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JP2010067973A - 薄膜の微結晶シリコン合金及びウエハベースのソーラー用途 - Google Patents

薄膜の微結晶シリコン合金及びウエハベースのソーラー用途 Download PDF

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JP2010067973A JP2009206155A JP2009206155A JP2010067973A JP 2010067973 A JP2010067973 A JP 2010067973A JP 2009206155 A JP2009206155 A JP 2009206155A JP 2009206155 A JP2009206155 A JP 2009206155A JP 2010067973 A JP2010067973 A JP 2010067973A
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Abstract

【課題】 ソーラーセルを形成するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】 炭素と、酸素と、窒素とを含むドープされた結晶性半導体合金を、薄膜ソーラーセルの電荷収集層として用いる。半導体合金層は、半導体源化合物と共成分源化合物を処理チャンバに提供し、ガスをイオン化して、基板上に層を堆積させることにより、形成される。合金層は、屈折率制御の改善、広い光学バンドギャップ、高伝導度、且つ酸素による攻撃に対する耐性を与える。
【選択図】 図５

Description

発明の背景
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的には、ソーラーセル及びそれを形成するための方法及び装置に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、薄膜結晶ソーラーセルにおける層構造に関する。
関連技術の説明
[0002]結晶シリコンソーラーセルと薄膜ソーラーセルは、二つのタイプのソーラーセルである。結晶シリコンソーラーセルは、典型的には、単結晶基板（即ち、純シリコンの単結晶基板）か又は多結晶シリコン基板（即ち多結晶又はポリシリコン）を用いる。シリコン基板上に追加の膜層を堆積させて、光取込みを改善し、電気回路を形成し、且つデバイスを保護する。薄膜ソーラーセルは、適切な基板上に堆積される薄層の材料を用いて、一つ以上のｐ-ｎ接合部を形成する。適切な基板としては、ガラス基板、金属基板、ポリマー基板が含まれる。
[0003]ソーラーセルの経済的使用を拡大させるために、効率が改善されなければならない。ソーラーセルの効率は、入射光が有効な電気に変換される割合に関連する。より多くの用途に用いられるために、ソーラーセルの効率は、約１５％の現在の最も良好な性能を超えて改善されなければならない。エネルギーコストが上がるにつれて、薄膜ソーラーセルの改善及び工場環境において、それを形成するための方法及び装置が求められている。
[0004]本発明の実施形態は、ソーラーセルを形成する方法を提供する。一部の実施形態は、ソーラーセルを製造する方法であって、基板上に導電層を形成するステップと、導電層上にｐ型結晶性半導体合金層の形成するステップと、を含む上記方法を提供する。本発明の一部の実施形態には、アモルファス層或いは真性半導体層と、ｎ型ドープアモルファス層或いはｎ型ドープ結晶層と、バッファ層と、縮退的ドープ層と、導電層とが含まれてもよい。第二導電層は、ｎ型結晶層上に形成されてもよい。
[0005]別の実施形態は、ソーラーセルを形成する方法であって、基板上に導電層を形成するステップと、導電層上に第一ドープ結晶性半導体合金層を形成するステップと、第一ドープ結晶性半導体合金層の上に第二ドープ結晶性半導体合金層を形成するステップと、を含む上記方法を提供する。一部の実施形態には、ドープされていないアモルファス層或いは結晶性半導体層と、バッファ層と、縮退的ドープ層と、導電層とが含まれてもよい。一部の実施形態には、タンデム接合構造において、第三ドープ結晶性半導体合金層と第四ドープ結晶性半導体合金層が含まれてもよい。
[0006]実施形態は、更に、ソーラーセルを形成する方法であって、半導体基板上に反射層を形成するステップと、反射層の上に結晶接合部を形成するステップであって、反射層が一つ以上の結晶性半導体合金層を備える、上記ステップとを含む、上記方法を提供する。
[0007]本発明の上記特徴が詳細に理解され得るように、上で簡単に纏めた本発明のより詳しい説明を実施形態によって参照することができ、その一部は添付の図面に示されている。しかしながら、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを例示しているものであるので、本発明の範囲を限定するものとみなされるものでなく、本発明は他の同等に有効な実施形態を許容してもよい。
図１は、本発明の一実施形態の単接合薄膜ソーラーセルの概略側面図である。 図２は、本発明の他の実施形態のタンデム接合薄膜ソーラーセルの概略側面図である。 図３は、本発明の他の実施形態の単接合薄膜ソーラーセルの概略側面図である。 図４は、本発明の他の実施形態のタンデム接合薄膜ソーラーセルの概略側面図である。 図５は、本発明の他の実施形態の結晶ソーラーセルの概略側面図である。 図６は、本発明の一実施形態の装置の断面図である。 図７は、本発明の他の実施形態の装置の平面図である。 図８は、本発明の他の実施形態のタンデム接合薄膜ソーラーセルの概略側面図である。 図９は、本発明の他の実施形態の三重接合薄膜ソーラーセルの概略側面図である。
[0017]理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一要素を表すのに同一符号が用いられている。一実施形態において開示された要素が個々に示すことなく他の実施形態で有益に用いられてもよいことが企図されている。
詳細な説明
[0018]薄膜ソーラーセルは、多くの異なる方法で合わせた多種類の膜を組み込んでいる。このようなデバイスに用いられるほとんどの膜は、シリコン、ゲルマニウム等の半導体素子を組み込んでいる。異なる膜の特性としては、結晶化度、ドーパントの種類と量、伝導度が含まれる。ほとんどのこのような膜は、ある程度のイオン化或いはプラズマ形成を含んでもよい化学気相堆積プロセスによって形成されてもよい。
ソーラーセルに用いられる膜
[0019]電荷発生は、通常は、シリコン層のようなバルク半導体層によって与えられる。バルク層は、しばしば真性層と呼ばれ、ソーラーセルに存在する種々のドープ層と区別される。真性層は、任意の望ましい結晶化度を持ってもよく、その光吸収特性に影響する。例えば、アモルファスシリコンのようなアモルファス真性層は、通常は、微結晶シリコンのような結晶化度が異なる真性層と異なる波長の光を吸収する。このため、ほとんどのソーラーセルは、双方の種類の層を用いて、最も幅広い可能な吸収特性が得られる。ある場合には、真性層は、二種類の異なる層の間のバッファ層として用いられ、二層間の光学的性質或いは電気的性質のより円滑な転移を与えることになる。
[0020]シリコンと他の半導体は、種々の結晶化度を持つ固体に形成可能である。本質的に結晶化度のない固体はアモルファスであり、無視できる結晶化度を持つシリコンはアモルファスシリコンと呼ばれる。完全に結晶性のシリコンは、結晶シリコン、多結晶シリコン、又は単結晶シリコンと呼ばれる。多結晶シリコンは、粒界によって分けられる多数の結晶粒に形成される結晶シリコンである。単結晶シリコンは、単一結晶のシリコンである。結晶画分（crystal fraction）が約５％〜約９５％の部分結晶度を持つ固体は、ナノ結晶又は微結晶と呼ばれ、通常はアモルファス相に浮遊する結晶粒のサイズを意味する。結晶粒がより大きな固体を微結晶と呼び、結晶粒がより小さなものはナノ結晶である。用語“結晶シリコン”が微結晶シリコンとナノ結晶シリコンが含まれる結晶相を持つ任意の形態のシリコンを意味してもよいことは留意すべきである。
[0021]バルクシリコン層は、通常、基板を含有する処理チャンバにシリコン源化合物を提供することによって形成される。基板は、通常、シリコン源化合物にさらすために処理チャンバ内の支持体上に配置される。シリコン源化合物を含むガス混合物は、チャンバに導入される。多くの場合、シリコン源化合物はシランであるが、置換シラン、オリゴシラン又はポリシラン、環状シランのような他の化合物が同様に用いられてもよい。一部の適切なシリコン源化合物は、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化シリコン（ＳｉＦ４）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）である。水素ガスも提供して、結晶化度を制御してもよく、通常、これは、ガス混合物中の水素とシリコンとの比率を増減させる。不活性ガスを用いて、反応種を希釈或いは濃縮することによって反応全体を制御してもよい。反応種をイオン化によって活性化して、反応速度を改善するとともに膜形成に必要とされる温度を低下させてもよい。バルクシリコン或いは半導体は、しばしば“真性”と呼ばれ、ドープされている、真性半導体と異なる性質を持つ“外因性”半導体と区別する。
