JP2006019481A

JP2006019481A - 薄膜太陽電池の製造方法およびその方法により製造した薄膜太陽電池

Info

Publication number: JP2006019481A
Application number: JP2004195443A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimizu; 彰清水
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】薄膜太陽電池の製造工程数の増加を最小限に抑えつつ、テクスチャを作成し、太陽電池の電流-電圧特性を改善する。
【解決手段】本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、第１の局面によれば、シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、非晶質層と結晶層のエッチング速度の違いを利用して光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする。また、本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、第２の局面によれば、シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、異方性エッチングにより光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜太陽電池において、エッチングによりテクスチャを作成することによって光閉じ込め効果を改善し、光電流を増やし、電流−電圧特性を改善した太陽電池に関する。

薄膜太陽電池のうち、特にシリコン系半導体の微結晶薄膜または多結晶薄膜を用いた薄膜太陽電池は、光電変換層が薄いため、バルク結晶型の太陽電池に比べ光を吸収しにくい。したがって、薄膜太陽電池でバルク結晶型太陽電池と同様の長い光路長を確保し、光吸収量を増やすには、光閉じ込め構造の作成が重要である。

光閉じ込め構造としては、一般に、光電変換層の前後、または光電変換層の前後にある電極もしくは透明基板に凹凸を付けて光を散乱させる方法がよく用いられる。特に薄膜太陽電池では、基板または基板上の電極にテクスチャを作成し、その上に光電変換層を形成することにより光閉じ込め構造を得る方法が広く用いられている。

しかしながら、そのような方法では、光電変換層の形成に先立って、テクスチャが作成されるため、テクスチャが作成されるのは主に光電変換層の基板側になる。よって、基板の反対側から光を入射するサブストレイト型薄膜太陽電池では、光電変換層と表面透明電極との界面のテクスチャが作成しづらいという問題がある。また、基板側から光を入射するスーパーストレイト型薄膜太陽電池では、光電変換層の裏面のテクスチャが作成しづらいという問題がある。

このような問題に対し、光電変換層を形成する際に、半導体層の表面に水などの微粒子を付着させ、付着した微粒子をマスクとして、微粒子の付着していない部分をプラズマエッチングすることにより、テクスチャを作成する方法がある（特許文献１参照）。しかし、かかる方法では、マスクの作成が必要となるため、工程数が増えるという問題がある。
特開２０００−１９６１１８号公報

本発明の課題は、薄膜太陽電池の製造工程数の増加を最小限に抑えつつ、テクスチャを作成し、太陽電池の電流−電圧特性を改善することにある。

本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、第１の局面によれば、シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、非晶質層と結晶層のエッチング速度の違いを利用して光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする。

本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、第２の局面によれば、シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、異方性エッチングにより光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする。

本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、第３の局面によれば、シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、非晶質層と結晶層のエッチング速度の違いを利用したエッチングと異方性エッチングにより光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする。

エッチングは、酸性またはアルカリ性の水溶液により行なうのが好ましい。また、光電変換層が、非晶質シリコン薄膜と、微結晶シリコン薄膜と、多結晶シリコン薄膜と、シリコンゲルマまたはシリコンカーバイドの微結晶薄膜と、シリコンゲルマまたはシリコンカーバイドの多結晶薄膜とからなる群より選ばれる少なくとも１の薄膜により形成されている態様においても、本発明の薄膜太陽電池の製造方法は有効である。

本発明の薄膜太陽電池は、かかる方法により製造したことを特徴とし、光電変換層が、ｐｎ接合および／またはｐｉｎ接合を複数有する多接合型薄膜太陽電池においても有効である。

本発明によれば、入射光の表面反射が少なく、光閉じ込め効果の大きい薄膜太陽電池を提供することができる。

本発明の薄膜太陽電池の製造方法は、シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、非晶質層と結晶層のエッチング速度の違いを利用して光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする。

非晶質シリコン層のみでは、エッチングによりテクスチャは形成されないが、微結晶などの結晶層を含むシリコン層では、結晶層より非晶質層の方がエッチング速度が速いため、エッチング後はエッチング前に比べ、より大きな凹凸が薄膜表面に形成される。したがって、光閉じ込めに有効なテクスチャ構造を形成することができ、バルク結晶型と同様の長い光路長を確保し、光吸収量を増加させて、製造工程を増やすことなく、電流−電圧特性を改善することが可能である。

本発明の薄膜太陽電池の製造方法の別の態様は、シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、異方性エッチングにより光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする。上述のとおり、非晶質シリコン層のみでは、エッチングによりテクスチャは形成されないが、結晶層を含むシリコン層では、結晶層の配向方向によりエッチング速度が異なるため、エッチング後はエッチング前に比べて、より大きな凹凸が薄膜表面に形成され、光閉じ込めに有効なテクスチャ構造の形成が可能である。

本発明の薄膜太陽電池の製造方法の別の態様は、シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、非晶質層と結晶層のエッチング速度の違いを利用したエッチングと異方性エッチングにより光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする。非晶質層と結晶層のエッチング速度の違いを利用したエッチングと異方性エッチングの双方を利用して、テクスチャを作成し、光吸収量を増加させることができる。

