JP2008112843A - 単結晶シリコン太陽電池の製造方法及び単結晶シリコン太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 単結晶シリコン基板に水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入する工程と、前記イオン注入面を貼り合わせ面として、前記単結晶シリコン基板を、透明導電性接着剤を介して透明絶縁性基板と密着させる工程と、前記透明導電性接着剤を硬化させて透明導電性膜とすると共に、前記単結晶シリコン基板と前記透明絶縁性基板とを貼り合わせる工程と、前記イオン注入層に衝撃を与えて前記単結晶シリコン基板を機械的に剥離して、単結晶シリコン層とする工程と、前記単結晶シリコン層にpn接合を形成する工程とを含む単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
【選択図】 図1
Description
また、単結晶シリコン基板と透明絶縁性基板を、透明導電性接着剤を用いて貼り合わせるため、両者を強固に貼り合わせることができる。従って、結合力を高める高温熱処理を施さなくても十分に強固な接合となる。また、このように接合面が強固に接合しているので、その後イオン注入層に衝撃を与えて単結晶シリコン基板を機械的に剥離し、透明絶縁性基板上に薄い単結晶シリコン層を形成することができる。従って、剥離のための熱処理を行なわなくても単結晶シリコン層の薄膜化ができる。
また、単結晶シリコン層の形成のための単結晶シリコン基板の剥離を、加熱によらず機械剥離によって行うので、光変換層に熱膨張率の相違に基づく亀裂や欠陥が導入されることを抑制することができる。
また、シリコン層の薄い薄膜太陽電池とするので、珪素原料を節約し、有効に利用することができる。
このように、透明絶縁性基板を、石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラスのいずれかとすれば、これらは光学的特性が良好な透明絶縁性基板であり、シースルー型単結晶シリコン太陽電池を容易に製造できる。また、製造した単結晶シリコン太陽電池を既存の窓ガラス等と置換することも容易になる。
このように、透明導電性接着剤を、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムのうち少なくとも一種を含有し、ドナー形成用添加材料を含有するものとすれば、面抵抗が低く、単結晶シリコン太陽電池の変換光である可視光付近の透過率が高い透明導電性膜とすることができる。
このように、透明導電性接着剤を、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、脂環式アクリル樹脂、液晶ポリマー、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのうち少なくとも一種を含有するものとすれば、これらは接着剤としての機能を有し、可視光透過性に優れるため、良好な透明導電性膜を形成することができる。
このように、イオン注入の深さを、イオン注入面から0.1μm以上5μm以下とすることにより、製造される単結晶シリコン太陽電池の光変換層としての単結晶シリコン層の厚さをおよそ0.1μm以上5μm以下とすることができる。そして、このような厚さの単結晶シリコン層を有する単結晶シリコン太陽電池であれば、薄膜単結晶シリコン太陽電池として実用的な効率が得られるとともに、使用する珪素原料の量を節約できる。また、このような厚さの単結晶シリコン層を有する単結晶シリコン太陽電池であれば、確実に一部可視光を透過することができる。
このように、上記のいずれかの単結晶シリコン太陽電池の製造方法によって製造された単結晶シリコン太陽電池であれば、光変換層としての単結晶シリコン層の形成を、単結晶シリコン基板から剥離することによって行い、単結晶シリコン層の剥離を、加熱によらず機械剥離によって行ったものであるので、結晶性の高い単結晶シリコン層とすることができる。そのため、膜厚に比して変換効率が高い薄膜太陽電池とすることができる。また、単結晶シリコン層の厚さが薄い薄膜太陽電池であるので、珪素原料を有効に利用することができる。
このように、透明絶縁性基板が、石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラスのいずれかであれば、これらは光学的特性が良好な透明絶縁性基板であるので、透明度の高いシースルー型単結晶シリコン太陽電池とすることができる。また、製造した単結晶シリコン太陽電池を既存の窓ガラス等と置換することも容易である。
このように、透明導電性膜が、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムのうち少なくとも一種を含有し、ドナー形成用添加材料を含有するものであれば、面抵抗が低く、単結晶シリコン太陽電池の変換光である可視光付近の透過率が高い透明導電性膜とすることができる。