[0022]真性シリコン層は、一部の実施形態において、シランと水素ガスを含むガス混合物を基板を含有する処理チャンバに提供することによって形成されてもよい。ガス混合物は、反応体積（reaction volume）１リットル当たり毎分約０．５標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ／Ｌ）〜１０００ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよく、水素とシランとの比は約５：１〜５００：１以上である。反応体積は、通常、反応が行われる処理チャンバによって画成される。多くの実施形態において、反応体積は、チャンバの壁、基板支持体、通常は基板支持体上に配置されるガス分配器によって画成される。水素ガスとシランとの比は、理論的には制限されないが、一定の反応において比が高くなるにつれて、シリコンの利用可能性が反応速度を制限することから堆積速度が低下する。水素とシランとの比率が約５０以下で行われる堆積により、アモルファスシリコン層の堆積が得られることになる。１２以下の比率での層は、通常はアモルファスである。結晶化度が約３０％未満のシリコン層は、通常、アモルファスと呼ばれる。水素とシランとの比率が約１００以上で行われる堆積により、通常、結晶性画分が約６０％以上の堆積膜が得られる。正確な転移点も温度や圧力のような他の反応条件に左右されることは当然のことである。一部の実施形態において、堆積中の比率を変えて、堆積膜の異なる部分において結晶性画分を調整することが有利な場合がある。例えば、堆積中に反応条件を変えることによって一堆積においてバルクシリコン層とバッファ層を堆積させることが望ましい場合がある。
[0023]チャンバ圧は、約０.１トール〜約１００トールに維持されてもよい。圧力がより高いと、通常は堆積速度と結晶化度が促進するが、反応種のある一定の電離度を維持するためにより大きな電力が必要となる。従って、約４トール〜約１２トールの圧力がほとんどの実施形態に好ましい。約１５ミリワット／平方センチメートルの基板面積（ｍＷ／ｃｍ２）〜約５００ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を印加すると、通常は毎分１００オングストローム（オングストローム／分）以上の速度で真性シリコンの堆積が得られる。
[0024]真性アモルファスシリコン層は、約２０：１以下の水素のシランガスに対する比率のガス混合物を提供することによって堆積されてもよい。シランガスは、約０.５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約７ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。水素ガスは、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約６０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。１５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力がシャワーヘッドに提供されてもよい。チャンバの圧力は、約０.１トール〜２０トール、好ましくは約０.５トール〜約５トールに維持されてもよい。真性型アモルファスシリコン層の堆積速度は、約１００オングストローム／分以上になる。例示的実施形態において、真性型アモルファスシリコン層は、約１２.５：１の水素とシランとの比で堆積される。
[0025]ｐ-ｉバッファ型真性アモルファスシリコン（ＰＩＢ）層は、水素ガスとシランガスが約５０：１以下、例えば、約３０：１未満、例えば、約２０：１〜約３０：１、例えば、約２５：１の比でガス混合物を提供することによって堆積されてもよい。シランガスは、約０.５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約２.３ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。水素ガスは、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜８０ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約２０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約６５ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約５７ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。約１５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２、例えば、約３０ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力がシャワーヘッドに提供されてもよい。チャンバの圧力は、約０.１トール〜２０トール、好ましくは約０.５トール〜約５トール、約３トールの圧力に維持されてもよい。ＰＩＢ層の堆積速度は、約１００オングストローム／分以上になる。
[0026]真性型微結晶シリコン層は、シランガスと水素ガスのガス混合物を水素とシランとの比が約２０：１〜約２００：１で提供することによって堆積されてもよい。シランガスは、約０.５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。水素ガスは、約４０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４００ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。ある実施形態において、シランの流量は、堆積中に第一流量から第二流量に増加させてもよい。ある実施形態において、水素の流量は、堆積中に第一流量から第二流量に減少させてもよい。約１トール〜約１００トール、好ましくは約３トール〜約２０トール、より好ましくは約４トール〜約１２トールのチャンバ圧において、約３００ｍＷ／ｃｍ２以上、好ましくは６００ｍＷ／ｃｍ２以上のＲＦ電力を印加すると、通常は約２００オングストローム／分以上、好ましくは約５００オングストローム／分の速度で、結晶化度が約２０パーセント〜約８０パーセント、好ましくは約５５パーセント〜約７５パーセントの真性型微結晶シリコンが堆積される。一部の実施形態において、印加されるＲＦ電力の電力密度を堆積中に第一電力密度から第二電力密度に傾斜させることが有利である場合がある。
[0027]真性型微結晶シリコン層は、各々の結晶画分が異なる、複数のステップにおいて堆積されてもよい。一実施形態において、例えば、水素とシランとの比は、四つのステップにおいて１００：１から９５：１に、９０：１に、その後８５：１に減少されてもよい。一実施形態において、シランガスは、約０.１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.９７ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。水素ガスは、約１０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約２００ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約８０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。堆積が複数のステップ、四つのステップを持つ堆積における例示的実施形態において、水素ガスフローは、第一ステップにおいて約９７ｓｃｃｍ／Ｌで開始し、次のプロセスステップにおいてそれぞれ約９２ｓｃｃｍ／Ｌ、約８８ｓｃｃｍ／Ｌ、約８３ｓｃｃｍ／Ｌに徐々に減少されてもよい。約１トール〜約１００トール、例えば、約３トール〜約２０トール、例えば、約４トール〜約１２トール、例えば、約９トールのチャンバ圧において、約３００ｍＷ／ｃｍ２以上、例えば、約４９０ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を印加すると、約２００オングストローム／分以上、例えば、４００オングストローム／分の速度で真性型微結晶シリコン層の堆積が得られる。
