するタイプの光電変換装置において、ｐ型層と界面に膜厚４０ｎｍ以下の界面層として微結晶炭化シリコンのｉ型層を挟み込んだ構造についてデータが記載されている。しかし、基板上にｐ型層、ｉ型層、ｎ型層と形成され、基板側から光を入射するタイプの光電変換装置では、微結晶の成長方向の違いもあり、充分な効果が得られなかった。また、上記特許文献３では、微結晶シリコンゲルマニウム層と微結晶シリコン層との積層構造については開示されているが、微結晶炭化シリコン層と微結晶シリコン層との積層構造によってｉ型層を構成する技術は開示されていない。
【０００８】
そこで、フィルファクタを低下させることなく開放電圧を向上させた光電変換装置を提供することが課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様は、ｐ型ドーパントを含むｐ型層、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層及びｎ型ドーパントを含むｎ型層の積層構造を備えた光電変換装置であって、ｉ型層は、ｐ型層とｎ型層との間に設けられ、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層を備える、光電変換装置である。
【００１０】
本発明の別の態様は、ｐ型ドーパントを含むｐ型層、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層及びｎ型ドーパントを含むｎ型層の積層構造を備えた光電変換装置の製造方法であって、ｐ型層とｎ型層との間に、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層を形成する、光電変換装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光電変換装置における光電変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態における光電変換装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における光電変換装置のμｃ−Ｓｉユニットの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における光電変換装置のμｃ−Ｓｉユニットの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態における光電変換装置１００の構造を示す断面図である。本実施の形態における光電変換装置１００は、透明絶縁基板１０を光入射側として、光入射側から、透明導電膜１２、トップセルとして広いバンドギャップを有するアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）（光電変換）ユニット１０２、中間層１４、ボトムセルとしてａ−Ｓｉユニット１０２よりバンドギャップの狭い微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）（光電変換）ユニット１０４、第１裏面電極層１６、第２裏面電極層１８、充填材２０及び保護膜２２を積層した構造を有している。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態における光電変換装置１００の構成及び製造方法について説明する。
【００１５】
透明絶縁基板１０は、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の少なくとも可視光波長領域において透過性を有する材料を適用することができる。透明絶縁基板１０上に透明導電膜１２が形成される。透明導電膜１２は、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等に錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、フッ素（Ｆ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドープした透明導電性酸化物（ＴＣＯ）のうち少なくとも一種類又は複数種を組み合わせて用いることが好適である。特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、透光性が高く、抵抗率が低く、耐プラズマ特性にも優れているので好適である。透明導電膜１２は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。透明導電膜１２の膜厚は０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲とすることが好適である。また、透明導電膜１２の表面には光閉じ込め効果を有する凹凸を設けることが好適である。
【００１６】
透明導電膜１２上に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層のシリコン系薄膜を順に積層してａ−Ｓｉユニット１０２を形成する。ａ−Ｓｉユニット１０２は、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ４）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ２）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマＣＶＤにより形成することができる。
【００１７】
