JP2011181768A - Method for manufacturing photoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
【課題】結晶質シリコンゲルマニウムを主とするi層中のゲルマニウム濃度を高めた場合であっても、発電電流量の減少を抑制し、長波長領域における高い発電特性を示す光電変換装置を製造することを目的とする。
【解決手段】透明導電膜2付きの基板1上に、p層31、結晶質シリコンゲルマニウムi層32、及びn層33を積層してなるpin接合またはnip接合を備えた光電変換層3を有する光電変換装置の製造方法であって、ゲルマニウム濃度が10原子%以上50原子%以下の前記結晶質シリコンゲルマニウムi層32をプラズマCVD法によって製膜する製膜工程を有し、該製膜工程が、酸素含有不純物ガスを、シリコン系ガス流量とゲルマニウム系ガス流量との和に対して前記酸素含有不純物ガスを添加しない場合よりも量子効率スペクトルの面積が大きくなるような割合で添加し、前記結晶質シリコンゲルマニウムi層32に含まれる酸素の濃度を制御する。
【選択図】図1A photoelectric conversion device that suppresses a decrease in the amount of generated current and exhibits high power generation characteristics in a long wavelength region even when the germanium concentration in an i layer mainly containing crystalline silicon germanium is increased. For the purpose.
A photoelectric conversion layer 3 having a pin junction or a nip junction formed by laminating a p layer 31, a crystalline silicon germanium i layer 32, and an n layer 33 on a substrate 1 with a transparent conductive film 2 is provided. A method for manufacturing a photoelectric conversion device, comprising: a film forming process for forming the crystalline silicon germanium i layer 32 having a germanium concentration of 10 atomic% or more and 50 atomic% or less by a plasma CVD method. The oxygen-containing impurity gas is added at a rate such that the area of the quantum efficiency spectrum is larger than the case where the oxygen-containing impurity gas is not added to the sum of the silicon-based gas flow rate and the germanium-based gas flow rate. The concentration of oxygen contained in the quality silicon germanium i layer 32 is controlled.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光電変換装置の製造方法に関し、特に発電層を製膜で作製する光電変換装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a photoelectric conversion device, and more particularly to a method for manufacturing a photoelectric conversion device in which a power generation layer is formed by film formation.
太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池に用いられる光電変換装置としては、p型半導体(p層)、i型半導体(i層)及びn型半導体(n層)の薄膜をプラズマCVD法等で製膜して形成したpin接合を有する光電変換層を備えた薄膜シリコン系光電変換装置が知られている。 As a photoelectric conversion device used for a solar cell that converts sunlight energy into electric energy, a thin film of a p-type semiconductor (p layer), an i-type semiconductor (i layer), and an n-type semiconductor (n layer) is formed by plasma CVD. 2. Description of the Related Art A thin-film silicon photoelectric conversion device including a photoelectric conversion layer having a pin junction formed by film formation or the like is known.
薄膜シリコン系太陽電池に用いる光電変換層の膜のひとつとして、結晶質シリコンゲルマニウム膜の開発が行われている。結晶質シリコンゲルマニウム膜は、結晶質シリコンと比べてナローギャップであり、赤外域での吸収特性が優れることが知られている。結晶質シリコンゲルマニウムは、アモルファスシリコンや結晶質シリコンなどの他の光電変換材料との積層構造として用いることにより、長波長の太陽光を吸収して高効率化を図ることができる光電変換材料として期待されている。 A crystalline silicon germanium film has been developed as one of the films of a photoelectric conversion layer used in a thin film silicon solar cell. It is known that the crystalline silicon germanium film has a narrow gap as compared with crystalline silicon and has excellent absorption characteristics in the infrared region. Crystalline silicon germanium is expected to be a photoelectric conversion material that can absorb high wavelength sunlight and achieve high efficiency by using it as a laminated structure with other photoelectric conversion materials such as amorphous silicon and crystalline silicon. Has been.
特許文献1に、ゲルマニウムが50原子%以上含有される微結晶シリコンゲルマニウムi層を備え、上記微結晶シリコンゲルマニウムi層を製膜温度100℃以上250℃以下で製膜する光電変換装置の製造方法が開示されている。
特許文献2に、微結晶シリコンゲルマニウムi層を備え、酸素濃度を低減させた原料ガスを用いて微結晶シリコンゲルマニウムi層をプラズマCVD法で製膜することで、短絡電流を向上させた光電変換装置の製造方法が開示されている。
pin接合を有する結晶質シリコンゲルマニウムi層を備えた光電変換装置では、結晶質シリコンゲルマニウムi層中のゲルマニウム濃度を増加させることにより、波長800nm以上の長波長領域での光吸収量を増加させることができる。一方、結晶質シリコンゲルマニウムi層中のゲルマニウム濃度を増加させると、結晶質シリコンゲルマニウムi層内のp型欠陥準位が増加する。そのような結晶質シリコンゲルマニウムi層では、内蔵電界が弱くなるため分光感度スペクトルが著しく低下する。 In a photoelectric conversion device including a crystalline silicon germanium i layer having a pin junction, increasing the germanium concentration in the crystalline silicon germanium i layer can increase the amount of light absorption in a long wavelength region having a wavelength of 800 nm or more. Can do. On the other hand, when the germanium concentration in the crystalline silicon germanium i layer is increased, the p-type defect level in the crystalline silicon germanium i layer increases. In such a crystalline silicon germanium i layer, since the built-in electric field becomes weak, the spectral sensitivity spectrum is remarkably lowered.
例えば、結晶質シリコンゲルマニウムi層中のゲルマニウム濃度が20原子%以下の領域では、ゲルマニウム濃度の増加に伴い発電電流量は向上する。しかし、i層中のゲルマニウム濃度が20原子%を超えると、ゲルマニウム濃度の増加に伴い波長800nm以下の短波長領域での感度が低下するために、発電電流量が減少する傾向がある。
また、結晶質シリコンゲルマニウムi層中のゲルマニウム濃度が20原子%以下であっても、結晶質シリコンゲルマニウムi層の膜厚が1μmよりも厚くなると、短波長領域での感度が低下する。そのため、膜厚増加に対して次第に発電電流が減少する。
For example, in the region where the germanium concentration in the crystalline silicon germanium i layer is 20 atomic% or less, the amount of generated current is improved as the germanium concentration is increased. However, when the germanium concentration in the i layer exceeds 20 atomic%, the sensitivity in the short wavelength region with a wavelength of 800 nm or less decreases as the germanium concentration increases, and the amount of generated current tends to decrease.
Moreover, even if the germanium concentration in the crystalline silicon germanium i layer is 20 atomic% or less, the sensitivity in the short wavelength region is lowered when the crystalline silicon germanium i layer is thicker than 1 μm. Therefore, the generated current gradually decreases as the film thickness increases.
太陽電池の高効率化を図るために、更なる短絡電流の増加が求められている。しかし、上述のように光吸収量が大きい高ゲルマニウム濃度条件では、光生成キャリアを有効に取り出すことが出来ず、発電電流量が減少することが問題となっていた。 In order to increase the efficiency of solar cells, further increase in short-circuit current is required. However, as described above, under the high germanium concentration condition where the amount of light absorption is large, photogenerated carriers cannot be extracted effectively, and the amount of generated current is reduced.