[0028]電荷収集は、通常はドープされた半導体層、例えば、ｐ型或いはｎ型ドーパントでドープされたシリコン層によって与えられる。Ｐ型ドーパントは、通常は、ホウ素又はアルミニウムのようなＩＩＩ族元素である。Ｎ型ドーパントは、通常は、リン、ヒ素、又はアンチモンのようなＶ族元素である。ほとんどの実施形態において、ホウ素はｐ型ドーパントとして用いられ、リンはｎ型ドーパントとして用いられる。これらのドーパントは、反応混合物中にホウ素含有又はリン含有化合物を含むことによって上記の層に加えられてもよい。適切なホウ素化合物やリン化合物は、通常は置換された又は置換されていない低級ボランやホスフィンのオリゴマーを含む。一部の適切なホウ素化合物としては、トリメチルホウ素（Ｂ(ＣＨ３)３又はＴＭＢ）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、トリエチルホウ素（Ｂ(Ｃ２Ｈ５)３又はＴＥＢ）が含まれる。ホスフィンは、最も一般的なリン化合物である。ドーパントは、通常は、水素、ヘリウム、アルゴン、他の適切なガスのようなキャリヤガスと提供される。水素がキャリヤガスとして用いられる場合には、反応混合物中の全水素に加える。従って、水素比にはドーパントのキャリヤガスとして用いられる水素が含まれる。
[0029]ドーパントは、通常は、不活性ガス中の希釈ガス混合物として提供される。例えば、ドーパントは、キャリヤガス中の約０.５％のモル濃度或いは体積濃度で提供されてもよい。ドーパントが１.０ｓｃｃｍ／Ｌで流れるキャリヤガス中０.５％の体積濃度で提供される場合には、得られたドーパント流量は０.００５ｓｃｃｍ／Ｌになる。ドーパントは、望まれたドーピングの程度によっては約０.０００２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.１ｓｃｃｍ／Ｌの流量で反応チャンバに提供されてもよい。一般に、ドーパント濃度は、約１０１８原子／ｃｍ２〜１０２０原子／ｃｍ２に維持される。
[0030]ｐ型微結晶シリコン層は、水素ガスとシランガスのガス混合物を水素とシランとの比が約２００：１以上、例えば、１０００：１以下、例えば、約２５０：１〜約８００：１、一例において、更に、約６０１：１又は約４０１：１で提供することによって堆積させることができる。シランガスは、約０.１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.８ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.３８ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。水素ガスは、約６０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５００ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約１４３ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。ＴＭＢは、約０.０００２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.００１６ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.００１１５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。ＴＭＢがキャリヤガス中に約０.５％のモル濃度或いは体積濃度で提供される場合には、ドーパント／キャリヤガス混合物は、約０.０４ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.３２ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.２３ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。約１トール〜約１００トール、好ましくは約３トール〜約２０トール、より好ましくは約４トール〜約１２トール、約７トール〜約９トールのチャンバ圧力において、約５０ｍＷ／ｃｍ２〜約７００ｍＷ／ｃｍ２、例えば、約２９０ｍＷ／ｃｍ２〜約４４０ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を印加すると、約１０オングストローム／分以上、例えば、約１４３オングストローム／分以上で、微結晶層については結晶画分が約２０パーセント〜約８０パーセント、好ましくは約５０％〜約７０％のｐ型微結晶層が堆積する。
[0031]ｐ型アモルファスシリコン層は、水素ガスとシランガスの混合物を約２０：１以下で提供することによって堆積させることができる。シランガスは、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。水素ガスは、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約６０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。トリメチルホウ素は、約０.００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.０５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。トリメチルホウ素がキャリヤガス中に約０.５％モル濃度或いは体積濃度で提供される場合には、ドーパント／キャリヤガス混合物は、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。約０.１トール〜２０トール、好ましくは約１トール〜約４トールのチャンバ圧において、約１５ｍＷ／ｃｍ２〜約２００ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を印加すると、約１００オングストローム／分以上でｐ型アモルファスシリコン層が堆積する。
[0032]ｎ型微結晶シリコン層は、水素ガスとシランガスのガス混合物を約１００：１以上、例えば、約５００：１以下、例えば、約１５０：１〜約４００：１、例えば、約３０４：１又は約２０３：１の比で提供することによって堆積させることができる。シランガスは、約０.１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.８ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.３２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.４５ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.３５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。水素ガスは、約３０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約２５０ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約６８ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１４３ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約７１.４３ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。ホスフィンは、約０.０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.００６ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.００２５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.０１５ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.００５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。言い換えれば、ホスフィンがキャリヤガス中に約０.５％のモル濃度或いは体積濃度で提供される場合には、ドーパント／キャリヤガスは、約０.１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.９ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１.０８８ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。約１トール〜約１００トール、好ましくは約３トール〜約２０トール、より好ましくは約４トール〜約１２トール、例えば、約６トール又は約９トールのチャンバ圧において、約１００ｍＷ／ｃｍ２〜約９００ｍＷ／ｃｍ２、例えば、約３７０ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を印加すると、約５０オングストローム／分以上、例えば、約１５０オングストローム／分以上の速度で、結晶画分が約２０パーセント〜約８０パーセント、好ましくは約５０％〜約７０％のｎ型微結晶シリコン層が堆積する。
