CN105659388B - 光电转换元件、光电转换模块以及太阳光发电系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够抑制包含杂质的非晶态半导体层与形成于该非晶态半导体层上的电极的接触电阻变高，从而提高元件特性的光电转换元件。光电转换元件(10)具备半导体基板(12)、第1半导体层(20n)、第2半导体层(20p)、第1电极(22n)和第2电极(22p)。第1半导体层具有第1导电类型。第2半导体层具有第2导电类型。第1电极形成于第1半导体层上。第2电极形成于第2半导体层上。第1电极包括形成于第1半导体层上的第1透明导电层(26n)和形成于第1透明导电层上的第1金属层(28n)。第1金属层包括第1金属层的面内方向上的平均晶体粒径大于第1金属层的厚度的多个金属晶粒。

Description

光电转换元件、光电转换模块以及太阳光发电系统
技术领域
本发明涉及光电转换元件、光电转换模块以及太阳光发电系统。
背景技术
近年来，作为光电转换元件的太阳能电池受到关注。作为太阳能电池的一例，有背面电极型的太阳能电池。
例如在日本特开2007-281156号公报中公开了背面电极型的太阳能电池。在上述公报中，背面电极型的太阳能电池由晶体半导体、形成于上述晶体半导体的与太阳光的照射面成为相反侧的背面的n型非晶态半导体层、形成于上述背面的p型非晶态半导体层以及形成于上述n型非晶态半导体层上和上述p型非晶态半导体层上的电极构成。
然而，在如上述公报那样在非晶态半导体层上形成电极的情况下，存在非晶态半导体层与电极之间的接触电阻变高这样的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够降低包含杂质的非晶态半导体层与形成于该非晶态半导体层上的电极的接触电阻，从而提高元件特性的光电转换元件。
本发明的实施方式的光电转换元件具备半导体基板、第1半导体层、第2半导体层、第1电极和第2电极。第1半导体层具有第1导电类型。第2半导体层具有与第1导电类型相反的第2导电类型。第1 电极形成于第1半导体层上。第2电极形成于第2半导体层上。第1 电极包括第1透明导电层和第1金属层。第1透明导电层形成于第1 半导体层上。第1金属层形成于第1透明导电层上。第1金属层包括第1金属层的面内方向上的平均晶体粒径大于第1金属层的厚度的多个金属晶粒。
本发明的实施方式的光电转换元件能够抑制包含杂质的非晶态半导体层与形成于该非晶态硅层上的电极的接触电阻变大，从而提高元件特性。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施方式的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图2A是用于说明图1所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出硅基板的剖视图。
图2B是用于说明图1所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的背面形成了本征非晶态硅层并且在本征非晶态硅层上形成了n型非晶态硅层以及p型非晶态硅层的状态的剖视图。
图2C是用于说明图1所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的受光面形成了钝化膜的状态的剖视图。
图2D是用于说明图1所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在钝化膜上形成了防反射膜的状态的剖视图。
图2E是用于说明图1所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出形成了透明导电层以及金属膜的状态的剖视图。
图2F是用于说明图1所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出形成了电极的状态的剖视图。
图3是示出平均晶体粒径与退火温度的关系的图表。
图4是示出平均晶体粒径与接触电阻的关系的图表。
图5是示出测定接触电阻时的样品的概略结构的剖视图。
图6是用于说明金属晶粒的界面能级的概念图。
图7是示出金属晶粒小的情况下的电极与n型非晶态硅层的界面的能带图。
图8是示出金属晶粒大的情况下的电极与n型非晶态硅层的界面的能带图。
图9是示出单电池电阻与平均晶体粒径的平均值的关系的图表。
图10是示出转换效率η与平均晶体粒径的平均值的关系的图表。
图11是示出曲线因子FF与平均晶体粒径的平均值的关系的图表。
图12是示出本发明的第1实施方式的应用例1的光电转换元件的概略结构的一例的剖视图。
图13是示出本发明的第1实施方式的应用例2的光电转换元件的概略结构的一例的剖视图。
图14是示出本发明的第1实施方式的应用例3的光电转换元件的概略结构的一例的剖视图。
图15是示出本发明的第2实施方式的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图16A是用于说明图15所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的背面侧形成了n型扩散层的状态的剖视图。
图16B是用于说明图15所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的背面形成了绝缘膜的状态的剖视图。
图16C是用于说明图15所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的正面侧形成了p型扩散层的状态的剖视图。
图16D是用于说明图15所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的受光面形成了非晶态膜的状态的剖视图。
图16E是用于说明图15所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在钝化膜上形成了非晶态膜的状态的剖视图。
图16F是用于说明图15所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出形成了金属膜的状态的剖视图。
图16G是用于说明图15所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出形成了电极的状态的剖视图。
图17是示出本发明的第2实施方式的应用例的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图18是示出本发明的第3实施方式的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图19A是用于说明图18所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的背面侧形成了n型扩散层的状态的剖视图。
图19B是用于说明图18所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的正面侧形成了p型扩散层的状态的剖视图。
图19C是用于说明图18所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的正面形成了非晶态膜的状态的剖视图。
图19D是用于说明图18所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出在硅基板的背面形成了非晶态膜的状态的剖视图。
图19E是用于说明图18所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出形成了金属膜的状态的剖视图。
图19F是用于说明图18所示的光电转换元件的制造方法的剖视图，是示出形成了电极的状态的剖视图。
图20是示出本发明的第3实施方式的应用例1的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图21是示出本发明的第3实施方式的应用例2的光电转换元件的概略结构的剖视图。
图22是示出具备本实施方式的光电转换元件的光电转换模块的结构的概略图。