エッチングは、酸性またはアルカリ性水溶液により行なうのが好ましく、使用する水溶液の１例として水酸化ナトリウム水溶液を挙げることができる。水酸化ナトリウム水溶液の濃度は、飽和濃度〜０．０１ｍｏｌ／Ｌが好ましく、１０ｍｏｌ／Ｌ〜０．１ｍｏｌ／Ｌがより好ましい。所望するテクスチャの大きさに応じて、水酸化ナトリウムの濃度とエッチング時間を調整するのが望ましい。

光電変換層が、非晶質シリコン薄膜と、微結晶シリコン薄膜と、多結晶シリコン薄膜と、シリコンゲルマまたはシリコンカーバイドの微結晶薄膜と、シリコンゲルマまたはシリコンカーバイドの多結晶薄膜とからなる群より選ばれる少なくとも１の薄膜により形成されている態様においても、本発明の薄膜太陽電池の製造方法は有効であり、光閉じ込め構造を形成し、光吸収量を増加させることができる。

本発明の方法により製造した薄膜太陽電池を、図１（ｅ）、図２（ｅ）および図３（ｅ）に示す。図１（ｅ）は、本発明のスーパーストレイト型薄膜太陽電池の典型的な例を示す。この太陽電池は、透明な基板１１上に、透明電極１２、ｐ層１３、ｉ層１４ａ、ｎ層１５、裏面電極１６を有する。ｐ層１３、ｉ層１４ａとｎ層１５は光電変換層であり、エッチングによりｉ層１４ａはテクスチャ構造を有する。

図２（ｅ）は、本発明のサブストレイト型薄膜太陽電池の典型的な例を示す。この太陽電池は、基板２１上に、裏面電極２６、ｎ層２５、ｉ層２４ａ、ｐ層２３、透明電極２２を有する。エッチングによりｉ層２４ａはテクスチャ構造を有する。また、図３（ｅ）は、本発明のスーパーストレイトタンデム型薄膜太陽電池の典型的な例を示す。この太陽電池は、透明な基板３１上に、透明電極３２、ｐ層３３ａ、ｉ層３４ａ、ｎ層３５ａ、ｐ層３３ｂ、ｉ層３４ｃ、ｎ層３５ｂ、裏面電極３６を有する。エッチングによりｉ層３４ｃはテクスチャ構造を有する。

図１（ｅ）と図２（ｅ）には光電変換層を一組だけ含むシングルジャンクション型薄膜太陽電池を例示し、図３（ｅ）には光電変換層を二つ含むタンデム型太陽電池を例示するが、シングルジャンクション型でもタンデム型でも、本発明は有効であり、光電変換層の数は１つ以上であればいくつでもよい。

また、本発明は、ドープ層の種類、素材および各光電変換層間の接合層の有無などに拘わりなく有効であり、本発明を適用する光電変換層の構造としてはｐｉｎ構造、ｐｐ⁻ｎ構造、ｐｎ⁻ｎ構造、ｐｎ⁻構造、ｐ⁻ｎ構造のいずれでもよいが、これらの構造のうち、ｉ層、ｐ⁻層またはｎ⁻層は、テクスチャを作成するのに十分な厚さを有する必要がある。

たとえば、ｐｉｎ構造を有する微結晶シリコン薄膜太陽電池の場合、微結晶シリコン薄膜により吸収可能な波長３００ｎｍ〜１２００ｎｍの光を閉じ込めるためには、テクスチャとして、凹凸の高低差が１００ｎｍ以上必要であり、より好ましくは凹凸の高低差が５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。したがって、そのようなテクスチャを作成するためには、ｉ層の厚さは５００ｎｍ以上あることが望ましい。

実施形態１
図１に、シングルジャンクション型のスーパーストレイト型薄膜太陽電池の製造工程を示す。まず、図１（ａ）に示すように、透明な基板１１上に透明電極１２を形成する。つぎに、図１（ｂ）に示すように、光電変換層のうちｐ層１３とｉ層１４を形成する。たとえば、ＳｎＯ₂透明電極付きガラス基板を用い、プラズマＣＶＤ法により、ｐ型微結晶シリコンとｉ型微結晶シリコンを形成する。ｉ層１４は、後からエッチングされることを考慮してその分厚く形成する。

つづいて、図１（ｃ）に示すように、水酸化ナトリウム水溶液に漬けて、ウェットエッチングし、ｉ層１４の一部をエッチングし、テクスチャを作成する。水酸化ナトリウム水溶液の濃度は、飽和濃度〜０．０１ｍｏl／Ｌとし、テクスチャの大きさに応じて濃度とエッチング時間を調整する。非晶質シリコンのみのｉ層では、このようなエッチングによりテクスチャは形成されないが、微結晶などの結晶層を含むｉ層の場合は、結晶層より非晶質層の方がエッチング速度が速く、また、結晶層も配向方向によりエッチング速度が違うため、エッチングによりエッチング前に比べてより大きな凹凸が薄膜表面に形成され、光閉じ込めに有効なテクスチャ構造の形成が可能である。