[0033]ｎ型アモルファスシリコン層は、水素ガスとシランガスのガス混合物を約２０：１以下、例えば、約５.５：１又は７.８：１の比で提供することによって堆積させることができる。シランガスは、約０.１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌ、約０.１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌ、又は約０.５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約１.４２ｓｃｃｍ／Ｌ又は約５.５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。水素ガスは、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約４ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌ、又は約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約６.４２ｓｃｃｍ／Ｌ又は約２７ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。ホスフィンは、約０.０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.０７５ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.００１５ｓｃｃｍ／Ｌ又は約０.０１５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０.０３ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.００９５ｓｃｃｍ／Ｌ又は約０.０２３ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。ホスフィンがキャリヤガス中に約０.５％のモル濃度或いは体積濃度で提供される場合には、ドーパント／キャリヤガス混合物は、約０.１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１５ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約０.１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌ、約２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１５ｓｃｃｍ／Ｌ、又は約３ｓｃｃｍ／Ｌ〜約６ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約１.９ｓｃｃｍ／Ｌ又は約４.７１ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供されてもよい。約０.１トール〜約２０トール、好ましくは約０.５トール〜約４トール、例えば、約１.５トールのチャンバ圧において、約２５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２、例えば、約６０ｍＷ／ｃｍ２又は約８０ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を印加すると、約１００オングストローム／分以上、例えば、約２００オングストローム／分以上、例えば、約３００オングストローム／分又は約６００オングストローム／分の速度でｎ型アモルファスシリコン層が堆積する。
[0034]一部の実施形態において、層は、高速で、例えば、上記の手法の上部の速度でドーパント化合物を供給することによって大量にドープされてもよく或いは縮退的にドープされてもよい。縮退ドーピングは低抵抗接触接合を与えることによって電荷収集を改善すると考えられる。縮退ドーピングは、また、アモルファス層のような一部の層の導電性を改善すると考えられる。
[0035]一部の実施形態において、シリコンと、酸素、炭素、窒素、ゲルマニウムのような他の元素との合金が有用である場合がある。これらの他の元素は、反応ガス混合物をそれぞれの供給源で補足することによってシリコン膜に加えられてもよい。例えば、炭素は、メタン（ＣＨ４）のような炭素源をガス混合物に加えられることによって膜に加えることになる。一般に、ほとんどのＣ１-Ｃ４炭化水素が炭素源として用いることができる。代わりに、当該技術において既知のオルガノシリコン化合物、例えば、オルガノシラン、オルガノシロキサン、オルガノシラノール等は、シリコン源と炭素源双方として役に立つことになる。ゲルマニウム化合物、例えば、ゲルマンやオルガノゲルマンは、シリコンとゲルマニウム、例えば、シリルゲルマン又はゲルミルシランを含む化合物と共に、ゲルマニウム源として役に立つことになる。酸素ガス（Ｏ２）は、酸素源として役に立つことになる。他の酸素源としては、窒素酸化物（亜酸化窒素-Ｎ２Ｏ、一酸化窒素-ＮＯ、三酸化二窒素-Ｎ２Ｏ３、二酸化窒素-ＮＯ２、四酸化二窒素-Ｎ２Ｏ４、五酸化二窒素-Ｎ２Ｏ５、三酸化窒素-ＮＯ３）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、一酸化炭素又は二酸化炭素（ＣＯ又はＣＯ２）、オゾン（Ｏ３）、酸素原子、酸素ラジカル、アルコール（ＲＯＨ、ここで、Ｒは任意の有機基又はヘテロ有機基（hetero-organic radical group））が挙げられるが、これらに限定されない。窒素源としては、窒素ガス（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ２）、アミン（ＲｘＮＲ'３-ｘ、ここで、ｘは０〜３であり、Ｒ及びＲ’はそれぞれ独立して任意の有機基又はヘテロ有機基である）、アミド（(ＲＣＯ)ｘＮＲ'３-ｘ、ここで、ｘは０〜３であり、Ｒ及びＲ’はそれぞれ独立して任意の有機基又はヘテロ有機基である）、イミド（ＲＣＯＮＣＯＲ’、ここで、Ｒ及びＲ’はそれぞれ独立して任意の有機基又はヘテロ有機基である）、エナミン（Ｒ１Ｒ２Ｃ＝Ｃ３ＮＲ４Ｒ５、ここで、Ｒ１-Ｒ５はそれぞれ独立して任意の有機基又はヘテロ有機基である）、窒素原子や窒素基が含まれてもよい。
[0036]多くの実施形態において、予備洗浄プロセスを用いて上記層の堆積のための基板及び／又は反応チャンバを調製してもよいことは留意すべきである。水素又はアルゴンプラズマ前処理プロセスを行って、水素ガス或いはアルゴンガスを処理チャンバに、約１０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４５ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば、約１５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌ、例えば約２０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３６ｓｃｃｍ／Ｌを供給することによって基板及び／又はチャンバ壁から汚染物質を除去してもよい。一例において、水素ガスが約２１ｓｃｃｍ／Ｌで供給されてもよく或いはアルゴンガスが約３６ｓｃｃｍ／Ｌで供給されてもよい。処理は、水素処理については約１０ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２、例えば、約２５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２、例えば、約６０ｍＷ／ｃｍ２又は約８０ｍＷ／ｃｍ２、アルゴン処理について約２５ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を印加することによって達成される。多くの実施形態において、ｐ型アモルファスシリコン層を堆積させる前にアルゴンプラズマ前処理、また、他の種類の層を堆積する前に水素プラズマ前処理を行うことが有利である場合がある。
ソーラーセルの実施形態
