CN103843150B - 太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有改善的光电转换效率的太阳能电池。太阳能电池（1）包括：光电转换部（20）、和第一和第二电极（14、15）。光电转换部（20）具有由半导体材料构成的基板（10）。第一和第二电极（14、15）在光电转换部（20）的一主面（20a）上相互隔开间隔配置。在位于光电转换部（20）的一主面（20a）侧的基板（10）的主面（10b），设置由晶面构成的多个台面（10c）。多个台面（10c）中的至少一个容纳于第一电极（14）与第二电极（15）之间。

Description

太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池及其制造方法。
背景技术
在专利文献1中提出了一种背面结型的太阳能电池。在背面结型的太阳能电池中，不一定要在受光面设置电极。因此，能够提高受光面的受光效率。因此，能够实现改善的光电转换效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-80887号公报
发明内容
发明想要解决的技术问题
期待进一步改善太阳能电池的光电转换效率。
本发明的主要目的在于，提供一种具有改善的光电转换效率的太阳能电池。
用于解决问题的技术方案
本发明的太阳能电池包括：光电转换部、和第一和第二电极。光电转换部具有由半导体材料构成的基板。第一和第二电极在光电转换部的一主面之上相互隔开间隔配置。在位于光电转换部的一主面侧的基板的主面，设置有由晶面构成的多个台面。多个台面中至少一个容纳于第一电极与第二电极之间。
本发明的太阳能电池的制造方法涉及这样一种太阳能电池的制造方法，该太阳能电池包括：具有由半导体材料构成的基板的光电转换部、和在光电转换部的一主面之上相互隔开间隔配置的第一和第二电极。在本发明的太阳能电池的制造方法中，通过对基板的主面实施各向同性刻蚀后实施各向异性刻蚀，由此在位于光电转换部的一主面侧的基板的主面，形成由晶面构成的多个台面。在光电转换部的一主面之上，隔开能容纳多个台面中至少一个的间隔，形成第一和第二电极。
发明效果
根据本发明，能够提供一种具有改善的光电转换效率的太阳能电池。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的太阳能电池的概略后视图。
图2是图1的线Ⅱ-Ⅱ的概略截面图。
图3是将由半导体材料构成的基板的主面的一部分放大得到的示意平面图。
图4是图3的线Ⅳ-Ⅳ的示意截面图。
图5是图1的Ⅴ部分的示意放大图。图5中，在设有副栅线部的区域中添加阴影，添加阴影的区域不表示截面。
具体实施方式
下面，对实施本发明的优选方式的一例进行说明。但是，下述实施方式仅是例示性的。本发明不受下述实施方式的任何限定。
在实施方式等中参照的各个附图中，实质上具有相同功能的部件用相同的附图标记表示。另外，在实施方式等中参照的附图是示意性的记载，附图中所描绘的物体的尺寸比率等存在与实际物体的尺寸比率等不同的情况。在附图相互之间，也存在物体的尺寸比率等不同的情况。具体物体的尺寸比率等，应参照以下的说明进行判断。
如图1和图2所示，太阳能电池1包括光电转换部20。光电转换部20具有：背面20a、和主要受光的受光面20b。光电转换部20在受光时产生电子和空穴等载流子。
光电转换部20具有由半导体材料构成的基板10。基板10具有一种导电类型。具体而言，在本实施方式中，基板10由n型的晶体半导体构成。作为优选使用的n型的晶体半导体，例如可列举n型的单晶硅等。
基板10具有第一和第二主面10b、10a。由该第二主面10a构成光电转换部20的受光面20b。由第二主面10a构成的受光面20b具有绒面（texture）结构。