プラズマＣＶＤは、例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用することが好適である。ＲＦプラズマＣＶＤは平行平板型とすることができる。平行平板型の電極のうち透明絶縁基板１０を配しない側には原料の混合ガスを供給するためのガスシャワー孔を設けた構成としてもよい。プラズマの投入電力密度は、５ｍＷ／ｃｍ２以上１００ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
【００１８】
一般的に、ｐ型層、ｉ型層、ｎ型層はそれぞれ別の成膜室において成膜される。成膜室は、真空ポンプによって真空排気可能であり、ＲＦプラズマＣＶＤのための電極が内蔵される。また、透明絶縁基板１０の搬送装置、ＲＦプラズマＣＶＤのための電源及びマッチング装置、ガス供給用の配管等が付設される。
【００１９】
ｐ型層は、透明導電膜１２上に形成される。ｐ型層は、ｐ型ドーパント（ボロン等）をドープした膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のｐ型アモルファスシリコン層（ｐ型α−Ｓｉ：Ｈ）又はｐ型アモルファス炭化シリコン（ｐ型α−ＳｉＣ：Ｈ）とする。ｐ型層の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、ｐ型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。ｉ型層は、ｐ型層上に形成されたドープされていない膜厚５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のアモルファスシリコン膜とする。ｉ型層の膜質は、シリコン含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。また、ｉ型層は、ａ−Ｓｉユニット１０２の発電層となる。ｎ型層は、ｉ型層上に形成されたｎ型ドーパント（リン等）をドープした膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のｎ型アモルファスシリコン層（ｎ型α−Ｓｉ：Ｈ）又はｎ型微結晶シリコン層（ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とする。ｎ型層の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、ｎ型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
【００２０】
ａ−Ｓｉユニット１０２上に、中間層１４を形成する。中間層１４は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を用いることが好適である。特に、マグネシウムＭｇがドープされた酸化亜鉛（ＺｎＯ）や酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を用いることが好適である。中間層１４は、例えば、スパッタリング等により形成することができる。中間層１４の膜厚は１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることが好適である。なお、中間層１４は、設けなくてもよい。
【００２１】
中間層１４上に、図２の拡大断面図に示すように、ｐ型層４０、ｉ型層４２、ｎ型層４４を順に積層したμｃ−Ｓｉユニット１０４を形成する。μｃ−Ｓｉユニット１０４は、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）等のシリコン含有ガス、メタン（ＣＨ４）等の炭素含有ガス、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）等のｐ型ドーパント含有ガス、フォスフィン（ＰＨ３）等のｎ型ドーパント含有ガス及び水素（Ｈ２）等の希釈ガスを混合した混合ガスをプラズマ化して成膜を行うプラズマＣＶＤにより形成することができる。
【００２２】
プラズマＣＶＤは、例えば、１３．５６ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用することが好適である。特に、ｐ型層４０及びｎ型層４４には１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用し、ｉ型層４２には２７．１２ＭＨｚのＲＦプラズマＣＶＤを適用することが好適である。ＲＦプラズマＣＶＤは平行平板型とすることができる。平行平板型の電極のうち透明絶縁基板１０を配しない側には原料の混合ガスを供給するためのガスシャワー孔を設けた構成としてもよい。プラズマの投入電力密度は、５ｍＷ／ｃｍ２以上１００ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
【００２３】
ｐ型層４０は、中間層１４又はα−Ｓｉユニット１０２のｎ型層上に形成される。ｐ型層４０は、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）層や微結晶炭化シリコン（μｃ−ＳｉＣ）層とすることが好適である。また、ｐ型層４０は、アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）層等のアモルファス層としてもよい。ｐ型層４０は、ｐ型ドーパント（ボロン等）をドープし、膜厚５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好適である。ｐ型層４０の膜質は、シリコン含有ガス、炭素含有ガス、ｐ型ドーパント含有ガス及び希釈ガスの混合比、圧力及びプラズマ発生用高周波パワーを調整することによって変化させることができる。
【００２４】
ｐ型層４０上にはｉ型層４２を形成する。ｉ型層４２は、ｐ型層４０上に形成されたドープされていない膜厚０．５μｍ以上５μｍ以下の微結晶シリコン層又は微結晶炭化シリコン層とする。ｉ型層４２は、μｃ−Ｓｉユニット１０４の発電層となる。
