CN102473754A - 光电转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于，提供一种适合于设置有散热装置的构造的具有钝化层的光电转换装置，本发明的光电转换装置(1)具有：第一电极层(20)、具有由a-Si(非晶硅)形成的nip构造的单一的发电层叠体(22)、以及在该发电层叠体(22)上隔着镍层(24)成膜的Al的第二电极层(26)。在第二电极层(26)上形成由含有SiCN的材料构成的钝化层(28)。在钝化层28上隔着粘接剂层29安装有散热器30(例如由Al形成)。
Description
技术领域
本发明涉及光电转换装置。
背景技术
最近，作为火力或水力的替代能量，提倡使用太阳能。为此，非常期待由将太阳能转换成电能的光电转换元件构成的太阳能电池。
在这样的状况下，提出了硅系、化合物系、以及有机物系等的各种太阳能电池或光电转换元件。
进而，即便在这种太阳能电池中，硅系的太阳能电池，以作为地球上的资源大量存在的硅为原料，所以与其他化合物系以及有机物系太阳能电池相比，认为不会产生资源枯竭等问题。
另外，关于硅系太阳能电池中的非晶质型硅太阳能电池，其非晶硅(a-Si)膜的膜厚与其他单晶型以及多晶型硅太阳能电池相比能为1/100以下，适合在现实中以低成本制造大功率以及大面积的太阳能电池。
但是，非晶质型硅太阳能电池的能量转换效率为6％左右，明显比具有20％左右的能量转换效率的单晶型以及多晶型硅太阳能电池低，进而，被指出所谓非晶质型硅太阳能电池的能量转换效率越大面积越下降的缺点。
本发明人等先前在专利文献1中提出了具有超过6％的能量转换效率的非晶质型硅太阳能电池或光电转换元件。提出的非晶质型硅太阳能电池或光电转换元件含有由透明电极形成的第一电极层、第二电极层、在第一电极层和第二电极层之间设置的1个或者多个发电层叠体，发电层叠体具有：包含与第一电极层接触形成的n型非晶质半导体层(特别是n型非晶硅层)、与第二电极层接触形成的p型非晶质半导体层(特别是p型非晶硅层)、以及在n型非晶质半导体层和p型半导体层之间设置的i型半导体层(i型硅层)的所谓nip构造。
为了提高转换效率，也提出使用基于硅消耗量比较少的微晶硅(μC-Si)的nip构造的发光层叠体(专利文献2)。
进而，专利文献1记载的非晶质型太阳能电池或光电转换元件，作为与n型非晶质半导体层如n型非晶硅层接触的第一电极层，采用使用了能垒低的n+型ZnO的透明电极。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特愿2008-315888号
专利文献2：日本特开2003-142712号公报
发明内容
发明要解决的问题
专利文献1示出的非晶质型太阳能电池或光电转换元件，富于批量生产性，且可以实现10％以上的能量转换效率。进而由于由没有资源枯竭等问题的硅以及锌材料构成，因此，期待今后也可以大规模且大量生产太阳能电池。以下为了简化说明，将太阳能电池和/或含有光电转换元件的发电构造集体总称为光电转换装置。
在这里，光电转换装置通常具有所谓温度越升高则发电效率越降低的特性。升高1℃温度时，例如在a-Si太阳能电池中效率减少0.22％，在单晶Si太阳能电池效率减少0.45％。
为此，光电转换装置存在在一个电极层侧设置金属制的散热器等散热装置的情况。
此时，为了防止电极层的氧化、元素从半导体层的扩散、与散热器等其他构件的导通等，需要在电极层设置钝化层(保护层)，对于钝化层，不仅要防止这些，还要求其自身的强度，另外，也要求不会妨碍散热的物性。
本发明正是鉴于这一点而完成的发明，其技术课题在于，提供一种具有适于设置有散热装置的构造的钝化层的光电转换装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述的课题，根据本发明的第一方式，得到如下的光电转换装置，其具有将入射光的能量转换成电能的光电转换元件、和在上述光电转换元件设置的散热部，上述光电转换元件具有设置于与上述散热部接触的部分且由含有SiCN的材料构成的钝化层。