此处，“绒面结构”是指，为了抑制表面反射，增大光电转换部的光吸收量而形成的凹凸结构。作为绒面结构的具体例可列举：通过在具有（100）面的单晶硅基板的表面实施各向异性刻蚀而得到的金字塔（pyramid）状（四棱锥状或四棱锥台状）的凹凸结构；在单晶硅基板或多晶硅基板的表面，用酸刻蚀和干法刻蚀等方法实施各向同性刻蚀而得到的凹凸结构等。
在第二主面10a之上，依次配置有实质上为本征的i型非晶质半导体层17i、和n型半导体层17n。
半导体层17i例如能够由包含氢的i型非晶硅等构成。半导体层17i的厚度只要是实质上对发电不起作用的程度的厚度，就没有特别的限制。半导体层17i的厚度例如能够设为数左右。
n型半导体层17n配置于半导体层17i之上。半导体层17n是具有与基板10相同的导电类型的半导体层。半导体层17n例如能够由n型非晶硅等n型非晶质半导体构成。半导体层17n的厚度并无特别的限制。半导体层17n的厚度例如能够设为左右。
在半导体层17n之上，配置有保护膜16。该保护膜16也兼备作为反射抑制膜的功能。保护膜16例如能够由氧化硅膜、氮化硅膜或氧氮化硅膜等构成。其中，保护膜16优选由氮化硅膜构成。保护膜16的厚度例如能够设为80nm～1μm左右。
在基板10的第一主面10b的第一区域之上，配置有n型半导体层12n。由该半导体层12n构成n型表面20an，该n型表面20an构成背面20a的一部分。
半导体层12n例如能够由n型非晶硅等n型非晶质半导体构成。半导体层12n的厚度例如能够设为左右。
在基板10的第一主面10b的与第一区域不同的第二区域之上，配置有p型半导体层13p。由该半导体层13p构成p型表面20ap，该p型表面20ap构成背面20a的一部分。
半导体层13p能够由p型非晶硅等p型非晶质半导体层构成。半导体层13p的厚度例如能够设为左右。
此外，也可以在n型半导体层12n与第一主面10b之间，配置有例如具有数左右的实质上无助于发电的厚度的、实质上为本征的i型半导体层。同样，也可以在p型半导体层13p与第一主面10b之间，配置有例如具有数左右的实质上对发电不起作用的厚度的、实质上为本征的i型半导体层。i型半导体层例如能够由实质上为本征的i型非晶硅构成。
在半导体层12n的一部分之上，设置有绝缘层18。具体而言，绝缘层18设置于除n型半导体层12n的x方向上的中央部外的两端部之上。n型半导体层12n的x方向上的中央部从绝缘层18露出。绝缘层18的材质并无特别的限制。绝缘层18例如能够由氧化硅膜、氮化硅膜或氧氮化硅膜构成。其中，绝缘层18优选由氮化硅膜构成。
在光电转换部20的背面20a之上，n侧电极14和p侧电极15相互隔开间隔配置。n侧电极14配置于n型表面20an之上。n侧电极14是收集作为多数载流子的电子的电极。
n侧电极14具有多个副栅线（finger、指状）部14a。多个副栅线部14a沿着x轴方向排列。副栅线部14a设置为沿着与x轴方向垂直的y轴方向延伸的直线状。当然，副栅线部14a未必是直线状。副栅线部14a例如也可以具有折弯形状。
多个副栅线部14a与构成集电部的主栅线（busbar、汇流条）部14b电连接。主栅线部14b设置为沿着x轴方向延伸的直线状。当然，在本发明中，未必要设置集电部。在本发明中，电极例如既可以仅由多个副栅线部构成，也可以由多个副栅线部、和电连接有这些多个副栅线部的点状的集电部构成。
p侧电极15配置于p型表面20ap之上。p侧电极15是收集作为少数载流子的空穴的电极。
p侧电极15具有多个副栅线部15a。多个副栅线部15a沿着x轴方向排列。副栅线部15a在与副栅线部14a、15a的宽度方向一致的x轴方向上，与副栅线部14a相邻。副栅线部14a和副栅线部15a在x轴方向上相互隔开间隔交替配置。
多个副栅线部15a与构成集电部的主栅线部15b电连接。主栅线部15b设置为沿着x轴方向延伸的直线状。