图23是示出具备本实施方式的光电转换元件的太阳光发电系统的结构的概略图。
图24是示出图23所示的光电转换模块阵列的结构的概略图。
图25是示出具备本实施方式的光电转换元件的太阳光发电系统的结构的概略图。
具体实施方式
本发明的实施方式的光电转换元件具备半导体基板、第1半导体层、第2半导体层、第1电极和第2电极。第1半导体层具有第1导电类型。第2半导体层具有与第1导电类型相反的第2导电类型。第1 电极形成于第1半导体层上。第2电极形成于第2半导体层上。第1 电极包括第1透明导电层和第1金属层。第1透明导电层形成于第1 半导体层上。第1金属层形成于第1透明导电层上。第1金属层包括第1金属层的面内方向上的平均晶体粒径大于第1金属层的厚度的多个金属晶粒。
在第1方式中，能够降低第1半导体层与形成于第1半导体层上的第1电极的接触电阻。其结果是，能够提高光电转换元件的元件特性。
另外，第1电极为依次层叠第1透明导电层与第1金属层而成的构造。因此，当在半导体基板的背面侧配置第1电极的情况下，半导体基板的背面侧的反射率变大。其结果，短路光电流增加。因此，能够提高光电转换元件的元件特性。
本发明的第2方式的光电转换元件在第1方式的光电转换元件中，第1金属层将银作为主要成分。
在第2方式中，能够降低第1金属层自身的电阻。另外，在第1 电极形成于半导体基板的与光入射侧相反一侧的背面的情况下，通过有效地反射到达背面的光来提高转换效率。
本发明的第3方式的光电转换元件在第1或第2方式的光电转换元件中，第1半导体层以及第2半导体层形成于半导体基板的与受光面相反一侧的背面。
在第3方式中，在背面电极型的光电转换元件中，能够提高元件特性。
本发明的第4方式的光电转换元件在第1～第3方式中的任一方式的光电转换元件中，金属晶粒的与半导体基板的厚度方向平行的晶体轴择优取向于<111>方向。
在第4方式中，能够抑制第1电极与第1半导体层的接触电阻变高。
本发明的第5方式的光电转换元件在第1～第4方式中的任一方式的光电转换元件中，第1导电类型是n型。平均晶体粒径低于第1 金属层的厚度的3.33倍。
在第5方式中，能够抑制第1电极与第1半导体层的接触电阻变高。
本发明的第6方式的光电转换元件在第1～第4方式中的任一方式的光电转换元件中，第1导电类型是n型。平均晶体粒径为第1金属层的厚度的2.85倍以下。
在第6方式中，能够进一步地抑制第1电极与第1半导体层的接触电阻变高。
本发明的第7方式的光电转换元件在第1～第4方式中的任一方式的光电转换元件中，第1导电类型是n型。平均晶体粒径为第1金属层的厚度的1.55倍以上且2.85倍以下。
在第7方式中，能够进一步地抑制第1电极与第1半导体层的接触电阻变高。
本发明的第8方式的光电转换元件在第1～第4方式中的任一方式的光电转换元件中，第1导电类型是p型。平均晶体粒径为第1金属层的厚度的3.3倍以下。
在第8方式中，能够抑制第1电极与第1半导体层的接触电阻变高。
本发明的第9方式的光电转换元件在第1～第4方式中的任一方式的光电转换元件中，第1导电类型是p型。平均晶体粒径为第1金属层的厚度的1.03倍以上且2.95倍以下。
在第9方式中，能够进一步地抑制第1电极与第1半导体层的接触电阻变高。
本发明的第10方式的光电转换元件在第1～第4方式中的任一方式的光电转换元件中，第1导电类型是p型。平均晶体粒径为第1金属层的厚度的1.53倍以上且2.15倍以下。
在第10方式中，能够进一步地抑制第1电极与第1半导体层的接触电阻变高。
本发明的第11方式的光电转换元件在第1～第4方式中的任一方式的光电转换元件中，第2电极包括形成于第2半导体层上的第2透明导电层以及形成于第2透明导电层上的第2金属层。第2金属层包括多个金属晶粒。第2电极与第2半导体层的接触面积为第1电极与第1半导体层的接触面积的1倍以上。第1金属层中的金属晶粒的平均晶体粒径与第2金属层中的金属晶粒的平均晶体粒径的平均值为第1 金属层以及第2金属层的厚度的1.03倍以上且2.15倍以下。
在第11方式中，能够提高元件特性。
本发明的第12方式的光电转换元件在第1方式的光电转换元件中，第1半导体层形成于半导体基板上，包括第1导电类型的非晶态半导体。在半导体基板与第1半导体层之间，形成包括本征非晶态半导体的第3半导体层。
在第12方式中，与在半导体基板上直接形成第1半导体层的情况相比，半导体基板的背面的钝化性提高。
本发明的第13方式的光电转换元件在第12方式的光电转换元件中，本征非晶态半导体是氢化非晶硅。
在第13方式中，半导体基板的背面的钝化性进一步提高。
本发明的第14方式的光电转换元件在第12方式的光电转换元件中，第1导电类型的非晶态半导体是氢化非晶硅。
在第14方式中，能够抑制第1电极与第1半导体层的接触界面的劣化。
本发明的第15方式的光电转换元件在第1方式的光电转换元件中，第2电极包括第2透明导电层和第2金属层。第2透明导电层形成于第2半导体层上。第2金属层形成于第2透明导电层上。第2金属层包括在第2金属层的面内方向上的平均晶体粒径大于第2金属层的厚度的多个金属晶粒。
在第15方式中，能够降低第2半导体层与形成于第2半导体层上的第2电极的接触电阻。其结果是，能够进一步提高光电转换元件的元件特性。
本发明的第16方式的光电转换元件在第15方式的光电转换元件中，第2半导体层与半导体基板相接地形成，包括第2导电类型的非晶态半导体。在半导体基板与第2半导体层之间，形成包括本征非晶态半导体的第4半导体层。
在第16方式中，与在半导体基板上直接形成第2半导体层的情况相比，半导体基板的背面的钝化性提高。
本发明的第17方式的光电转换元件在第16方式的光电转换元件中，本征非晶态半导体是氢化非晶硅。
在第17方式中，半导体基板的背面的钝化性进一步提高。
本发明的第18方式的光电转换元件在第16方式的光电转换元件中，第2导电类型的非晶态半导体是氢化非晶硅。
在第18方式中，能够抑制第2电极与第2半导体层的接触界面的劣化。
本发明的第1方式的光电转换模块包括本发明的第1～第18方式中的任一方式的光电转换元件。
在第1方式中，能够提高光电转换模块的性能。
本发明的第1方式的光电转换系统包括本发明的第1方式的光电转换模块。
在第1方式中，能够提高光电转换系统的性能。
以下，参照附图，说明本发明的更具体的实施方式。在图中对相同或者相当部分附加相同标号而不重复其说明。
[第1实施方式]
在图1中，示出本发明的第1实施方式的光电转换元件10。光电转换元件10是背面电极型的太阳能电池。
光电转换元件10具备硅基板12、钝化膜14、防反射膜16、本征非晶态硅层18、19、n型非晶态硅层20n、p型非晶态硅层20p、电极 22n及电极22p。
硅基板12是n型的单晶硅基板。硅基板12的厚度例如是50～ 300μm。硅基板12的电阻率例如是1.0～10.0Ω·cm。此外，代替n型单晶硅基板，也可以使用n型多晶硅基板、n单晶锗、n型单晶硅锗等，一般来说也可以使用半导体基板。也可以代替n型而使用p型。
在硅基板12的受光面，虽然未图示，但形成有纹理构造。由此，能够束缚入射到硅基板12的光，提高光的利用效率。
优选硅基板12的面取向是(100)。由此，容易形成纹理构造。
硅基板12的受光面被钝化膜14覆盖。钝化膜14例如是氢化非晶硅膜。钝化膜14的膜厚例如是3～30nm。此外，作为钝化膜14，也可以代替氢化非晶硅膜而使用氮化硅膜、氧化硅膜、氧氮化硅膜等。
防反射膜16覆盖钝化膜14。防反射膜16例如是硅氮化膜。防反射膜16的膜厚例如是50～200nm。
在硅基板12的背面上，形成有本征非晶态硅层18、19。本征非晶态硅18、19例如由i型的氢化非晶硅(a-Si:H)构成。本征非晶态硅层18形成于硅基板12的背面的一部分。本征非晶态硅层19在硅基板 12的背面与本征非晶态硅层18相邻地形成。即，本征非晶态硅层18、 19在硅基板12的整个背面交替地形成。本征非晶态硅层18、19的厚度例如是10nm。在图1所示的例子中，本征非晶态硅层19与本征非晶态硅层18相邻地形成，但例如也可以形成于未在硅基板12的背面形成本征非晶态硅层18的区域的一部分。另外，本征非晶态硅层18、19既可以仅由非晶相构成，也可以由微晶相与非晶相构成。