このように、前記透明導電性膜は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、脂環式アクリル樹脂、液晶ポリマー、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのうち少なくとも一種を含有するものであれば、これらは可視光透過性に優れるため、良好な透明導電性膜とすることができる。
このように、単結晶シリコン層の膜厚が、0.1μm以上5μm以下であれば、薄膜単結晶シリコン太陽電池として実用的な効率が得られるとともに、使用する珪素原料の量を節約できる。また、このような厚さの単結晶シリコン層を有する単結晶シリコン太陽電池であれば、確実に一部可視光を透過することができる。
このように、一方の面側から見たときに、他方の面側が透けて見える、透明な太陽電池であれば、既存の窓ガラス等と置換できるなど、様々な場面に応用することができる。
また、本発明に従う単結晶シリコン太陽電池であれば、透明絶縁性基板上に光変換層が配置されているシリコン太陽電池において、光変換層を単結晶シリコン層とした太陽電池であるので、膜厚に比して変換効率が高い太陽電池とすることができる。
図1は、本発明に係る単結晶シリコン太陽電池の製造方法の一例を示す工程図である。
単結晶シリコン基板としては特に限定されず、例えばチョクラルスキー法により育成された単結晶をスライスして得られたもので、例えば直径が100〜300mm、導電型がp型またはn型、抵抗率が0.1〜20Ω・cm程度のものを用いることができる。
また、透明絶縁性基板には石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラス等が選択される。これらに限定するものではないが、透明であり、窓ガラス材料に代替しうることを鑑みると上記のようなガラス材料が望ましい。また、透明絶縁性基板を、ガラス材料として汎用なソーダライムガラスとする場合には、その表面にディップコート法により酸化ケイ素皮膜或いは酸化スズ皮膜(ネサ膜)等を形成したものとしてもよい。これらの皮膜はソーダライムガラス中のアルカリ金属成分の表面への溶出及び拡散を防ぐバッファ膜として機能するため好ましい。
例えば、単結晶シリコン基板の温度を200〜450℃とし、その表面13から所望の単結晶シリコン層の厚さに対応する深さ、例えば0.1〜5μm以下の深さにイオン注入層14を形成できるような注入エネルギーで、所定の線量の水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入する。この場合、水素イオンは軽いために、同じ加速エネルギーにおいて、よりイオン注入面13からより深く注入されるために特に好ましい。水素イオンの電荷は正負のいずれでもよく、原子イオンの他、水素ガスイオンであってもよい。希ガスイオンの場合も電荷の正負はいずれでもよい。
また、単結晶シリコン基板の表面にあらかじめ薄いシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成しておき、それを通してイオン注入を行なえば、注入イオンのチャネリングを抑制する効果が得られる。
透明導電性接着剤としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウム等を含有し、これらの材料の導電性を高めるドナー形成用添加材料を含有する透明導電性材料が挙げられる。ドナー形成用添加材料としては、酸化インジウムにはスズを添加していわゆる酸化インジウムスズ(スズ添加酸化インジウム、ITO)とすることの他、酸化スズにはフッ素やアンチモン、酸化亜鉛にはガリウムやアルミニウムを添加することが一般的であるが、これらに限定されるものではなく、適宜設計される。そして、この透明導電性接着剤には、アクリル樹脂、脂環式アクリル樹脂、シリコーン樹脂、液晶ポリマー、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等の可視光透過性に優れる樹脂に上記の透明導電性材料の粒子をフィラーとして含有するものとすることが好ましい。その他、ポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレンスルホン酸(PEDOT/PSS)等の有機導電性ポリマーを用いることを選択することもできる。なお、透明導電性材料のフィラーとしては、上記の透明導電性材料粒子の他にもカーボン或いは銀のナノ粒子を選択することもできるが、この場合、透明度が比較的低いものとなる。使用される透明導電性接着剤は、これらに限定されるものではないが、面抵抗が100Ω/□以下であり、可視光の透過率が80%以上であることが好ましい。
具体的には、例えば、まず、単結晶シリコン基板と透明絶縁性基板の少なくとも一方の貼り合わせ面に、透明導電性接着剤層を形成する。この透明導電性接着剤層の形成には、スリットダイコート、ディップコート法等の塗布法などを選択することができる。次に、単結晶シリコン基板と透明絶縁性基板をこの透明導電性接着剤層を介して密着させる。