副栅线部14a、15a的宽度分别优选为0.01mm～10mm左右，更优选为0.05mm～5mm。副栅线部14a的宽度和副栅线部15a的宽度既可以不同，也可以相等，但是，优选收集少数载流子的副栅线部15a的宽度比收集多数载流子的副栅线部14a的宽度宽。
与副栅线部14a、15a的宽度方向一致的x轴方向上的副栅线部14a与副栅线部15a之间的间隙的尺寸优选为0.001mm～1mm左右，更优选为0.005mm～0.5mm。副栅线部14a与副栅线部15a之间的间隙优选比副栅线部14a、15a的宽度窄。这样就能提高载流子的收集效率，因此，能够得到进一步改善的光电转换效率。副栅线部14a与副栅线部15a之间的间隙的尺寸优选为副栅线部14a、15a的宽度以下，更优选为0.5倍以下。
如图3和图4所示，基板10至少在主面10b，具有由晶面构成的多个台面(terrace)10c。具体而言，在主面10b，与多个台面10c一起设置有多个台阶(step)10d。台面10c被台阶10d包围。由台面10c和包围该台面10c的台阶10d构成包括凹部和凸部中至少一者的凹凸部10e。由台面10c和台阶10d构成的凹凸部10e既可以是凹部，也可以是凸部。另外，作为凹凸部10e，也可以设置凹部和凸部两者。台阶10d也优选由晶面构成。
凹凸部10e能够通过使用碱性的刻蚀液等对晶体硅基板进行各向异性刻蚀而形成。例如，在由晶体硅的(100)基板构成基板10的情况下，台面10c由(100)面构成，台阶10d由(111)面构成。例如，在由晶体硅的(111)基板构成基板10的情况下，台面10c由(111)面构成，台阶10d由面构成。因此，在(100)基板的情况下，台面10c是长方形状。台面10c与台阶10d所成的角度大小典型的是125°。另外，在(111)基板的情况下，台面10c是三角形状。台面10c与台阶10d所成的角度大小典型的是120度。因此，凹凸部10e典型的是底面为四边形或三角形的棱锥台状的凹部或凸部。但是，凹凸部10e如图3所示，有时也以重叠的方式形成。因此，凹凸部10e的形状未必限定于底面为长方形的棱锥台。
此外，在台面10c为正方形状的情况下，优选副栅线部14a、15a与台面10c的对角线大致平行地延伸。
如图5所示，在太阳能电池1中，多个台面10c中的至少一个容纳在n侧电极14与p侧电极15之间。详细来讲，多个台面10c中的至少一个容纳在副栅线部14a与副栅线部15a之间。更详细地来讲，多个凹凸部10e中的至少一个容纳在副栅线部14a与副栅线部15a之间。
然而，例如在凹凸部10e较大且较深的情况下，设置于第一主面10b之上的半导体层12n、13p和电极14、15的形状精度容易下降。特别是在利用使用抗蚀剂而形成的掩模形成半导体层12n和电极14、15的情况下，因凹凸部10e，抗蚀剂难以很好地涂敷，难以形成形状精度高的掩模，因此，半导体层12n、13p和电极14、15的形状精度容易下降。因此，光电转换效率容易降低。另外，为了抑制电极14、15的接触等，考虑到电极14、15的形状精度，需要将n侧电极14与p侧电极15之间的间隔设计得较大，因此，从设计的观点来看，也难以提高光电转换效率。
此处，在太阳能电池1中，台面10c按照多个台面10c中的至少一个能容纳于n侧电极14与p侧电极15之间的大小来设置。因此，能够抑制因台面10c的存在而导致的半导体层12n、13p和电极14、15的形状精度的下降。因此，也能够将n侧电极14与p侧电极15之间的间隔设计成窄间隔。因此，能够实现改善的光电转换效率。
从实现进一步得到改善的光电转换效率的观点来看，容纳于副栅线部14a与副栅线部15a之间的台面10c的、在副栅线部14a、15a的宽度方向上的尺寸，优选是副栅线部14a与副栅线部15a之间的间隙的x轴方向上的尺寸的0.8倍以下。换言之，优选x轴方向上的尺寸为副栅线部14a与副栅线部15a之间的间隙的x轴方向上的尺寸的0.8倍以下的台面10c容纳于副栅线部14a与副栅线部15a之间。