根据本发明的第二方式，得到上述第一方式记载的光电转换装置，其特征在于，上述光电转换元件含有第一电极层、第二电极层、和在上述第一电极层以及第二电极层之间设置的1个或多个发电层叠体，上述发电层叠体含有p型半导体层、与该p型半导体层接触形成的i型半导体层、和与上述i型半导体层接触形成的n型半导体层，上述钝化层设置于上述第二电极层。
根据本发明的第三方式，得到上述第二方式记载的光电转换装置，其特征在于，上述第一电极层是透明电极。
根据本发明的第四方式，得到上述第一至第三方式中任一方式记载的光电转换装置，其特征在于，上述发电层叠体的上述i型半导体层由结晶硅、微晶非晶硅、以及非晶硅的任一种形成。
根据本发明的第五方式，得到上述第一至第四方式中任一方式记载的光电转换装置，其特征在于，上述第一电极层中，上述n型半导体层所接触的部分含有n型的ZnO，与上述第一电极层接触的上述n型半导体层由非晶硅形成。
根据本发明的第六方式，得到上述第一至第五方式中任一方式记载的光电转换装置，其特征在于，与上述第二电极层接触的上述p型半导体层由非晶硅形成，在上述第二电极层中至少上述p型半导体层所接触的部分，形成有含有镍(Ni)的层。
根据本发明的第七方式，得到上述第一至第六方式中任一方式记载的光电转换装置，其特征在于，上述散热部是由含有Al的材料构成的散热器。
根据本发明的第八方式，得到上述第一至第七方式中任一方式记载的光电转换装置，其特征在于，上述SiCN具有在氮化硅(Si3N4)中添加了2原子％～40原子％的C的组成。
发明的效果
在本发明中，可以提供一种具有适于设置有散热装置的构造的钝化层的光电转换装置。
附图说明
图1是光电转换装置1的截面图。
图2A是对光电转换元件10的制造方法进行说明的图。
图2B是对光电转换元件10的制造方法进行说明的图。
图2C是对光电转换元件10的制造方法进行说明的图。
图2D是对光电转换元件10的制造方法进行说明的图。
图2E是对光电转换元件10的制造方法进行说明的图。
图2F是对光电转换元件10的制造方法进行说明的图。
图2G是对光电转换元件10的制造方法进行说明的图。
图2H是对光电转换元件10的制造方法进行说明的图。
图3是表示形成钝化层28时的条件和所形成的钝化层28的物性的关系的图。
具体实施方式
参照图1，对本发明的实施方式涉及的光电转换装置进行说明。图示的光电转换装置1含有多个光电转换元件10、和在光电转换元件10设置的作为散热部的散热器30，通过连接多个光电转换元件10而构成太阳能电池。图示的光电转换元件10，设置在含有防护玻璃12、在该防护玻璃12上设置的玻璃基板14、以及在玻璃基板14上设置的钠阻挡层16的基体100上。
在该例中，玻璃基板14由含Na的廉价钠玻璃形成，为了防止Na从该钠玻璃扩散而污染元件，在玻璃基板14上形成有钠阻挡层16。钠阻挡层16例如通过涂布表面平坦化涂布液并进行干燥·烧结而形成。另外，从图可以清楚地知道，作为电池单元的光电转换元件10，在基体100上与相邻的其他光电转换元件(电池)以串联的形式电连接。
如果加以具体说明，则本发明的一个实施方式涉及的光电转换元件10具有：第一电极层20、具有由a-Si(非晶硅)形成的nip构造的单一发电层叠体22、在该发电层叠体22上隔着镍层24(Ni的层)成膜且由含有Al的材料构成的第二电极层26、以及由含有SiCN的材料构成的钝化层28。
构成光电转换元件10的第一电极层20，是透明导电体电极(Transparent Conductive Oxide(TCO)层)，在这里，由膜厚1μm的ZnO层形成(至少n型半导体层所接触的部分含有n型的ZnO)。该第一电极层20(ZnO层)是掺杂有Ga的n+型ZnO层。另外，在构成第一电极层20的n+型ZnO层，每隔开规定的间隔设置有绝缘层201(在这里是含有SiCN的材料)，被电池单元分隔、区分。
在该第一电极层20上，设置有构成发电层叠体22的一部分的n+型a-Si层221，n+型a-Si层221与构成第一电极层20的透明电极接触。图示的n+型a-Si层221具有10nm的膜厚。在n+型a-Si层221上依次形成有形成发电层叠体22的i型a-Si层222以及p+型a-Si层223。图示的i型a-Si层222以及p+型a-Si层223的膜厚分别为480nm以及10nm。
