JPH0918033A

JPH0918033A - 薄膜太陽電池およびその製法

Info

Publication number: JPH0918033A
Application number: JP7161216A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yokoyama; 敬志横山; Kazuma Yamamoto; 和馬山本; Takahiro Mishima; 孝博三島; Takeshi Matsuda; 豪松田
Original assignee: Daido Hoxan Inc
Current assignee: Daido Hoxan Inc
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】異種基板上に太陽電池材料を成膜しても熱膨脹
係数の差によるそりが生じない、優れた薄膜太陽電池お
よびその製法を提供する。【構成】従来、基板１０上に連続した層として成膜して
いた結晶を、多数の穴１２が所定間隔で並ぶマスク層１
３を介して成長させることにより、上記マスク層１３の
各穴１２内から上方に盛り上がった島状結晶１６として
得、しかも、各島状結晶１６を、互いに他の島状結晶１
６と接触しない状態で得るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜太陽電池およびそ
の製法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池としては、材料が環境に対し殆
ど影響がない，エネルギー変換効率が高い，発電特性が
安定している，等の理由から、シリコン太陽電池が汎用
されている。このようなシリコン太陽電池としては、例
えば、図８に示すように、単結晶シリコン基板１の表面
に、不純物（例えばリン）を高温で熱拡散させてｎ型の
拡散層２を形成し、電極３を形成したのち、その上にＳ
ｉＯ₂等の反射防止膜４を形成することによって得られ
る単結晶シリコン太陽電池がよく知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記単
結晶シリコン太陽電池において、単結晶シリコン基板１
を用いるとその材料コストが高くなるため、単結晶シリ
コン基板１に代えて低コストの異種基板（ＳＵＳ等の金
属基板）を用い、その上にＳｉの薄膜を成膜する試みが
なされている。しかし、上記Ｓｉの膜厚を、太陽電池と
して用いるのに必要な厚さ（５０〜１００μｍ）まで成
膜すると、基板とＳｉの熱膨張係数が大幅に異なるた
め、基板に大きなそりを生じることが判明した。上記そ
りが生じると、その後のデバイス製作上歩留りを大きく
損なう原因となるとともに、Ｓｉ薄膜中に応力が残った
ままであるため、結晶欠陥が無数に生じて電気特性が悪
くなる。このように、異種基板上にＳｉ等を成膜して得
られる薄膜太陽電池は、品質が悪いのであり、その改良
が強く望まれている。

【０００４】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、異種基板上に太陽電池材料を成膜しているにも
かかわらず上記のようなそりが生じない、優れた薄膜太
陽電池およびその製法を提供することをその目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、導電性基板上に種結晶層が形成され、そ
の上に、多数の穴が所定間隔で並ぶマスク層が形成さ
れ、さらにその上に、上記マスク層の各穴内から成長し
穴の上方に盛り上がって島状に結晶した島状結晶が、互
いに他の島状結晶と接触しない状態で形成され、かつ上
記各島状結晶の少なくとも表面部が拡散層に形成され、
その上に、上記各島状結晶の拡散層にまたがる透明導電
層が形成されている薄膜太陽電池を第１の要旨とし、絶
縁性透明基板上に、透明導電層を介して拡散層が形成さ
れ、その上に、多数の穴が所定間隔で並ぶマスク層が形
成され、さらにその上に、上記マスク層の各穴内から成
長し穴の上方に盛り上がって島状に結晶した島状結晶
が、互いに他の島状結晶と接触しない状態で形成され、
その上に、上記各島状結晶にまたがる導電層が形成され
ている薄膜太陽電池を第２の要旨とする。

【０００６】また、導電性基板上に種結晶層を形成する
工程と、その上にマスク層を形成する工程と、上記マス
ク層に、開口幅が１０〜１００μｍの穴を、互いの間隔
が１００〜数１００μｍとなるよう等間隔で多数形成す
る工程と、上記マスク層の上に液相成長法によって結晶
膜を成長させ、上記マスク層の穴内から穴の上方に盛り
上がる島状結晶を、互いに他の島状結晶と接触しない状
態で得る工程と、上記各島状結晶の少なくとも表面部に
拡散層を形成する工程と、上記各島状結晶の拡散層にま
たがる導電層を形成する工程とを備えた薄膜太陽電池の
製法を第３の要旨とし、絶縁性透明基板上に導電層を形
成する工程と、その上に拡散層を形成する工程と、その
上にマスク層を形成する工程と、上記マスク層に、開口
幅が１０〜１００μｍの穴を、互いの間隔が１００〜数
１００μｍとなるよう等間隔で多数形成する工程と、上
記マスク層の上に液相成長法によって結晶膜を成長さ
せ、上記マスク層の穴内から穴の上方に盛り上がる島状
結晶を、互いに他の島状結晶と接触しない状態で得る工
程と、上記各島状結晶にまたがる導電層を形成する工程
とを備えた薄膜太陽電池の製法を第４の要旨とする。