エッチング終了後、洗浄し、乾燥し、エッチングされたｉ層１４ａ上に、プラズマＣＶＤ法にてｉ層（図示していない。）を薄く形成する。つぎに、図１（ｄ）に示すように、ｎ層１５を形成する。エッチング後にさらにｉ層を形成するのは、エッチング後の表面はエッチングにより欠陥密度が高くなっているので、水素または非晶質シリコンによりパッシベーションし、欠陥を減らすのが目的である。最後に、図１（ｅ）に示すように、スパッタ法で裏面電極１６を形成すると、本発明のスーパーストレイトシングルジャンクション型太陽電池が得られる。

実施形態２
図２に、シングルジャンクション型のサブストレイト型薄膜太陽電池の製造工程を示す。まず、図２（ａ）に示すように、基板２１上に裏面電極２６を形成する。つぎに、図２（ｂ）に示すように、光電変換層のうちｎ層２５とｉ層２４を形成する。たとえば、Ａｇ電極付きガラス基板を用い、プラズマＣＶＤ法によりｎ型微結晶シリコンとｉ型微結晶シリコンを形成する。ｉ層は、後からエッチングされることを考慮してその分厚く形成する。

それから、図２（ｃ）に示すように、水酸化ナトリウム水溶液に漬けてウェットエッチングし、ｉ層２４の一部を除去し、テクスチャを作成する。エッチング終了後、洗浄し、乾燥し、エッチング後のｉ層２４ａ上に、プラズマＣＶＤ法にてｉ層（図示していない。）を薄く形成する。つぎに、図２（ｄ）に示すように、ｐ層２３を形成する。

最後に、図２（ｅ）に示すように、スパッタ法で透明電極２２を形成すると、本発明のサブストレイトシングルジャンクション型太陽電池が得られる。光電変換層表面のテクスチャ構造が透明電極表面にも反映され、テクスチャによる反射防止の効果が期待できる。また、テクスチャの形状を制御することにより、光電変換層／透明導電膜界面での反射の低減にも効果が期待できる。

実施形態３
図３に、タンデム型のスーパーストレイト型薄膜太陽電池の製造工程を示す。まず、図３（ａ）に示すように、ガラスなどの透明な基板３１上に、ＳｉＯ₂などからなる透明電極３２を形成し、つづいて、プラズマＣＶＤ法により、光電変換層であるｐ層３３ａとｉ層３４ａとｎ層３５ａを形成する。

つぎに、タンデム型太陽電池とするため、図３（ｂ）に示すように、ｎ層３５ａ上に、ｐ層３３ｂとｉ層３４ｂを形成する。ｉ層は、その後のエッチングを考慮して厚く形成する。つづいて、図３（ｃ）に示すように、水酸化ナトリウム水溶液に漬けて、ウェットエッチングし、ｉ層３４ｂの一部をエッチングし、テクスチャを作成する。

エッチング終了後、洗浄し、乾燥し、エッチングされたｉ層３４ｃ上に、プラズマＣＶＤ法にてｉ層（図示していない。）を薄く形成する。つぎに、図３（ｄ）に示すように、ｎ層３５ｂを形成する。エッチング後にさらにｉ層を形成するのは、水素または非晶質シリコンによりパッシベーションし、欠陥を減らすためである。最後に、図３（ｅ）に示すように、スパッタ法で裏面電極３６を形成すると、本発明のスーパーストレイトダンデム型太陽電池が得られる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

製造工程数を増やすことなく、電流−電圧特性に優れた太陽電池を提供することができる。

本発明のスーパーストレイト型微結晶薄膜太陽電池の製造方法を示す工程図である。本発明のサブストレイト型微結晶薄膜太陽電池の製造方法を示す工程図である。本発明のスーパーストレイトタンデム型微結晶薄膜太陽電池の製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１１，２１，３１基板、１２，２２，３２透明電極、１３，２３，３３ａ，３３ｂｐ層、１４，２４，３４ａ，３４ｂｉ層、１５，２５，３５ａ，３５ｂｎ層、１６，２６，３６裏面電極。

Claims

シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、非晶質層と結晶層のエッチング速度の違いを利用して光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、異方性エッチングにより光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
シリコン薄膜太陽電池の光電変換層形成時に、非晶質層と結晶層のエッチング速度の違いを利用したエッチングと異方性エッチングにより光電変換層の一部をエッチングし、テクスチャを作成する工程を備えることを特徴とする薄膜太陽電池の製造方法。
前記エッチングは、酸性またはアルカリ性の水溶液によるエッチングであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法。
前記光電変換層は、非晶質シリコン薄膜と、微結晶シリコン薄膜と、多結晶シリコン薄膜と、シリコンゲルマまたはシリコンカーバイドの微結晶薄膜と、シリコンゲルマまたはシリコンカーバイドの多結晶薄膜とからなる群より選ばれる少なくとも１の薄膜により形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜太陽電池の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の方法により製造した薄膜太陽電池。
光電変換層が、ｐｎ接合および／またはｐｉｎ接合を複数有する請求項６に記載の薄膜太陽電池。