在该例中，在构成发电层叠体22的n+型a-Si层221、i型a-Si层222、以及p+型a-Si层223中，在与第一电极层20的绝缘层201的位置不同的位置，设置有通孔224，在该通孔224的内壁形成有SiO2层224a。
nip构造的发电层叠体22整体具有500nm的厚度，与由单晶硅或多晶硅形成的光电转换元件相比，具有100分之1以下的厚度。
接着，在p+型a-Si层223上隔着镍层24形成有第二电极层26(在第二电极层26中至少p+型a-Si层223所接触的部分形成有镍层24)。
第二电极层26也形成于发电层叠体22的通孔224(内壁被SiO2层224a绝缘)内。通孔224内的第二电极层26，与相邻的光电转换元件的第一电极层20电连接。
进而，在第二电极层26上形成有由SiCN构成的钝化层28。形成钝化层28的绝缘材料(在这里为SiCN)，也埋设在经过第二电极层26、镍层24、p+型a-Si层223并到达i型a-Si层222的孔225内。在钝化层28上，隔着由热传导性好的材料形成的粘接剂层29安装有散热器30(例如由含有Al的材料形成)。
需要说明的是，形成第一电极层20的n+ZnO层，可以通过掺杂Al、In等来代替Ga而形成。
在这里，作为钝化层28的构成材料的SiCN，具有与例如SiO2等的其他钝化层相比热传导性更出色的特征。在以往钝化层所使用的SiO2中导热率为1.4W/m/开尔文，与此相对，SiCN绝对地大，为70W/m/开尔文，借助高导热率的粘接剂层29(本实施例中，通过在导热率高的塑料中混合碳纳米管，而具有25W/m/开尔文这样的高导热率)，可以将热高效率地传递至散热器30，可以防止太阳能电池发热而发电效率降低。
另外，SiCN与例如SiO2等的其他钝化层相比，由于难以通过氢，所以可以防止氢从构成发电层叠体22的硅(通常为氢基封端)脱落而太阳能电池的特性劣化。特别是在使用了a-Si膜的情况下，对a-Si层表面的悬空键进行封端的氢在300℃左右脱落，能够抑制氢的释放的SiCN的效果大。
进而，SiCN如后所述，通过调节成膜条件，能使内部应力实质上为0，所以可以防止由钝化层导致的剥落、施向元件的热应力所致的电特性的劣化。
光电转换元件10以该光电转换元件10的电池单体计得到约20％的能量转换效率。另外，在连接这些光电转换元件10而构成1.15m×1.40m的太阳能电池组件的情况下，得到307W的功率，组件中的能量转换效率为18.9％。
以下，参照图2A～图2H，对图1所示的光电转换元件10以及光电转换装置1的制造方法进行说明。在该例中，使用本发明人等先前申请的日本特愿2008-153379号说明书提出的MSEP(Metal Surface-wave ExcitedPlasma)型等离子体处理装置(具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的装置以及不具有上述的装置的任一种)作为第一～第八等离子体处理装置，使用将这些等离子体处理装置配置成群组型的系统，对上述情况进行说明。
如图2A所示，首先，在由钠玻璃形成的玻璃基板14上，在5Torr左右的低压气氛下形成厚度0.2μm的钠阻挡层16。
接着，如图2B所示，将形成有钠阻挡层16的玻璃基板14，导向具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第一等离子体处理装置，形成厚度1μm的透明电极(TCO层)作为第一电极层20。在第一等离子体处理装置中，通过掺杂Ga形成n+型ZnO层。关于掺杂Ga的n+型ZnO层，在第一等离子体处理装置中，从上段气体喷嘴将Kr以及O2的混合气体提供给腔室，使其产生等离子，从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板向在含有Kr以及氧的气氛下生成的等离子中喷出Ar、Zn(CH3)2以及Ga(CH3)3的混合气体，由此在钠阻挡层16上使n+型ZnO层进行了等离子体CVD成膜。