【０００７】

【作用】すなわち、本発明は、従来、基板上に連続した
層として成膜していた結晶を、多数の穴が所定間隔で並
ぶマスク層を介して成長させることにより、上記マスク
層の各穴内から上方に盛り上がった島状結晶として得、
しかも、各島状結晶を、隣合う他の島状結晶と互いに接
触しない状態で得るようにしたものである。したがっ
て、各島状結晶が、基板に対し連続しない「点」として
分散した状態で存在することになり、基板の熱膨張に追
従して膨張しやすい構造となる。このため、低コスト基
板を用い、高温下において上記基板と結晶膜とが異なる
割合で熱膨脹しても、その積層体が大きなそりを生じる
ことがなく、デバイス作製に有利となる。また、結晶膜
中の残留応力が小さいため、従来から問題となっていた
結晶欠陥を大幅に低減することができ、電気特性に優れ
た高品質の太陽電池を得ることができる。さらに、島状
結晶が点在して、結晶表面が微小な突起の繰り返しとな
るため、わざわざテクスチャ処理を施さなくても光の反
射を抑えることができる。このため、従来必要であった
テクスチャ処理工程が不要となり、製造コストを大幅に
軽減することができる。

【０００８】つぎに、本発明を詳細に説明する。

【０００９】本発明の薄膜太陽電池は、独特の島状結晶
を備えたものであり、その製法は、つぎに述べる２通り
の製法がある。

【００１０】第１の製法は、例えばつぎのようにして薄
膜太陽電池を製造する方法である。すなわち、まず、図
１に示すように、低コスト導電性基板（ＳＵＳ，カーボ
ン等）１０を準備し、この基板１０の表面に、真空化学
エピタキシー法（ＶａｐｅｒＣｈｅｍｉｃａｌＥｐｉ
ｔａｘｙ、以下「ＶＣＥ」と略す），化学蒸着法（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌＶａｐｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以
下「ＣＶＤ」と略す）あるいはスパッタ法等を用いて半
導体材料からなる薄膜を成膜する。この半導体薄膜が種
結晶層１１となる。

【００１１】なお、上記種結晶層１１の厚さは、０．１
〜１０μｍ、なかでも０．５〜１．０μｍに設定するこ
とが、結晶成長の見地から好適である。また、上記種結
晶層１１を形成する半導体材料としては、Ｓｉの外、Ｇ
ａＡｓ，ＩｎＰ等、太陽電池用材料として用いることの
できる各種の半導体材料があげられる。

【００１２】つぎに、上記種結晶層１１の表面に、図２
に示すように、所定寸法の大きさの穴１２が所定間隔で
多数形成されたマスク層１３を成膜する。このマスク層
１３は、例えばスクリーン印刷によるゾルゲル法を用い
て得ることができる。すなわち、まずテトラエトキシシ
ランを含む溶液に所定の触媒を加え、２０〜５０℃で混
合して加水分解を行い、テトラヒドロキシシラン溶液を
得る。つぎに、スクリーン製版によって、マスク層１３
を形成すべき部分に、上記テトラヒドロキシシラン溶液
の層を形成する。この層の厚さは１〜４０μｍ程度とす
る。これを８０〜５００℃で約３０分間処理すると、上
記テトラヒドロキシシランが脱水してＳｉＯ₂膜が形成
される。このようにして、上記マスク層１３を得ること
ができる。また、熱ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ₂膜からな
るマスク層１３を形成したのちエッチングにより所定間
隔の穴１２を形成するようにしてもよい。