特許文献1に開示されている光電変換装置では、i層の製膜温度を低くすることでp型欠陥準位の発生を抑制し、ゲルマニウム濃度の増加に伴う分光感度スペクトルの著しい低下を抑制している。しかしながら、ゲルマニウム濃度の増加とともに製膜温度を低下させる必要があり、その結果、ゲルマニウム濃度が高くなるほど結晶粒径が小さくなり発電特性が低下してしまう。
In the photoelectric conversion device disclosed in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、結晶質シリコンゲルマニウムを主とするi層中のゲルマニウム濃度を高めた場合であっても、発電電流量の減少を抑制し、長波長領域における高い発電特性を示す光電変換装置を製造することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and even when the germanium concentration in the i layer mainly composed of crystalline silicon germanium is increased, the decrease in the amount of generated current is suppressed, An object is to manufacture a photoelectric conversion device exhibiting high power generation characteristics in a long wavelength region.
上記課題を解決するために、本発明は、透明導電膜付きの基板上に、p型半導体層、結晶質シリコンゲルマニウムi型半導体層、及びn型半導体層を積層してなるpin接合またはnip接合を備えた光電変換層を有する光電変換装置の製造方法であって、ゲルマニウム濃度が10原子%以上50原子%以下の前記結晶質シリコンゲルマニウムi型半導体層をプラズマCVD法によって製膜する製膜工程を有し、該製膜工程が、酸素含有不純物ガスを、シリコン系ガス流量とゲルマニウム系ガス流量との和に対して前記酸素含有不純物ガスを添加しない場合よりも量子効率スペクトルの面積が大きくなるような割合で添加し、前記結晶質シリコンゲルマニウムi層に含まれる酸素の濃度を制御する光電変換装置の製造方法を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a pin junction or a nip junction in which a p-type semiconductor layer, a crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer are stacked on a substrate with a transparent conductive film. A process for producing a photoelectric conversion device having a photoelectric conversion layer comprising: forming a crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer having a germanium concentration of 10 atomic% to 50 atomic% by a plasma CVD method And the film-forming step has a larger area of the quantum efficiency spectrum than when the oxygen-containing impurity gas is not added to the sum of the silicon-based gas flow rate and the germanium-based gas flow rate. Provided is a method for manufacturing a photoelectric conversion device which is added in such a ratio and controls the concentration of oxygen contained in the crystalline silicon germanium i layer.
結晶質シリコンゲルマニウムi型半導体層(結晶質シリコンゲルマニウムi層)のゲルマニウム濃度は、長波長領域で高い量子効率を得るために少なくとも10原子%以上であることが好ましい。しかし、ゲルマニウムを添加しすぎるとバンドギャップが小さくなりすぎて、太陽電池の開放電圧が極端に減少するため、ゲルマニウム濃度は50原子%以下であることが好ましく、30原子%以下であることがより好ましい。 The germanium concentration of the crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer (crystalline silicon germanium i layer) is preferably at least 10 atomic% in order to obtain high quantum efficiency in the long wavelength region. However, if germanium is added too much, the band gap becomes too small and the open voltage of the solar cell is extremely reduced. Therefore, the germanium concentration is preferably 50 atomic percent or less, more preferably 30 atomic percent or less. preferable.
本発明者らは、鋭意研究の結果、微結晶ゲルマニウムや多結晶ゲルマニウムなどの結晶質ゲルマニウムのダングリングボンドは、結晶質シリコンゲルマニウムi型半導体層(結晶質シリコンゲルマニウムi層)中でp型の欠陥準位を形成するが、結晶質シリコンゲルマニウムi層中に所定量の酸素を添加することによって、結晶質シリコンゲルマニウムi層中のp型欠陥準位密度を低減させる効果があることを見出した。 As a result of diligent research, the present inventors have found that a dangling bond of crystalline germanium such as microcrystalline germanium or polycrystalline germanium is p-type in a crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer (crystalline silicon germanium i layer). Although a defect level is formed, it has been found that by adding a predetermined amount of oxygen to the crystalline silicon germanium i layer, there is an effect of reducing the p-type defect level density in the crystalline silicon germanium i layer. .
本発明によれば、結晶質シリコンゲルマニウムi層中のゲルマニウム濃度を増加させた場合であっても、結晶質シリコンゲルマニウムi層中の酸素濃度を制御することによってp型欠陥準位の発生を抑制することが可能となる。シリコンとゲルマニウムとが混在した状態において、酸素はゲルマニウムだけでなく、シリコンとも結合する。そのため、酸素含有不純物ガスは、酸素がシリコンと結合する量を考慮して、シリコン系ガス及びゲルマニウム系ガスの流量の和に対して所定の割合で添加される。そうすることによって、所望のp型欠陥準位密度低減効果を得ることができる。「シリコン系ガス」とは、SiH4、Si2H6などのSiの水素化物やSiF4などからなるガスである。「ゲルマニウム系ガス」とは、GeH4、Ge2H6、またはGeF4などからなるガスである。 According to the present invention, even when the germanium concentration in the crystalline silicon germanium i layer is increased, the generation of p-type defect levels is suppressed by controlling the oxygen concentration in the crystalline silicon germanium i layer. It becomes possible to do. In a state where silicon and germanium are mixed, oxygen bonds not only to germanium but also to silicon. Therefore, the oxygen-containing impurity gas is added at a predetermined ratio with respect to the sum of the flow rates of the silicon-based gas and the germanium-based gas in consideration of the amount of oxygen combined with silicon. By doing so, a desired p-type defect level density reduction effect can be obtained. The “silicon-based gas” is a gas made of Si hydride such as SiH 4 or Si 2 H 6 or SiF 4 . The “germanium-based gas” is a gas composed of GeH 4 , Ge 2 H 6 , GeF 4 or the like.
酸素含有不純物ガスの添加量は、少なくとも酸素含有不純物ガスを添加しない場合よりも量子効率スペクトルの面積が大きくなるような量に設定する。それによって、光電変換装置の発電性能を向上させることができる。 The addition amount of the oxygen-containing impurity gas is set to an amount such that the area of the quantum efficiency spectrum is larger than when no oxygen-containing impurity gas is added. Thereby, the power generation performance of the photoelectric conversion device can be improved.
上記発明において、300nm以上1200nm以下の波長領域における前記量子効率スペクトルの極大値が前記酸素含有不純物ガスを添加しない場合よりも短波長側となるような量の前記酸素含有不純物ガスを添加することが好ましい。 In the above invention, adding the oxygen-containing impurity gas in an amount such that the maximum value of the quantum efficiency spectrum in a wavelength region of 300 nm or more and 1200 nm or less is shorter than the case where the oxygen-containing impurity gas is not added. preferable.