在本征非晶态硅层18上，形成有n型非晶态硅层20n。n型非晶态硅层20n由包含n型杂质(例如，磷)的氢化非晶硅(a-Si:H(n)) 构成。n型非晶态硅层20n的厚度例如是10nm。n型非晶态硅层20n 的杂质浓度例如是1×1019cm-3～1×1021cm-3。n型非晶态硅层20n既可以仅由非晶相构成，也可以由微晶相与非晶相构成。由微晶相与非晶相构成的情况下的一例是例如n型微晶硅。
在本征非晶态硅层19上，形成有p型非晶态硅层20p。p型非晶态硅层20p由包含p型杂质(例如，硼)的氢化非晶硅(a-Si:H(p)) 构成。p型非晶态硅层20p的厚度例如是10nm。p型非晶态硅层20p 的杂质浓度例如是1×1019cm-3～1×1021cm-3。p型非晶态硅层20p既可以仅由非晶相构成，也可以由微晶相与非晶相构成。由微晶相与非晶相构成的情况下的一例是例如p型微晶硅。在图1所示的例子中，n型非晶态硅层20n与p型非晶态硅层20p相邻地形成，但不一定必须相邻，例如，n型非晶态硅层20n也可以形成于非晶态硅层18上的至少一部分，另外，p型非晶态硅层20p也可以形成于非晶态硅层19上的至少一部分。
在硅基板12的面内方向上，优选n型非晶态硅层20n的宽度尺寸小于p型非晶态硅层20p的宽度尺寸。p型非晶态硅层20p的面积相对于n型非晶态硅层20n的面积与p型非晶态硅层20p的面积之和的比例(p型非晶态硅层20p的面积率)越高，则通过光生成而得到的少数载流子(空穴)到达p型非晶态硅层20p为止必须移动的距离越减少。因此，到达p型非晶态硅层20p为止进行复合的空穴的数量减少，短路电流增加。因此，光电转换元件10的转换效率提高。优选的p型非晶态硅层20p的面积率是63～90％。
在硅基板12的背面，虽然未图示，但也可以形成有纹理构造。在这种情况下，在本征非晶态硅层18、19、n型非晶态硅层20n以及p 型非晶态硅层20p，形成与硅基板12的背面的纹理构造对应的凹凸。
在n型非晶态硅层20n上，形成有电极22n。电极22n包括透明导电层26n和金属层28n。透明导电层26n例如由ITO构成。透明导电层26n的厚度例如是0.1～20nm。金属层28n将银作为主要成分。金属层28n也可以包括银以外的金属(例如，钛等)。金属层28n的厚度例如是100～1000nm。
在p型非晶态硅层20p上，形成有电极22p。电极22p包括透明导电层26p和金属层28p。透明导电层26p例如由ITO构成。透明导电层26p的厚度例如是0.1～20nm。金属层28p将银作为主要成分。金属层28p也可以包括银以外的金属(例如，钛等)。金属层28p的厚度例如是100～1000nm。
此外，当在硅基板12的背面形成纹理构造的情况下，电极22n与 n型非晶态硅层20n的密合性以及电极22p与p型非晶态硅层20p的密合性提高。由此，光电转换元件10的成品率以及可靠性提高。进而，与硅基板12的背面平坦的情况相比，电极22n与n型非晶态硅层20n 的接触面积以及电极22p与p型非晶态硅层20p的接触面积变大，因此接触电阻降低。此外，从硅基板12的厚度方向观察，也可以在包括与电极22n重叠的区域的至少一部分的区域或者包括与电极22p重叠的区域的至少一部分的区域中的某一方形成纹理。
[光电转换元件的制造方法]
参照图2A～图2F，说明光电转换元件10的制造方法。
首先，如图2A所示，准备硅基板12。硅基板12在整个受光面具有纹理构造。形成纹理构造的方法例如是湿法蚀刻。通过在硅基板12 的整个受光面实施湿法蚀刻，在硅基板12的整个受光面形成纹理构造。湿法蚀刻例如使用碱溶液等来实施。湿法蚀刻的时间例如是10～60分。湿法蚀刻中使用的碱溶液例如是NaOH、KOH，其浓度例如是5％。
接下来，如图2B所示，在硅基板12的背面形成本征非晶态硅层 18、19，在本征非晶态半导体层18上形成n型非晶态半导体层20n，在本征非晶态半导体层19上形成p型非晶态半导体层20p。
本征非晶态硅层18、19能够通过例如等离子体CVD(化学气相沉积)而形成。在通过等离子体CVD形成的情况下，被导入到等离子体 CVD装置所具备的反应室的反应气体是硅烷气以及氢气。硅基板12 的温度例如是100～300℃。
接下来，在本征非晶态硅层18、19上形成p型非晶态硅层。p型非晶态硅层能够通过例如等离子体CVD而形成。在通过等离子体CVD 形成的情况下，被导入到等离子体CVD装置所具备的反应室的反应气体是硅烷气、氢气以及乙硼烷气。硅基板12的温度例如是100～300℃。
接下来，在p型非晶态硅层上形成作为掩模的被覆层。该被覆层例如通过对形成于p型非晶态硅层上的氮化硅膜进行成图而得到。也可以代替氮化硅膜而使用氧化硅膜或者氧氮化硅膜等。成图例如通过光刻法来实施。被覆层覆盖在本征非晶态硅层18、19上形成的p型非晶态硅层中的、以后成为p型非晶态硅层20p的部分、即在本征非晶态硅层19上形成的p型非晶态硅层。
接下来，去除形成于本征非晶态硅层18上的p型非晶态硅层。去除p型非晶态硅层的方法既可以是干法蚀刻，也可以是湿法蚀刻。由此，在本征非晶态硅层19上形成p型非晶态硅层20p。此时，在p型非晶态硅层20p上，形成有被覆层。
接下来，在本征非晶态硅层18上以及形成于p型非晶态硅层20p 上的被覆层上形成n型非晶态硅层。n型非晶态硅层能够通过例如等离子体CVD而形成。在通过等离子体CVD形成的情况下，被导入到等离子体CVD装置所具备的反应室的反应气体是硅烷气、氢气以及磷化氢气体。硅基板12的温度例如是100～300℃。
接下来，去除形成于p型非晶态硅层20p上的被覆层。由此，在本征非晶态硅层18上形成n型非晶态硅层20n。去除形成于p型非晶态硅层20p上的被覆层的方法例如是湿法蚀刻。
接下来，如图2C所示，在硅基板12的受光面上形成钝化膜14。钝化膜14例如通过等离子体CVD而形成。
接下来，如图2D所示，在钝化膜14上形成防反射膜16。防反射膜16例如通过利用等离子体CVD对例如氮化硅膜、氧化硅膜、氧氮化硅膜等进行成膜而形成。
接下来，如图2E所示，形成透明导电层26n、26p以及金属层21n、 21p。透明导电层26n、26p以及金属层21n、21p的形成方法例如如下所述。
首先，在n型非晶态硅层20n上以及p型非晶态硅层20p上，通过蒸镀或者溅射，形成由ITO构成的透明导电层以及由银构成的金属层。接下来，在金属膜上形成作为掩模的抗蚀剂图案。抗蚀剂图案通过对形成于金属膜上的抗蚀剂进行成图而得到。成图例如通过光刻以及蚀刻来实施。在从硅基板12的厚度方向观察的情况下，抗蚀剂图案不与n型非晶态硅层20n和p型非晶态硅层20p的边界重叠。
接下来，去除透明导电层以及金属层中的未被抗蚀剂图案覆盖的部分。去除透明导电层以及金属层的方法例如是湿法蚀刻。
接下来，去除抗蚀剂图案。由此，在n型非晶态硅层20n上形成透明导电层26n以及金属层21n，在p型非晶态硅层20p上形成透明导电层26p以及金属层21p。去除抗蚀剂图案的方法例如是湿法蚀刻。
接下来，如图2F所示，形成电极22n、22p。由此，得到作为目标的光电转换元件10。
电极22n、22p通过对金属膜21n、21p进行热处理而形成。热处理例如使用加热板来实施。热处理的时间例如是15分。热处理的温度优选为100℃～200℃。热处理例如在大气中实施。也可以在惰性气氛中或者真空中实施。热处理只要是在形成金属膜21n、21p之后，可以在任意工序中进行。例如也可以在制造模块时等进行热处理。另外，也可以在实施热处理等而生长了期望的尺寸的金属晶粒之后，在电极 22n以及电极22p之上，进一步地形成导电膜。在这种情况下，能够根据金属晶粒的分布的不连续性、组分的不连续性等来判断电极22n与导电膜以及电极22p与导电膜的边界。
[平均晶体粒径]
在光电转换元件10中，通过使金属层28n、28p中包括的多个金属晶粒的平均晶体粒径(以下简称为平均晶体粒径)大于金属层28n、 28p的厚度，能够提高元件特性。以下，针对这一点进行说明。此外，关于在实施热处理等而生长了期望的尺寸的金属晶粒之后在电极22n 以及电极22p之上进一步地形成导电膜的情况，形成有期望的尺寸的金属晶粒的金属层与该金属层的厚度的关系满足上述条件即可。
平均晶体粒径通过利用电子背散射衍射法(Electron Backscatter DiffractionPattern)对金属层28n、28p的正面进行解析而求出。金属层28n、28p包括多个金属晶粒。
平均晶体粒径是对各金属晶粒的晶体粒径与面积占有率之积进行平均而得到的。晶体粒径通过以下的式(1)来求出。