下面，对太阳能电池1的制造方法的一例进行说明。
首先，准备基板10。基板10例如能够通过使用线锯（wiresaw）将由半导体材料构成的锭切成片（slice）而制作。
在使用线锯切成片（slice）而制得的基板10的表面，设置有被称作锯痕（sawmark）的线锯所致的线状的凹凸。另外，基板10的表层通过与钢丝锯等的接触，例如设置有厚度为10μm左右的损伤层。因此，优选进行除去损伤层和锯痕的工序。因此，在本实施方式中，首先，对基板10的主面进行各向同性刻蚀。用于各向同性刻蚀的刻蚀剂并无特别的限制，例如，优选使用氟硝酸、碘酸、CF4＋O2、NF3＋O2等各向同性刻蚀气体等，其中进一步优选使用氟硝酸。进一步，优选使用氟化氢与硝酸的体积容量比（氟化氢：硝酸）为1:100～1：1的氟硝酸。
在该各向同性刻蚀中被除去的基板10的表层厚度，只要是能很好地除去损伤层和锯痕的厚度即可。在各向同性刻蚀中被除去的基板10的表层的厚度优选为1μm～20μm作为，更优选为3μm～15μm。
接着，通过进行各向异性刻蚀，在基板10的第一主面10b，形成具有台面10c和台阶10d的凹凸部10e。用于各向异性刻蚀中的刻蚀剂并无特别的限制，优选使用碱性的刻蚀液、NF3＋O2＋Cl2和ClF3等各向异性刻蚀气体等，其中更优选使用氢氧化钠、氢氧化钾、TMAH（四甲基氢氧化铵）等碱性的刻蚀液。
例如，从减少刻蚀工序的观点来看，可以考虑不进行各向同性刻蚀，仅通过各向异性刻蚀除去损伤层和锯痕，形成凹凸部10e。但是，在此情况下，必须通过各向异性刻蚀除去的表层的厚度增大。因此，需要长时间进行各向异性刻蚀。因此，台面10c和台阶10d的尺寸增大，凹凸部10e增大。
与此相反，在本实施方式中，通过各向同性刻蚀除去损伤层和锯痕后进行各向异性刻蚀，由此形成具有台面10c和台阶10d的凹凸部10e。因此，不必长时间进行各向异性刻蚀。这样就能制得表层没有损伤层、且具有小的凹凸部10e的基板10。即，能够抑制凹凸部10e的尺寸增大。因此，能够制得多个台面10c中的至少一个容纳在n侧电极14与p侧电极15之间的太阳能电池1。
从进一步缩小凹凸部10e的大小的观点来看，优选各向同性刻蚀的刻蚀量较多。这样就能进一步缩小凹凸部10e。更优选各向异性刻蚀的刻蚀量是各向同性刻蚀的刻蚀量的1倍以下，进一步优选为2倍以下。
接下来，在基板10的第一主面10b之上，适当形成半导体层12n、13p等，由此制得光电转换部20。优选采用光刻法等，对通过CVD（ChemicalVaporDeposition：化学气相沉积）法形成的半导体膜进行图案化（patterning），由此形成半导体层12n、13p。在由晶面构成的台面10c和台阶10d之上，采用CVD法形成半导体层12n、13p，由此能够降低第一主面10b与半导体层12n、13p的界面能级密度。因此，能够延长电子、空穴等载流子的寿命。因此，能够实现进一步改善的光电转换效率。
最后，形成n侧电极14和p侧电极15，由此能够完成太阳能电池1。此外，n侧电极14和p侧电极15能够分别采用镀法、丝网印刷法等各种印刷法形成。
此外，在本实施方式中，对副栅线部设置为直线状的例子进行了说明，但是副栅线部例如也可以设置为折弯形状。
也可以在基板的两个主面，设置绒面结构。
光电转换部也可以由设置有在背面露出的p型掺杂扩散区域和n型掺杂扩散区域的、由半导体材料构成的基板构成。
附图标记
1…太阳能电池
10…基板
10a…第二主面
10b…第一主面
10c…台面
10d…台阶
10e…凹凸部
12n…n型半导体层
13p…p型半导体层
14…n侧电极
15…p侧电极
14a、15a…副栅线部
14b、15b…主栅线部
16…保护膜
17i…i型非晶质半导体层
17n…n型半导体层
18…绝缘层