特許文献2では、結晶質シリコンゲルマニウムi層中の酸素濃度を所定値まで低減させることで、光電変換装置の短絡電流を向上させている。しかしながら、本発明者らの研究によれば、結晶質シリコンゲルマニウムi層に含まれる酸素の濃度には最適値が存在する。結晶質シリコンゲルマニウムi層の酸素濃度が低いとp型欠陥準位を低減させる効果が十分に得られない。一方、結晶質シリコンゲルマニウムi層の酸素濃度が高すぎると、長波長領域での感度が低下し、それによって短絡電流も低下する。従って、結晶質シリコンゲルマニウムi層中の酸素濃度を単に低減させるのではなく、結晶質シリコンゲルマニウムi層中の酸素濃度が最適な値の範囲内となるよう酸素含有不純物ガスを添加することで、短絡電流を向上させた光電変換装置を、より確実に製造することが可能となる。
In
結晶質シリコンゲルマニウムi層中に含ませる酸素濃度の最適な値は、結晶質シリコンゲルマニウムi層に含まれるゲルマニウム濃度、結晶質シリコンゲルマニウムi層の膜厚、及び透明導電膜の材質などの条件によって異なる。
本発明者らの研究によれば、酸素含有不純物ガスの添加量を増加させると、第1段階として量子効率スペクトルの面積が大きくなり、ある閾値を超えると第2段階として量子効率スペクトルの長波長側のスペクトル高さはあまり変わらず、短波長側(<700nm)のスペクトル高さが高くなり、短波長側の最大値または量子効率スペクトルの極大値が短波長側にシフトする傾向を示す。さらに別の閾値を超えると第3段階として長波長側の量子効率スペクトルが低下し始める。量子効率スペクトルが第1段階、または第2段階の形状であるとき、光電変換装置の発電特性を向上させることができる。
The optimum value of the oxygen concentration contained in the crystalline silicon germanium i layer depends on conditions such as the germanium concentration contained in the crystalline silicon germanium i layer, the film thickness of the crystalline silicon germanium i layer, and the material of the transparent conductive film. Different.
According to the study by the present inventors, when the amount of the oxygen-containing impurity gas is increased, the area of the quantum efficiency spectrum is increased as the first stage, and when a certain threshold is exceeded, the long wavelength of the quantum efficiency spectrum is set as the second stage. The spectral height on the side does not change much, the spectral height on the short wavelength side (<700 nm) increases, and the maximum value on the short wavelength side or the maximum value of the quantum efficiency spectrum tends to shift to the short wavelength side. When another threshold is exceeded, the quantum efficiency spectrum on the long wavelength side starts to decrease as the third stage. When the quantum efficiency spectrum is in the first stage or the second stage, the power generation characteristics of the photoelectric conversion device can be improved.
上記発明によれば、800nm以上1200nm以下の波長領域における量子効率スペクトルの面積が、前記酸素含有不純物ガスを添加しない場合よりも大きくなるような量の前記酸素含有不純物ガスを添加することが好ましい。
そうすることにより、長波長感度の高い光電変換装置を製造することができる。
According to the above invention, it is preferable to add the oxygen-containing impurity gas in such an amount that the area of the quantum efficiency spectrum in the wavelength region of 800 nm or more and 1200 nm or less is larger than when the oxygen-containing impurity gas is not added.
By doing so, a photoelectric conversion device with high long wavelength sensitivity can be manufactured.
上記発明によれば、前記酸素含有不純物ガスをCO2ガスとし、該CO2ガスを前記シリコン系ガス流量と前記ゲルマニウム系ガス流量との和に対して0.3%以上3%以下の流量で添加して、前記ゲルマニウム濃度が10原子%以上30原子%以下の前記結晶質シリコンゲルマニウムi型半導体層を形成することが好ましい。
CO2ガスを上記範囲内で添加することによって、最適な値の範囲内の酸素を含む前記結晶質シリコンゲルマニウムi型半導体層を形成することができる。
According to the above invention, the oxygen-containing impurity gas is CO 2 gas, and the CO 2 gas is flowed at a flow rate of 0.3% or more and 3% or less with respect to the sum of the silicon-based gas flow rate and the germanium-based gas flow rate. It is preferable that the crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer having the germanium concentration of 10 atomic% or more and 30 atomic% or less is added.
By adding the CO 2 gas within the above range, the crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer containing oxygen within the optimum value range can be formed.
本発明によれば、結晶質シリコンゲルマニウムi層の製膜時に所定量の不純物ガス(主に酸素)を添加することによりゲルマニウムのp型欠陥準位を低減する。その結果、結晶質シリコンゲルマニウムi層に含まれるゲルマニウム濃度が高くなった場合でも、高い発電電流が得られる光電変換装置を製造することができる。 According to the present invention, the p-type defect level of germanium is reduced by adding a predetermined amount of impurity gas (mainly oxygen) during the formation of the crystalline silicon germanium i layer. As a result, even when the germanium concentration contained in the crystalline silicon germanium i layer increases, a photoelectric conversion device that can obtain a high power generation current can be manufactured.
以下に、本発明に係る光電変換装置の製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る光電変換装置の製造方法により製造される光電変換装置の構成を示す概略図である。光電変換装置100は、シングル型シリコン系太陽電池であり、基板1、透明電極層2、太陽電池光電変換層3、及び裏面電極層4を備える。なお、ここで、シリコン系とはシリコン(Si)やシリコンカーバイト(SiC)やシリコンゲルマニウム(SiGe)を含む総称である。また、結晶質シリコン系とは、非晶質シリコン系以外のシリコン系を意味するものであり、微結晶シリコンや多結晶シリコンも含まれる。
Hereinafter, an embodiment of a method for producing a photoelectric conversion device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a photoelectric conversion device manufactured by the method for manufacturing a photoelectric conversion device according to the present embodiment. The photoelectric conversion device 100 is a single-type silicon solar cell, and includes a
基板1として表面が平坦なガラス基板(例えば50mm×50mm×板厚:1.1mm、コーニング社#1737)を使用する。
A glass substrate having a flat surface (for example, 50 mm × 50 mm × plate thickness: 1.1 mm, Corning # 1737) is used as the
次に、ガラス基板1上に透明電極層2として、GZO(GaドープZnO)を主成分とする膜厚約2μmの透明導電膜を、スパッタリング装置により、減圧雰囲気で製膜する。製膜温度は常温から200℃まで選択できる。製膜後に、湿式又は乾式で、エッチング処理を実施する。この際、透明導電膜の表面には、適当な凹凸のあるテクスチャーが形成される。湿式の場合、エッチング液としては、希塩酸を用いる。濃度と液温と処理時間は適宜調節すれば良い。本実施形態において、透明電極層2の波長800nm〜1100nmに対するヘイズ率は、80%以上であることが好ましい。
なお、本実施形態において透明電極層2の製造方法はスパッタ法を採用したが、MOCVD法や熱CVD法であっても良い。また、透明電極層2としてGZOを用いたが、AZO(AlドープZnO)やSnO2:Fであっても良い。
Next, a transparent conductive film having a film thickness of about 2 μm mainly composed of GZO (Ga-doped ZnO) is formed as a
In the present embodiment, the manufacturing method of the
次に、透明電極層2の熱処理をランプアニール(真空中、常温から600℃まで、約15分間)により実施する。熱処理を施した透明電極層2のシート抵抗は、10Ω/□以上40Ω/□以下の範囲内であることが好ましい。
Next, heat treatment of the
次に、導電性を有する反射防止層として、酸化チタン膜21及び酸化亜鉛膜22を順次製膜しても良い。その場合、酸化チタン膜21は、透明電極層2上に形成されている。酸化チタン膜21は、酸化チタンを主成分とし、導電性を高めるためにドーパント等を含んでいても良い。酸化チタン膜21の膜厚は、10nm以上100nm以下の範囲にあることが好ましい。酸化チタン膜21は、基板温度を約300℃として、スパッタリング法により製膜する。
酸化亜鉛膜22は、酸化チタン膜21の上に形成されている。酸化亜鉛膜22は、酸化亜鉛を主成分とし、導電性を高めるためにドーパント等を含んでいても良い。酸化亜鉛膜22の膜厚は、1nm以上50nm以下の範囲にあることが好ましい。酸化亜鉛膜22は、酸化チタン膜21と連続製膜できるよう、酸化チタン膜と同様にスパッタリング法により製膜する。
Next, a
The
太陽電池光電変換層3は、p層31、結晶質シリコンゲルマニウムi層32、及び、n層33から構成される。
p層31はBドープした微結晶シリコンを主とし、膜厚10nm以上60nm以下である。
結晶質シリコンゲルマニウムi層32は微結晶シリコンゲルマニウムを主とし、膜厚は1.0μm以上3.4μm以下である。結晶質シリコンゲルマニウムi層32のゲルマニウム濃度は、10原子%以上50原子%以下とする。
n層33は非晶質シリコン、結晶質シリコン、もしくはその2種を組み合わせた積層構造とし、n層全体の膜厚は20nm以上100nm以下である。
The solar cell photoelectric conversion layer 3 includes
The
The crystalline silicon germanium i layer 32 is mainly microcrystalline silicon germanium, and has a film thickness of 1.0 μm or more and 3.4 μm or less. The germanium concentration of the crystalline silicon germanium i layer 32 is 10 atomic% or more and 50 atomic% or less.