晶体粒径＝2×{(晶粒的面积)/π}1/2…(1)
式(1)中的“晶粒的面积”是使用电子背散射衍射法测定得到的。式(1)意味着将晶粒的面积假定为圆的面积并且将晶体粒径假定为圆的直径来进行计算。在求晶体粒径时，不将西格玛3(Σ3)的对应粒界作为粒界来处理。另外，在晶体取向的偏移是5度以内的情况下，视为同一晶粒。
面积占有率是通过将金属晶粒的面积除以测定区域的面积而得到的。在这里，金属晶粒的面积是指正投影到与硅基板12的厚度方向垂直的平面时的面积。测定区域是8μm×23μm。此外，设为不将包含测定区域的边界的金属晶粒包括在平均晶体粒径的计算中。
在从硅基板12的厚度方向观察的情况下，金属晶粒的晶体取向择优取向于<111>。在这种情况下，金属晶粒的晶体取向一致，因此透明导电层26n与金属层28n的界面处的金属晶粒的功函数以及透明导电层26p与金属层28p的界面处的金属晶粒的功函数的均匀性提高。其结果是，能够抑制接触电阻的偏差。另外，银的{110}面、{100}面、{111} 面的功函数分别是4.52eV、4.64eV、4.74eV，{111}面的功函数最大。因此，使金属晶粒的面取向择优取向于{111}，即相对于硅基板12的厚度方向而使金属晶粒的晶体取向择优取向于<111>，这特别具有降低 p型非晶态硅层20p与电极22p的接触电阻的效果。
当在150℃下对金属膜21n进行了15分钟的热处理的情况下，在相对于硅基板12的厚度方向的10度以内具有<111>方向的晶体取向的金属晶粒在金属层28n中所占的比例是49.2％。当在150℃下对金属膜 21p进行了15分钟的热处理的情况下，在相对于硅基板12的厚度方向的10度以内具有<111>方向的晶体取向的金属晶粒在金属层28p中所占的比例是48.8％。
在金属层28n的膜厚是0.4μm的情况下，多个金属晶粒中的、具有0.4μm以上的粒径的金属晶粒在金属层28n中所占的比例在热处理前是7.6％，在150℃下进行了15分钟的热处理之后是53.0％。在金属层28p的膜厚是0.4μm的情况下，多个金属晶粒中的、具有0.4μm以上的粒径的金属晶粒在金属层28p中所占的比例在热处理前是3.0％，在150℃下进行了15分钟的热处理之后是46.1％。
平均晶体粒径的大小依赖于对金属膜21n、21p进行热处理时的温度(以下简称为退火温度)。图3是示出平均晶体粒径与退火温度的关系的图表。在图3中，示出退火温度是25℃的情况下的平均晶体粒径。这意味着未进行热处理的状态下的平均晶体粒径。如图3所示，在金属层28n、28p中，如果退火温度变高，则平均晶体粒径变大。在这里，金属层28n、28p的厚度是0.4μm。即，通过对金属膜21n、21p 进行热处理，平均晶体粒径大于金属层28n、28p的厚度。
图4是示出平均晶体粒径与接触电阻的关系的图表。
关于接触电阻，制作图5所示的样品30，使用该样品30来进行测定。样品30具备硅基板32、电极34、非晶态硅层36和电极38。
关于电极22n与n型非晶态硅层20n的接触电阻，将电极34设为电极22n。在这种情况下，非晶态硅层36包含n型杂质，硅基板32是 n型硅基板。n型硅基板的电阻率为0.01Ω·cm以下。电极34的结构以及厚度与电极22n的结构以及厚度相同。非晶态硅层36的厚度以及杂质浓度与n型非晶态硅层20n相同。硅基板32的厚度是300μm。
关于电极22p与p型非晶态硅层20p的接触电阻，将电极34设为电极22p。在这种情况下，非晶态硅层36包含p型杂质，硅基板32是 p型硅基板。p型硅基板的电阻率为0.01Ω·cm以下。电极34的结构以及厚度与电极22p的结构以及厚度相同。非晶态硅层36的厚度以及杂质浓度与p型非晶态硅层20p相同。
在测定电极22n与n型非晶态硅层20n的接触电阻的情况下以及测定电极22p与p型非晶态硅层20p的接触电阻的情况下，电极38都是钛(Ti)、钯(Pd)以及银(Ag)的层叠构造。
如图4所示，如果金属层28n中的平均晶体粒径大于金属层28n 的厚度(0.4μm)，则n型非晶态硅层20n与电极22n的接触电阻小于未进行热处理的状态下的接触电阻。另外，如果金属层28n中的平均晶体粒径成为1.33μm以上，则n型非晶态硅层20n与电极22n的接触电阻大于未进行热处理的状态下的接触电阻(在金属层28n中的平均晶体粒径为1.14μm以下的情况下，n型非晶态硅层20n与电极22n的接触电阻小于未进行热处理的状态下的接触电阻)。因此，金属层28n 的平均晶体粒径优选为大于金属层28n的膜厚的1倍。金属层28n的平均晶体粒径更优选为大于金属层28n的膜厚的1倍并且低于3.33倍，进一步优选为大于1倍且为2.85倍以下，更进一步优选为1.55倍以上且2.85倍以下。具体地说，在金属层28n的厚度是0.4μm的情况下，金属层28n中的平均晶体粒径优选为大于0.4μm，更优选为大于0.4μm且低于1.33μm，进一步优选为大于0.4μm且为1.14μm以下，更进一步优选为0.62μm以上且1.14μm以下。在这种情况下，接触电阻变得非常低而元件特性提高。
在这里，作为由于平均晶体粒径变大而接触电阻变低的理由，例如，考虑以下的理由。
如图6所示，认为在作为金属晶粒24间的界面的晶界处存在高密度的界面能级。即，晶界越密，则越大程度地受到界面能级的影响。
在金属晶粒24小的情况下，界面能级变多。因此，如图7所示，在释放了电子的界面能级(带正电)与在透明导电层26n的正面被感应而得到的电子载流子(电子累积层)之间形成偶极子。其结果是，能量势垒变大，容易变成非欧姆的特性，接触电阻变高。此外，在图7中，为了以容易判断界面能级的影响的方式示出，记载为在透明导电层26n与金属层28n之间存在界面能级区域。
另一方面，在金属晶粒24大的情况下，晶界变少。因此，界面能级密度有效地减少。在这种情况下，如图8所示，以使得透明导电层 26n的费米能级与金属层28n的费米能级一致的方式，引起能带弯曲，在透明导电层26n中形成电子累积层。透明导电层26n与金属层28n 之间的能量势垒几乎不存在，因此变成欧姆特性，接触电阻变低。即，增大金属晶粒24的晶体粒径更能够降低接触电阻。如果金属层22n中的平均晶体粒径大于金属层22n的膜厚，则金属晶粒24间的晶界的大多数在金属层22n的膜厚方向上贯通，因此与透明导电层26n的界面附近的晶界密度变得非常小，界面能级密度变得非常小。因此，金属层22n中的平均晶体粒径优选为大于金属层22n的膜厚。同样地，金属层22p中的平均晶体粒径优选为大于金属层22p的膜厚。
作为由于平均晶体粒径变得过大而接触电阻变高的理由，例如，考虑以下的理由。即，如果平均晶体粒径变得过大，则金属层中的氧的扩散速度变快。由此，认为氧容易从外部侵入到金属层中，金属层被氧化而高电阻化，或者氧到达非晶态硅层而将非晶态硅层氧化，从而高电阻化等。
在图4中，如果金属层28p中的平均晶体粒径大于金属层28p的厚度的1.48倍(0.59μm)，则p型非晶态硅层20p与金属层28p的接触电阻大于未进行热处理的状态下的接触电阻。即，在金属层28p中的平均晶体粒径为金属层28p的厚度的1.03倍以上且低于1.48倍(0.41～0.59μm)的情况下，p型非晶态硅层20p与电极22p的接触电阻小于未进行热处理的状态下的接触电阻。
在金属层28p中的平均晶体粒径为金属层28p的厚度的1.03倍以上且低于1.48倍(0.41～0.59μm)的情况下接触电阻变低的理由被认为与金属层28n的情况相同。
图9是示出每1cm2光电转换元件面积的接触电阻(单电池电阻) 与平均晶体粒径的平均值的关系的图表。单电池电阻是在假定了电极 22n与n型非晶态硅层20n的接触面积和电极22p与p型非晶态硅层 20p的接触面积的比率时的光电转换元件10的接触电阻。平均晶体粒径的平均值是电极22n中的平均晶体粒径与电极22p中的平均晶体粒径的平均值。在图9中，说明中的n：p＝2：1、n：p＝1：1、n：p＝1：2 表示电极22n和n型非晶态硅层20n的接触面积与电极22p和p型非晶态硅层20p的接触面积之比分别是2：1、1：1、1：2。
在将电极22n与n型非晶态硅层20n的接触面积设为1、将电极 22p与p型非晶态硅层20p的接触面积设为N的情况下，通过以下的式(2)来求出单电池电阻。
单电池电阻＝{(电极22n和n型非晶态硅层20n的接触电阻)× (1+N)}+{(电极22p和p型非晶态硅层20p的接触电阻)×(1+N) /N}··(2)