【００２５】
１つの実施の形態においてｉ型層４２は、ｐ型層４０に接するように第１のｉ型層４２ａを形成し、第１のｉ型層４２ａ上に第２のｉ型層４２ｂを積層する。
【００２６】
第１のｉ型層４２ａは、ｉ型層４２の初期層となる層であり、第２のｉ型層４２ｂよりもワイドバンドギャップである微結晶炭化シリコン（μｃ−ＳｉＣ）層とする。第１のｉ型層４２ａは、メタン（ＣＨ４）／シラン（ＳｉＨ４）比が１／１０以上１／６以下の原料ガスを水素（Ｈ２）で５０以上３００以下倍に希釈した混合ガスを圧力１３３Ｐａ以上４０００Ｐａ以下で導入してプラズマ成膜法によって形成することが好適である。このような条件により、第１のｉ型層４２ａに含有される炭素の濃度は１×１０２１／ｃｍ３以上３×１０２１／ｃｍ３以下の範囲とすることが好適である。第１のｉ型層４２ａに含有される炭素の濃度は、二次イオン分析装置により光電変換装置１００の膜厚方向に測定することによって測定することができる。プラズマ成膜法としては、２７．１２ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下のＲＦプラズマ成膜法を適用することが好適である。また、成膜時の基板温度は１５０℃以上２３０℃以下とし、プラズマに対する導入電力は１００ｍＷ／ｃｍ２以上２０００ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好適である。
【００２７】
第２のｉ型層４２ｂは、第１のｉ型層４２ａよりもナローバンドギャップである微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）層とする。第２のｉ型層４２ｂは、シラン（ＳｉＨ４）を原料ガスとして水素（Ｈ２）で０．００５以上０．１以下倍に希釈した混合ガスを圧力１３３０Ｐａ以上４０００Ｐａ以下で導入してプラズマ成膜法によって形成することが好適である。プラズマ成膜法としては、２７．１２ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下のＲＦプラズマ成膜法を適用することが好適である。また、成膜時の基板温度は１６０℃以上２３０℃以下とし、プラズマに対する導入電力は１００ｍＷ／ｃｍ２以上２０００ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが好適である。
【００２８】
第１のｉ型層４２ａの膜厚は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることが好適である。ｐ型層４０との界面側に比較的厚いワイドバンドギャップの第１のｉ型層４２ａを設けることによって、フィルファクタを低下させることなくμｃ−Ｓｉユニット１０４の開放電圧を上昇させることができる。これによって、光電変換装置１００の光電変換効率を向上させることができる。第１のｉ型層４２ａの膜厚を５０ｎｍ未満とした場合には光電変換装置１００の開放電圧又は短絡電流の十分な向上が得られず、膜厚を３００ｎｍより大きくした場合にはｉ型層４２の直列抵抗が大きくなり過ぎて短絡電流やフィルファクタを低下させる可能性がある。
【００２９】
なお、別の実施の形態においてｉ型層４２は、図３に示すように、ｐ型層４０に接するように第２のｉ型層４２ｂを形成し、第２のｉ型層４２ｂ上に第１のｉ型層４２ａを積層してもよい。これにより、短絡電流を向上させることができる。
【００３０】
ｎ型層４４は、ｉ型層４２上に形成される。ｎ型層４４は、ｎ型ドーパント（リン等）をドープした膜厚５ｎｍ以上５０ｎｍ以下ｎ型微結晶シリコン層（ｎ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ）とする。ただし、μｃ−Ｓｉユニット１０４はこれに限定されるものではなく、発電層として以下に説明するｉ型微結晶シリコン層（ｉ型μｃ−Ｓｉ：Ｈ）が用いられるものであればよい。
【００３１】
μｃ−Ｓｉユニット１０４上に、第１裏面電極層１６、第２裏面電極層１８として反射性金属と透明導電性酸化物（ＴＣＯ）との積層構造を形成する。第１裏面電極層１６としては、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）が用いられる。ＴＣＯは、例えば、スパッタリング等により形成することができる。また、第２裏面電極層１８としては、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属が使用できる。第１裏面電極層１６及び第２裏面電極層１８は、合わせて１μｍ程度の膜厚とすることが好適である。第１裏面電極層１６及び第２裏面電極層１８の少なくとも一方には、光閉じ込め効果を高めるための凹凸が設けることが好適である。
【００３２】
さらに、充填材２０によって第２裏面電極層１８の表面を保護膜２２で被う。充填材２０及び保護膜２２は、ＥＶＡ、ポリイミド等の樹脂材料とすることができる。これによって、光電変換装置１００の発電層への水分の侵入等を防ぐことができる。
【００３３】
なお、ＹＡＧレーザ（基本波１０６４ｎｍ、２倍波５３２ｎｍ）を用いて、透明導電膜１２、ａ−Ｓｉユニット１０２、中間層１４、μｃ−Ｓｉユニット１０４、第１裏面電極層１６、第２裏面電極層１８の分離加工を行うことによって、複数のセルを直列に接続した構成にしてもよい。
【００３４】
＜実施例＞
以下、本発明の実施例及び比較例を示す。
【００３５】
（実施例１〜４）
透明絶縁基板１０として、５５ｃｍ×６５ｃｍ角，４ｍｍ厚のガラス基板を用いた。透明絶縁基板１０上に、熱ＣＶＤにより透明導電膜１２として表面に凹凸形状を有する６００ｎｍ厚のＳｎＯ２を形成した。この後、透明導電膜１２をＹＡＧレーザにて短冊状にパターニングした。ＹＡＧレーザは、波長１０６４ｎｍ、エネルギー密度１３Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数３ｋＨｚのものを用いた。