The
p層31及びn層33は、原料ガスとしてSiH4、H2、B2H6またはPH3を用い、減圧雰囲気:3000Pa以下、基板温度:約140〜230℃、プラズマ発生周波数:13MHz以上100MHz以下の条件で製膜する。
The
結晶質シリコンゲルマニウムi層32は、プラズマCVD装置により、原料ガスとしてSiH4ガス、GeH4ガス、H2ガスを用い、減圧雰囲気:3000Pa以下、基板温度:約200℃、プラズマ発生周波数:40MHz以上100MHz以下にて製膜する。このとき、酸素を含有する不純物ガスをSiH4ガスとGeH4ガスの流量の和に対して所定の割合で添加する。本実施形態では、酸素を含有する不純物ガスとしてCO2ガスを選択する。 The crystalline silicon germanium i layer 32 uses a plasma CVD apparatus and uses SiH 4 gas, GeH 4 gas, and H 2 gas as source gases, a reduced pressure atmosphere: 3000 Pa or less, a substrate temperature: about 200 ° C., and a plasma generation frequency: 40 MHz or more. Film is formed at 100 MHz or less. At this time, the impurity gas containing oxygen is added at a predetermined ratio with respect to the sum of the flow rates of the SiH 4 gas and the GeH 4 gas. In this embodiment, CO 2 gas is selected as the impurity gas containing oxygen.
なお、本実施形態において、原料ガスにSiH4ガス及びGeH4ガスを用いたが、SiH4ガスはSi2H6ガスやSiF4ガス、GeH4ガスはGe2H6やGeF4などとしても良い。
また、本実施形態において酸素を含有する不純物ガスをCO2ガスとしたが、COやO2、H2O、N2Oなど酸素を含む他の不純物ガスを選択しても良い。その場合、プラズマによるガスの分解効率がガス種に依存するため、それぞれのガス種に適した流量を設定する必要がある。
また、結晶質シリコンゲルマニウムi層32の結晶化度が低下しないように、CO2添加量に応じて適宜水素流量も変化させることが好ましい。
In this embodiment, SiH 4 gas and GeH 4 gas are used as source gases. However, SiH 4 gas may be Si 2 H 6 gas or SiF 4 gas, and GeH 4 gas may be Ge 2 H 6 or GeF 4. good.
In this embodiment, the impurity gas containing oxygen is CO 2 gas. However, other impurity gas containing oxygen such as CO, O 2 , H 2 O, and N 2 O may be selected. In this case, since the gas decomposition efficiency by plasma depends on the gas type, it is necessary to set a flow rate suitable for each gas type.
Further, it is preferable that the hydrogen flow rate is appropriately changed according to the amount of CO 2 added so that the crystallinity of the crystalline silicon germanium i layer 32 does not decrease.
上記のように、結晶質シリコンゲルマニウムi層32の製膜工程において、酸素を含有する不純物ガスを添加することによって、結晶質シリコンゲルマニウムi層32中のp型欠陥準位の発生を抑制することができる。
上記効果を確認するため、結晶質ゲルマニウムへの酸素を添加したときのキャリア濃度を測定した。GeH4ガスに対してCO2ガスの流量比を0〜4まで変化させ、ガラス基板(コーニング社#1737)上に厚さ約500nmの結晶質ゲルマニウム薄膜(ゲルマニウム濃度100%)を製膜したものを測定試料とした。このとき、結晶質ゲルマニウムの結晶化度が低下しないように、CO2添加量に応じて適宜水素流量も増加させた。なお、結晶性はラマン散乱スペクトルにより評価し、波数270cm−1のアモルファスゲルマニウムのピークに対する波数300cm−1の結晶ゲルマニウムの比を結晶化率の指標として用いた。試料にAl電極を蒸着し、van der Pauw法を用いて交流磁場印加下でHall測定を行った。
As described above, in the film forming process of the crystalline silicon germanium i layer 32, the generation of p-type defect levels in the crystalline silicon germanium i layer 32 is suppressed by adding an impurity gas containing oxygen. Can do.
In order to confirm the above effect, the carrier concentration was measured when oxygen was added to crystalline germanium. A flow rate ratio of CO 2 gas to GeH 4 gas was changed from 0 to 4, and a crystalline germanium thin film (germanium concentration 100%) having a thickness of about 500 nm was formed on a glass substrate (Corning # 1737). Was used as a measurement sample. At this time, the hydrogen flow rate was appropriately increased according to the amount of CO 2 added so that the crystallinity of crystalline germanium did not decrease. The crystallinity was evaluated by a Raman scattering spectrum, and the ratio of crystalline germanium having a wave number of 300 cm −1 to the peak of amorphous germanium having a wave number of 270 cm −1 was used as an index of the crystallization rate. An Al electrode was deposited on the sample, and Hall measurement was performed using the van der Pauw method under application of an alternating magnetic field.
図2に、CO2添加量と結晶質ゲルマニウム薄膜中のキャリア濃度との関係を示す。同図において、横軸はGeH4ガス流量に対するCO2の流量の比、縦軸はキャリア濃度である。図2によれば、CO2の増加とともにp型欠陥準位に起因する正孔濃度が約2桁減少し、CO2/GeH4>1.5では多数キャリアが電子になった。上記結果から、結晶質ゲルマニウムのダングリングボンドに起因するp型準位が製膜工程におけるCO2の添加により不活性化することが確認された。 FIG. 2 shows the relationship between the CO 2 addition amount and the carrier concentration in the crystalline germanium thin film. In the figure, the horizontal axis represents the ratio of the flow rate of CO 2 to the GeH 4 gas flow rate, and the vertical axis represents the carrier concentration. According to FIG. 2, the hole concentration due to the p-type defect level decreased with an increase of CO 2 by about two orders of magnitude, and majority carriers became electrons when CO 2 / GeH 4 > 1.5. From the above results, it was confirmed that the p-type level caused by dangling bonds of crystalline germanium was inactivated by the addition of CO 2 in the film forming process.