如图9所示，在电极22p与p型非晶态硅层20p的接触面积为电极22n与n型非晶态硅层20n的接触面积的1倍以上、平均晶体粒径的平均值为0.41μm以上且0.86μm以下的情况下，与未进行热处理的状态下的单电池电阻相比变低。因此，平均晶体粒径的平均值优选为金属层28n的厚度以及金属层29n的厚度的1.03倍以上且2.15倍以下。
图10是示出转换效率η与平均晶体粒径的平均值的关系的图表。转换效率η以未进行热处理的状态下的转换效率η为基准进行标准化。平均晶体粒径的平均值是对金属层28n中包括的多个金属晶粒的平均晶体粒径和金属层28p中包括的多个金属晶粒的平均晶体粒径进行平均而得到的。
图11是示出曲线因子FF与平均晶体粒径的平均值的关系的图表。曲线因子FF以未进行热处理的状态下的曲线因子FF为基准进行标准化。平均晶体粒径的平均值是对金属层28n中包括的多个金属晶粒的平均晶体粒径和金属层28p中包括的多个金属晶粒的平均晶体粒径进行平均而得到的。
图10以及图11示出金属层28n、28p的厚度是0.4μm并且电极 22p与p型非晶态硅层20p的接触面积是电极22n与n型非晶态硅层 20n的接触面积的3倍的情况下的测定结果。如图10以及如图11所示，在平均晶体粒径的平均值大于金属层28n、28p的厚度的情况下，元件特性(具体地说，是转换效率η以及曲线因子FF)提高。特别是，曲线因子FF提高是由于通过进行热处理，n型非晶态硅层20n与电极22n 的接触电阻以及p型非晶态硅层20p与电极22p的接触电阻变低。即，在光电转换元件10中，能够减小n型非晶态硅层20n与电极22n的接触电阻以及p型非晶态硅层20p与电极22p的接触电阻，因此能够提高曲线因子FF。其结果是，能够提高转换效率η。
平均晶体粒径的平均值优选为大于金属层28n、28p的厚度并且为金属层28n、28p的厚度的3.3倍以下。平均晶体粒径的平均值进一步优选为金属层28n、28p的厚度的1.03倍以上且金属层28n、28p的厚度的3.3倍以下。具体地说，在金属层28n、28p的厚度是0.4μm的情况下，平均晶体粒径的平均值优选为0.41μm以上且1.32μm以下。在这种情况下，如图10以及如图11所示，元件特性进一步提高。
平均晶体粒径的平均值更进一步优选为金属层28n、28p的厚度的 1.03倍以上且金属层28n、28p的厚度的2.95倍以下。具体地说，在金属层28n、28p的厚度是0.4μm的情况下，平均晶体粒径的平均值为 0.41μm以上且1.18μm以下。在这种情况下，如图10以及如图11所示，元件特性进一步提高。
平均晶体粒径的平均值更优选为金属层28n、28p的厚度的1.53 倍以上且电极22n、22p的厚度的2.15倍以下。具体地说，在金属层 28n、28p的厚度是0.4μm的情况下，平均晶体粒径的平均值更优选为 0.61μm以上且0.86μm以下。在这种情况下，如图10以及如图11所示，元件特性进一步提高。
[第1实施方式的应用例1～3]
本发明的第1实施方式的光电转换元件也可以是图12～图14所示的那样的结构。
图12是示出本发明的第1实施方式的应用例1的光电转换元件 10A的概略结构的一例的剖视图。如图12所示，光电转换元件10A与光电转换元件10相比，不具备本征非晶态硅层18。
在制造光电转换元件10A时，例如，在硅基板12的背面上依次形成本征非晶态硅层与p型非晶态硅层。接下来，去除p型非晶态硅层中的、以后成为p型非晶态硅层20p的部分以外的部分，并且还去除本征非晶态硅层中的、以后成为本征非晶态硅层19的部分以外的部分。接下来，在形成于p型非晶态硅层20p上的抗蚀剂图案上以及硅基板 12的背面上，形成n型非晶态硅层。接下来，去除形成于p型非晶态硅层20p上的抗蚀剂图案。由此，在硅基板12的背面上，形成本征非晶态硅层19和p型非晶态硅层20p以及n型非晶态硅层20n。
图13是示出本发明的第1实施方式的应用例2的光电转换元件 10B的概略结构的一例的剖视图。如图13所示，光电转换元件10B与光电转换元件10相比，不具备本征非晶态硅层19。
在制造光电转换元件10B时，例如，在硅基板12的背面上依次形成本征非晶态硅层、n型非晶态硅层与被覆层。接下来，利用光刻法等，对被覆层、n型非晶态硅层与本征非晶态硅层进行成图，使硅基板12 的一部分露出，并且形成n型非晶态硅层20n与本征非晶态硅层18。此时，在n型非晶态硅层20n上，形成有被覆层。接下来，在形成于n 型非晶态硅层20n上的被覆层上以及硅基板12的背面上，形成p型非晶态硅层。接下来，去除形成于n型非晶态硅层20n上的被覆层。由此，在硅基板12的背面上形成本征非晶态硅层18和p型非晶态硅层20p，在本征非晶态硅层18上形成n型非晶态硅层20n。
图14是示出本发明的第1实施方式的应用例3的光电转换元件 10C的概略结构的一例的剖视图。如图14所示，光电转换元件10C与光电转换元件10相比，不具备本征非晶态硅层18、19。
在制造光电转换元件10C时，例如，在硅基板12的背面上依次形成n型非晶态硅层与被覆层。接下来，对被覆层与n型硅层进行成图，使硅基板12的一部分露出，并且形成n型非晶态硅层20n。此时，在 n型非晶态硅层20n上，形成有被覆层。接下来，在形成于n型非晶态硅层20n上的被覆层上以及硅基板12的背面上，形成p型非晶态硅层。接下来，去除形成于n型非晶态硅层20n上的被覆层。由此，在硅基板12的背面上，形成n型非晶态硅层20n和p型非晶态硅层20p。
[第2实施方式]
图15是示出本发明的第2实施方式的光电转换元件50的结构的剖视图。光电转换元件50包括硅基板52、非晶态膜54、非晶态膜56、电极58、绝缘膜60和电极62。
硅基板52是n型单晶硅基板。硅基板52包括p型扩散层64p和 n型扩散层64n。
在p型扩散层64p中，作为p型的杂质，例如包括硼(B)。硼(B) 的最大浓度例如是1×1018cm-3～1×1020cm-3。p型扩散层64p具有例如 50～1000nm的厚度。
n型扩散层64n与硅基板52的和光入射侧的正面相反一侧的背面相接地以期望的间隔在硅基板52的面内方向上配置。在n型扩散层64n 中，作为n型的杂质，例如包括磷(P)。磷(P)的最大浓度例如是 1×1018cm-3～1×1020cm-3。n型扩散层64n具有例如50～1000nm的厚度。
关于硅基板52的其他说明与硅基板12的说明相同。
非晶态膜54与硅基板52的光入射侧的正面相接地配置。非晶态膜54至少包括非晶相，例如由a-Si:H构成。非晶态膜54的膜厚例如是1～20nm。
非晶态膜56与非晶态膜54相接地配置。非晶态膜54至少包括非晶相，例如由氮化硅构成。非晶态膜56的膜厚例如是50～200nm。
电极58贯通非晶态膜54以及非晶态膜56而与硅基板52的p型扩散层64p相接，并且配置于非晶态膜56上。电极58包括透明导电层58A和金属层58B。透明导电层58A与p型扩散层64p相接。透明导电层58A例如由ITO构成。透明导电层58A的厚度例如是0.1～ 20nm。金属层58B与透明导电层58A相接。金属层58B将银作为主要成分。金属层58B也可以包括银以外的金属。金属层58B的厚度例如是100～1000nm。
绝缘膜60与硅基板52的背面相接地配置。绝缘膜60例如由氧化硅、氮化硅、氧氮化硅以及氧化铝等构成。绝缘膜60具有例如50～ 1000nm的厚度。
电极62配置成贯通绝缘膜60而与硅基板52的n型扩散层64n相接，并且覆盖绝缘膜60。电极62包括透明导电层62A和金属层62B。透明导电层62A与n型扩散层64n相接。透明导电层62A例如由ITO 构成。透明导电层62A的厚度例如是0.1～20nm。金属层62B与透明导电层62A相接。金属层62B将银作为主要成分。金属层62B也可以包括银以外的金属。金属层62B的厚度例如是100～1000nm。
[光电转换元件的制造方法]
参照图16A～图16G，说明光电转换元件50的制造方法。
首先，如图16A所示，在硅基板52处形成n型扩散层64n。具体地说，首先，准备硅基板52。接下来，在硅基板52的背面涂敷抗蚀剂。接下来，通过光刻法对抗蚀剂进行成图，形成抗蚀剂图案。接下来，将抗蚀剂图案作为掩模而将P以及砷(As)等n型杂质离子注入到硅基板52。由此，在硅基板52的背面侧形成n型扩散层64n。此外，也可以在离子注入后，进行用于使n型杂质电活化的热处理。也可以代替离子注入法而使用气相扩散法、固相扩散法、等离子体掺杂法、离子掺杂法等。