【００３６】
次に、α−Ｓｉユニット１０２のｐ型層，ｉ型層及びｎ型層を順に積層した。ａ−Ｓｉユニット１０２のｐ型層，ｉ型層及びｎ型層は、表１に示す成膜条件において形成した。次に、α−Ｓｉユニット１０２のｎ型層上に、μｃ−Ｓｉユニット１０４を形成した。μｃ−Ｓｉユニット１０４のｐ型層４０，ｉ型層４２及びｎ型層４４は、表２に示す成膜条件において形成した。ｉ型層４２は、第１のｉ型層４２ａをｐ型層４０上に５０ｎｍ，１００ｎｍ，２００ｎｍ及び３００ｎｍの膜厚で形成し、第１のｉ型層４２ａと第２のｉ型層４２ｂの合計の膜厚が２μｍとなるように第２のｉ型層４２ｂの膜厚を調整して第１のｉ型層４２ａ上に形成した。
【表１】
【表２】
【００３７】
この後、透明導電膜１２のパターンニング位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射し、ａ−Ｓｉユニット１０２及びμｃ−Ｓｉユニット１０４を短冊状にパターニングした。ＹＡＧレーザは、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数３ｋＨｚのものを用いた。
【００３８】
次に、第１裏面電極層１６としてＺｎＯ膜をスパッタリングにより形成し、第２裏面電極層１８としてＡｇ電極をスパッタリングにより形成した。この後、ａ−Ｓｉユニット１０２及びμｃ−Ｓｉユニット１０４のパターンニング位置から５０μｍ横の位置にＹＡＧレーザを照射し、第１裏面電極層１６、第２裏面電極層１８を短冊状にパターニングした。ＹＡＧレーザは、エネルギー密度０．７Ｊ／ｃｍ３、パルス周波数４ｋＨｚのものを用いた。
【００３９】
このように形成した光電変換装置を第１のｉ型層４２ａのそれぞれの膜厚について実施例１〜４とした。
【００４０】
（比較例１〜３）
上記実施例１〜４と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａを形成せず、膜厚２μｍの第２のｉ型層４２ｂをｐ型層４０上に直接形成した光電変換装置を比較例１とした。
【００４１】
また、上記実施例１〜４と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａの膜厚を１０ｎｍとし、第２のｉ型層４２ｂの膜厚を１６００ｎｍとした光電変換装置を比較例２とした。更に、上記実施例１〜４と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａの膜厚を４００ｎｍとし、第２のｉ型層４２ｂの膜厚を１６００ｎｍとした光電変換装置を比較例３とした。
【００４２】
（実施例５）
上記実施例１〜４と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａと第２のｉ型層４２ｂの成膜順を逆にした光電変換装置を実施例５とした。すなわち、第２のｉ型層４２ｂをｐ型層４０上に形成した後、第２のｉ型層４２ｂ上に第１のｉ型層４２ａを形成した。第２のｉ型層４２ｂの膜厚は１．９μｍとし、第１のｉ型層４２ａの膜厚は０．１μｍとした。
【００４３】
（実施例６及び７）
上記実施例２と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａを形成する際の原料ガスに含まれるメタン（ＣＨ４）／シラン（ＳｉＨ４）比を変化させ、第１のｉ型層４２ａに含有される炭素の濃度が１×１０２１／ｃｍ３及び３×１０２１／ｃｍ３となるように形成した光電変換装置をそれぞれ実施例６及び７とした。
【００４４】
（比較例４〜６）
上記実施例２と同様の形成条件において、第１のｉ型層４２ａを形成する際の原料ガスに含まれるメタン（ＣＨ４）／シラン（ＳｉＨ４）比を変化させ、第１のｉ型層４２ａに含有される炭素の濃度が８×１０１７／ｃｍ３，６×１０２０／ｃｍ３及び５×１０２１／ｃｍ３となるように形成した光電変換装置をそれぞれ比較例４〜６とした。
【００４５】
表３に、実施例１〜４並びに比較例１〜３の光電変換装置の開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流密度Ｊｓｃ、フィルファクタＦＦ及び効率ηを示す。比較例１の開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流密度Ｊｓｃ、フィルファクタＦＦ及び効率ηの平均値をそれぞれ１として実施例１〜４の測定値を規格化して示している。
【表３】
【００４６】
実施例１では、開放電圧Ｖｏｃは増加しなかったが、短絡電流密度Ｊｓｃが増加し、変換効率ηは２．５％向上した。実施例２〜４では開放電圧Ｖｏｃ及び短絡電流密度Ｊｓｃが増加し、変換効率ηはそれぞれ４．０％，３．７％及び２．４％向上した。実施例１〜４では、開放電圧Ｖｏｃ及び短絡電流密度Ｊｓｃの増加分に対して、フィルファクタＦＦの低下分は小さく、変換効率ηが向上した。これに対して、第１のｉ型層４２ａを１０ｎｍとした比較例２では、ほとんどのパラメータに変化はなく、第１のｉ型層４２ａがないときとほとんど変化はなかった。また、第１のｉ型層４２ａを４００ｎｍとした比較例３では、フィルファクタＦＦの低下分が大きくなり、変換効率ηが比較例１より小さくなった。なお、実施例５では、比較例１に対して短絡電流密度Ｊｓｃが２％増加した。
【００４７】
また、表４に示すように、実施例６及び７のように第１のｉ型層４２ａの炭素濃度を１×１０２１／ｃｍ３又は３×１０２１／ｃｍ３とした場合、開放電圧Ｖｏｃ及び短絡電流密度Ｊｓｃが増加し、変換効率ηもそれぞれ４．０％及び３．６％向上した。これに対して、比較例４〜６のように、第１のｉ型層４２ａの炭素濃度を８×１０１７／ｃｍ３，６×１０２０／ｃｍ３及び５×１０２１／ｃｍ３とした場合、変換効率ηは小さい値に留まった。