次に、結晶質シリコンゲルマニウムi層32中のゲルマニウム濃度を10原子%、20原子%、30原子%としたときに、SiH4ガスとGeH4ガスの流量の和に対するCO2ガスの添加量を変化させたときの、結晶質シリコンゲルマニウムi層32中の酸素濃度を確認した。
ゲルマニウム濃度を10原子%、20原子%、30原子%とした結晶質シリコンゲルマニウムi層を自然酸化膜付結晶シリコン基板上に製膜した。製膜中のCO2ガス濃度を0%、0.3%、1%、2%および3%とし、膜厚は約500nmとした。外部からの大気不純物の拡散を防止する目的でi層の上に非晶質シリコン(膜厚:500nm)を製膜した。試料を大気に取り出した後、SIMSにより結晶質シリコンゲルマニウムi層中のゲルマニウム濃度および酸素濃度を測定した。
Next, when the germanium concentration in the crystalline silicon germanium i layer 32 is 10 atomic%, 20 atomic%, and 30 atomic%, the amount of CO 2 gas added to the sum of the flow rates of SiH 4 gas and GeH 4 gas is The oxygen concentration in the crystalline silicon germanium i layer 32 when changed was confirmed.
A crystalline silicon germanium i layer having a germanium concentration of 10 atomic%, 20 atomic%, and 30 atomic% was formed on a crystalline silicon substrate with a natural oxide film. The CO 2 gas concentration in the film formation was 0%, 0.3%, 1%, 2% and 3%, and the film thickness was about 500 nm. Amorphous silicon (film thickness: 500 nm) was formed on the i layer for the purpose of preventing the diffusion of atmospheric impurities from the outside. After the sample was taken out into the atmosphere, the germanium concentration and oxygen concentration in the crystalline silicon germanium i layer were measured by SIMS.
図3に、結晶質シリコンゲルマニウムi層32中の酸素濃度を示す。同図において、横軸はSiH4ガスとGeH4ガスの流量の和に対するCO2の流量(%)、縦軸は酸素濃度である。結晶質シリコンゲルマニウムi層中の酸素濃度はCO2ガス濃度に対して直線的に変化し、ゲルマニウム濃度にほとんど依存しないことが確認された。結晶質シリコンゲルマニウムi層中の酸素濃度は、CO2ガス濃度が0.3%の場合8.4×1018個/cm3〜1.1×1019個/cm3、CO2ガス濃度が1%の場合3.2×1019個/cm3〜3.9×1019個/cm3、CO2ガス濃度が2%の場合6.9×1019個/cm3〜8×1019個/cm3、CO2ガス濃度が3%の場合1.4×1020個/cm3程度であった。 FIG. 3 shows the oxygen concentration in the crystalline silicon germanium i layer 32. In the figure, the horizontal axis represents the flow rate (%) of CO 2 with respect to the sum of the flow rates of SiH 4 gas and GeH 4 gas, and the vertical axis represents the oxygen concentration. It was confirmed that the oxygen concentration in the crystalline silicon germanium i layer changed linearly with respect to the CO 2 gas concentration, and was almost independent of the germanium concentration. Oxygen concentration in the crystalline silicon germanium i layer is, CO 2 when gas concentration of 0.3% 8.4 × 10 18 atoms / cm 3 ~1.1 × 10 19 atoms / cm 3, CO 2 gas concentration In the case of 1%, 3.2 × 10 19 pieces / cm 3 to 3.9 × 10 19 pieces / cm 3 , and in the case where the CO 2 gas concentration is 2%, 6.9 × 10 19 pieces / cm 3 to 8 × 10 19 pieces / cm 3, CO 2 gas concentration was 3% for about 1.4 × 10 20 atoms / cm 3.
所定の割合は、結晶質シリコンゲルマニウムi層32に含まれるゲルマニウム濃度、結晶質シリコンゲルマニウムi層32の膜厚、及び透明導電膜の材質などの条件を定めた上で、予め酸素を含有する不純物ガスの最適な添加量範囲を確認して設定する。最適な添加量範囲は、酸素を含有する不純物ガスの添加量のみを変化させた光電変換装置を作製し、その量子効率を測定して、得られた量子効率スペクトルの面積や形状などから導き出すと良い。 The predetermined ratio is determined by determining the conditions such as the concentration of germanium contained in the crystalline silicon germanium i layer 32, the film thickness of the crystalline silicon germanium i layer 32, the material of the transparent conductive film, and the like. Check and set the optimum gas addition range. The optimum addition amount range is derived from the area and shape of the obtained quantum efficiency spectrum by producing a photoelectric conversion device in which only the addition amount of the impurity gas containing oxygen is changed, measuring its quantum efficiency, and so on. good.
本実施形態の結晶質シリコンゲルマニウムi層32の製膜工程において、酸素を含有する不純物ガスの添加量を増加させると、量子効率スペクトルの形状は大きく3段階で変化する。第1段階では、量子効率スペクトルの面積が大きくなる。第2段階では、量子効率スペクトルの極大値が短波長側にシフトする。第3段階では、長波長側の量子効率スペクトルが低下し始める。量子効率スペクトルが第2段階の形状、好ましくは第2段階と第3段階との境界の形状であるとき、量子効率スペクトルの面積が最大となる。すなわち、量子効率スペクトルの極大値が短波長側にシフトした状態となるよう酸素含有不純物ガスを添加することで、結晶質シリコンゲルマニウムi層中の酸素濃度は最適な値に近づけることができる。
本実施形態では、量子効率スペクトルの面積値が酸素を含有する不純物ガスを添加していないものと比較して大きくなるような量の酸素を含有する不純物ガスを添加する。量子効率スペクトルの極大値は、酸素を含有する不純物ガスを添加していないものと比較して短波長側にあることが更に望ましい。
In the film forming process of the crystalline silicon germanium i layer 32 of the present embodiment, when the amount of impurity gas containing oxygen is increased, the shape of the quantum efficiency spectrum largely changes in three stages. In the first stage, the area of the quantum efficiency spectrum increases. In the second stage, the maximum value of the quantum efficiency spectrum is shifted to the short wavelength side. In the third stage, the quantum efficiency spectrum on the long wavelength side starts to decrease. When the quantum efficiency spectrum is in the shape of the second stage, preferably the shape of the boundary between the second stage and the third stage, the area of the quantum efficiency spectrum is maximized. That is, the oxygen concentration in the crystalline silicon germanium i layer can be brought close to the optimum value by adding the oxygen-containing impurity gas so that the maximum value of the quantum efficiency spectrum is shifted to the short wavelength side.
In the present embodiment, an impurity gas containing an amount of oxygen is added such that the area value of the quantum efficiency spectrum is larger than that in which no impurity gas containing oxygen is added. It is further desirable that the maximum value of the quantum efficiency spectrum is on the short wavelength side as compared with that in which no impurity gas containing oxygen is added.