[0037]本発明の実施形態は、効率が改善された薄膜及び結晶ソーラーセルを形成するための方法及び装置を提供するものである。以下の実施形態において、種々の層の堆積は上記の手法に従って達成される。以下の実施形態に記載される層は、異なる実施形態の要求によって、任意の都合のよい厚さに形成されてもよい。Ｎ型ドープ層は、通常は約１００オングストローム〜約１０００オングストローム、例えば、約２００オングストローム〜約５００オングストローム、例えば、約３００オングストロームの厚さに形成されてもよい。Ｐ型ドープ層の厚さは、通常は約５０オングストローム〜約３００オングストローム、例えば、約１５０オングストローム〜約２５０オングストローム、例えば、約２００オングストロームである。導電層の厚さは、通常は約５００オングストローム〜約２０,０００オングストローム、例えば、約５,０００オングストローム〜約１１,０００オングストローム、例えば、約８,０００オングストロームである。真性層の厚さは、通常は約１,０００オングストローム〜約１０,０００オングストローム、例えば、約２,０００オングストローム〜約４,０００オングストローム、例えば、約３,０００オングストロームである。ＰＩＢ層の厚さは、通常は約５０オングストローム〜約５００オングストローム、例えば、約１００オングストローム〜約３００オングストローム、例えば、約２００オングストロームである。
[0038]図１は、本発明の一実施形態の単接合薄膜ソーラーセル１００の概略側面図である。ソーラーセル１００は、基板１０１、例えば、ガラス基板、ポリマー基板、金属基板、又は他の適切な基板を備え、その上に薄膜が形成されている。導電層１０４は、基板１０１上に形成される。導電層１０４は、好ましくは、実質的に透明であり、例えば、透明導電酸化物（ＴＣＯ）層である。本明細書に記載される全ての実施形態において、ＴＣＯ層は、酸化スズ、酸化亜鉛、インジウムスズ酸化物、スズ酸カドミウム、これらの組み合わせ、又は他の適切な材料を含んでもよく、追加のドーパントや成分が含まれてもよい。例えば、酸化亜鉛には、更に、アルミニウム、ガリウム、ホウ素、他の適切なドーパントが含まれてもよい。酸化亜鉛は、好ましくは５原子パーセント以下のドーパントを含み、より好ましくは２.５原子パーセント以下のアルミニウムを含む。場合によっては、基板１０１は、ガラス製造業者によって導電層１０４が既に形成されて与えられてもよい。光反射を減少させることによって光吸収を改善するために、基板及び／又はその上に形成された一つ以上の薄膜を、必要により、湿式プロセス、プラズマプロセス、イオンプロセス、及び／又は機械的プロセスによってテクスチャ処理されてもよい。例えば、一部の実施形態において、導電層１０４をテクスチャ処理し、その上に堆積される後の薄膜が、通常は、下の表面形態に続く。
[0039]縮退的にドープされたｐ型アモルファスシリコン層１０６は、導電層１０４の上に形成される。ｐ型アモルファスシリコン合金層１０８は、縮退的にドープされたｐ型アモルファスシリコン層１０６上に形成される。ＰＩＢ層１１０は、ｐ型アモルファスシリコン合金層１０８の上に形成される。真性アモルファスシリコン層１１２は、ＰＩＢ層１１０の上に形成される。ｎ型アモルファスシリコン層１１４は、真性アモルファスシリコン層１１２の上に形成される。
[0040]ソーラーセルの最上部接触層１１８を形成する前に、ｎ型結晶シリコン合金層１１６は、ｎ型アモルファスシリコン層１１４上に形成される。ｎ型結晶シリコン合金層１１６は、微結晶、ナノ結晶、又は多結晶であってもよく、本明細書の他の場所に記載された手法を用いて形成されてもよい。ｎ型結晶シリコン合金層１１６は、炭素、酸素、窒素、又はこれらの任意の組み合わせを含有してもよい。それは単一の均一層、一つ以上の段階的な特性を有する単一層、又は多層として堆積されてもよい。段階的な特性には、結晶化度、ドーパント濃度、合金材料濃度、又は他の特性、例えば、誘電率、屈折率、伝導率、又はバンドギャップが含まれてもよい。ｎ型結晶シリコン合金層は、ｎ型炭化シリコン層、ｎ型酸化シリコン層、ｎ型窒化シリコン層、ｎ型酸窒化シリコン層、ｎ型酸炭化シリコン層、又はｎ型酸炭化窒化シリコン層であってもよい。
[0041]ｎ型結晶シリコン合金層１１６中の二次的成分の量は、化学量論的比率からある程度まで外れてもよい。例えば、ｎ型炭化シリコン層は、約１原子％〜約５０原子％の炭素を有してもよい。ｎ型窒化シリコン層も、同様に、約１原子％〜約５０原子％の窒素を有してもよい。ｎ型酸化シリコン層は、約１原子％〜約５０原子％の酸素を有してもよい。二つ以上の二次的成分を含む合金において、二次的成分の含量は約１原子％〜約５０原子％、シリコン含量は５０原子％〜９９原子％であってもよい。二次的成分の量は、処理チャンバ内の前駆ガスの比率を調整することによって調整されてもよい。比率はステップにおいて調整されて、層状構造を形成するか、又は連続して段階的単一層を形成してもよい。
[0042]メタン（ＣＨ４）をｎ型微結晶シリコン層の反応混合物に加えて、ｎ型微結晶炭化シリコン層を形成してもよい。一実施形態において、メタンガスの流量とシランの流量との比率は、約０〜約０.５、例えば、約０.２０〜約０.３５、例えば、約０.２５である。供給量（the feed）におけるメタンガスとシランとの比率は、堆積された膜における炭素量を調整するために異なってもよい。それぞれが異なる炭素含量を持つ多数の層で膜が堆積されてもよく、或いは堆積された層を介して炭素含量が連続して調整されてもよい。更に、炭素とドーパントの含量を層内で同時に調整し少しずつ変化させてもよい。多数の層として膜を堆積することは、屈折率が異なる多層がブラッグ反射として作用し、中波長と長波長の範囲において層の反射率を著しく高める点で有利である。
[0043]最上部接触層１１８に隣接して形成されるｎ型結晶シリコン合金層１１６は、ソーラーセル実施形態にいくつかの利点を与える。層は極めて導電性であり、バンドギャップと屈折率が調整可能である。微結晶炭化シリコンは、例えば、６０％を超える結晶画分、２エレクトロンボルト（ｅＶ）を超えるバンドギャップ幅、及び０.１ジーメンス毎センチメートル（Ｓ／ｃｍ）を超える伝導率を生じる。更に、厚さの変化が１０％未満の１５０-２００オングストローム／分の速度で堆積させることができる。バンドギャップと屈折率は、反応混合物におけるメタンとシランとの比率を変えることによって調整することができる。調整可能な屈折率は、バンドギャップが広い極めて導電性の反射層の形成を可能にし、電流因子と曲線因子が改善される。
[0044]最上部接触層１１８は、通常は導電層であり、金属層、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、これらの合金、又はこれらの組み合わせからなる群より選ばれる一つ以上の材料を含む層であってもよい。代わりに、最上部接触層１１８は、このような金属層の上に形成される透明導電酸化物（ＴＣＯ）層、例えば、金属／ＴＣＯスタック層であってもよい。
[0045]図２は、本発明の他の実施形態のタンデム接合薄膜ソーラーセル２００の概略側面図である。図１の基板１０１と同様の基板２０１は、その上に形成される図１の導電層１０４と同様の導電層２０４を持つ。図１の対応する層１０６と１０８と同様の縮退的にドープされた、また、通常にドープされたｐ型アモルファスシリコン層２０６と２０８が次に形成され、続いて第一ＰＩＢ層２１０が形成される。真性アモルファスシリコン層２１２が形成され、続いてｎ型アモルファスシリコン層２１４が形成される。第一ｎ型結晶シリコン合金層２１６がｎ型アモルファスシリコン層２１４上に形成され、第一セルが完成する。ｎ型結晶シリコン合金層２１６は、タンデム接合薄膜ソーラーセル２００の第一ｐ-ｉ-ｎ接合部のｎ層を形成する。
[0046]図２の実施形態は、電荷発生増加の為の二つのｐ-ｉ-ｎ接合部を特徴とするので、ｐ型結晶シリコン合金層２１８をｎ型結晶シリコン合金層２１６の上に形成して、第二セルを開始させる。ＰＩＢ層２２０と真性結晶シリコン層２２２に続いて、図１のソーラーセル１００の構造と同様に、コンタクト層２２６を形成する前に第二ｎ型結晶シリコン合金層２２４が形成される。結晶層を特徴とするほとんどの実施形態については、微結晶形態が好ましいが、ナノ結晶、単結晶、多結晶層が同様に用いられてもよい。
[0047]図２の実施形態において、ｎ型結晶シリコン合金層は、反射裏面接触層として、また、接合層として、二つの目的に役立つ。接合層として合金層２１２を含めると、ソーラーセルによる長波長光の吸収が促進され、短絡電流が改善され、量子効率と変換効率が改善される。