【００１３】上記マスク層１３の厚さは、３０００Å〜
１０μｍ、なかでも０．５〜１μｍに設定することが、
結晶成長の見地から好適である。そして、このマスク層
１３に形成される穴１２は、つぎに述べるように、Ｓｉ
結晶を島状に成長させるために必要な窓であり、その開
口形状は、図示のように角形状であっても円形状その他
の形状であっても差し支えはない。そして、その大きさ
は、開口幅（角穴の場合はその縦横の開口幅、丸穴の場
合はその直径、他の形状の場合はこれらに準ずる）が１
０〜１００μｍに設定することが必要である。上記範囲
よりも穴１２の開口が小さいと、穴加工が容易でないと
ともに、この穴から成長して得られる各島状結晶が非常
に小さなものとなり、島状結晶表面による凹凸が微小す
ぎて光の反射防止効果が小さくなるからである。逆に上
記範囲よりも穴１２の開口が大きいと、島状結晶が大き
くなりすぎて反射防止効果が小さくなるとともにその後
のデバイス製作工程での歩留りが低下するからである。
また、上記穴１２を形成する間隔は、穴の大きさにもよ
るが、通常、各穴ピッチ（図２においてＰで示す）が１
００〜数１００μｍとなるよう設定することが必要であ
る。穴ピッチが上記範囲よりも狭いと、結晶が充分島形
状に成長する以前に隣同士が接触してしまうおそれがあ
り、逆に穴ピッチが上記範囲よりも広いと、結晶成長に
長時間を要するとともに光の反射防止効果が小さくなる
からである。

【００１４】そして、上記マスク層１３は必ずしもＳｉ
Ｏ₂で形成する必要はなく、前記種結晶層１１の形成材
料を酸化したもの、あるいはＴｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄等、
従来から太陽電池において表面安定化皮膜形成材料とし
て用いられているものを適宜用いることができる。

【００１５】つぎに、上記マスク層１３の上に半導体材
料からなる結晶膜（Ｐ型）を成膜する。成膜工程は、成
膜速度が面方位依存性の大きい、液相エピタキシャル成
長法（ＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ、以
下「ＬＰＥ」と略す）によって行うことが好適である。
上記ＬＰＥの例としては、図３に示すように、上記マス
ク層１３が形成された基板１０を、成膜原料１４（図
中、模式的に示す）が溶媒中に溶解された溶融槽１５内
に浸漬し、溶融槽１５内を冷却して上記基板１０のマス
ク層１３表面に結晶を析出させる方法がよく知られてい
る。このようにして結晶を成長させると、結晶は、図４
に示すように、上記マスク層１３の各穴１２内から成長
し、穴１２の開口上部に盛り上がり、徐々に島形状を形
成する。そこで、各島状結晶１６が、互いに接触しない
時点で成膜を終了する。このためには、島状結晶１６の
高さ（図４においてＨで示す）を１０〜１００μｍに設
定することが好適である。

【００１６】なお、上記島状結晶１６の材料は、前記種
結晶層１１の材料と同一に設定することが好ましい。

【００１７】つぎに、従来から知られている熱拡散法，
常圧ＣＶＤ法，プラズマＣＶＤ法等によって、図５に示
すように、上記島状結晶１６の表面部の所定厚み部分
を、Ｎ型の拡散層１７に形成する。上記拡散層１７の厚
さは適宜設定されるが、通常、０．１〜０．５μｍ程度
である。そして、拡散させるドーパントは、島状結晶１
６の材料に応じて適宜選択される。

【００１８】そして、上記拡散層１７の上に、図６に示
すように、真空蒸着法，スパッタ法，常圧ＣＶＤ法等に
よって、ＩＴＯ，ＳｎＯ₂等の皮膜を形成して透明導電
層１８を得る。この透明導電層１８が表面電極となる。
なお、上記透明導電層１８の厚さも適宜設定されるが、
通常、５００〜１０００Å程度である。

【００１９】このようにして得られた薄膜太陽電池は、
島状結晶１６が、隣同士接触することなく、点として分
散した状態で存在しているため、低コスト導電性基板１
０の熱膨張に追従して膨張しやすい構造になっている。
このため、高温下において、、基板１０と島状結晶１６
が互いに熱膨脹係数が異なるにもかかわらず、大きなそ
りを生じることがなく、デバイス作製に有利となる。ま
た、島状結晶１６中の残留応力が小さいため、従来から
問題となっていた結晶欠陥を大幅に低減することがで
き、電気特性に優れた高品質の太陽電池を得ることがで
きる。さらに、島状結晶１６の存在によって、表面が微
小な突起の繰り返しとなるため、図６に示すように、矢
印のように光照射を受けた場合に、光の反射防止効果が
高く、テクスチャ処理を施す必要がない、という利点を
有する。

【００２０】一方、第２の製法は、例えばつぎのように
して薄膜太陽電池を製造する方法である。すなわち、ま
ず、上記第１の製法と同様、基板を用意するが、この場
合は、低コスト基板として絶縁性透明基板（石英板，ガ
ラス板等）２０を準備する（図７参照）。そして、この
基板２０の表面に、真空蒸着法，スパッタ法等によっ
て、ＩＴＯ，ＳｎＯ₂等の皮膜を形成して透明導電層２
１を得る。この透明導電層２１が表面電極となる。な
お、上記透明導電層２１の厚さは、適宜設定されるが、
通常、５００〜１０００Å程度に設定される。