結晶質シリコンゲルマニウムi層32を製膜する工程において、原料ガスは、純化器等の酸素低減手段を介してプラズマCVD装置に導入されることが好ましい。市販されている原料ガスには、不可避的に酸素が含まれている。例えば、一般的な高純度ガスボンベの仕様は、SiH4ガス:O2,CO,CO2,H2O <1ppm、GeH4ガス:O2, CO2<1ppm H2O<5ppm、H2ガス:O2, CO, CO2 <0.05ppm H2O<0.5ppmである。上記のように原料ガスボンベに不可避的に含まれる酸素は、ガスボンベのロットによって異なる。本実施形態において、結晶質シリコンゲルマニウムi層32を製膜する工程で添加するCO2量は微量であるため、原料ガスの精製度が結晶質シリコンゲルマニウムi層32中の酸素濃度の制御に影響を及ぼす可能性も考えられる。そのため、酸素低減手段によって原料ガスに含まれる不可避的な酸素を低減させることで、より安定して結晶質シリコンゲルマニウムi層32中の酸素濃度を制御することが可能となる。 In the step of forming the crystalline silicon germanium i layer 32, the source gas is preferably introduced into the plasma CVD apparatus through an oxygen reducing means such as a purifier. Commercially available source gas inevitably contains oxygen. For example, the specifications of a general high-purity gas cylinder are: SiH 4 gas: O 2 , CO, CO 2 , H 2 O <1 ppm, GeH 4 gas: O 2 , CO 2 <1 ppm H 2 O <5 ppm, H 2 gas : O 2 , CO, CO 2 <0.05 ppm H 2 O <0.5 ppm. As described above, oxygen inevitably contained in the raw material gas cylinder varies depending on the lot of the gas cylinder. In this embodiment, since the amount of CO 2 added in the step of forming the crystalline silicon germanium i layer 32 is very small, the degree of purification of the source gas affects the control of the oxygen concentration in the crystalline silicon germanium i layer 32. There is also a possibility of affecting. Therefore, the oxygen concentration in the crystalline silicon germanium i layer 32 can be controlled more stably by reducing the inevitable oxygen contained in the source gas by the oxygen reducing means.
微結晶シリコンゲルマニウムを主とするi層膜をプラズマCVD法で形成するにあたり、プラズマ放電電極と基板1の表面との距離dは、3mm以上10mm以下にすることが好ましい。3mmより小さい場合、大型基板に対応する製膜室内の各構成機器精度から距離dを一定に保つことが難しくなるとともに、近過ぎて放電が不安定になる恐れがある。10mmより大きい場合、十分な製膜速度(1nm/s以上)を得難くなるとともに、プラズマの均一性が低下しイオン衝撃により膜質が低下する。
In forming an i-layer film mainly composed of microcrystalline silicon germanium by the plasma CVD method, the distance d between the plasma discharge electrode and the surface of the
裏面電極層4として膜厚150nm以上500nm以下のAg膜を、スパッタリング装置により、減圧雰囲気、常温にて製膜する。Ag膜を保護する保護膜42として、ZnO膜:10nm以上20nm以下を積層してもよい。n層33と裏面電極層4との接触抵抗低減と光反射向上を目的に、光電変換層3と裏面電極層4との間に、裏面透明電極層41として、スパッタリング装置により、膜厚:40nm以上100nm以下のGZO(GaドープZnO)あるいは、AZO(AlドープZnO)膜を製膜しても良い。
An Ag film having a thickness of 150 nm or more and 500 nm or less is formed as the back electrode layer 4 by using a sputtering apparatus in a reduced pressure atmosphere at room temperature. As the
裏面電極層4の積層後に、適宜セル分離を行い、180℃以上200℃以下のポストアニーリングを2時間10分実施する。その後、発電特性評価を実施する。セル分離法としては、レーザーエッチング法やプラズマエッチング法が適用可能である。セルサイズはたとえば面積1cm2である。 After the back electrode layer 4 is laminated, cell separation is performed as appropriate, and post-annealing at 180 ° C. to 200 ° C. is performed for 2 hours and 10 minutes. After that, power generation characteristics are evaluated. As the cell separation method, a laser etching method or a plasma etching method can be applied. The cell size is, for example, an area of 1 cm 2 .
以上の行程を経てp−i−n型光電変換装置が完了する。光電変換装置はシングル型でも良いが、非晶質シリコン系材料や結晶質シリコン系材料をi層に用いた光電変換ユニットを、本発明の光電変換ユニットより前段にp−i−n/p−i−nやp−i−n/p−i−n/p−i−nのように積層することにより、より高い変換効率が得られる。 The p-i-n type photoelectric conversion device is completed through the above steps. The photoelectric conversion device may be of a single type, but a photoelectric conversion unit using an amorphous silicon-based material or a crystalline silicon-based material for the i layer is provided in a pi / n / p- stage before the photoelectric conversion unit of the present invention. A higher conversion efficiency can be obtained by laminating like i-n and p-i-n / p-i-n / p-i-n.
なお、上記実施形態ではp−i−n型光電変換装置の製造方法を説明したが、本発明は、n−i−p型光電変換装置の製造方法にも適用可能である。また、i層はBやPなどの不純物を含んでも良い。すなわち、本発明は、pn型光電変換装置の製造方法にも適用可能である。 In addition, although the manufacturing method of the pin type photoelectric conversion apparatus was demonstrated in the said embodiment, this invention is applicable also to the manufacturing method of an nip type photoelectric conversion apparatus. Further, the i layer may contain impurities such as B and P. That is, the present invention can also be applied to a method for manufacturing a pn photoelectric conversion device.
表面が平坦なガラス基板1(5cm×5cm×板厚:1.1mm)を用いて、図1に示す構成のシングル型太陽電池セル(実施例1〜実施例3)を実施形態に従って作製した。
透明電極層2:GZO膜:平均膜厚1000nm
反射防止層:TiO2膜22/AZO膜23、平均膜厚70nm/10nm
p層31:平均膜厚15nm
結晶質シリコンゲルマニウムi層32:平均膜厚1000〜3400nm
n層33:平均膜厚60nm
裏面透明電極層41:GZO膜41/平均膜厚40nm
裏面電極層4:Ag膜/平均膜厚200nm
保護膜42:ZnO膜/平均膜厚20nm
Using a
Transparent electrode layer 2: GZO film:
Antireflection layer: TiO 2 film 22 / AZO film 23, average film thickness 70 nm / 10 nm
p layer 31: Average film thickness 15 nm
Crystalline silicon germanium i layer 32: Average film thickness of 1000 to 3400 nm
n layer 33: Average film thickness 60 nm
Back surface transparent electrode layer 41:
Back electrode layer 4: Ag film /
Protective film 42: ZnO film / average film thickness 20 nm
(実施例1)
実施例1では、製膜時に添加するCO2ガス濃度をそれぞれ0%、1.6%、2.4%、または3.0%として、ゲルマニウム濃度が30原子%、膜厚が1μmの結晶質シリコンゲルマニウムi層32を製膜したシングル型太陽電池セルを作製した。実施例1についての分光感度特性を、AM1.5(100mW/cm2)の白色バイアス照射条件下、常温、バイアス電圧0V、受光面積1cm2の条件で測定した。
Example 1
In Example 1, the concentration of CO 2 gas added during film formation is 0%, 1.6%, 2.4%, or 3.0%, respectively, the germanium concentration is 30 atomic%, and the film thickness is 1 μm. A single type solar battery cell having the silicon germanium i layer 32 formed thereon was produced. The spectral sensitivity characteristics of Example 1 were measured under the white bias irradiation conditions of AM1.5 (100 mW / cm 2 ) under the conditions of normal temperature, bias voltage 0 V, and
図4に、実施例1の量子効率スペクトルを示す。同図において、横軸は波長、縦軸は量子効率である。結晶質シリコンゲルマニウムi層32の製膜工程においてCO2ガス濃度を増加することによって、全波長領域(300nm以上1200nm以下)に渡り量子効率スペクトルの面積が増加した。また、CO2ガス濃度を3.0%としたときの量子効率スペクトルは、CO2ガスを添加しなかったときの量子効率スペクトルと比較して、長波長側のスペクトルが低下した。 FIG. 4 shows the quantum efficiency spectrum of Example 1. In the figure, the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents quantum efficiency. By increasing the CO 2 gas concentration in the step of forming the crystalline silicon germanium i layer 32, the area of the quantum efficiency spectrum increased over the entire wavelength region (300 nm to 1200 nm). Moreover, the spectrum on the long wavelength side of the quantum efficiency spectrum when the CO 2 gas concentration was 3.0% was lower than the quantum efficiency spectrum when the CO 2 gas was not added.