接下来，如图16B所示，在硅基板52的整个背面形成绝缘膜60。绝缘膜60例如通过等离子体CVD法而形成。此外，绝缘膜60也可以通过ALD(Atomic Layer Deposition，原子层沉积)法以及热CVD法等而形成。
接下来，如图16C所示，在硅基板52处形成p型扩散层64p。具体地说，将B、镓(Ga)以及铟(In)等p型杂质从光入射侧离子注入到硅基板52。由此，在硅基板52的光入射侧形成p型扩散层64p。此外，也可以在离子注入后，进行用于使p型杂质电活化的热处理。另外，不限于离子注入，也可以通过气相扩散法以及固相扩散法等而形成p型扩散层64p。也可以代替离子注入法而使用气相扩散法、固相扩散法、等离子体掺杂法、离子掺杂法等。
接下来，如图16D所示，在硅基板52的受光面上形成非晶态膜 54。非晶态膜54例如通过等离子体CVD而形成。
接下来，如图16E所示，在非晶态膜54上形成非晶态膜56。非晶态膜56例如通过等离子体CVD而形成。
接下来，如图16F所示，形成透明导电层58A、62A以及金属层581B、621B。透明导电层58A、62A以及金属层581B、621B的形成方法例如如下所述。
首先，在非晶态膜56的整个面涂敷抗蚀剂。接下来，通过光刻法对抗蚀剂进行成图，形成抗蚀剂图案。接下来，将抗蚀剂图案作为掩模而使用氢氟酸与硝酸的混合液等来蚀刻非晶态膜56以及非晶态膜54 的一部分。接下来，去除抗蚀剂图案。由此，使p型扩散层64p的一部分露出。接下来，使用蒸镀法以及溅射法等，形成透明导电层以及金属层。接下来，对透明导电层以及金属层进行成图。由此，形成透明导电层58A以及金属层581B。
接下来，在绝缘膜60的整个面涂敷抗蚀剂。接下来，通过光刻法对抗蚀剂进行成图，形成抗蚀剂图案。接下来，将抗蚀剂图案作为掩模，使用氢氟酸等，蚀刻绝缘膜60的一部分，去除抗蚀剂图案。由此，使硅基板52的n型扩散层64n的一部分露出。
接下来，使用蒸镀法或者溅射法等，形成透明导电层62A以及金属层621B。
接下来，对金属层581B、621B进行热处理，形成电极58、62。热处理与第1实施方式同样地进行。由此，如图16G所示，得到光电转换元件50。
在光电转换元件50中，也与光电转换元件10同样地，元件特性提高。
另外，在光电转换元件50中，通过设置于硅基板52整个正面的 p型扩散层64p，在硅基板52的整个受光面侧形成耗尽层，并且通过p 型扩散层64p而得到横向的高的载流子传导，能够高效地分离通过光而生成的电子·空穴对。进而，能够通过设置于硅基板52正面的非晶态膜54(例如i型a-Si:H)而得到高的钝化效果。在作为非晶态膜54 而使用a-Si:H的情况下，通过高温处理(例如300℃以上)会使钝化性能降低，但在光电转换元件50中，能够在250℃以下的低温工艺中得到低的接触电阻。
此外，光电转换元件50也可以代替p型扩散层64p而具备n型扩散层，代替n型扩散层64n而具备p型扩散层。另外，在光电转换元件50中，硅基板52的导电类型也可以是p型。
[第2实施方式的应用例]
图17是示出第2实施方式的应用例的光电转换元件50A的概略结构的剖视图。光电转换元件50A与光电转换元件50相比，代替非晶态膜54而具备非晶态膜70以及非晶态膜72。另外，光电转换元件50A 与光电转换元件50相比，代替电极58而具备电极76。
非晶态膜70至少包括非晶相，例如由a-Si构成。非晶态膜70优选由i型a-Si构成，但也可以包含浓度比非晶态膜72中包含的p型杂质的浓度低的p型杂质。非晶态膜70例如具有5nm～20nm的膜厚。非晶态膜70与硅基板50的p型扩散层64p相接地配置于p型扩散层 64p上，使硅基板52钝化。
非晶态膜72至少包括非晶相，例如由p型a-Si:H构成。非晶态膜 72例如具有1～30nm的膜厚。非晶态膜72与非晶态膜70相接地配置于非晶态膜70上。
电极76贯通非晶态膜56而与非晶态膜72相接，配置于非晶态膜 56上。电极76包括透明导电层76A和金属层76B。透明导电层76A 与非晶态膜72相接。透明导电层76A例如由ITO构成。透明导电层 76A的厚度例如是0.1～20nm。金属层76B与透明导电层76A相接。金属层76B将银作为主要成分。金属层76B也可以包括银以外的金属。金属层76B的厚度例如是100～1000nm。
在光电转换元件50A中，电极76不直接与硅基板52相接，硅基板52正面被非晶态膜70包覆，因此与光电转换元件50相比，能够得到更加良好的钝化特性。其结果是，能够进一步提高光电转换效率。
光电转换元件50A的制造方法将光电转换元件50的制造方法中的形成非晶态膜54的工序变更为形成非晶态膜70以及非晶态膜72的工序，并且将形成电极58的工序变更为形成电极76的工序即可。
此外，光电转换元件50A也可以不具备非晶态膜70。在光电转换元件50A中，也可以将p型扩散层64p替换成n型扩散层，将n型扩散层64n替换成p型扩散层，将非晶态膜72替换成由n型a-Si:H构成的膜。也可以将硅基板52的导电类型变更为p型。
[第3实施方式]
图18是示出本发明的第3实施方式的光电转换元件80的概略结构的剖视图。光电转换元件80是将光电转换元件50的硅基板52替换成硅基板82、将绝缘膜60替换成非晶态膜84、86、将电极62替换成电极88而成的。除此之外，与光电转换元件50相同。
硅基板82是将硅基板52的n型扩散层64n替换成n型扩散层90n 而成的。除此之外，与硅基板52相同。
n型扩散层90n与硅基板82的和光入射侧相反一侧的整个背面相接地配置于硅基板82中。n型扩散层90n具有与n型扩散层64n相同的厚度，并且包括浓度与n型扩散层64n的n型杂质相同的n型杂质。
非晶态薄膜84至少包括非晶相，例如由i型a-Si:H或者n型a-Si:H 构成。另外，非晶态薄膜84的膜厚例如是1～20nm。非晶态薄膜84 与硅基板82的和光入射侧相反一侧的背面相接地配置于硅基板82上。
非晶态薄膜86至少包括非晶相，例如由氮化硅构成。另外，非晶态薄膜86的膜厚例如是50～200nm。
电极88贯通非晶态薄膜84、86而与n型扩散层90n相接，配置于非晶态薄膜86上。电极88包括透明导电层88A和金属层88B。透明导电层88A与n型扩散层90n相接。透明导电层88A例如由ITO构成。透明导电层88A的厚度例如是0.1～20nm。金属层88B与透明导电层88A相接。金属层88B将银作为主要成分。金属层88B也可以包括银以外的金属。金属层88B的厚度例如是100～1000nm。
在光电转换元件80中，硅基板82的光入射侧的正面通过非晶态薄膜54而被钝化，硅基板82的背面通过非晶态薄膜84而被钝化。由此，得到高的光电转换效率。此外，也可以从硅基板82的背面侧入射光。
[光电转换元件的制造方法]
参照图19A～19F，说明光电转换元件80的制造方法。
首先，如图19A所示，在硅基板82处形成n型扩散层90n。具体地说，将P以及砷(As)等n型杂质离子注入到硅基板82，在硅基板 82的背面侧形成n型扩散层90n。此外，也可以在离子注入后，进行用于使n型杂质电活化的热处理。也可以代替离子注入法而使用气相扩散法、固相扩散法、等离子体掺杂法、离子掺杂法等。
接下来，如图19B所示，在硅基板82处形成p型扩散层64p。具体地说，将B、镓(Ga)以及铟(In)等p型杂质从光入射侧离子注入到硅基板82。由此，在硅基板82的光入射侧形成p型扩散层64p。此外，也可以在离子注入后，进行用于使p型杂质电活化的热处理。另外，不限于离子注入，也可以通过气相扩散法以及固相扩散法等形成p 型扩散层64p。
接下来，如图19C所示，在硅基板82的受光面上形成非晶态膜 54、56。非晶态膜54、56例如通过等离子体CVD而形成。
接下来，如图19D所示，在硅基板82的背面依次层叠非晶态薄膜 84、86。非晶态膜84、86例如通过等离子体CVD而形成。
接下来，如图19E所示，形成透明导电层58A、88A以及金属层 581B、881B。透明导电层58A、88A以及金属层581B、881B的形成方法例如如下所述。