[0048]図３は、本発明の他の実施形態の単接合薄膜ソーラーセル３００の概略側面図である。図３の実施形態は、図１の層１１４のような縮退的ドープ層の代わりに、ｐ型アモルファスシリコン層と最上部ＴＣＯ層の間にｐ型結晶シリコン合金層を含めることにより図１とは異なる。従って、図３の実施形態は、ＴＣＯ層のような導電層３０４が形成されている基板３０１を備えている。上記のように、ｐ型結晶シリコン合金層３０６は導電層３０４の上に形成される。ｐ型結晶シリコン合金層３０６は、より少量のドーピングのために改善されたバンドギャップ、縮退的にドープされた層より通常は低い調整可能な屈折率、高伝導率、且つ含まれた合金成分によって酸素攻撃に対する抵抗を持つ。ｐ-ｉ-ｎ接合部は、ｐ型アモルファスシリコン層３０８と、ＰＩＢ層３１０、真性アモルファスシリコン層３１２と、ｎ型アモルファスシリコン層３１４を形成することによって、ｐ型結晶シリコン合金層３０６の上に形成される。上述の実施形態と同様の、図３のソーラーセル３００は、ｎ型結晶シリコン合金層３１６と、図１の導電層１１８と同様の、金属又は金属／ＴＣＯスタックであってもよい、導電層３１８とで完成する。
[0049]図４は、本発明の他の実施形態のタンデム接合薄膜ソーラーセル４００の概略側面図である。図４の実施形態は、縮退ドープされたｐ型アモルファスシリコン層２０６を置き換えている、導電層２０４とｐ型アモルファスシリコン合金層２０８との間に第一ｐ型結晶シリコン合金層を含めることにより図２とは異なる。従って、図４の実施形態は、前述の実施形態と同様の基板４０１を、その上に形成される導電層４０４と、第一ｐ型結晶シリコン合金層４０６と、ｐ型アモルファスシリコン合金層４０８と、第一ＰＩＢ層４１０と共に備えている。第一ｐ型結晶シリコン層４０６は、図２の縮退ドープされたｐ型アモルファスシリコン層２０６を置き換えている。タンデム接合薄膜ソーラーセル４００の第一ｐ-ｉ-ｎ接合部は、ＰＩＢ層４１０の上に真性アモルファスシリコン層４１２と、ｎ型アモルファスシリコン層４１４と、ｎ型結晶シリコン合金層４１６とを形成することによって完成する。
[0050]その後、第二ｐ-ｉ-ｎ接合部が第一ｐ-ｉ-ｎ接合部の上に形成され、第二ｐ型結晶シリコン合金層４１８と、第二ＰＩＢ層４２０と、真性結晶シリコン層４２２と、第二ｎ型結晶シリコン合金層４２４とが第一ｎ型結晶シリコン合金層の上に形成される。第二ｐ-ｉ-ｎ接合部は、図２のソーラーセル２００の第二ｐ-ｉ-ｎ接合部と同様である。ソーラーセル４００は、第二ｎ型結晶シリコン合金層４２４の上に最上部接触層４２６を加えることによって完成する。上記のように、最上部接触層４２６は金属層或いは金属／ＴＣＯスタック層であってもよい。
[0051]図５は、本発明の他の実施形態の結晶ソーラーセル５００の概略側面図である。図５の実施形態は、半導体基板５０２を備え、その上に結晶シリコン合金層５０４が形成されている。結晶シリコン合金層５０４は、本明細書に開示される実施形態及び手法のいずれによって形成されてもよく、単一合金層又は組み合わせ或いは多層スタックであってもよい。結晶シリコン合金層５０４は、上述したように調整可能な低屈折率を持ち、反射率を向上させるように構造化されてもよく、結晶シリコン合金５０４が、その上に形成される結晶ソーラーセル５０６の裏面反射層として役に立つことを可能にする。図５の実施形態において、結晶シリコン合金層５０４は、層の構造によって、任意の都合のよい厚さに形成されてもよい。単一層の実施形態の厚さは、約５００オングストローム〜約５,０００オングストローム、例えば、約１,０００オングストローム〜約２,０００オングストローム、例えば、約１,５００オングストロームであってもよい。複数層の構造は、各々が約１００オングストローム〜約１，０００オングストロームの厚さを有する複数の層を特徴としてもよい。
[0052]本発明の他の実施形態は、すべての層が結晶層である薄膜ソーラーセルを特徴とする。図８は、他の実施形態のタンデム接合薄膜ソーラーセルの概略側面図である。図８の実施形態は、結晶層から形成される二つの単純なｐ-ｉ-ｎ接合部を特徴とする。従って、図８の実施形態は、前述の実施形態と同様に、導電層８０４が上部に形成されている基板８０１を備える。導電層８０４の上に形成される第一ｐ-ｉ-ｎ接合部は、第一ｐ型結晶シリコン合金層８０６と、ｐ型結晶シリコン合金層の上に形成される第一真性結晶シリコン合金層８０８と、第一真性結晶シリコン合金層８０８の上に形成される第一ｎ型結晶シリコン合金層８１０とを備える。第二ｐ-ｉ-ｎ接合部は、第一ｐ-ｉ-ｎ接合部の上に形成され、第二ｐ型結晶シリコン合金層８１２と、第二ｐ型結晶シリコン合金層８１２の上に形成される第二真性結晶シリコン合金層８１４と、第二真性結晶シリコン合金層８１４の上に形成される第二ｎ型結晶シリコン合金層８１６とを備える。最上部接触層８１８は、第二ｐ-ｉ-ｎ接合部の上に形成される。
[0053]図９は、本発明の他の実施形態に従う三重接合薄膜ソーラーセルの概略側面図である。図９の実施形態は、結晶層から形成される三つのｐ-ｉ-ｎ接合部を特徴とする。従って、図９の実施形態は、上部に第一ｐ-ｉ-ｎ接合部が形成された、前述の実施形態と同様の、基板９０１と導電層９０４を備える。第一ｐ-ｉ-ｎ接合部は、それぞれ第一ｐ型結晶シリコン合金層９０６、真性結晶シリコン合金層９０８、ｎ型結晶シリコン合金層９１０を備える。それぞれ第二ｐ型結晶シリコン合金層９１２、真性結晶シリコン合金層９１４、ｎ型結晶シリコン合金層９１６を備える第二ｐ-ｉ-ｎ接合部は、第一ｐ-ｉ-ｎ接合部の上に形成される。それぞれ第二ｐ型結晶シリコン合金層９１８、真性結晶シリコン合金層９２０、ｎ型結晶シリコン合金層９２２を備える第三ｐ-ｉ-ｎ接合部は、第二ｐ-ｉ-ｎ接合部の上に形成される。最上部接触層９２４は、第三ｐ-ｉ-ｎ接合部の上に形成される。
[0054]図８と図９のタンデム接合実施形態と三重接合実施形態には、種々の層に含まれる合金材料の種類に利用可能な変更が考えられる。例えば、一実施形態において、一つのｐ-ｉ-ｎ接合部の層は炭素を合金材料として用いる場合があるが、他のｐ-ｉ-ｎ接合部の層はゲルマニウムを用いる。例えば、図８の実施形態において、結晶合金層８０６、８０８、８１０はシリコンと炭素の合金を含む場合があるが、層８１２、８１４、８１６はシリコンとゲルマニウムの合金を含んでもよい。同様に、図９の実施形態において、層９０６、９０８、９１０、９１２、９１４、９１６はシリコンと炭素の合金を含む場合があるが、層９１８、９２０、９２２はシリコンとゲルマニウムの層を備える。最後に、図８と図９の実施形態には、真性層の一つが合金層でない変更が考えられる。例えば、図８の別の実施形態において、層８０８は、真性結晶シリコン層であり、合金層でない。同様に、図９の別の実施形態において、真性層９１４は、真性結晶シリコン層であり、合金層でない。このような変更は、セルの吸収特性を広げ、電荷分離性能を改善する。
[0055]表１は、結晶化度が異なる種々のｎ型炭化シリコン層の例を含有する。これらの実施例を面積が４,３２０ｃｍ２の７２ｃｍ×６０ｃｍの大きさの基板上に５０,０００ｓｃｃｍの水素ガス流量と３ｋＷのＲＦ電力で堆積させた。
Figure 2010067973
表１は、結晶炭化シリコンを高圧プラズマ堆積プロセスを用いて堆積させて、伝導率が高く、バンドギャップが広く、均一性が良好な層を得ることができることを示している。
[0056]２８０オングストロームの微結晶炭化シリコンのｎ層によって構成される単一接合ソーラーセルは、１３.６ミリアンペア毎平方センチメートル（ｍＡ／ｃｍ２）の短絡電流（ＪＳＣ）と７３.９％の充填率（ＦＦ）を、１３.４％の量子効率（ＱＥ）と９.４％の変換効率（ＣＥ）と共に示した。比較すると、微結晶シリコンを用いた同様のセルは、１３.２ｍＡ／ｃｍ２のＪＳＣ、７３.６％のＦＦ、１３.０％のＱＥ、９.０％のＣＥを示した。更に比較すると、８０オングストロームは縮退的にドープされている２８０オングストロームのアモルファスシリコンｎ層を用いた同様のセルは、１３.１ｍＡのＪＳＣ、７４.７％のＦＦ、１２.７％のＱＥ、９.０％のＣＥを示した。
[0057]２７０オングストロームの微結晶炭化シリコンを含む底部セルのｎ層と、１００オングストロームのｎ型アモルファスシリコンと２５０オングストロームのｎ型微結晶炭化シリコンを含む最上部セルのｎ層を持つタンデム接合ソーラーセルを形成した。底部セルは、７００ｎｍの光において９.６９ｍＡ／ｃｍ２のＪＳＣと５８％のＱＥを示した。最上部セルは、５００ｎｍの光において１０.８２ｍＡ／ｃｍ２のＪＳＣと７８％のＱＥを示した。２７０オングストロームのｎ型微結晶炭化シリコンを含む底部セルのｎ層と、５０オングストロームのｎ型アモルファスシリコンと２５０オングストロームのｎ型微結晶炭化シリコンを含む最上部セルのｎ層を持つ他のタンデム接合ソーラーセルを形成した。底部セルは、７００ｎｍの光において９.６２ｍＡ／ｃｍ２のＪＳＣと５８％のＱＥを示した。最上部セルは、５００ｎｍの光において１０.８６ｍＡ／ｃｍ２のＪＳＣと７８％のＱＥを示した。比較すると、２７０オングストロームのｎ型微結晶シリコンを含む底部セルのｎ層と、２００オングストロームのｎ型アモルファスシリコンと９０オングストロームの縮退的にドープされた（ｎ型）アモルファスシリコンを含む最上部セルのｎ層を持つタンデム接合ソーラーセルを形成した。底部セルは、７００ｎｍの光において９.００ｍＡ／ｃｍ２のＪＳＣと５３％のＱＥを示した。最上部セルは、５００ｎｍの光において１０.６９ｍＡ／ｃｍ２のＪＳＣと５６％のＱＥを示した。従って、炭化シリコンの使用により、双方のセルにおいて、最も顕著には底部セルにおいて吸収が改善した。