接下来，在n+型ZnO层(第一电极层20)上涂布了光致抗蚀剂之后，使用光刻技术将光致抗蚀剂形成图案。在将光致抗蚀剂形成图案之后，导向具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第二等离子体处理装置。在第二等离子体处理装置中，将形成图案的光致抗蚀剂作为掩模对n+型ZnO层进行选择性蚀刻，如图2C所示，在构成第一电极层20的n+型ZnO层形成到达钠阻挡层16的开口部。关于第二等离子体处理装置中的蚀刻，是从上段气体喷嘴向腔室供给Ar气体，在由该Ar气氛生成的等离子体中，从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板将Ar、Cl2、HBr的混合气体提供给腔室。
具有开口部的n+型ZnO层以及在该n+型ZnO层上涂布了光致抗蚀剂的状态的玻璃基板14，被输送给不具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第三等离子体处理装置，在第三等离子体处理装置中，在Kr/O2等离子体气氛下将光致抗蚀剂灰化除去。
在除去光致抗蚀剂后，粘附有形成开口部的n+型ZnO层(第一电极层20)的玻璃基板14，被导入具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第四等离子体处理装置。在第四等离子体处理装置中，首先，在开口部内以及n+型ZnO层(第一电极层20)的表面，SiCN利用等离子体CVD形成为绝缘层201之后，n+型ZnO层(第一电极层20)表面的SiCN在该第四等离子体处理装置内被蚀刻除去。其结果，仅在n+ZnO层(第一电极层20)的开口部内埋设绝缘层201。关于在第四等离子体处理装置内的SiCN的成膜，从上段气体喷嘴将Xe以及NH3气提供给腔室，使其产生等离子，从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板向腔室导入Ar、SiH4、SiH(CH3)3的混合气体，实施CVD成膜而进行，接着对相同腔室切换导入气体，从上段气体喷嘴将Ar气提供给腔室，使其发生等离子体，从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板将Ar和CF4的混合气体导入到腔室，对n+型ZnO层(第一电极层20)表面的SiCN进行蚀刻除去。
接下来，在该第四等离子体处理装置内，通过依次切换导入气体，利用连续CVD形成具有nip构造的发电层叠体22以及镍层24。如图2D所示，在第四等离子体处理装置内，使n+型a-Si层221、i型a-Si层222、p+型a-Si层223、以及镍层24依次成膜。如果加以具体说明，则在第四等离子体处理装置中，从上段气体喷嘴将Ar以及H2的混合气体提供给腔室，使其发生等离子体，从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板将Ar、SiH4、以及PH3的混合气体导入到腔室，对n+型a-Si层221进行等离子体CVD成膜，接着，从上段气体喷嘴继续将Ar以及H2的混合气体提供给腔室，使其发生等离子体，同时将来自下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的气体从Ar、SiH4、PH3气体切换成Ar+SiH4气体并导入，由此使i型a-Si层222成膜，进而，从上段气体喷嘴继续将Ar以及H2的混合气体提供给腔室，使其发生等离子体，同时将来自下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的气体Ar、SiH4气体置换成Ar+SiH4 +B2H6气体，由此使p+型a-Si层223成膜，接着，从上段气体喷嘴继续将Ar以及H2的混合气体提供给腔室，使其发生等离子体，同时将来自下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的气体从Ar、SiH4、B2H6气体置换成为含有Ar和Ni的气体的混合气体，由此使镍层24进行CVD成膜。在如此相同的MSEP型等离子体处理装置中，依次切换导入气体，由此进行6层的成膜·蚀刻，可以形成缺陷少的优异的膜，同时可以大幅度降低制造成本。