【００２１】つぎに、上記透明導電層２１の上に、ＶＣ
Ｅ法，ＣＶＤ法等によって、Ｎ型の半導体材料（Ｓｉに
ドーパントとしてＰを添加したもの等）を成膜し、これ
を拡散層２２とする。上記拡散層２２の厚さは、層を形
成する半導体材料の種類に応じて適宜設定されるが、Ｓ
ｉの場合、０．３μｍ程度である。なお、この拡散層２
２は、その後の成膜の種結晶としての役割も果たす。

【００２２】つぎに、上記拡散層２２の上に、前記第１
の製法と同様にして、所定間隔で穴１２が多数形成され
たマスク層１３を成膜する。そして、同じく前記第１の
製法と同様にして、上記マスク層１３の上に、半導体材
料からなる島状結晶１６を成膜し、さらにその表面に、
真空蒸着法，スクリーン印刷法等によって、Ａｌ，Ａｇ
等の皮膜を形成して導電層２３を得る。この導電層２３
が裏面電極となる。なお、上記導電層２３の厚さも、適
宜設定されるが、通常、４０〜１００μｍ程度である。

【００２３】このようにして得られた薄膜太陽電池は、
第１の製法によって得られた薄膜太陽電池とは異なり、
絶縁性透明基板２０の裏面側（図７において下側）が受
光面となるが、その作用効果は、上記第１の製法によっ
て得られたものと同様である。

【００２４】つぎに、実施例について説明する。

【００２５】

【実施例１】スチール製の基板（厚さ１ｍｍ×１０ｃｍ
×１０ｃｍ）にスパッタ法によりシリコン膜を１μｍ成
膜して種結晶層を得た。なお、スパッタのターゲットは
１×１０²⁰のボロン濃度を有するものを使用し、得られ
た種結晶のボロン濃度は５×１０¹⁹〜１×１０²⁰となっ
た。なお、上記種結晶のボロン濃度を大きくする理由
は、スチール製基板との接触抵抗を下げるためである。

【００２６】上記種結晶層の上に、前述したゾルゲルス
クリーン印刷法によってマスク層（厚さ１μｍ）を形成
した。なお、マスク開口部の大きさは１００μｍ、その
ピッチは２００μｍとした。そして、溶媒としてスズを
用い、ＬＰＥ法によって、上記マスク開口部からシリコ
ンを結晶成長させた。すなわち、１１００℃の飽和シリ
コンスズ溶液に、上記の通り処理された基板を浸漬し、
毎分１℃の割合で温度を降下させ、シリコンを析出させ
ることにより、シリコンの島状結晶を得た。なお、上記
マスク層を用いて繰り返された予備実験において、島状
結晶同士の結合は、温度降下開始後約７０分経過後に観
察されたため、この実施例では、結晶成長時間を６０分
とした。このようにして得られた積層基板は、そりが殆
どなく無視できる程度であった。

【００２７】そして、この積層基板を所定の方法で洗浄
し、熱拡散法（拡散温度８５０℃、処理時間３０分、拡
散源ＰＯＣｌ₃）によって約０．３μｍの拡散層を形成
した。その後、フッ酸による酸化膜除去を行い、スパッ
タ法によりＩＴＯを５００Å成膜し、透明導電膜とし
た。以下、通常の方法に従って、目的とする薄膜太陽電
池を得た。この薄膜太陽電池は、約９％のエネルギー変
換効率であった。また、上記薄膜太陽電池を走査型電子
顕微鏡で観察したところ、その表面は、島状結晶による
ピラミッド状の突起が規則的に形成されていた。

【００２８】

【実施例２】石英製の基板（厚さ１ｍｍ×１０ｃｍ×１
０ｃｍ）をスパッタ法によりＩＴＯ膜を約５００Å成膜
して透明導電膜を形成した。つぎに、常圧ＣＶＤ法によ
り約０．３μｍの種結晶層および拡散層を形成した。な
お、上記拡散層のＰ濃度は１×１０²⁰程度とした。ま
た、ガスは、Ｓｉ成膜用としてモノシラン（Ｓｉ
Ｈ₄）、ドーピング用としてホスフィン（ＰＨ₃）を用
いた。