この透明導電性接着剤の硬化方法は特に限定されず、材料に合わせて適宜選択される。例えば、一旦250℃程度まで加熱して透明導電性接着剤を軟化させ、再び冷却する方法、溶剤を揮発させる方法等で透明導電性接着剤を硬化させて単結晶シリコン基板と透明絶縁性基板を強固に貼り合わせる。但し、この硬化処理は室温から250℃前後までの温度条件で行うものとし、300℃以上の熱処理は行わない。単結晶シリコン基板11と、透明絶縁性基板12を貼り合わせた状態で300℃以上の高温熱処理を行うと、両者の熱膨張係数の違いから、熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがあるためである。このように、300℃以上の高温熱処理を行わないようにすることは、後述する工程eの単結晶シリコン基板11の剥離転写が終了するまでは同様である。
本発明においてはイオン注入層に衝撃を与えて機械的剥離を行なうので、加熱に伴う熱歪、ひび割れ、剥離等が発生するおそれがない。イオン注入層に衝撃を与えるためには、例えばガスや液体等の流体のジェットを接合したウエーハの側面から連続的または断続的に吹き付ければよいが、衝撃により機械的剥離が生じる方法であれば特に限定はされない。
また、単結晶シリコン基板の剥離転写を行った後、単結晶シリコン層17の表面付近におけるイオン注入ダメージを回復するための熱処理を行ってもよい。この時点では既に単結晶シリコン基板11は剥離転写され、薄膜の単結晶シリコン層17となっているため、表面付近の局所的な熱処理を300℃以上で行っても亀裂やそれに伴う欠陥は新たにほとんど導入されない。また、このことは以降の工程でも同様である。
工程aで用意した単結晶シリコン基板11がp型単結晶シリコンであった場合には、n型の拡散層を、n型の単結晶シリコンであった場合には、p型の拡散層を形成する。第二導電型の拡散層の形成方法は例えば以下のようにすることができる。工程aで用意した単結晶シリコン基板11がp型であった場合には、単結晶シリコン層17の表面にリンの元素イオンをイオン注入法で注入し、これに、フラッシュランプアニールまたは単結晶シリコン層表面での吸収係数の高い紫外線、深紫外線のレーザー照射等を行い、ドナーの活性化処理を行うことでpn接合を形成することができる。このようなpn接合は、ドナーを形成するリンを含むペースト状の組成物を作成し、これを単結晶シリコン層17表面に塗布し、これをフラッシュランプアニールまたは単結晶シリコン層表面での吸収係数の高い紫外線、深紫外線のレーザー照射、赤外線加熱炉等で拡散処理を行うことであってもよい。
なお、このようにしてpn接合を形成した後、例えばタッチポリッシュと呼ばれる研磨代が5〜400nmと極めて少ない研磨を行ってもよい。
拡散処理をした表面に、金属または透明導電性材料を用いて、真空蒸着法または化成スパッタ法等により線状等の電極を形成することで、電極である透明導電性膜16の対極となる電極23を形成する。さらに、金属を含んだ導電性ペーストを用いて印刷法により集電電極を形成することもできる。この集電電極形成用組成物の硬化は前記のフラッシュランプアニールや赤外線加熱法等によって行われる。本発明に係る単結晶シリコン太陽電池を確実に一方の面側から見たときに他方の面側が透けて見えるものである構造とするために、金属の電極を形成する場合は、電極面積を光受光面全体の80%以下、より好ましくは50%以下にするのが良い。透明導電性膜を形成する場合は全面に形成してもよい。また、集電電極は透明絶縁基板の端部に形成するものであってもよい。
また、電極23形成後、窒化珪素等の保護膜等をさらに形成してもよい。
単結晶シリコン層17が0.1μm以上5μmであれば、薄膜単結晶シリコン太陽電池として実用的な効率が得られるとともに、使用する珪素原料の量を節約できる。また、このような厚さの単結晶シリコン層を有する単結晶シリコン太陽電池であれば、確実に一部可視光を透過して透明とすることができる。
また、本発明に係る単結晶シリコン太陽電池31は、一方の面側から見たときに他方の面側が透けて見えるものとすることができ、この場合、受光面は透明絶縁性基板12側と電極23側のいずれとすることもできる。
単結晶シリコン基板11として、一方の面が鏡面研磨された直径200mm(8インチ)、結晶面(100)、p型、面抵抗15Ωcmの単結晶シリコン基板を用意した。また、透明絶縁性基板12として、直径200mm(8インチ)、厚さ2.5mmの石英ガラス基板を用意した(工程a)。
次に、単結晶シリコン基板11に、加速電圧350keVで水素プラスイオンをドーズ量1.0×1017/cm2の条件で注入した(工程b)。イオン注入層14の深さはイオン注入面13からおよそ3μmとなった。
この貼り合せ基板を250℃で2時間加熱処理後、室温に戻すことによって透明導電性接着剤15を硬化させて透明導電性膜16とすると共に、単結晶シリコン11と石英ガラス基板12を強固に貼り合わせた(工程d)。
この拡散ペーストを弗酸及びアセトン、イソプロピルアルコールで除去洗浄後、真空蒸着法及びパターニング法により銀電極23を形成した(工程g)。その後、さらに銀の集電電極パターンを金属マスクを用いて真空蒸着法により形成した。その後、取り出し電極部分を除いた表面を反応性スパッタ法により窒化珪素の保護皮膜を形成した。