搭载有镍层24以及发电层叠体22的玻璃基板14，被从第四等离子体处理装置导向光致抗蚀剂涂布机(狭缝涂布机)，在被涂布了光致抗蚀剂之后，利用光刻技术使光致抗蚀剂形成图案。
在光致抗蚀剂形成了图案后，搭载有镍层24以及发电层叠体22的玻璃基板14，与形成了图案的光致抗蚀剂一起被导向具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第五等离子体处理装置中。在第五等离子体处理装置中，以光致抗蚀剂为掩模，对镍层24以及发电层叠体22进行选择性蚀刻，如图2E所示，形成到达第一电极层20的通孔224。即，在第五等离子体处理装置中，4层被连续地蚀刻。
如果加以具体说明，则关于镍层24的蚀刻，从上段气体喷嘴将Ar以及H2的混合气体提供给腔室，使其发生等离子体，同时从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板向等离子体内喷出Ar、CH4的混合气体，由此进行，接下来从上段气体喷嘴继续将Ar提供给腔室，使其发生等离子体，同时从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板喷出Ar+HBr气体，由此进行由nip的3层构成的发电层叠体22的蚀刻。
通过第五等离子体处理装置内的蚀刻形成了从镍层24贯通到n+型ZnO层(第一电极层20)而到达第一电极层20的通孔224的玻璃基板14，从第五等离子体处理装置被移向前述的不具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第三等离子体处理装置，在从上段气体喷嘴导入到腔室内的在Kr/O2气体气氛下生成的等离子体内，将光致抗蚀剂灰化除去。
除去光致抗蚀剂后的玻璃基板14，被移向具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第六等离子体处理装置，如图2F所示，在镍层24上成膜了厚度1μm的Al层作为第二电极层26。Al层也在通孔224内成膜。关于该Al层的成膜，从上段气体喷嘴将Ar以及H2的混合气体提供给腔室，使其发生等离子体，同时从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板向在Ar/H2气氛生成的等离子体中喷出Ar+Al(CH3)3气体，由此来进行。
接下来，在第二电极层26的Al层上涂布了光致抗蚀剂之后，形成图案，被导向具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第七等离子体处理装置内。
在第七等离子体处理装置中，从上段气体喷嘴将Ar气体提供给腔室，使其发生等离子体，同时从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板向在Ar气氛下生成的等离子体内喷出Ar+Cl2气体，由此进行Al层的蚀刻，接下来，从上段气体喷嘴将Ar以及H2的混合气体提供给腔室，使其发生等离子体，同时从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板向在Ar/H2气氛生成的等离子体内，导入Ar+CH4气体，由此进行镍层24的蚀刻，接着从上段气体喷嘴将Ar气体提供给腔室，使其发生等离子体，同时将来自下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的气体切换成Ar+HBr气体，蚀刻至p+型a-Si层223和i型a-Si层222的中途。其结果，如图2G所示，形成自Al层(第二电极层26)表面到达i型a-Si层222的中途的孔225。该工序也使用相同的MSEP型等离子体处理装置，通过依次切换气体进行4层连续蚀刻，实现处理时间和成本的大幅度降低。
接着，搭载有图2G所示的元件的玻璃基板14，被移向前述的不具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第三等离子体处理装置，通过从上段气体喷嘴导入到腔室的在Kr/O2气体气氛生成的等离子体，将光致抗蚀剂灰化除去。