次に、各CO2濃度における極大値を表1に示す。
CO2ガス濃度を3.0%としたときの量子効率スペクトルは、CO2ガスを添加しなかったときの量子効率スペクトルと比較して、極大値が短波長側へシフトした。 The maximum value of the quantum efficiency spectrum when the CO 2 gas concentration was 3.0% was shifted to the short wavelength side as compared to the quantum efficiency spectrum when no CO 2 gas was added.
実施例1について、AM1.5(100mW/cm2)照射条件下における面積1cm2あたりの電流電圧特性を測定した。
表2に、実施例1の太陽電池電流電圧特性を示す。
Table 2 shows the solar cell current-voltage characteristics of Example 1.
表2によれば、CO2/(SiH4+GeH4)比が2.4%のときCO2を添加しない場合に比べて電流値は約8mA/cm2増加した。開放電圧や曲線因子も微増し、変換効率は絶対値で約1%増加した。しかし、CO2添加量が過剰であると、短波長感度が増加する反面、800nm以上の長波長に対する電流値が低下し、結果として太陽電池特性の劣化をもたらす。 According to Table 2, when the CO 2 / (SiH 4 + GeH 4 ) ratio was 2.4%, the current value increased by about 8 mA / cm 2 compared to the case where CO 2 was not added. The open circuit voltage and fill factor also increased slightly, and the conversion efficiency increased by about 1% in absolute value. However, if the CO 2 addition amount is excessive, the short wavelength sensitivity is increased, but the current value for a long wavelength of 800 nm or more is lowered, resulting in deterioration of the solar cell characteristics.
(実施例2)
実施例2では、製膜時に添加するCO2ガス濃度をそれぞれ0%、0.3%、0.55%、0.77%、または1.0%として、ゲルマニウム濃度が20原子%、膜厚が1.75μmの結晶質シリコンゲルマニウムi層32を製膜したシングル型太陽電池セルを作製した。実施例2についての分光感度特性を、実施例1と同様に測定した。
(Example 2)
In Example 2, the concentration of CO 2 gas added during film formation is 0%, 0.3%, 0.55%, 0.77%, or 1.0%, respectively, the germanium concentration is 20 atomic%, and the film thickness Produced a single solar cell having a crystalline silicon germanium i layer 32 of 1.75 μm. The spectral sensitivity characteristics of Example 2 were measured in the same manner as in Example 1.
図5に、実施例2の量子効率スペクトルを示す。同図において、横軸は波長、縦軸は量子効率である。また、表3に実施例2の各CO2濃度における極大値を示す。
実施例1と同様にCO2ガス濃度を増加することによって、量子効率スペクトルの面積が全波長領域で増加した。また、CO2ガス濃度を1.0%としたときの量子効率スペクトルは、CO2ガスを添加しなかったときの量子効率スペクトルと比較して、極大値が短波長側へシフトし、長波長側のスペクトル高さはやや低下しただけであった。これによって、実施例2において、製膜時に添加するCO2ガスを、1.0%を超える濃度で添加した場合、長波長側のスペクトルが低下するものと考えられる。 As in Example 1, the area of the quantum efficiency spectrum increased in the entire wavelength region by increasing the CO 2 gas concentration. In addition, the quantum efficiency spectrum when the CO 2 gas concentration is 1.0% is compared with the quantum efficiency spectrum when the CO 2 gas is not added, and the maximum value is shifted to the short wavelength side. The spectral height on the side was only slightly reduced. Thus, in Example 2, when the CO 2 gas added at the time of film formation is added at a concentration exceeding 1.0%, it is considered that the spectrum on the long wavelength side is lowered.
実施例2を用いて、実施例1と同様に電流電圧特性を測定した。
表4に、実施例2の太陽電池電流電圧特性を示す。
Table 4 shows the solar cell current-voltage characteristics of Example 2.
CO2/(SiH4+GeH4)比が0.77%のときCO2を添加しない場合に比べて電流値は6mA/cm2増加した。開放電圧も微増し、変換効率は約1%増加した。しかし、CO2添加量が過剰であると、短波長感度が増加する反面、長波長感度が低下するため、太陽電池特性の劣化をもたらす。 When the CO 2 / (SiH 4 + GeH 4 ) ratio was 0.77%, the current value increased by 6 mA / cm 2 as compared to the case where CO 2 was not added. The open circuit voltage also increased slightly, and the conversion efficiency increased by about 1%. However, if the amount of CO 2 added is excessive, the short wavelength sensitivity is increased, but the long wavelength sensitivity is decreased, and thus the solar cell characteristics are deteriorated.
(実施例3)
実施例3では、製膜時に添加するCO2ガス濃度をそれぞれ0%、及び0.3%として、ゲルマニウム濃度が10原子%、膜厚が3.4μmの結晶質シリコンゲルマニウムi層32を製膜したシングル型太陽電池セルを作製した。実施例3についての分光感度特性を、実施例1と同様に測定した。
(Example 3)
In Example 3, a crystalline silicon germanium i layer 32 having a germanium concentration of 10 atomic% and a film thickness of 3.4 μm is formed by setting the CO 2 gas concentrations added during film formation to 0% and 0.3%, respectively. A single type solar cell was prepared. The spectral sensitivity characteristics of Example 3 were measured in the same manner as in Example 1.
図6に、実施例3の量子効率スペクトルを示す。同図において、横軸は波長、縦軸は量子効率である。また、表5に実施例3の各CO2濃度における極大値を示す。
CO2の添加により量子効率スペクトルの短波長領域(<700nm)の面積が大幅に増加し、スペクトルの極大値も短波長側にシフトした。 The addition of CO 2 greatly increased the area of the short wavelength region (<700 nm) of the quantum efficiency spectrum, and the maximum value of the spectrum shifted to the short wavelength side.
実施例3を用いて、実施例1と同様に電流電圧特性を測定した。
表6に、実施例3の太陽電池電流電圧特性を示す。
Table 6 shows the solar cell current-voltage characteristics of Example 3.
CO2/(SiH4+GeH4)比が0.3%のときCO2を添加しない場合に比べて電流値は約4mA/cm2増加した。変換効率は約0.5%増加した。 When the CO 2 / (SiH 4 + GeH 4 ) ratio was 0.3%, the current value increased by about 4 mA / cm 2 as compared to the case where CO 2 was not added. The conversion efficiency increased by about 0.5%.