20…光电转换部
20a…背面
20an…n型表面
20ap…p型表面
20b…受光面

Claims (10)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
具有由晶体硅的(100)基板和(111)基板中的任一方的半导体材料构成的基板的光电转换部；和
在所述光电转换部的一主面上相互隔开间隔配置的第一电极和第二电极，
在位于所述光电转换部的一主面侧的所述基板的主面，设置有由晶面构成的多个台面，其中，在所述基板由(100)基板构成的情况下，所述台面由(100)面构成，在所述基板由(111)基板构成的情况下，所述台面由(111)面构成，
在所述基板的所述主面，与所述多个台面一起设置有多个台阶，所述台面由所述台阶包围，由所述台面和包围所述台面的所述台阶构成包括凹部和凸部中至少一者的凹凸部，
所述多个台面中的至少一个容纳于所述第一电极与所述第二电极之间。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：
所述台面是通过对所述基板的主面进行各向同性刻蚀后进行各向异性刻蚀而形成的。
3.如权利要求1或2所述的太阳能电池，其特征在于：
所述第一电极具有多个第一副栅线部，
所述第二电极具有与所述第一副栅线部相邻的多个第二副栅线部，
所述多个台面中的至少一个容纳于所述第一副栅线部与所述第二副栅线部之间。
4.如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于：
所述第一副栅线部与所述第二副栅线部之间的间隙比所述第一副栅线部和第二副栅线部各自的宽度窄。
5.如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于：
在所述基板由(100)基板构成的情况下，所述台阶由(111)面构成，在所述基板由(111)基板构成的情况下，所述台阶由 面构成，
所述多个凹凸部中的至少一个容纳于所述第一副栅线部与所述第二副栅线部之间。
6.一种太阳能电池的制造方法，该太阳能电池包括：具有由晶体硅的(100)基板和(111)基板中的任一方的半导体材料构成的基板的光电转换部；和在所述光电转换部的一主面上相互隔开间隔配置的第一电极和第二电极，所述制造方法的特征在于：
通过对所述基板的主面进行各向同性刻蚀后进行各向异性刻蚀，在位于所述光电转换部的一主面侧的所述基板的主面形成：由晶面构成的多个台面，其中，在所述基板由(100)基板构成的情况下，所述台面由(100)面构成，在所述基板由(111)基板构成的情况下，所述台面由(111)面构成；和多个台阶，所述台面由所述台阶包围，由所述台面和包围所述台面的所述台阶构成包括凹部和凸部中至少一者的凹凸部，
在所述光电转换部的所述一主面上，隔开能容纳所述多个台面中的至少一个的间隔，形成所述第一电极和第二电极。
7.如权利要求6所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：
所述各向同性刻蚀的刻蚀量比所述各向异性刻蚀的刻蚀量多。
8.如权利要求6或7所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：
通过用线锯将由半导体材料构成的锭切成片，制作所述基板。
9.如权利要求6或7所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：
使用碱性的刻蚀液进行所述各向异性刻蚀。
10.如权利要求9所述的太阳能电池的制造方法，其特征在于：
通过在所述基板的主面上用CVD法形成半导体层，制作具有所述基板和所述半导体层的所述光电转换部。
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