含有去除了光致抗蚀剂后的Al层作为第二电极层26的玻璃基板14，被导入到具有下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板的第八等离子体处理装置，通过CVD形成SiCN膜，由此在Al层(第二电极层26)上以及孔225内成膜有钝化层28，如图2H所示，完成所希望的光电转换元件10。关于SiCN的成膜，从上段气体喷嘴将Xe以及NH3气体提供给腔室，使其发生等离子体，从下段气体喷嘴或者下段气体喷淋板喷出Ar、SiH4、SiH(CH3)3气体，由此来进行。
在这里，关于SiCN膜的内部应力，如图3所示，例如通过调节SiH(CH3)3气体的浓度(即通过调节膜中的C含量)，可以使其实质上为0。在这里，作为SiCN的组成，最好是氮化硅Si3N4中含有(添加)低于10原子％的C，但可以添加2原子％～40原子％。
进而，在防护玻璃12上固定玻璃基板14，在钝化层28上借助先前描述的粘接剂层29安装散热器30，由此完成光电转换装置1。
如此，根据本实施方式，光电转换装置1，在散热器30侧的第二电极层26上设置有由含有SiCN的材料构成的钝化层28。
即，光电转换装置1具有适于设置有散热装置的构造的钝化层，进一步有助于发电效率的提高、耐气候性。
产业上的可利用性
在以上描述的实施方式中，仅对nip构造的发电层叠体22全部由a-Si层形成的情况进行了说明，但i型a-Si层可以由结晶硅或微晶非晶硅形成，还可以由单晶Si层形成。另外，还可以在发电层叠体22上堆叠1个或其以上的发电层叠体。
符号的说明
1-光电转换装置
10-光电转换元件
12-防护玻璃
14-玻璃基板
16-钠阻挡层
20-第一电极层(n+型ZnO层)
22-发电层叠体
100-基体
221-n+型a-Si层
222-i型a-Si层
223-p+型a-Si层
24-镍层(Ni层)
26-第二电极层(Al层)
28-钝化层(SiCN层)
201-绝缘层(SiCN层)
224-通孔
224a-SiO2层
30-散热器
Claims (8)
1.一种光电转换装置，其特征在于，具有：
将入射光的能量转换成电能的光电转换元件、和
设置于所述光电转换元件的散热部，
所述光电转换元件具有设置于与所述散热部接触的部分且由含有SiCN的材料构成的钝化层。
2.如权利要求1所述的光电转换装置，其特征在于，
所述光电转换元件含有第一电极层、第二电极层、和在所述第一电极层以及第二电极层之间设置的1个或者多个发电层叠体，
所述发电层叠体含有p型半导体层、与该p型半导体层接触形成的i型半导体层、和与所述i型半导体层接触形成的n型半导体层，
所述钝化层设置于所述第二电极层。
3.如权利要求2所述的光电转换装置，其特征在于，
所述第一电极层是透明电极。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的光电转换装置，其特征在于，
所述发电层叠体的所述i型半导体层由结晶硅、微晶非晶硅、以及非晶硅的任一种形成。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的光电转换装置，其特征在于，
所述第一电极层中，所述n型半导体层所接触的部分含有n型的ZnO，与所述第一电极层接触的所述n型半导体层由非晶硅形成。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的光电转换装置，其特征在于，
与所述第二电极层接触的所述p型半导体层由非晶硅形成，在所述第二电极层中至少所述p型半导体层所接触的部分，形成有含有镍(Ni)的层。
7.如权利要求1～6中任意一项所述的光电转换装置，其特征在于，
所述散热部是由含有Al的材料构成的散热器。
8.如权利要求1～7中任意一项所述的光电转换装置，其特征在于，
所述SiCN具有在氮化硅Si3N4中添加了2原子％～40原子％的C的组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120523 |