【表４】
【００４８】
以上のように、本実施の形態のようにμｃ−Ｓｉユニット１０４のｉ型層４２に比較的膜厚の大きい微結晶炭化シリコン層である第１のｉ型層４２ａを設けることによって開放電圧Ｖｏｃ又は短絡電流密度Ｊｓｃを増加させつつ、フィルファクタＦＦの低下を抑えることができ、光電変換装置１００の光電変換効率ηを向上させることができる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、アモルファスシリコン光電変換ユニット１０２と微結晶シリコン光電変換ユニット１０４とのタンデム構造を例に説明したが、これに限定されるものではなく、微結晶シリコン光電変換ユニット１０４のシングル構造でもよいし、アモルファスシリコン光電変換ユニット１０２以外の光電変換ユニットとの積層構造や３つ以上の光電変換ユニットの積層構造としてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 透明絶縁基板、１２ 透明導電膜、１４ 中間層、１６ 第1裏面電極層、１８ 第２裏面電極層、２０ 充填材、２２ 保護膜、４０ ｐ型層 ４２ ｉ型層 ４２ａ 第１のｉ型層、４２ｂ 第２のｉ型層、４４ ｎ型層、１００ 光電変換装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型ドーパントを含むｐ型層、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層及びｎ型ドーパントを含むｎ型層の積層構造を備えた光電変換装置であって、
前記ｉ型層は、前記ｐ型層と前記ｎ型層との間に設けられ、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層を備えることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記微結晶炭化シリコン層は、前記ｐ型層と前記微結晶シリコン層との間に配置されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記微結晶炭化シリコン層は、前記微結晶シリコン層と前記ｎ型層との間に配置されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の光電変換装置であって、
前記微結晶炭化シリコン層は、炭素を１×１０２１／ｃｍ３以上３×１０２１／ｃｍ３以下の濃度で含むことを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
ｐ型ドーパントを含むｐ型層、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層及びｎ型ドーパントを含むｎ型層の積層構造を備えた光電変換装置の製造方法であって、
前記ｐ型層と前記ｎ型層との間に、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光電変換装置の製造方法であって、
前記微結晶炭化シリコン層は、シランに対してメタンを１／１０以上１／６以下の割合で供給して形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項１】
ｐ型ドーパントを含むｐ型層、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層及びｎ型ドーパントを含むｎ型層の積層構造を備えた光電変換装置であって、
前記ｉ型層は、前記ｐ型層と前記ｎ型層との間に設けられ、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層を備えることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記微結晶炭化シリコン層は、前記ｐ型層と前記微結晶シリコン層との間に配置されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記微結晶炭化シリコン層は、前記微結晶シリコン層と前記ｎ型層との間に配置されることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の光電変換装置であって、
前記微結晶炭化シリコン層は、炭素を１×１０２１／ｃｍ３以上３×１０２１／ｃｍ３以下の濃度で含むことを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
ｐ型ドーパントを含むｐ型層、発電層となる微結晶シリコン層を含むｉ型層及びｎ型ドーパントを含むｎ型層の積層構造を備えた光電変換装置の製造方法であって、
前記ｐ型層と前記ｎ型層との間に、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚を有する微結晶炭化シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光電変換装置の製造方法であって、
前記微結晶炭化シリコン層は、シランに対してメタンを１／１０以上１／６以下の割合で供給して形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１７６０８４（Ｐ２０１１−１７６０８４Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３８４６７（Ｐ２０１０−３８４６７）
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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