装置
[0058]図６は、図１-図４のソーラーセルのような薄膜ソーラーセルの一つ以上の膜を堆積させることができるプラズマ増強型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ６００の一実施形態の概略断面図である。適切な一プラズマ化学気相堆積チャンバは、カリフォルニア州サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社から入手できる。他の製造業者のものを含む他の堆積チャンバが本発明を実施に用いられてもよいことは企図されている。
[0059]チャンバ６００は、通常、壁６０２と、底部６０４と、シャワーヘッドと、プロセス容積６０６を画成する基板支持体６３０とを含む。プロセス容積は、基板１００のような基板をチャンバ６００の内外に搬送することができるようにバルブ６０８を通してアクセスされる。基板支持体６３０は、基板を支持する基板受容面６３２と基板支持体６３０を上下するリフトシステム６３６に結合されるステム６３４とを含む。シャドウリング６３３は、必要により、基板１００の周辺の上に配置されてもよい。リフトピン６３８は、基板支持体６３０を通して可動的に配置されてもよく、基板を基板受容面６３２へ、また、基板受容面６３２から移動させる。基板支持体６３０は、また、加熱素子及び／又は冷却素子６３９を含み、基板支持体６３０を望ましい温度に維持することができる。基板支持体６３０は、また、接地ストラップ６３１を含み、基板支持体６３０の周辺にＲＦ接地を与えることができる。
[0060]シャワーヘッド６１０は、その周辺でサスペンション６１４によってバッキングプレート６１２に結合される。シャワーヘッド６１０は、また、一つ以上の中央支持体６１６によってバッキングプレートに結合して、シャワーヘッド６１０のたるみを防止し、更に／又は真直度／曲率を制御することを援助することができる。ガス源６２０をバッキングプレート６１２に結合して、バッキングプレート６１２を通して、また、シャワーヘッド６１０を通して基板受容面６３２にガスを提供する。真空ポンプ６０９をチャンバ６００に結合し、プロセス容積６０６を望ましい圧力に制御する。ＲＦ電源６２２をバッキングプレート６１２及び／又はシャワーヘッド６１０に結合して、ＲＦ電力をシャワーヘッド６１０に提供するので、シャワーヘッド６１０と基板支持体６３０の間のガスからプラズマを生成させることができるようにシャワーヘッドと基板支持体の間に電界が作られる。種々のＲＦ周波数、例えば、約０.３ＭＨｚ〜約２００ＭＨｚが用いられてもよい。一実施形態において、ＲＦ電源は、１３.５６ＭＨｚの周波数で提供される。
[0061]遠隔プラズマ源６２４、例えば、誘導結合遠隔プラズマ源が、ガス源とバッキングプレートの間に結合されてもよい。基板を処理する間に、洗浄ガスが遠隔プラズマ源６２４に提供されてもよいので、遠隔プラズマが生成され、提供されて、チャンバ要素を洗浄する。洗浄ガスは、シャワーヘッドに提供されるＲＦ電源６２２によって更に励起されてもよい。適切な洗浄ガスとしては、ＮＦ３、Ｆ２、及びＳＦ６が挙げられるが、これらに限定されない。
[0062]図１-図４の一つ以上の層のような一つ以上の層の堆積法は、図６のプロセスチャンバ又は他の適切なチャンバにおける以下の堆積パラメータを含んでもよい。表面積が１０,０００ｃｍ２以上、好ましくは４０,０００ｃｍ２以上、より好ましくは５５,０００ｃｍ２以上の基板をチャンバに準備する。処理後、基板を切断して、より小さなソーラーセルを形成してもよいことは理解される。
[0063]一実施形態において、加熱素子及び／又は冷却素子６３９を設定して、約４００℃以下、好ましくは約１００℃〜約４００℃、より好ましくは約１５０℃〜約３００℃、例えば、約２００℃の堆積中の基板支持体温度を与えることができる。
[0064]基板受容面６３２上に配置される基板の上面とシャワーヘッド６１０の間の堆積中の間隔は、４００ミル〜約１２００ミル、好ましくは４００ミル〜約８００ミルであってもよい。
[0065]図７は、図６のＰＥＣＶＤチャンバ６００、又はシリコン膜を堆積することができる他の適切なチャンバのような複数の処理チャンバ７３１-７３７を持つプロセスシステム７００の一実施形態の概略平面図である。プロセスシステム７００は、ロードロックチャンバ７１０とプロセスチャンバ７３１-７３７に結合した搬送チャンバ７２０を含む。ロードロックチャンバ７１０は、システムの外側の周囲環境と、搬送チャンバ７２０とプロセスチャンバ７３１-７３７内の真空環境との間で基板を搬送させることを可能にする。ロードロックチャンバ７１０は、一つ以上の基板を保持する一つ以上の排気可能領域を含む。排気可能領域は、基板をシステム７００に搬入（input）中はポンプで排気され、基板をシステム７００から搬出（output）中は通気される。搬送チャンバ７２０は、ロードロックチャンバ７１０とプロセスチャンバ７３１-７３７との間で基板を搬送するように適合されている少なくとも一つの真空ロボット７２２がその中に配置されている。七つの処理チャンバを図７に示す。しかしながら、システムは任意の適切な数の処理チャンバを持ってもよい。
[0066]本発明のある実施形態において、一つのシステム７００は、複数接合ソーラーセルの第一ｐ-ｉ-ｎ接合部、例えば、図２の層２０４-２１０又は図４の層４０４-４１０を堆積させるように構成される。プロセスチャンバ７３１-７３７の一つは、第一ｐ-ｉ-ｎ接合部の一つ又は複数のｐ型層を堆積させるように構成され、残りのプロセスチャンバ７３１-７３７は、それぞれ、一つ又は複数の真性型層と一つ又は複数のｎ型層双方を堆積させるように構成される。第一ｐ-ｉ-ｎ接合部の一つ又は複数の真性型層と一つ又は複数のｎ型層は、堆積ステップの間に任意の不動態化プロセスを含まずに同一チャンバ内で堆積させてもよい。従って、基板は、ロードロックチャンバ７１０を通ってシステムに入り、一つ又は複数のｐ型層を堆積させるように構成される専用プロセスチャンバへ真空ロボットによって搬送され、一つ又は複数の真性タイプ層とｎ型層双方を堆積させるように構成される残りのプロセスチャンバの一つへ真空ロボットによって搬送され、もとのロードロックチャンバ７１０へ真空ロボットによって搬送される。ある実施形態において、基板をプロセスチャンバで処理して一つ又は複数のｐ型層を形成する時間は、単一チャンバ内で一つ又は複数の真性タイプ層と一つ又は複数のｎ型層を形成する時間より約４倍以上速く、好ましくは６倍以上速い。それ故、第一ｐ-ｉ-ｎ接合部を堆積させるシステムのある実施形態において、ｐ-チャンバとｉ／ｎチャンバとの比は、１：４以上、好ましくは１：６以上である。プロセスチャンバのプラズマ洗浄を与える時間を含むシステムのスループットは、１時間当たりの基板が約１０枚以上、好ましくは１時間当たりの基板が２０枚以上である。
[0067]本発明のある実施形態において、一つのシステム７００は、図２の層２１２-２２２又は図４の層４１２-４２２のような多接合ソーラーセルの第二ｐ-ｉ-ｎ接合部を堆積させるように構成される。プロセスチャンバ７３１-７３７の一つは、第二ｐ-ｉ-ｎ接合部の一つ又は複数のｐ型層を堆積させるように構成され、残りのプロセスチャンバ７３１-７３７は、それぞれ、一つ又は複数の真性タイプ層と一つ又は複数のｎ型層双方を堆積させるように構成される。第二ｐ-ｉ-ｎ接合部の一つ又は複数の真性型層と一つ又は複数のｎ型層は堆積ステップの間に任意の不動態化プロセスを含まずに同一チャンバ内で堆積させてもよい。ある実施形態において、プロセスチャンバで基板を処理して一つ又は複数のｐ型層を形成する時間は、単一チャンバ内で一つ又は複数の真性型層と一つ又は複数のｎ型層を形成する時間より約４倍以上速い。それ故、第二ｐ-ｉ-ｎ接合部を堆積させるシステムのある実施形態において、ｐチャンバとｉ／ｎ-チャンバとの比は１：４以上、好ましくは１：６以上である。プロセスチャンバのプラズマ洗浄を与える時間を含むシステムのスループットは、１時間当たりの基板が約３枚以上、好ましくは１時間当たりの基板が５枚以上である。