このようにして製造した単結晶シリコン太陽電池に、ソーラーシュミレーターによりAM1.5で100mW/cm2の光を照射し、変換効率を求めた。変換効率は7%であり、経時変化はなかった。
また、この太陽電池を透かして晴天時の日中において、室外から外光を取り入れ、室外を覗くと、室外の様子を見ることが出来た。
13…イオン注入面、 14…イオン注入層、
15…透明導電性接着剤、 16…透明導電性膜、
17…単結晶シリコン層、
21…第一導電型シリコン層、 22…第二導電型シリコン層、
23…電極、
31…単結晶シリコン太陽電池。
Claims (12)
- 透明絶縁性基板上に、光変換層として単結晶シリコン層が配置されている単結晶シリコン太陽電池を製造する方法であって、少なくとも、
透明絶縁性基板と第一導電型の単結晶シリコン基板とを用意する工程と、
前記単結晶シリコン基板に水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一方を注入して、イオン注入層を形成する工程と、
前記イオン注入面を貼り合わせ面として、前記単結晶シリコン基板を、透明導電性接着剤を介して前記透明絶縁性基板と密着させる工程と、
前記透明導電性接着剤を硬化させて透明導電性膜とすると共に、前記単結晶シリコン基板と前記透明絶縁性基板とを貼り合わせる工程と、
前記イオン注入層に衝撃を与えて前記単結晶シリコン基板を機械的に剥離して、単結晶シリコン層とする工程と、
前記単結晶シリコン層に前記第一導電型とは異なる導電型である第二導電型の拡散層を形成してpn接合を形成する工程と、
前記単結晶シリコン層上に電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする単結晶シリコン太陽電池の製造方法。 - 前記透明絶縁性基板を、石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラスのいずれかとすることを特徴とする請求項1に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
- 前記透明導電性接着剤を、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムのうち少なくとも一種を含有し、ドナー形成用添加材料を含有するものとすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
- 前記透明導電性接着剤を、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、脂環式アクリル樹脂、液晶ポリマー、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのうち少なくとも一種を含有するものとすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
- 前記イオン注入の深さを、イオン注入面から0.1μm以上5μm以下とすることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法によって製造された単結晶シリコン太陽電池。
- 少なくとも、透明絶縁性基板と、透明導電性膜と、pn接合が形成された単結晶シリコン層と、電極とが順次積層されたものであることを特徴とする単結晶シリコン太陽電池。
- 前記透明絶縁性基板は、石英ガラス、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダライムガラスのいずれかであることを特徴とする請求項7に記載の単結晶シリコン太陽電池の製造方法。
- 前記透明導電性膜は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムのうち少なくとも一種を含有し、ドナー形成用添加材料を含有するものであることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の単結晶シリコン太陽電池。
- 前記透明導電性膜は、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、脂環式アクリル樹脂、液晶ポリマー、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのうち少なくとも一種を含有するものであることを特徴とする請求項7ないし請求項9のいずれか一項に記載の単結晶シリコン太陽電池。
- 前記単結晶シリコン層の膜厚は、0.1μm以上5μm以下であることを特徴とする請求項7ないし請求項10のいずれか一項に記載の単結晶シリコン太陽電池。
- 前記単結晶シリコン太陽電池は、一方の面側から見たときに、他方の面側が透けて見えるものであることを特徴とする請求項6ないし請求項11のいずれか一項に記載の単結晶シリコン太陽電池。
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