【００２９】つぎに、酸化法によってマスク層となる酸
化膜（厚さ３０００Å）を形成し、通常のＩＣのエッチ
ング技術に従って、大きさ１００μｍ，ピッチ２００μ
ｍの開口部を形成した。つぎに、上記実施例１と同様に
して、ＬＰＥ法により島状のシリコン結晶を成長させ、
ついでスクリーン印刷法によりアルミ電極を形成し、目
的とする薄膜太陽電池を得た。この薄膜太陽電池は、約
１０％のエネルギー変換効率であった。また、上記薄膜
太陽電池を走査型電子顕微鏡で観察したところ、その表
面は、実施例１と同様、島状結晶によるピラミッド状の
突起が規則的に形成されていた。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明は、従来、基板上
に連続した層として成膜していた結晶を、多数の穴が所
定間隔で並ぶマスク層を介して成長させることにより、
上記マスク層の各穴内から上方に盛り上がった島状結晶
として得、しかも、各島状結晶を、隣合う他の島状結晶
と互いに接触しない状態で得るようにしたものである。
したがって、各島状結晶が、基板に対し連続しない
「点」として分散した状態で存在することになり、基板
の熱膨張に追従して膨張しやすい構造となる。このた
め、低コスト基板を用い、高温下において上記基板と結
晶膜とが異なる割合で熱膨脹しても、その積層体が大き
なそりを生じることがなく、デバイス作製に有利とな
る。また、結晶膜中の残留応力が小さいため、従来から
問題となっていた結晶欠陥を大幅に低減することがで
き、電気特性に優れた高品質の太陽電池を得ることがで
きる。さらに、島状結晶が点在して、結晶表面が微小な
突起の繰り返しとなるため、わざわざテクスチャ処理を
施さなくても光の反射を抑えることができる。このた
め、製造コストを大幅に軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における工程説明図である。

【図２】本発明の一実施例における工程説明図である。

【図３】本発明の一実施例における工程説明図である。

【図４】本発明の一実施例における工程説明図である。

【図５】本発明の一実施例における工程説明図である。

【図６】本発明の一実施例における工程説明図である。

【図７】本発明の他の実施例における工程説明図であ
る。

【図８】従来の、一般的なシリコン太陽電池の構成を示
す説明図である。

【符号の説明】

１０基板１１種結晶層１２穴１３マスク層１６島状結晶１７拡散層１８透明導電層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田豪大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性基板上に種結晶層が形成され、そ
の上に、多数の穴が所定間隔で並ぶマスク層が形成さ
れ、さらにその上に、上記マスク層の各穴内から成長し
穴の上方に盛り上がって島状に結晶した島状結晶が、互
いに他の島状結晶と接触しない状態で形成され、かつ上
記各島状結晶の少なくとも表面部が拡散層に形成され、
その上に、上記各島状結晶の拡散層にまたがる透明導電
層が形成されていることを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項２】絶縁性透明基板上に、透明導電層を介し
て拡散層が形成され、その上に、多数の穴が所定間隔で
並ぶマスク層が形成され、さらにその上に、上記マスク
層の各穴内から成長し穴の上方に盛り上がって島状に結
晶した島状結晶が、互いに他の島状結晶と接触しない状
態で形成され、その上に、上記各島状結晶にまたがる導
電層が形成されていることを特徴とする薄膜太陽電池。
【請求項３】導電性基板上に種結晶層を形成する工程
と、その上にマスク層を形成する工程と、上記マスク層
に、開口幅が１０〜１００μｍの穴を、互いの間隔が１
００〜数１００μｍとなるよう等間隔で多数形成する工
程と、上記マスク層の上に液相成長法によって結晶膜を
成長させ、上記マスク層の穴内から穴の上方に盛り上が
る島状結晶を、互いに他の島状結晶と接触しない状態で
得る工程と、上記各島状結晶の少なくとも表面部に拡散
層を形成する工程と、上記各島状結晶の拡散層にまたが
る導電層を形成する工程とを備えたことを特徴とする薄
膜太陽電池の製法。
【請求項４】絶縁性透明基板上に導電層を形成する工
程と、その上に拡散層を形成する工程と、その上にマス
ク層を形成する工程と、上記マスク層に、開口幅が１０
〜１００μｍの穴を、互いの間隔が１００〜数１００μ
ｍとなるよう等間隔で多数形成する工程と、上記マスク
層の上に液相成長法によって結晶膜を成長させ、上記マ
スク層の穴内から穴の上方に盛り上がる島状結晶を、互
いに他の島状結晶と接触しない状態で得る工程と、上記
各島状結晶にまたがる導電層を形成する工程とを備えた
ことを特徴とする薄膜太陽電池の製法。