[0068]ある実施形態において、真性型アモルファスシリコン層を含む第二ｐ-ｉ-ｎ接合部を堆積させるためのシステム７００のスループットは、一つ又は複数の真性型微結晶シリコン層の厚さが通常は真性型アモルファスシリコン層より厚いことから、真性型微結晶シリコン層を備える第一ｐ-ｉ-ｎ接合部を堆積させるためのシステム７００のスループットの約２倍以上である。それ故、一つ又は複数の真性型アモルファスシリコン層を備える第二ｐ-ｉ-ｎ接合部を堆積させるように適合された単一システム７００は、一つ又は複数の真性型微結晶シリコン層を備える第一ｐ-ｉ-ｎ接合部を堆積させるように適合された二つ以上のシステム７００と適合可能である。一旦、一つのシステム内で一つの基板上に第一ｐ-ｉ-ｎ接合部が形成されると、基板は周囲環境にさらされ（即ち、真空が破壊され）、第二システムに搬送されてもよい。第一ｐ-ｉ-ｎ接合部と第二ｐ-ｉ-ｎ接合部を堆積させる第一システムの間の基板の湿式或いは乾式洗浄は必要ない。
[0069]上記は本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の更に多くの実施形態が本発明の基本的な範囲から逸脱することなく構成されてもよく、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。例えば、図６のプロセスチャンバは水平位置で示されている。本発明の他の実施形態において、プロセスチャンバは垂直のような任意の非水平位置であってよいことは理解される。本発明の実施形態は、図７においてマルチプロセスチャンバクラスタツールによって記載されているが、インラインシステムやハイブリッドインライン／クラスタシステムが用いられてもよい。本発明の実施形態は、第一ｐ-ｉ-ｎ接合部と第二ｐ-ｉ-ｎ接合部を形成するように構成された第一システムによって記載されているが、第一ｐ-ｉ-ｎ接合部と第二ｐ-ｉ-ｎ接合部も単一システム内で形成されてもよい。本発明の実施形態は、真性タイプ層とｎ型層双方を堆積させるように適合されたプロセスチャンバによって記載されているが、別々のチャンバが真性型層とｎ型層を堆積させるように適合されてもよく、単一プロセスチャンバがｐ型層と真性型層双方を堆積させるように適合されてもよい。最後に、本明細書に記載される実施形態は、通常は、ガラスのような透明基板に適用できるｐ-ｉ-ｎ構成であるが、単一又は多重に積層されたｎ-ｉ-ｐ接合部が逆の堆積順序でステンレス鋼又はポリマーのような不透明基板上に構成される他の実施形態も企図されている。
１００…ソーラーセル、１０１…基板、１０２…導電層、１０４…ｎ型結晶シリコン合金層、１０６…ｎ型アモルファスシリコン層、１０８…真性アモルファスシリコン層、１１０…ＰＩＢ層、１１２…ｐ型アモルファスシリコン層、１１４…縮退的にドープされたｐ型アモルファスシリコン層、１１６…ＴＣＯ層、１１８…ガラスカバー層、２００…ソーラーセル、２０１…基板、２０２…導電層、２０４…ｎ型結晶シリコン合金層、２０６…真性微結晶シリコン層、２０８…ＰＩＢ層、２１０…ｐ型微結晶シリコン層、２１２…ｎ型結晶シリコン合金層、２１４…ｎ型アモルファスシリコン合金層、２１６…真性アモルファスシリコン層、２１８…ＰＩＢ層、２２０…ｐ型アモルファスシリコン合金層、２２２…縮退的にドープされたｐ型アモルファスシリコン層、２２４…ＴＣＯ層、２２６…ガラス層、３００…ソーラーセル、３０１…基板、３０２…導電層、３０４…ｎ型結晶シリコン合金層、３０６…ｎ型アモルファスシリコン合金層、３０８…真性アモルファスシリコン層、３１０…ＰＩＢ層、３１２…ｐ型アモルファスシリコン層、３１４…ｐ型結晶シリコン合金層、３１６…ＴＣＯ層、３１８…ガラス層、４００…ソーラーセル、４０１…基板、４０２…導電層、４０４…第一ｎ型結晶シリコン層、４０６…真性結晶シリコン層、４０８…ＰＩＢ層、４１０…第一ｐ型結晶シリコン合金層、４１２…第二ｎ型結晶シリコン合金層、４１４…ｎ型アモルファスシリコン層、４１６…真性アモルファスシリコン層、４１８…ＰＩＢ層、４２０…ｐ型アモルファスシリコン層、４２２…第二ｐ型結晶シリコン合金層、５００…ソーラーセル、５０２…基板、５０４…結晶シリコン合金層、５０６…結晶ソーラーセル、６００…チャンバ、６０２…壁、６０４…底部、６０６…プロセス容積、６０８…バルブ、６０９…真空ポンプ、６１０…シャワーヘッド、６１２…バッキングプレート、６１４…サスペンション、６１６…中央支持体、６２０…ガス源、６２２…ＲＦ電源、６２４…遠隔プラズマ源、６３０…基板支持体、６３１…接地ストラップ、６３２…基板受容面、６３３…シャドウリング、６３４…ステム、６３６…リフトシステム、６３８…リフトピン、６３９…加熱素子又は冷却素子、７００…システム、７１０…ロードロックチャンバ、７２０…搬送チャンバ、７２２…真空ロボット、７３１-７３７…プロセスチャンバ、８０１…基板、８０４…導電層、８０６…第一ｐ型結晶シリコン合金層、８０８…第一真性結晶シリコン合金層、８１０…第一ｎ型結晶シリコン合金層、８１２…第二ｐ型結晶シリコン合金層、８１４…第二真性結晶シリコン合金層、８１６…第二ｎ型結晶シリコン合金層、８１８…接触層、９０１…基板、９０４…導電層、９０６…第一ｐ型結晶シリコン合金層、９０８…第一真性結晶シリコン合金層、９１０…第一ｎ型結晶シリコン合金層、９１２…第二ｐ型結晶シリコン合金層、９１４…第二真性結晶シリコン合金層、９１６…第二ｎ型結晶シリコン合金層、９１８…第三ｐ型結晶シリコン合金層、９２０…第三真性結晶シリコン合金層、９２２…第三ｎ型結晶シリコン合金層、９２４…接触層。

Claims (15)

  1. ソーラーセルの製造方法であって、
    基板上にｎ型結晶性半導体合金層を形成するステップと、
    該ｎ型結晶性半導体合金層上に導電層を形成するステップと、
    を含む前記方法。
  2. 該ｎ型結晶性半導体合金が、シリコン及びゲルマニウムからなる群より選ばれる一つ以上の材料と、炭素、窒素、及び酸素からなる群より選ばれる一つ以上の材料とを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 該ｎ型結晶性半導体合金層が、
    炭素源とシリコン源を処理チャンバに提供する工程と、
    ＲＦ電力を印加することによって該炭素源と該シリコン源をイオン化する工程と、
    該処理チャンバ内の圧力を少なくとも８トールに維持する工程と、
    を含む工程によって形成される、請求項１に記載の方法。
  4. 該ｎ型結晶性半導体合金層が、約１.５〜３.６の屈折率、少なくとも２ｅVのバンドギャップ、且つ少なくとも０.１Ｓ／ｃｍの伝導率を持つ、請求項１に記載の方法。
  5. ソーラーセルを形成する方法であって、
    基板上に導電層を形成するステップと、
    該導電層上に第一ドープ結晶性半導体合金層を形成するステップと、
    該第一ドープ半導体合金層の上に第二ドープ結晶性半導体合金層を形成するステップと、
    を含む前記方法。
  6. 該第一ドープ結晶性半導体層がｐ型ドーパントでドープされ、第二ドープ結晶性半導体合金層がｎ型ドーパントでドープされる、請求項５に記載の方法。
  7. 該第一ドープ結晶性半導体合金層と該第二ドープ結晶性半導体合金層が、それぞれ、半導体材料と、炭素、窒素、及び酸素からなる群より選ばれる一つ以上の材料とを含む、請求項５に記載の方法。
  8. 該第一ドープ結晶性半導体層と該第二ドープ結晶性半導体層との間にドープされていない結晶性半導体層を形成することによって第一接合部を形成するステップを更に含む、請求項６に記載の方法。
  9. 該第一接合部の上に第二接合部を形成するステップであって、該第二接合部が第三ドープ結晶性半導体合金層と第四ドープ結晶性半導体合金層とを備え、ここで、該第三ドープ結晶性半導体合金層がｐ型ドーパントでドープされ、該第四ドープ結晶性半導体合金層がｎ型ドーパントでドープされている、前記ステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
  10. 光電池デバイスであって、
    ｎ型結晶性半導体合金層と、
    該ｎ型結晶性半導体合金層上に形成される導電層と、
    を備える前記デバイス。
  11. 該ｎ型結晶性半導体合金層が、炭素、窒素、及び酸素からなる群より選ばれる一つ以上の材料を含む、請求項１０に記載のデバイス。
  12. 該ｎ型結晶性半導体合金層が、約１.５〜３.６の屈折率、少なくとも２ｅVのバンドギャップ、且つ少なくとも０.１Ｓ／ｃｍの伝導率を持つ、請求項１０に記載の方法。
  13. 光電池デバイスであって、
    導電層と、
    該導電層上に形成される第一ドープ結晶性半導体合金層と、
    該第一ドープ結晶性半導体合金層の上に形成される第二ドープ結晶性半導体合金層と、
    を備える前記デバイス。
  14. 該第一ドープ結晶性半導体合金層がｐ型層であり、該第二ドープ結晶性半導体合金層がｐ型層である、請求項１３に記載のデバイス。
  15. 該第一ドープ結晶性半導体合金層の上に第一ｐ-ｉ-ｎ接合部を更に備え、該第二ドープ結晶性半導体合金層の上に第二ｐ-ｉ-ｎ接合部を更に備える、請求項１４に記載のデバイス。
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