首先，在非晶态膜56的整个面涂敷抗蚀剂。接下来，通过光刻法对抗蚀剂进行成图，形成抗蚀剂图案。接下来，将抗蚀剂图案作为掩模而蚀刻非晶态膜56以及非晶态膜54的一部分。接下来，去除抗蚀剂图案。由此，使p型扩散层64p的一部分露出。接下来，使用蒸镀法以及溅射法等，形成透明导电层以及金属层。接下来，对透明导电层以及金属层进行成图。由此，形成透明导电层58A以及金属层581B。
接下来，在非晶态膜86的整个面涂敷抗蚀剂。接下来，通过光刻法对抗蚀剂进行成图，形成抗蚀剂图案。接下来，将抗蚀剂图案作为掩模而蚀刻非晶态膜86的一部分，去除抗蚀剂图案。由此，使硅基板 82的n型扩散层64n的一部分露出。
接下来，使用蒸镀法以及溅射法等，形成透明导电层以及金属层。接下来，对透明导电层以及金属层进行成图。由此，形成透明导电层 88A以及金属层881B。
接下来，对金属层581B、881B进行热处理，形成电极58、88。热处理与第1实施方式同样地进行。由此，如图19F所示，得到光电转换元件80。
在光电转换元件80中，也与光电转换元件10同样地，元件特性提高。
此外，在光电转换元件80中，也可以将p型扩散层64p替换成n 型扩散层，将n型扩散层90n替换成p型扩散层。在这种情况下，非晶态薄膜54由i型a-Si:H或者n型a-Si:H构成，非晶态薄膜84由i 型a-Si:H或者p型a-Si:H构成。
[第3实施方式的应用例1]
图20是示出第3实施方式的应用例1的光电转换元件80A的概略结构的纵剖视图。光电转换元件80A与光电转换元件80相比，代替非晶态膜54而具备非晶态膜70以及非晶态膜72。代替非晶态膜84而具备非晶态膜94以及非晶态膜96。代替电极58而具备电极76。代替电极88而具备电极98。
非晶态薄膜94至少包括非晶相，例如由i型a-Si:H或者n型a-Si:H 构成。非晶态薄膜94与硅基板82的背面相接地配置于硅基板82的背面上。
非晶态薄膜96至少包括非晶相，例如由n型a-Si构成。非晶态薄膜96与非晶态薄膜94相接地配置于非晶态薄膜941上。
电极98贯通非晶态薄膜86而与非晶态薄膜96相接，配置于非晶态薄膜86上。电极98包括透明导电层98A和金属层98B。透明导电层98A与非晶态薄膜96相接。透明导电层98A例如由ITO构成。透明导电层98A的厚度例如是0.1～20nm。金属层98B与透明导电层98A 相接。金属层98B将银作为主要成分。金属层98B也可以包括银以外的金属。金属层98B的厚度例如是100～1000nm。
光电转换元件80A的制造方法将光电转换元件80的制造方法中的形成非晶态膜54的工序变更为形成非晶态膜70以及非晶态膜72的工序，将形成非晶态膜84的工序变更为形成非晶态膜94以及非晶态膜 96的工序，将形成电极58的工序变更为形成电极76的工序，将形成电极88的工序变更为形成电极98的工序即可。
在光电转换元件80A的结构中，在电极76与硅基板82之间，形成非晶态膜70、72，在电极98与硅基板82之间，形成非晶态膜94、 96，因此与光电转换元件80相比，得到更高的钝化效果。
此外，光电转换元件80A也可以不具备非晶态膜70、94。在光电转换元件80A中，也可以将p型扩散层64p替换成n型扩散层，将n 型扩散层90n替换成p型扩散层，将非晶态膜72替换成由n型a-Si:H 构成的膜，将非晶态膜96替换成由p型a-Si:H构成的膜。也可以将硅基板82的导电类型变更为p型。
[第3实施方式的应用例2]
图21是示出第3实施方式的应用例2的光电转换元件80B的概略结构的纵剖视图。光电转换元件80B与光电转换元件80相比，代替非晶态膜54而具备非晶态膜70以及非晶态膜72。代替电极58而具备电极76。
光电转换元件80B的制造方法将光电转换元件80的制造方法中的形成非晶态膜54的工序变更为形成非晶态膜70以及非晶态膜72的工序，将形成电极58的工序变更为形成电极76的工序即可。
此外，光电转换元件80B也可以不具备非晶态膜70。在光电转换元件80B中，也可以将p型扩散层64p替换成n型扩散层，将n型扩散层90n替换成p型扩散层，将非晶态膜72替换成由n型a-Si:H构成的膜。也可以将硅基板82的导电类型变更为p型。
[第4实施方式]
图22是示出具备本实施方式的光电转换元件的光电转换模块的结构的概略图。参照图22，光电转换模块1000具备多个光电转换元件 1001、盖1002和输出端子1003、1004。
多个光电转换元件1001阵列状地配置并且串联连接。也可以代替串联连接而进行并联连接或者组合了串联和并联的连接。多个光电转换元件1001分别由光电转换元件10、10A、10B、10C、50、50A、80、 80A、80B中的某一个构成。
盖1002由抗老化性的盖构成，覆盖多个光电转换元件1001。
输出端子1003与配置于串联连接的多个光电转换元件1001的一端的光电转换元件1001连接。
输出端子1004与配置于串联连接的多个光电转换元件1001的另一端的光电转换元件1001连接。
如上所述，光电转换元件10、10A、10B、10C、50、50A、80、 80A、80B的元件特性提高。因此，能够提高光电转换模块1000的性能。
此外，第4实施方式的光电转换模块不限于图22所示的结构，只要是使用光电转换元件10、10A、10B、10C、50、50A、80、80A、80B 中的某一个，则可以是任意的结构。
[第5实施方式]
图23是示出具备本实施方式的光电转换元件的太阳光发电系统的结构的概略图。参照图23，太阳光发电系统1100具备光电转换模块阵列1101、连接箱1102、功率调节器1103、配电板1104和电力计1105。
连接箱1102与光电转换模块阵列1101连接。功率调节器1103与连接箱1102连接。配电板1104与功率调节器1103以及电气设备1110 连接。电力计1105与配电板1104以及商用电力系统连接。
光电转换模块阵列1101将太阳光转换为电而产生直流电力，将该产生的直流电力供给到连接箱1102。
连接箱1102接受光电转换模块阵列1101产生的直流电力，并将其接受的直流电力供给到功率调节器1103。
功率调节器1103将从连接箱1102接受的直流电力转换成交流电力，将该转换得到的交流电力供给到配电板1104。
配电板1104将从功率调节器1103接受的交流电力以及/或者经由电力计1105而接受的商用电力供给到电气设备1110。另外，配电板 1104在从功率调节器1103接受的交流电力多于电气设备1110的消耗电力时，经由电力计1105将多余的交流电力供给到商用电力系统。
电力计1105对从商用电力系统向配电板1104的方向的电力进行计测，并且对从配电板1104向商用电力系统的方向的电力进行计测。
图24是示出图23所示的光电转换模块阵列1101的结构的概略图。参照图24，光电转换模块阵列1101包括多个光电转换模块1120 和输出端子1121、1122。
多个光电转换模块1120阵列状地配列并且串联连接。多个光电转换模块1120分别由图22所示的光电转换模块1000构成。
输出端子1121与位于串联连接的多个光电转换模块1120的一端的光电转换模块1120连接。
输出端子1122与位于串联连接的多个光电转换模块1120的另一端的光电转换模块1120连接。
说明太阳光发电系统1100中的动作。光电转换模块阵列1101将太阳能转换为电而产生直流电力，经由连接箱1102将该产生的直流电力供给到功率调节器1103。
功率调节器1103将从光电转换模块阵列1101接受的直流电力转换成交流电力，将该转换得到的交流电力供给到配电板1104。
配电板1104在从功率调节器1103接受的交流电力为电气设备 1110的消耗电力以上时，将从功率调节器1103接受的交流电力供给到电气设备1110。然后，配电板1104经由电力计1105将多余的交流电力供给到商用电力系统。
另外，配电板1104在从功率调节器1103接受的交流电力少于电气设备1110的消耗电力时，将从商用电力系统接受的交流电力以及从功率调节器1103接受的交流电力供给到电气设备1110。
太阳光发电系统1100如上所述，具备元件特性提高的光电转换元件10、10A、10B、10C、50、50A、80、80A、80B中的某一个。因此，能够提高太阳光发电系统1100的性能。
此外，第5实施方式的太阳光发电系统不限于图23、24所示的结构，只要是使用光电转换元件10、10A、10B、10C、50、50A、80、 80A、80B中的某一个，则可以是任意的结构。