(変形例1)
変形例1では、透明電極層2に旭硝子社製のSnO2:Fを使用し、製膜時に添加するCO2ガス濃度をそれぞれ0%、及び3.0%として、ゲルマニウム濃度が30原子%、膜厚が1μmの結晶質シリコンゲルマニウムi層32を製膜したシングル型太陽電池セルを作製した。他の構成は、実施例1と同様とした。変形例1についての分光感度特性を、実施例1と同様に測定した。
図7に、変形例1の量子効率スペクトルを示す。同図において、横軸は波長、縦軸は量子効率である。CO2の添加により量子効率スペクトルの短波長領域(<700nm)の面積が大幅に増加した。
(Modification 1)
In
In FIG. 7, the quantum efficiency spectrum of the
図4に示すように、実施例1のZnOを用いたシングル型太陽電池セルでは3%のCO2の添加は明らかに過剰であり、短波長感度が増加する一方、長波長感度が大幅に減少している。一方、図7に示すSnO2:F基板を用いたシングル型太陽電池セルでは3%のCO2の添加が適量であり、短波長感度が増加し、長波長感度に大きな変化は認められない。SnO2:FはZnOに比べて表面の凹凸が小さく、凹凸の突起が鋭いため、このような基板に結晶質シリコン系太陽電池を製膜すると結晶粒界が誘発され、ダングリングボンド密度が増えることが報告されている。SnO2:Fを用いた場合、ZnOに比べてゲルマニウムのダングリングボンドがより多く生成すると考えられる。そのため、これを不活性化する酸素濃度がより多く必要になることがわかった。 As shown in FIG. 4, in the single solar cell using ZnO of Example 1, the addition of 3% CO 2 is clearly excessive, and the short wavelength sensitivity is increased while the long wavelength sensitivity is greatly decreased. is doing. On the other hand, in the single type solar cell using the SnO 2 : F substrate shown in FIG. 7, the addition of 3% of CO 2 is an appropriate amount, the short wavelength sensitivity is increased, and no significant change is observed in the long wavelength sensitivity. Since SnO 2 : F has smaller surface irregularities and sharper irregular projections than ZnO, forming a crystalline silicon solar cell on such a substrate induces crystal grain boundaries and increases the dangling bond density. It has been reported. When SnO 2 : F is used, it is considered that more germanium dangling bonds are formed as compared with ZnO. Therefore, it has been found that more oxygen concentration is required to inactivate this.
(変形例2及び変形例3)
変形例2では、製膜時に添加するCO2ガス濃度をそれぞれ0%、及び0.3%として、ゲルマニウム濃度が20原子%、膜厚が1μmの結晶質シリコンゲルマニウムi層32を製膜したシングル型太陽電池セルを作製した。他の構成は、変形例1と同様とした。
変形例3では、結晶質シリコンゲルマニウムi層32の膜厚を2μmとした以外は、変形例2と同様の構成のシングル型太陽電池セルとした。変形例2及び変形例3についての分光感度特性を、実施例1と同様に測定した。
(
In the second modification, the single-layered silicon silicon germanium i layer 32 having a germanium concentration of 20 atomic% and a film thickness of 1 μm is formed with the CO 2 gas concentration added during film formation being 0% and 0.3%, respectively. Type solar cells were produced. Other configurations are the same as those of the first modification.
In the third modification, a single solar cell having the same configuration as that in the second modification except that the film thickness of the crystalline silicon germanium i layer 32 is set to 2 μm. The spectral sensitivity characteristics of
図8に、変形例2及び変形例3の量子効率スペクトルを示す。同図において、横軸は波長、縦軸は量子効率である。図8によれば、変形例2及び変形例3では、CO2ガスの添加により量子効率スペクトルの短波長領域(<700nm)の面積が増加した。CO2ガスを添加しない場合、結晶質シリコンゲルマニウムi層32の膜厚を1μmから2μmに増加すると、短波長感度が大幅に低下した。上記結果によれば、膜厚を増加することは、ゲルマニウム濃度を増加させるのと同等の影響がある。膜厚が1μmの場合、0.3%のCO2ガスを添加することで高い短波長感度が得られているが、膜厚が2μmのセルではCO2ガスの添加量が不十分であるため短波長感度が依然として低かった。
In FIG. 8, the quantum efficiency spectrum of the
変形例2及び変形例3を用いて、実施例1と同様に電流電圧特性を測定した。
表7に、変形例2及び変形例3の太陽電池電流電圧特性を示す。
Table 7 shows the solar cell current-voltage characteristics of
表7によれば、変形例2及び変形例3のいずれにおいても、CO2ガスを添加したことにより短絡電流は増加しただけでなく、変換効率も向上した。
According to Table 7, in both
本実施形態によれば、結晶質シリコンゲルマニウムi層32の製膜工程において、SiH4ガスとGeH4ガスの流量の和に対して所定の割合でCO2ガスを添加すると、短絡電流が増加するたけでなく、開放電圧、曲線因子や変換効率を向上させることができる。 According to this embodiment, when CO 2 gas is added at a predetermined ratio with respect to the sum of the flow rates of SiH 4 gas and GeH 4 gas in the process of forming the crystalline silicon germanium i layer 32, the short-circuit current increases. In addition, open circuit voltage, fill factor and conversion efficiency can be improved.
1 基板
2 透明電極層
3 光電変換層
4 裏面電極層
1
Claims (4)
ゲルマニウム濃度が10原子%以上50原子%以下の前記結晶質シリコンゲルマニウムi型半導体層をプラズマCVD法によって製膜する製膜工程を有し、
該製膜工程が、酸素含有不純物ガスを、シリコン系ガス流量とゲルマニウム系ガス流量との和に対して前記酸素含有不純物ガスを添加しない場合よりも量子効率スペクトルの面積が大きくなるような割合で添加し、前記結晶質シリコンゲルマニウムi型半導体層に含まれる酸素の濃度を制御する光電変換装置の製造方法。 A photoelectric conversion device having a photoelectric conversion layer having a pin junction or a nip junction formed by stacking a p-type semiconductor layer, a crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer on a substrate with a transparent conductive film A manufacturing method comprising:
A film forming step of forming the crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer having a germanium concentration of 10 atomic% or more and 50 atomic% or less by a plasma CVD method;
The film forming step is such that the area of the quantum efficiency spectrum is larger than the case where the oxygen-containing impurity gas is not added to the sum of the silicon-based gas flow rate and the germanium-based gas flow rate. A method for manufacturing a photoelectric conversion device, which is added to control a concentration of oxygen contained in the crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer.
該CO2ガスを前記シリコン系ガス流量と前記ゲルマニウム系ガス流量との和に対して0.3%以上3%以下の流量で添加して、前記ゲルマニウム濃度が10原子%以上30原子%以下の前記結晶質シリコンゲルマニウムi型半導体層を形成させる請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の光電変換装置の製造方法。 The oxygen-containing impurity gas is CO 2 gas,
The CO 2 gas is added at a flow rate of 0.3% or more and 3% or less with respect to the sum of the silicon-based gas flow rate and the germanium-based gas flow rate, and the germanium concentration is 10 atomic percent or more and 30 atomic percent or less. The method for manufacturing a photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the crystalline silicon germanium i-type semiconductor layer is formed.
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