[第6实施方式]
图25是示出具备本实施方式的光电转换元件的太阳光发电系统的结构的概略图。参照图25，太阳光发电系统1200具备子系统1201～ 120n(n是2以上的整数)、功率调节器1211～121n和变压器1221。太阳光发电系统1200是规模比图23所示的太阳光发电系统1100大的太阳光发电系统。
功率调节器1211～121n分别与子系统1201～120n连接。
变压器1221与功率调节器1211～121n以及商用电力系统连接。
子系统1201～120n分别由模块系统1231～123j(j是2以上的整数)构成。
模块系统1231～123j分别包括光电转换模块阵列1301～130i(i 是2以上的整数)、连接箱1311～131i和集电箱1321。
光电转换模块阵列1301～130i分别由与图24所示的光电转换模块阵列1101相同的结构构成。
连接箱1311～131i分别与光电转换模块阵列1301～130i连接。
集电箱1321与连接箱1311～131i连接。另外，子系统1201的j 个集电箱1321与功率调节器1211连接。子系统1202的j个集电箱1321 与功率调节器1212连接。以下，同样地，子系统120n的j个集电箱 1321与功率调节器121n连接。
模块系统1231的i个光电转换模块阵列1301～130i将太阳能转换为电而产生直流电力，并分别经由连接箱1311～131i将其产生的直流电力供给到集电箱1321。模块系统1232的i个光电转换模块阵列 1301～130i将太阳能转换为电而产生直流电力，并分别经由连接箱 1311～131i将其产生的直流电力供给到集电箱1321。以下，同样地，模块系统123j的i个光电转换模块阵列1301～130i将太阳能转换为电而产生直流电力，并分别经由连接箱1311～131i将其产生的直流电力供给到集电箱1321。
然后，子系统1201的j个集电箱1321将直流电力供给到功率调节器1211。
子系统1202的j个集电箱1321同样地将直流电力供给到功率调节器1212。
以下，同样地，子系统120n的j个集电箱1321将直流电力供给到功率调节器121n。
功率调节器1211～121n分别将从子系统1201～120n接受的直流电力转换成交流电力，并将该转换得到的交流电力供给到变压器1221。
变压器1221从功率调节器1211～121n接受交流电力，转换该接受的交流电力的电压电平并供给到商用电力系统。
太阳光发电系统1200如上所述，具备元件特性提高的光电转换元件10、10A、10B、10C、50、50A、80、80A、80B中的某一个。因此，能够提高太阳光发电系统1200的性能。
此外，第6实施方式的太阳光发电系统不限于图25所示的结构，只要是使用光电转换元件10、10A、10B、10C、50、50A、80、80A、 80B中的某一个，则可以是任意的结构。
以上，详细叙述了本发明的实施方式，但它们只不过是例示，本发明不受上述实施方式的任何限定。
例如，在第1实施方式中，硅基板12也可以是p型的单晶硅基板。在这种情况下，在硅基板12的面内方向上p型非晶态硅层20p的宽度尺寸优选小于n型非晶态硅层20n的宽度尺寸。这对于应用例1～3也是同样的。
在第1实施方式中，硅基板12的受光面侧的纹理构造以及背面侧的纹理构造不是必需的结构要素。这对于应用例1～3也是同样的。
在第1实施方式中，钝化膜14以及防反射膜16不是必需的结构要素。这对于应用例1～3也是同样的。
在第1实施方式中，也可以在硅基板12的受光面侧形成高浓度区域。高浓度区域是以比硅基板12高的浓度掺杂了与硅基板12具有相同的导电类型的杂质的区域。高浓度区域作为FSF(Front Surface Field，前表面场)而发挥功能。这对于应用例1～3也是同样的。

Claims (14)

1.一种光电转换元件，其特征在于，
具备：半导体基板；
包括第1导电类型的非晶态半导体的第1半导体层；
包括与所述第1导电类型相反的第2导电类型的非晶态半导体的第2半导体层；
形成于所述第1半导体层上的第1电极；以及
形成于所述第2半导体层上的第2电极，
所述第1电极包括：
形成于所述第1半导体层上的第1透明导电层；以及
形成于所述第1透明导电层上的第1金属层，
所述第1金属层包括多个金属晶粒，
所述第1金属层的面内方向上的所述金属晶粒的平均晶体粒径与所述第1金属层的厚度的比大于1。
2.一种光电转换元件，其特征在于，
具备：半导体基板；
包括第1导电类型的非晶态半导体的第1半导体层；
包括与所述第1导电类型相反的第2导电类型的非晶态半导体的第2半导体层；
形成于所述第1半导体层上的第1电极；以及
形成于所述第2半导体层上的第2电极，
所述第1电极包括：
形成于所述第1半导体层上的第1透明导电层；以及
形成于所述第1透明导电层上的第1金属层，
所述第1金属层包括多个金属晶粒，
所述第1导电类型是n型，
所述第1金属层的面内方向上的所述金属晶粒的平均晶体粒径与所述第1金属层的厚度的比大于1且小于3.33。
3.一种光电转换元件，其特征在于，
具备：半导体基板；
包括第1导电类型的非晶态半导体的第1半导体层；
包括与所述第1导电类型相反的第2导电类型的非晶态半导体的第2半导体层；
形成于所述第1半导体层上的第1电极；以及
形成于所述第2半导体层上的第2电极，
所述第1电极包括：
形成于所述第1半导体层上的第1透明导电层；以及
形成于所述第1透明导电层上的第1金属层，
所述第1金属层包括多个金属晶粒，
所述第1导电类型是p型，
所述第1金属层的面内方向上的所述金属晶粒的平均晶体粒径与所述第1金属层的厚度的比大于1且为3.3以下。
4.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，
所述第2电极包括多个金属晶粒，所述金属晶粒的与所述半导体基板的厚度方向平行的晶体轴择优取向于<111>方向。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的光电转换元件，其特征在于，
所述第1电极由以银作为主要成分的金属膜构成。
6.根据权利要求1～4中的任意一项所述的光电转换元件，其特征在于，
所述第1半导体层以及所述第2半导体层形成于所述半导体基板的与受光面相反一侧的背面。
7.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，
所述第1导电类型是n型，
所述平均晶体粒径为所述第1金属层的厚度的2.85倍以下。
8.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，
所述第1导电类型是n型，
所述平均晶体粒径为所述第1金属层的厚度的1.55倍以上且2.85倍以下。
9.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，
所述第1导电类型是p型，
所述平均晶体粒径为所述第1金属层的厚度的1.03倍以上且2.95倍以下。
10.根据权利要求1所述的光电转换元件，其特征在于，
所述第1导电类型是p型，
所述平均晶体粒径为所述第1金属层的厚度的1.53倍以上且2.15倍以下。
11.根据权利要求1～4中的任意一项所述的光电转换元件，其特征在于，
所述第2电极包括：
形成于所述第2半导体层上的第2透明导电层；以及
形成于所述第2透明导电层上的第2金属层，
所述第2金属层包括多个金属晶粒，
所述第2电极与所述第2半导体层的接触面积为所述第1电极与所述第1半导体层的接触面积的1倍以上，
所述第1金属层中的金属晶粒的平均晶体粒径与所述第2金属层中的金属晶粒的平均晶体粒径的平均值为所述第1金属层以及所述第2金属层的厚度的1.03倍以上且2.15倍以下。
12.根据权利要求1～4中的任意一项所述的光电转换元件，其特征在于，
所述第1导电类型的非晶态半导体是氢化非晶硅。
13.一种光电转换模块，其特征在于，
包括至少一个的权利要求1～4中的任意一项所述的光电转换元件。
14.一种太阳光发电系统，其特征在于，
包括至少一个的权利要求13所述的光电转换模块。
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